王建華

(安徽馬鋼礦業(yè)資源集團(tuán)有限公司, 安徽 馬鞍山市 243000)

0 前言

地震及爆破振動(dòng)作用對(duì)排土場(chǎng)邊坡穩(wěn)定性具有重要影響,為此,大量學(xué)者對(duì)其展開了研究[1-4]:耿清友等[5]通過數(shù)值模擬軟件GeoStudio,對(duì)唐山某礦山排土場(chǎng)邊坡在不同烈度地震作用下的穩(wěn)定性進(jìn)行了研究,探討了地震波加速度與邊坡穩(wěn)定性的關(guān)系;羅成彥[6]運(yùn)用極限平衡法分析了地震、降雨及正常工況下的排土場(chǎng)穩(wěn)定性,提出了排土場(chǎng)安全監(jiān)測(cè)、排水、日常管理工作等措施。

本文基于Geo-Studio數(shù)值模擬軟件,對(duì)南山礦業(yè)公司和尚橋鐵礦典型截面的排土場(chǎng)邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行研究,探討地震工況下3種不同土排土場(chǎng)邊坡的穩(wěn)定性。

1 排土場(chǎng)工程概況

和尚橋鐵礦自2004年基建項(xiàng)目啟動(dòng),于2013年7月進(jìn)入試生產(chǎn),達(dá)到了300萬t/a的采選生產(chǎn)規(guī)模。和尚橋鐵礦床大尾山、馬塘礦段設(shè)計(jì)開采范圍為西起13勘探線,東至27勘探線,開采標(biāo)高＋36～-96 m,面積約1.23 k m2。經(jīng)過前期基建及開采,已基本形成＋12～0 m、0～-24 m、-24～-48 m、-48～-72 m 4個(gè)臺(tái)階,形成長(zhǎng)約1300 m、寬約950 m、深72 m的采坑,工作臺(tái)階坡面角約為34°,最終邊坡角為24.5°。

2 模型建立及參數(shù)選取

以具有代表性的截面A-A'為研究對(duì)象進(jìn)行穩(wěn)定性分析,所取截面如圖1所示。

圖1 排土場(chǎng)總平面圖

截面A-A'高差84 m左右,呈階梯狀,共4層臺(tái)階,臺(tái)階高24 m(最頂層高12 m);臺(tái)階坡面角34°,內(nèi)排土場(chǎng)最終坡面角采場(chǎng)側(cè)26.4°,安全平臺(tái)寬度為20 m。采用Geo-Studio軟件QUAKE/W模塊對(duì)排土場(chǎng)邊坡進(jìn)行建模與穩(wěn)定性分析計(jì)算,得出礦堆最危險(xiǎn)滑弧所在位置以及最小抗滑安全系數(shù)。在數(shù)值模擬過程中使用QUAKE/W模塊中的Equivalent Linear Dynamic工具對(duì)排土場(chǎng)邊坡的動(dòng)應(yīng)力響應(yīng)展開研究,將得到的結(jié)果傳入Geo-Studio數(shù)值模擬軟件的SLOPE/W模塊進(jìn)行計(jì)算,并使用QUAKE/W模塊中的New-mark分析排土場(chǎng)邊坡在地震工況下的穩(wěn)定性情況。

堆積散體物料的各項(xiàng)物理性質(zhì)不穩(wěn)定,存在一個(gè)取值區(qū)間,所以在區(qū)間內(nèi)分5種不同的情況取值分析;同時(shí),根據(jù)室內(nèi)試驗(yàn)測(cè)定3種不同土體的基本物理力學(xué)性質(zhì),取3種不同土體物理力學(xué)參數(shù)進(jìn)行模擬。場(chǎng)地屬區(qū)域穩(wěn)定地段,不會(huì)因地基承載力不足而導(dǎo)致地基底鼓,進(jìn)而誘發(fā)牽引式滑坡,因此基巖組取1種物理參數(shù)進(jìn)行分析。排土場(chǎng)散體物料和基巖的各項(xiàng)物理力學(xué)參數(shù)按表1選取。

3 結(jié)果分析

馬鞍山地震設(shè)防烈度為6度,峰值地震加速度為0.05g。地震烈度為6時(shí),邊坡安全系數(shù)隨地震加速度變化而變化,圖3表示輸入地震波的加速度曲線。

圖3 輸入地震加速度時(shí)程曲線

圖4至圖6表示受地震影響,邊坡加速度的變化規(guī)律。圖7至圖9為地震過程中排土場(chǎng)邊坡滑移面的安全系數(shù)時(shí)程曲線,圖10至圖12表示臨界滑面安全系數(shù)隨平均加速度變化情況。對(duì)比研究加速度時(shí)程曲線、安全系數(shù)時(shí)程曲線可知,在10 s的地震過程中,該排土場(chǎng)邊坡安全系數(shù)與平均加速度遷移曲線相似,且平均加速度變化起主導(dǎo)作用,邊坡安全系數(shù)隨之變化。平均加速度-安全系數(shù)曲線由加速度時(shí)程曲線和安全系數(shù)時(shí)程曲線復(fù)合而成,表示在地震過程中該排土場(chǎng)邊坡安全系數(shù)與邊坡平均加速度之間的關(guān)系。地震峰值加速度與邊坡安全系數(shù)之間呈反比關(guān)系,即安全系數(shù)隨平均加速度的增加而減小。當(dāng)參數(shù)較低,即內(nèi)摩擦角較小時(shí),以圖4、圖7為例,邊坡安全系數(shù)的谷值(1.299)對(duì)應(yīng)地震波所造成的邊坡平均加速度的峰值(0.0847g)。分析可知,當(dāng)排土場(chǎng)邊坡受到平均加速度為0.05g的水平地震波作用時(shí),在地震模擬10 s內(nèi)臨界滑移面平均安全系數(shù)為1.299。由于此時(shí)排土場(chǎng)邊坡臨界滑移面的最小安全系數(shù)大于1.05,因此,該邊坡在峰值為0.05g加速度的地震波作用下基本能夠保持穩(wěn)定。

圖4 土體1邊坡的平均加速度時(shí)程曲線

圖6 土體3邊坡的平均加速度時(shí)程曲線

圖7 土體1邊坡滑移面安全系數(shù)時(shí)程曲線

圖9 土體3邊坡滑移面安全系數(shù)時(shí)程曲線

圖10 土體1邊坡滑移面安全系數(shù)-加速度曲線

圖12 土體3邊坡滑移面安全系數(shù)-加速度曲線

圖5 土體2邊坡的平均加速度時(shí)程曲線

圖8 土體2邊坡滑移面安全系數(shù)時(shí)程曲線

圖11 土體2邊坡滑移面安全系數(shù)-加速度曲線

為研究地震加速度影響下坡體的加速度變化情況,以地震工況下安全系數(shù)適中的土體1邊坡一為例,坡頂加速度時(shí)程曲線、水平加速度與豎向加速度的時(shí)程曲線分別見圖13、圖14和圖15,在加速度為0.05g的地震影響下,在3.998 s時(shí)坡頂峰值加速度達(dá)到0.087g,對(duì)比分析可知,該加速度以水平加速度為主導(dǎo),豎向加速度較小。同時(shí)為研究坡面各臺(tái)階的加速度情況,取4個(gè)臺(tái)階加速度時(shí)程曲線,見圖16(節(jié)點(diǎn)2168為第1臺(tái)階,節(jié)點(diǎn)1946為第2臺(tái)階,節(jié)點(diǎn)1639為第3臺(tái)階,節(jié)點(diǎn)1382為第4臺(tái)階),4個(gè)臺(tái)階在地震作用下加速度變化趨勢(shì)基本一致,相比之下第1臺(tái)階即坡腳處加速度較大,可能導(dǎo)致坡腳碎石土產(chǎn)生較大的位移。

圖13 土體1邊坡的坡頂加速度時(shí)程曲線

圖14 土體1邊坡的坡頂水平加速度時(shí)程曲線

圖15 土體1邊坡的坡頂豎向加速度時(shí)程曲線

圖16 土體1邊坡的一各臺(tái)階加速度時(shí)程曲線

在地震作用下坡體變形情況如圖17所示(篇幅有限,僅展示部分圖形,下同),3種土體條件下最大位移均發(fā)生在坡頂坡腳部位,最高達(dá)到1.185～1.19 m,基巖也有較大位移,該位移由水平位移主導(dǎo),豎向沉降位移較小,由該部位到坡面向上位移都逐漸減小，故據(jù)此可推測(cè)在地震作用下,坡腳邊緣碎石土大范圍的滑移很有可能影響此邊坡的穩(wěn)定性。

圖17 地震工況下土體1邊坡的變形

地震作用下邊坡的最大剪應(yīng)力分布如圖18所示,剪應(yīng)力自上向下依次增大,坡面平臺(tái)剪應(yīng)力較小,大約在1.2715～1.320 k Pa,坡面剪應(yīng)力在1.320～50 k Pa,坡腳較坡面其剪應(yīng)力更為集中,最大剪應(yīng)力主要集中在下層基巖內(nèi)部,高達(dá)835.98～857.92 Pa。

圖18 地震工況下土體1邊坡的最大剪應(yīng)力分布

地震工況下的邊坡水平應(yīng)力分布如圖19所示,水平應(yīng)力為7.0058～654.25 k Pa。斜坡水平應(yīng)力越高,坡腳處的最大剪應(yīng)力越大。因此當(dāng)巖土體中存在較高的水平集中應(yīng)力時(shí),邊坡更易發(fā)生變形和破壞。

圖19 地震工況下水平應(yīng)力分布圖

不同條件下滑移面的分布如圖20所示。最危險(xiǎn)滑移面的安全系數(shù)見表2,當(dāng)壓實(shí)度較低時(shí),如土體3邊坡,其臨界滑移面在地震荷載作用下綜合安全系數(shù)為1.226,但是在地震作用下某一時(shí)刻最低安全系數(shù)為1.099,為不安全邊坡;當(dāng)壓實(shí)度較高時(shí),如土體2邊坡,臨界滑移面綜合安全系數(shù)為1.664,地震作用下某一時(shí)刻最低安全系數(shù)為1.474,可基本保持穩(wěn)定。綜合以上分析,截面AA'坡面在地震模擬的10 s內(nèi)有某一時(shí)刻臨界滑面安全系數(shù)較低,有一定的滑坡風(fēng)險(xiǎn),應(yīng)注意防范。

圖2 截面A-A'邊坡

表2 地震工況AA'截面的邊坡臨界滑面安全系數(shù)

圖20 地震工況下土體1邊坡的AA'剖面上的滑移面分布

4 結(jié)論

(1)在10 s地震過程中,該排土場(chǎng)邊坡安全系數(shù)與平均加速度時(shí)程曲線相似,平均加速度起主導(dǎo)作用,地震加速度與邊坡安全系數(shù)呈反比關(guān)系,即安全系數(shù)隨平均加速度的增加而減小。

(2)在地震作用下,3種土體坡體的最大位移均位于坡頂、坡腳部位,基巖位移主要由水平位移為主,豎向沉降位移較小,從基巖向上到坡頂位移逐漸減小，據(jù)此推測(cè)在地震作用下坡腳邊緣碎石土大范圍的滑移可能影響邊坡的穩(wěn)定性。

(3)斜坡水平應(yīng)力越高,坡腳處的最大剪應(yīng)力越大。因此,當(dāng)巖土體中存在較高的水平集中應(yīng)力時(shí),邊坡更易發(fā)生變形和破壞。

(4)當(dāng)壓實(shí)度較低時(shí),邊坡的臨界滑移面在地震荷載作用下綜合安全系數(shù)為1.226,但在地震作用時(shí)某一時(shí)刻最低安全系數(shù)為1.099,為不安全邊坡;當(dāng)壓實(shí)度較高時(shí),臨界滑移面綜合安全系數(shù)為1.664,地震作用時(shí)某一時(shí)刻最低安全系數(shù)為1.474,可基本保持穩(wěn)定。綜上分析,截面AA'坡面在地震模擬的10 s內(nèi)某一時(shí)刻其臨界滑面安全系數(shù)較低,存在一定的滑坡風(fēng)險(xiǎn),應(yīng)注意防范。