趙卓鈺 孫超偉

（西京學院 陜西省混凝土結構安全與耐久性重點實驗室，陜西 西安710123）

1 工程概況

某鉬礦排土場位于有左右兩個溝匯集成東溝的大溝內，屬三面環(huán)山，一面開口的山谷型地貌。場區(qū)總體地勢東高、西低，南北兩岸山勢較陡，最高點標高為+1040m、最低點標高為+710m，相對高差約330m。排土場目前采用高土高排、低土低排的汽推式順向排土的方式從左側溝向西南排，從右側溝向東北排，兩個溝內大部分為礦山剝采廢料之類的排土物料。東溝兩側山體垂高約300m，坡度一般約30°，局部達40°，該處現(xiàn)狀多被廢石掩蓋，已形成段高約40m、坡度約35°的人工地貌，為了排土場的安全使用，故采用極限平衡法較為準確地對排土場邊坡穩(wěn)定性進行分析。露天礦排土場及周邊環(huán)境如圖1 所示。

圖1 某鉬礦排土場及周邊環(huán)境圖

2 計算工況

本鉬礦排土場場地條件較為復雜，現(xiàn)狀排土場堆置高度約140.0m，排土場最終堆置高度210m，排土場穩(wěn)定性計算工況應根據(jù)重力、降雨及地下水、地震或爆破震動影響確定為自然工況、降雨及地下水工況、地震或爆破震動工況三種。本研究結合了河南汝陽露天排土場的實際情況，采用瑞典法、簡化Bishop法、Janbu 法和Morgenstern-Price 法這四種方法對不同剖面在三種工況下進行邊坡穩(wěn)定性分析。

3 計算模型

根據(jù)基本資料，針對邊坡潛在破壞模式，分別對東溝鉬礦排土場設計典型邊坡C-C＇ 剖面、D-D＇ 剖面和E-E＇ 剖面進行了整體穩(wěn)定性分析計算。設計典型剖面位置圖如圖2 所示、C-C＇ 剖面概化模型、D-D＇ 剖面概化模型、E-E＇ 剖面概化模型如圖3- 圖5 所示：

圖2 設計典型剖面位置圖

圖3 C-C＇剖面概化模型

圖4 D-D＇剖面概化模型

圖5 E-E＇剖面概化模型

本鉬礦排土場等級為一等，區(qū)域下游有村莊、居民區(qū)和工業(yè)場地，因此本次選取一等排土場安全標準上限值，即自然工況下其排土場安全穩(wěn)定性標準取1.30，降雨工況條件下其排土場安全穩(wěn)定性標準為1.25，地震工況條件下排土場安全穩(wěn)定性標準為1.20。

3.1 剖面工況一穩(wěn)定性計算結果與分析，計算結果如表1所示

如表1 所示，各剖面排土場邊坡在工況一（自然條件）下各方法計算的最小安全系數(shù)均大于1.50，都滿足規(guī)范所要求的1.30，故各剖面排土場邊坡整體穩(wěn)定性計算結果均滿足規(guī)范要求。對四種計算方法進行比較：Bishop 法測得的安全系數(shù)均大于對應剖面的其他三種方法測得的數(shù)據(jù)；Janbu 法測得的數(shù)據(jù)較對應的其他剖面的數(shù)據(jù)偏低。對三個剖面進行比較，四種計算方法下的E-E＇剖面的穩(wěn)定性系數(shù)均高于對應計算方法下的其他兩個剖面，但D-D＇剖面的穩(wěn)定性系數(shù)均低于對應計算方法下C-C＇剖面的穩(wěn)定性安全系數(shù)。

3.2 剖面工況二穩(wěn)定性計算結果與分析，計算結果如表2 所示

如表2 所示，各剖面排土場邊坡在工況二（降雨及地下水條件）下各方法計算的最小安全系數(shù)均大于1.50，都滿足規(guī)范所要求的1.25，故各剖面排土場邊坡整體穩(wěn)定性計算結果均滿足規(guī)范要求。對四種計算方法進行比較：三個剖面在四種計算方法下測得的穩(wěn)定性安全系數(shù)的結果所展現(xiàn)的趨勢大致相同，典條分法與Janbu 法測得的安全系數(shù)相差不大，Bishop 法所測得的安全系數(shù)均大于對應剖面的其他三種方法測得的數(shù)據(jù)，瑞典條分法所測得的安全系數(shù)均小于對應剖面的其他三種方法測得的數(shù)據(jù)。對三個剖面進行比較，C-C＇剖面在各計算方法下的穩(wěn)定性安全系數(shù)均高于對應計算方法下D-D＇剖面的數(shù)值，且均低于對應計算方法下E-E＇剖面的計算數(shù)值。

排土場是人工堆積體，其中地下水主要來源于大氣降雨，降雨入滲將改變排土場邊坡內地下水滲流場。地下水升高是一個緩慢過程，也是飽和- 非飽和降雨入滲運動過程。本鉬礦針對大氣降雨入滲條件下，對排土場進行了邊坡飽和- 非飽和的時效穩(wěn)定性分析，發(fā)現(xiàn)在大氣降雨入滲后，大量的降水易形成堆積體孔隙水及下滲將產生的靜水壓力和滲透壓力，會增加土體自重荷載，使邊坡體抗剪強度急劇降低，滑動面積范圍不斷擴大，排土場邊坡的穩(wěn)定性隨滲透飽和區(qū)的擴大而降低；待飽和區(qū)的孔隙水壓力逐漸消散，安全穩(wěn)定性又會提高。在此期間，土體淺層飽和區(qū)會向坡體內部擴張，內部的非飽和區(qū)由于降雨入滲逐漸飽和，導致土體邊角處容易由于長期浸泡產生破壞。降雨使土體飽和深度不斷增加，坡面容易形成張拉裂縫，待土體發(fā)生軟化后，坡體向坡角處發(fā)生位移，邊坡受到破壞后穩(wěn)定性會大大降低。

表1 工況一條件下各剖面計算結果

表2 工況二條件下各剖面計算結果

表3 工況三條件下各剖面計算結果

3.3 剖面工況三穩(wěn)定性計算結果與分析，計算結果如表3所示

如表3 所示，各剖面排土場邊坡在工況三（地震條件）下各方法計算的最小安全系數(shù)均大于1.30，都滿足規(guī)范所要求的1.20，故各剖面排土場邊坡整體穩(wěn)定性計算結果均滿足規(guī)范要求。對四種計算方法進行比較：三個剖面在四種計算方法下測得的穩(wěn)定性安全系數(shù)的結果所展現(xiàn)的趨勢大致相同，瑞典條分法、Janbu 法和Morgenstern-Price 法所計算得到的結果相差不大，Bishop 法所測得的安全系數(shù)均大于對應剖面的其他三種方法測得的數(shù)據(jù)。對三個剖面進行比較，C-C＇剖面在各計算方法下的穩(wěn)定性安全系數(shù)均高于對應計算方法下D-D＇剖面的數(shù)值，且均低于對應計算方法下E-E＇ 剖面的計算數(shù)值，但C-C＇剖面與D-D＇剖面的穩(wěn)定性安全系相差十分微小。

本場地屬于建筑抗震一般地段，地震基本烈度為Ⅵ度。Ⅰ區(qū)域場地類別為Ⅱ類，地震動反應譜特征周期為0.25s；Ⅱ區(qū)、Ⅲ區(qū)域場地類別為Ⅰ類，地震動反應譜特征周期為0.35s。地震對邊坡穩(wěn)定性，主要表現(xiàn)為砂土液化的可能性，以及水平地震加速度對邊坡穩(wěn)定性的影響，水平加速度越大，邊坡失穩(wěn)的概率就越大。本鉬礦不同加速度作用下的響應值不同，邊坡頂部可能會發(fā)生土體松動或形成拉裂縫，地震作用后易造成土體塑性變形破壞而引發(fā)邊坡在累積效應下導致失穩(wěn)。地震會使土體發(fā)生反復震蕩，邊坡處于拉剪狀態(tài)，強度會減弱，而土體在強度較小的荷載作用下會產生彈性變形，造成反復出現(xiàn)壓實和疏松的狀態(tài)，等孔隙水壓力升高，邊坡強度降低，上層的堆積土很可能沿著滑動面發(fā)生滑動，穩(wěn)定性就受到嚴重影響。

由表1- 表3 所示，三種工況下三個剖面在各個計算方法下的趨勢都大致相同。以C-C＇剖面瑞典法為例，自然工況下邊坡穩(wěn)定性安全系數(shù)最高，降雨及地下水工況的安全系數(shù)與自然工況相比，平均變化幅度約為4.2%，地震工況下的安全系數(shù)與自然工況下相比，平均變化幅度高達17.6%，地震工況下的穩(wěn)定性安全系數(shù)最低。D-D＇剖面的安全系數(shù)均低于對應計算方法的其他剖面，E-E＇剖面在任何情況下安全穩(wěn)定性性最好。

4 結論

4.1 排土場邊坡在自然工況下能保持穩(wěn)定或者基本穩(wěn)定，在降雨工況后力學參數(shù)弱化，穩(wěn)定性安全系數(shù)降低約4.2%，穩(wěn)定性狀態(tài)下降一個等級；在地震工況后，穩(wěn)定性安全系數(shù)下降劇烈，變化幅度約17.6%，穩(wěn)定性狀態(tài)較差。

4.2 在排土場穩(wěn)定性研究方面，針對大氣降雨入滲條件下，進行了排土場邊坡飽和- 非飽和的時效穩(wěn)定性分析，得出在大氣降雨入滲后，排土場邊坡的穩(wěn)定性隨滲透飽和區(qū)的擴大，而安全穩(wěn)定性降低；待飽和區(qū)的孔隙水壓力逐漸消散，安全穩(wěn)定性又會提高。

4.3 鉬礦排土場場區(qū)地震基本烈度為Ⅵ度，地震強度雖然不高，但排土場作為松散堆積體在地震作用下極易引發(fā)滑坡，地震對排土場穩(wěn)定性影響很大。

4.4 考慮地震影響，地震來臨時，往往伴隨暴雨，因此，排土場在地震作用下可能會發(fā)生一定規(guī)模的失穩(wěn)而出現(xiàn)滑坡型泥石流。為降低泥石流發(fā)生的可能，建議按排土優(yōu)化參數(shù)進行堆排。