某矿山排土场边坡稳定性分析_黄敏

排土场地基岩层主要为混合岩, 主要岩石为混合 岩化的黑云母斜长片麻岩, 斑状结构, 裂隙较发育, 上 部表层属强 ~ 中风化层, 厚度 0. 60~ 12. 9 m, 岩性松 软, 下部原岩灰绿色, 完整坚硬。场区第四系表土分布 较多, 有植物层 ( 厚 0. 1 ~ 0. 4 m ) 、第四系淤泥质亚粘 土 ( 厚 1. 0~ 2. 0 m )、第四系坡积亚粘土 ( 厚 0. 7~ 2. 3 m )、第四系冲积亚粘土 ( 厚 1. 31~ 4. 50 m )、第四系残 积亚粘土 (厚 0. 40~ 5. 00 m )。矿区 F1、F2断层未穿 过排土场, 场区内无大的断层和断裂构造。潜在滑坡 体为人工堆积物, 最大堆积高度为 78 m, 平均堆积坡 角为 34 。
基岩名称
强风化基岩 微风化基岩
密度 压缩模量 E s 泊松比
/ ( g cm- 3 )
/M Pa
2. 43
14 400 0. 19
2. 70
24 000 0. 15
粘聚力 C 内摩擦角
/M Pa
/( )
8. 88
40
14. 8
47
3 边坡数值模拟研究
3. 1 计算程序 采用目前在岩土工程界较为成熟的 FLAC3D 数值
18
2. 2 散体物料物理力学性质研究 排土场散体物质组成是决定排土场堆料的力学性
态的主要依据 [ 1 ~ 2] 。为此采用精度高的筛分法, 结合 摄影法和直接量测法, 来测定岩石的粒度组成。除了 在排放中的随机因素外, 各块度级别沿边坡高度分布 存在着明显的规律性, 由上而下, 块度逐渐增大, 总的 趋向是小块集中在上部, 大块在下部, 中间部分各种块 度参差不齐, 但以中等块度居多。
第 5期
黄 敏等: 某矿山排土场边坡稳定性分析
13
2. 1 地基土物理力学性质 排土场区内普遍覆盖一层 厚度不大的第 四系表
土, 其力学强度较低, 是排土场稳定性研究必须考虑的 因素。为此在地基土中采集有代表性的岩土试样进行 土的物理力学性质试验。试验结果见表 1。
3. 2 几何模型 根据现场调研和排土场试验结果, 在排土场内彭
江西某铜矿排土场位于天排山西侧山麓, 地势总 的变化是东南高西北低。场区山体较陡峻, 地形高差 较大。自采场扩帮以来排土场急速堆高, 再加上扩帮 排出的大多是粘土, 排土场曾发生两起重大事故: 2004 年 9月, 在该排土场堆存过程中由于边坡失稳, 排土车 辆滑到坡脚, 差点造成车毁人亡; 2005年 1月份, 在该 排土场排土过程中造成了 1人死亡。
关键词: 边坡稳定性分析; 数 值模拟; 位移监控点; 塑性区; 安全系数
中图分类号: TD853
文献标识码: A
文章编号: 0253- 6099( 2007) 05- 0012- 03
Analysis of Stability ofW aste-dump Slope of aM ine
HUANG M in1, L I X -i b ing1, FU Y u-hua2, L I D -i yuan1 ( 1. S chool of R esources and Saf ety Engineering, C entral South Un iversity, Changsha 410083, H unan, Ch ina; 2. Schoo l of App lied Science, J iangx i University of Science and T echnology, Ganzhou 341000, J iangx i, China )
摘 要: 在对边坡工程地质条件进行勘察和对排土场岩土物理力学性质进行研究 的基础上, 利用 FLAC3D软 件对某矿山排土场现状 边坡的稳定性进行了 分析。研 究结果表明, 模拟过程中的最大不平 衡力和监测 点位移均 趋向于 稳定, 塑性区 分布情 况和安 全系数 值则再次表明边坡在 整体上处于稳定状态。
敛过程 [ 4] 。单元的最 大不平衡力随着计算时 步的变 化过程见图 3。由图 3 可见, 单元的最大不平衡力随 计算时步增加而逐渐趋于极小值, 说明计算是稳定的。
图 5 垂直方向位移随计算时步的变化
图 3 最大不平衡力随计算时步的变化过程
4. 2 位移分析 在 FLA C3D数值计算过程中, 若边坡达到极限破坏
分析软件进行数值模拟。
图 1 边坡断面
结合现场实地考察, 在图 1的基础上建立与实际 基本一致计算模型, 见图 2, 模型在建立中并没有考虑 对面山坡的稳坡作用。
图 2 计算模 型尺寸和区域划分示意
模型范围既要包括整个潜在滑坡体, 又要有一定 的外延, 尽可能减少边界条件对计算结果的影响。当 坡角到左端边界的距离为坡高的 1. 5 倍, 坡顶到右端 边界的距离为坡高的 2. 5倍, 且上下边界总高不低于 2 倍坡高时, 计算精度最为理想 [ 3 ] 。模型总长为 426 m, 高 178 m, 宽度取 1 m。划分的单元总数 为 11 117 个, 网格节点数为 22 698个。
/ ( g cm- 3 )
/M Pa
/M Pa
/( )
1. 76
72. 19 0. 34
0. 05
18
1. 83
79. 67 0. 33
0. 04
30
1. 92
107. 30 0. 32
0. 03
34
2. 3 基岩物理力学性质 基岩部分的物理力学参数根据矿山以往的岩石力
学实验选取, 见表 3。
表 3 排 土场基岩力学参数
第 27卷第 5 期 2007 年 10月
矿冶工程
M IN ING AND M ETAL LURG ICAL ENG INEER ING
V o.l 27 5 O ctober 2007
某矿山排土场边坡稳定性分析
黄 敏1, 李夕兵 1, 付玉华2, 李地元 1
( 1. 中南大学 资源与安全工程学院, 湖南 长沙 410083; 2. 江西理工大学 应用科学学院, 江西 赣州 341000)
散体物料物理力学性质的测定分以下 3组: 含 细颗粒 ( d < 5 mm ) 较多, 一般位于排土场上部; 含 细颗粒中等, 含中等颗粒较多, 一般位于排土场中部;
大块岩石, 一般位于排土场中下部及下部。试验结 果见表 2。
表 2 排土场散体 物料物理力学性质试验结果
部位
上部 中部 下部
密度 压缩模量 E s 泊松比 粘聚力 C 内摩擦角
排土场区内无 常年地 表水流, 其最 低标 高约 90 m, 附近的桐木江标高为 50 m, 故排土场不受桐木江影 响。排土场区水文地质条件属简单类型。
2 排土场岩土物理力学性质研究
影响排土场边坡的主要因素包括基底软层及排弃 物的强度, 因此有必要对其进行物理力学性质研究, 以 便进行计算分析。
收稿日期: 2007-04-10 作者简介: 黄 敏 ( 1983 - ), 男, 湖南邵阳人, 硕士研究生, 主要研究方向为采矿与岩土工程。
塘坞附近粘土分布较厚的沟谷处切取边坡稳定性分析 的典型断面, 如图 1所示。
地基土 名称
坡面软层 地基软层
表 1 地基土 物理力学性质试验结果
密度 压缩模量 E s 泊松比 粘聚力 C 内摩擦角
/ ( g cm- 3 )
/M Pa
/M Pa
/( )
1. 82
6
0. 29
0. 05
22
1. 79
3
0. 30 0. 009
边坡整体失稳将发生于强 度软弱带或应 力集中 区, 该部位土体单元将产生不同程度的不可恢复的塑 性变形, 若发生塑性变形的软弱带或应力集中区相互
图 4 水平方向位移随计算时步的变化
源自文库
贯通, 则表明边坡内将在相互贯通的剪切破坏面发生 整体失稳 [ 8] 。塑性应 变的发生与发展表明了 土体屈 服或破坏的发生与发展程度, 塑性应变的大小能够从 本质上描述土体的屈服或破坏发展过程, 因此可以采 用塑性区的相互贯通来评判边坡整体失稳破坏。
该排土场的下游是铁路和农田, 一旦排土场出现 滑坡, 不仅会影响到该矿的正常生产, 而且会危及到下 游的铁路和农田, 因此, 亟需对该矿排土场边坡进行稳 定性分析, 以预测边坡发展趋势。
1 工程概况
江西某铜矿排土场原始地 貌形态以构造 剥蚀为 主, 沿东南向西北有五条沟谷, 沟谷纵坡靠近山脊处较 陡, 前部较为平缓, 沟谷上游呈 V 字型, 下游呈 U 字型, 沟谷中沉积有粘土和亚粘土及排土场流失下来 的松散堆积物。场区山坡上灌木杂草丛生, 地表几乎 全部为植被所覆盖, 仅局部见有中、强风化基岩裸露。
图 2中 1、2、3部分为排土场散体物料, 高 78 m, 坡角为 34 ; 4部分为强风 化基岩; 6部 分为微风化基 岩。 5部分 (在排土场散体物料和 4部分之间 ) 以及 7 部分 ( 排土场散体物料和 6部分之间 ) 都存在第四系 土层, 厚度为 2~ 3 m。 3. 3 力学模型
材料本构模型采用摩尔-库仑模型。模型侧面限 制水平方向移 动, 底面限制垂直方 向移动, 上 部为自 由面。 3. 4 物理力学参数的确定
排土场堆积体内塑性区分布见图 6。图中黑色区 域内颜色较浅部分为塑性区, 显然塑性区未贯通。故 从塑性区分布情况来看, 边坡处于整体稳定状态。这 与实际情况是一致的。
图 6 排土场堆积体内塑性区分布
4. 4 安全系数分析
工程中广为采用的各种极限平衡条分法将安全系
数定义为沿整个滑移面的抗剪强度与实际抗剪强度之 比 [ 9] , 而在 FLAC3D中则采用强度折减系数法来定义安 全系数 [ 10~ 11 ] 。强度折减系数法可以评价边坡的稳定
Abstract: Based on the investigation of eng ineering geo logy conditions of the slope and physical m echanic property of rock and so il of the dum p, the stability of the slope in term s o f the actua lity o f a m ine dum p is analyzed through FLAC3D sof-t w are. The results show that the m ax imum unbalanced force and the d isplacem ent of m on itoring points in the sim ulation tend to be stable. The d istributing character of p last ic zone and the factor o f safety revea l that the slope is in steady state. K ey w ord s: slope stab ility analysis; num erica l sim ulation; m on itoring po ints of d isp lacem en;t plastic zone; factor o f safety
状态, 滑移带内单元节点的位移将产生突变, 而且, 如 果程序继续迭代下去, 节点的位移还将继续无限发展 下去, 程序无法从计算方程组中找到一个既能满足静 力平衡又能满足应 力-应变关系 和强度准 则的解, 此 时, 可以从位移的收敛标准来判断计算不收敛 [ 5] 。
本次计算对坡面顶点 ( 195, 0, 178) 进行了位移监 控, 水平方向和垂直方向位移随计算时步的变化分别 见图 4和图 5。由图 4和图 5可见, 随着计算迭代时步 的增加, 该点水平方向位移和垂直方向位移均趋向于 一定值。由图还可以看出边坡位移比较大, 这主要是 因为排土场堆积高度较大, 散体物料和地基软层的弹 模都很低, 变形较大是合理的 [ 6~ 7] 。因此对地基软弱 层的处理 ( 如去除基底软弱层, 在地基 软弱层中加碎 石 ) 是边坡稳定性防治的重要措施。 4. 3 塑性区分析
1、2、3、5和 7部分所选用的力学参数通过地基土 和散体物料物理力学性质实验获得, 其中 1、2和 3部 分为排土场边坡体, 由松散岩土体自然堆积为成, 参数 值较小; 5和 7部分为地基土软层, 强度值最小。
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矿冶工程
第 27卷
4 计算结果及分析
4. 1 最大不平衡力分析 FLA C3D程序采用最大不平 衡力来刻划计 算的收