某超高排土场边坡稳定性分析

苏星月 张宇

摘要：高围压条件下，排土场深部颗粒破碎是超高排土场区别于低等级排土场的最重要特征。针对国内某超高排土场建立计算模型，在考虑排土场深部颗粒破碎与不考虑排土场深部颗粒破碎2种模式下，采用极限平衡法对该超高排土场自然、降雨及地震3种工况进行边坡稳定性分析。结果表明：超高排土场在堆置过程中，深部颗粒破碎效应引起排土料强度改变，从而降低了排土场边坡稳定安全系数。

关键词：超高排土场;颗粒破碎;边坡;稳定性;安全系数

中图分类号：TD7 TD854.7文献标志码：A开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

文章编号：1001-1277（2021）12-0079-04doi：10.11792/hj20211217

引 言

近20年来，随着矿业的迅速发展，土地资源日益收紧，排土设备越来越大型化与智能化，经济、环保等方面的压力增大，在确保安全的前提下采用超高台阶排土或增加排土场堆高是未来排土场的趋势，是减少排土场征地及增加排土场堆排量的有效途径。但是，随着排土场工程向超高台阶技术发展，工程灾害日趋增多，面临的工程环境也愈来愈复杂，将导致排土场的安全问题更加突显[1]。

超高排土场特征：①堆排过程使堆积体粒度具有明显的分选性。其总体规律表现为堆积体块度自上而下逐渐增大，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[2]。在排土场边坡稳定性分析过程中，排土场堆积散体强度参数是一个重要因素，而不同粒径组成是散体强度参数的主要影响因素。②随着堆排高度的增加，在自重作用下，排土场深部一部分颗粒将发生破碎[3-5]。当颗粒受力后，其应力状态发生改变，从而引起颗粒本身的破碎。颗粒破碎会改变颗粒粒径、颗粒级配、密实度等，使颗粒间接触压力重新调整，均匀化分配，阻碍了剪胀的發挥，从而降低了岩土材料的抗剪强度。因此，深部岩土的强度特性与颗粒破碎率密切相关[6-9]。

本文以国内某超高排土场为例，基于极限平衡法，开展边坡稳定性分析，进而研究排土场深部颗粒破碎对边坡稳定性产生的影响。

1 边坡工程地质模型

1.1 工程概况

某超高排土场主要排放铁矿废石，采用胶带排岩机排土方式进行排土作业。其下伏地层主要为中风化黑云混合片麻岩，排土场总占地面积5.36 km2，设计最大堆排土量约7.29亿m3，最大堆积高度约260 m，共分为5个台阶排土，台阶标高分别为160 m、195 m、240 m、285 m、330 m，排土段高35～45 m，各台阶的安全平台宽度为30 m，台阶坡面角为37.5°。该超高排土场如图1所示。

1.2 计算模型

该超高排土场典型剖面图及其有限元网格划分情况如图2、图3所示。主要采用等参四边形和少量退化的三角形，共分为5 224个节点，5 106个单元。在计算排土场应力状态分布时，截面底部为x、y双向固定约束边界，两侧垂直边界为x向固定约束边界。

1.3 物理力学指标

依据相关物理力学试验结果及堆排过程中的岩土工程勘察报告，排土料及基岩土层物理力学参数如表1所示。

1.4 非线性强度指标

从坡脚到排土平台坡顶，排土场堆积散体以固定的自然安息角堆存，基底承受平行于排土场坡面的荷载，表现为从坡顶到坡脚逐渐减小，其结果是排土层自身各部位固结应力基本呈线性增长，导致颗粒相互滑移、充填、粗大颗粒棱角破碎和重排，力学特性呈现分层性，且表现出明显非线性性质。此外，排土场堆高越高，排土场内部固结应力越大，颗粒破碎对排土料抗剪强度指标的影响越明显，从而引起排土场边坡稳定性的有条件转化效应更明显[9]。传统的线性抗剪强度指标对低围压状态下排土场稳定性计算具有较好的适用性，但难以反映高围压条件下粗大颗粒碎石破碎引起的强度衰减[10-11]。

对于以块石及粗粒岩土堆积而成的排土场，其材料强度参数往往与应力状态有关。在堆排过程中，排土料在一定的围压下会发生颗粒破碎现象，颗粒破碎引起粒间应力重新分布，粒间内聚力变弱，颗粒容易移动，从而引起内摩擦角降低，表现为强度包线后段向下弯曲，即在比较大的应力范围内，物料的抗剪强度与法向应力之间的比例关系并不是一个常数，它随应力的增加而降低[12-13]。排土料的内摩擦角与围压有关，通常围压越大，内摩擦角越小，呈非线性关系。

内摩擦角非线性强度公式为：

φ=φ0-Δφlgσ3p（1）式中：φ为土体滑动面的内摩擦角（°）;φ0为围压为一个大气压力下的内摩擦角（°）;Δφ为内摩擦角增量（°）;σ3为围压（kPa）;p为大气压力（kPa）。

考虑到排土场深部颗粒破碎，产生排土料强度弱化效应，采用非线性强度指标计算排土场稳定性。排土料非线性强度指标如表2所示。

2 边坡稳定性分析

GB 51119—2015 《冶金矿山排土场设计规范》[14]指出，采用极限平衡法进行排土场稳定性分析时，应根据破坏模式选择计算方法。排土场潜在失稳模式有3种：沿排土体-原始山体表面接触带滑坡、排土本体（内部）近程滑动、排土场基础滑坡。当发生排土本体（内部）近程滑动及排土场基础滑坡时，滑动面基本为圆弧形破坏模式，可采用Morgenstern-Price法、Bishop法、Spencer法进行分析。该超高排土场采用胶带排岩系统排土，排土场内部废石的潜在滑动面为圆弧形滑面或其他光滑曲面，在考虑排土场深部颗粒破碎与不考虑排土场深部颗粒破碎2种模式下，采用Bishop法在自然、降雨及地震3种工况下对该超高排土场进行稳定性分析，以探明堆置过程中颗粒破碎效应引起的排土料强度改变对排土场边坡稳定性的影响。

2.1 应力变形分析

该超高排土场典型剖面竖直方向大、小主应力云图如图4所示。沿竖直方向从上到下，大主应力随着深度的增加逐渐增大，最大值约为3 500 kPa;小主应力呈现类似的趋势，排土场底部小主应力最大值约为1 200 kPa。随着排土场内部压应力的增加，排土料的内摩擦角存在一定程度的减小，表现为抗剪强度在一定范围内的弱化。围压（小主应力）越大，这种抗剪强度弱化的效果越大，因此对超高排土场进行稳定性分析时，应充分考虑高围压作用对排土料抗剪强度的弱化，以准确判断排土场边坡稳定性。

2.2 未考慮排土场深部颗粒破碎

物理力学指标取值如表1所示，边坡稳定安全系数如表3、图5所示。结果表明：自然工况安全系数为1.496，降雨工况安全系数为1.391，地震工况安全系数为1.235，均满足规范稳定性要求。

2.3 考虑排土场深部颗粒破碎

采用材料的非线性强度指标反映排土料内摩擦角随着围压变化的程度，充分考虑高围压作用对排土料抗剪强度的弱化，准确评估高围压条件下排土场的边坡稳定性。

典型剖面内摩擦角（φ′）的分布情况如图6所示。边坡稳定安全系数如表4、图7所示。

由图6可以看出：越远离边坡，内摩擦角越小。随着排土高度增加，排土料的强度参数（内摩擦角）变化越明显。由表4和图7可以看出：自然工况安全系数为1.459，降雨工况安全系数为1.347，地震工况安全系数为1.229，均满足规范稳定性要求。但是，与未考虑排土场深部颗粒破碎相比，考虑排土场深部颗粒破碎的边坡安全系数均降低。

边坡稳定性研究结果表明，超高排土场在堆置过程中，深部颗粒破碎效应引起排土料强度改变，从而降低排土场边坡稳定安全系数。

3 结 论

1）针对国内某超高排土场，基于极限平衡法，考虑排土场深部颗粒破碎对超高排土场边坡稳定性的影响，提高超高排土场边坡稳定性计算的可靠度。

2）内摩擦角是表征排土散体材料强度特性的主要指标。研究结果表明，排土场内部排土料的内摩擦角表现出明显的非线性，越远离排土边坡，内摩擦角越小。

3）传统的线性抗剪强度指标难以反映高围压条件下粗大颗粒碎石破碎引起的强度衰减。

4）对于超高排土场，应考虑高围压条件下深部颗粒破碎导致抗剪强度弱化的影响。

5）超高排土场建设是未来排土场的趋势。希望未来有更多的相关研究，推动超高排土场稳定性分析研究领域的发展，最终指导工程实践。

[参 考 文 献]

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Analysis of the stability of a super high dump

Su Xingyue1，2，Zhang Yu2

（1.School of Management，China University of Mining and Technology（Beijing）; 2.BGRIMM Technology Group）

Abstract：Under high confining pressure，the particle fragmentation deep in the dump is the most important characteristic that tells super high dump from low-grade dump.Calculation model is established based on a domestic super high dump.In the 2 patterns，with and without the particle fragmentation deep in the dump taken into consideration，the slope stability is analyzed in 3 working conditions that are nature，rainfall and earthquake，using limit equilibrium method.The results show that during the stockpiling process of the dump，the particle fragmentation effect causes the change of dump materials，thus lowering the safety coefficient of the dump slope stability.

Keywords：super high dump;particle fragmentation;slope;stability;safety coefficient