王建华

(安徽马钢矿业资源集团有限公司, 安徽 马鞍山市 243000)

0 前言

地震及爆破振动作用对排土场边坡稳定性具有重要影响,为此,大量学者对其展开了研究[1-4]:耿清友等[5]通过数值模拟软件GeoStudio,对唐山某矿山排土场边坡在不同烈度地震作用下的稳定性进行了研究,探讨了地震波加速度与边坡稳定性的关系;罗成彦[6]运用极限平衡法分析了地震、降雨及正常工况下的排土场稳定性,提出了排土场安全监测、排水、日常管理工作等措施。

本文基于Geo-Studio数值模拟软件,对南山矿业公司和尚桥铁矿典型截面的排土场边坡稳定性进行研究,探讨地震工况下3种不同土排土场边坡的稳定性。

1 排土场工程概况

和尚桥铁矿自2004年基建项目启动,于2013年7月进入试生产,达到了300万t/a的采选生产规模。和尚桥铁矿床大尾山、马塘矿段设计开采范围为西起13勘探线,东至27勘探线,开采标高＋36～-96 m,面积约1.23 k m2。经过前期基建及开采,已基本形成＋12～0 m、0～-24 m、-24～-48 m、-48～-72 m 4个台阶,形成长约1300 m、宽约950 m、深72 m的采坑,工作台阶坡面角约为34°,最终边坡角为24.5°。

2 模型建立及参数选取

以具有代表性的截面A-A'为研究对象进行稳定性分析,所取截面如图1所示。

图1 排土场总平面图

截面A-A'高差84 m左右,呈阶梯状,共4层台阶,台阶高24 m(最顶层高12 m);台阶坡面角34°,内排土场最终坡面角采场侧26.4°,安全平台宽度为20 m。采用Geo-Studio软件QUAKE/W模块对排土场边坡进行建模与稳定性分析计算,得出矿堆最危险滑弧所在位置以及最小抗滑安全系数。在数值模拟过程中使用QUAKE/W模块中的Equivalent Linear Dynamic工具对排土场边坡的动应力响应展开研究,将得到的结果传入Geo-Studio数值模拟软件的SLOPE/W模块进行计算,并使用QUAKE/W模块中的New-mark分析排土场边坡在地震工况下的稳定性情况。

堆积散体物料的各项物理性质不稳定,存在一个取值区间,所以在区间内分5种不同的情况取值分析;同时,根据室内试验测定3种不同土体的基本物理力学性质,取3种不同土体物理力学参数进行模拟。场地属区域稳定地段,不会因地基承载力不足而导致地基底鼓,进而诱发牵引式滑坡,因此基岩组取1种物理参数进行分析。排土场散体物料和基岩的各项物理力学参数按表1选取。

3 结果分析

马鞍山地震设防烈度为6度,峰值地震加速度为0.05g。地震烈度为6时,边坡安全系数随地震加速度变化而变化,图3表示输入地震波的加速度曲线。

图3 输入地震加速度时程曲线

图4至图6表示受地震影响,边坡加速度的变化规律。图7至图9为地震过程中排土场边坡滑移面的安全系数时程曲线,图10至图12表示临界滑面安全系数随平均加速度变化情况。对比研究加速度时程曲线、安全系数时程曲线可知,在10 s的地震过程中,该排土场边坡安全系数与平均加速度迁移曲线相似,且平均加速度变化起主导作用,边坡安全系数随之变化。平均加速度-安全系数曲线由加速度时程曲线和安全系数时程曲线复合而成,表示在地震过程中该排土场边坡安全系数与边坡平均加速度之间的关系。地震峰值加速度与边坡安全系数之间呈反比关系,即安全系数随平均加速度的增加而减小。当参数较低,即内摩擦角较小时,以图4、图7为例,边坡安全系数的谷值(1.299)对应地震波所造成的边坡平均加速度的峰值(0.0847g)。分析可知,当排土场边坡受到平均加速度为0.05g的水平地震波作用时,在地震模拟10 s内临界滑移面平均安全系数为1.299。由于此时排土场边坡临界滑移面的最小安全系数大于1.05,因此,该边坡在峰值为0.05g加速度的地震波作用下基本能够保持稳定。

图4 土体1边坡的平均加速度时程曲线

图6 土体3边坡的平均加速度时程曲线

图7 土体1边坡滑移面安全系数时程曲线

图9 土体3边坡滑移面安全系数时程曲线

图10 土体1边坡滑移面安全系数-加速度曲线

图12 土体3边坡滑移面安全系数-加速度曲线

图5 土体2边坡的平均加速度时程曲线

图8 土体2边坡滑移面安全系数时程曲线

图11 土体2边坡滑移面安全系数-加速度曲线

为研究地震加速度影响下坡体的加速度变化情况,以地震工况下安全系数适中的土体1边坡一为例,坡顶加速度时程曲线、水平加速度与竖向加速度的时程曲线分别见图13、图14和图15,在加速度为0.05g的地震影响下,在3.998 s时坡顶峰值加速度达到0.087g,对比分析可知,该加速度以水平加速度为主导,竖向加速度较小。同时为研究坡面各台阶的加速度情况,取4个台阶加速度时程曲线,见图16(节点2168为第1台阶,节点1946为第2台阶,节点1639为第3台阶,节点1382为第4台阶),4个台阶在地震作用下加速度变化趋势基本一致,相比之下第1台阶即坡脚处加速度较大,可能导致坡脚碎石土产生较大的位移。

图13 土体1边坡的坡顶加速度时程曲线

图14 土体1边坡的坡顶水平加速度时程曲线

图15 土体1边坡的坡顶竖向加速度时程曲线

图16 土体1边坡的一各台阶加速度时程曲线

在地震作用下坡体变形情况如图17所示(篇幅有限,仅展示部分图形,下同),3种土体条件下最大位移均发生在坡顶坡脚部位,最高达到1.185～1.19 m,基岩也有较大位移,该位移由水平位移主导,竖向沉降位移较小,由该部位到坡面向上位移都逐渐减小，故据此可推测在地震作用下,坡脚边缘碎石土大范围的滑移很有可能影响此边坡的稳定性。

图17 地震工况下土体1边坡的变形

地震作用下边坡的最大剪应力分布如图18所示,剪应力自上向下依次增大,坡面平台剪应力较小,大约在1.2715～1.320 k Pa,坡面剪应力在1.320～50 k Pa,坡脚较坡面其剪应力更为集中,最大剪应力主要集中在下层基岩内部,高达835.98～857.92 Pa。

图18 地震工况下土体1边坡的最大剪应力分布

地震工况下的边坡水平应力分布如图19所示,水平应力为7.0058～654.25 k Pa。斜坡水平应力越高,坡脚处的最大剪应力越大。因此当岩土体中存在较高的水平集中应力时,边坡更易发生变形和破坏。

图19 地震工况下水平应力分布图

不同条件下滑移面的分布如图20所示。最危险滑移面的安全系数见表2,当压实度较低时,如土体3边坡,其临界滑移面在地震荷载作用下综合安全系数为1.226,但是在地震作用下某一时刻最低安全系数为1.099,为不安全边坡;当压实度较高时,如土体2边坡,临界滑移面综合安全系数为1.664,地震作用下某一时刻最低安全系数为1.474,可基本保持稳定。综合以上分析,截面AA'坡面在地震模拟的10 s内有某一时刻临界滑面安全系数较低,有一定的滑坡风险,应注意防范。

图2 截面A-A'边坡

表2 地震工况AA'截面的边坡临界滑面安全系数

图20 地震工况下土体1边坡的AA'剖面上的滑移面分布

4 结论

(1)在10 s地震过程中,该排土场边坡安全系数与平均加速度时程曲线相似,平均加速度起主导作用,地震加速度与边坡安全系数呈反比关系,即安全系数随平均加速度的增加而减小。

(2)在地震作用下,3种土体坡体的最大位移均位于坡顶、坡脚部位,基岩位移主要由水平位移为主,竖向沉降位移较小,从基岩向上到坡顶位移逐渐减小，据此推测在地震作用下坡脚边缘碎石土大范围的滑移可能影响边坡的稳定性。

(3)斜坡水平应力越高,坡脚处的最大剪应力越大。因此,当岩土体中存在较高的水平集中应力时,边坡更易发生变形和破坏。

(4)当压实度较低时,边坡的临界滑移面在地震荷载作用下综合安全系数为1.226,但在地震作用时某一时刻最低安全系数为1.099,为不安全边坡;当压实度较高时,临界滑移面综合安全系数为1.664,地震作用时某一时刻最低安全系数为1.474,可基本保持稳定。综上分析,截面AA'坡面在地震模拟的10 s内某一时刻其临界滑面安全系数较低,存在一定的滑坡风险,应注意防范。