基于强度折减有限元法的排土场边坡稳定性分析

张利军 母传伟 何方维

(1.哈尔滨市第二建筑工程公司;2.中冶沈勘秦皇岛工程技术有限公司)

基于强度折减有限元法的排土场边坡稳定性分析

张利军1母传伟2何方维2

(1.哈尔滨市第二建筑工程公司;2.中冶沈勘秦皇岛工程技术有限公司)

排土场边坡稳定性是影响矿山安全生产的重要因素之一。为了给排土场安全生产提供可靠的理论依据，选择排土场边坡典型剖面建立数值模型，用Ansys强度折减法对边坡变形破坏机制及演变进行数值模拟，绘制边坡数值模型塑性应变云图。通过不断变化模型的折减系数求解安全系数，并对不同条件下的位移、应力、应变进行比较分析。最终计算出排土场边坡抗滑稳定安全系数值大于规范规定的最高安全系数，满足排土场边坡稳定要求，模拟分析结果符合工程实际。

强度折减有限元法 排土场 边坡稳定性 抗滑稳定安全系数

排土场是露天矿山的重要组成部分，其边坡稳定性直接关系到露天矿山生产安全。排土场边坡一旦失稳滑坡，不仅给矿山带来重大经济损失，还可能造成人身伤亡事故。排土场边坡稳定问题一直是矿山一项重要研究课题。

某拟建排土场位于承德市北部一条沟谷中，属于典型山谷型排土场，原始地貌属构造剥蚀中低山地貌，场区下游约120 m处为省级公路。排土场设计年排放量为200万t/a；堆置高度为118 m，设计级别为二等；堆弃物混合体平均自然安息角为34°，设计最大排土标高为720 m，最大面积约11.6万m2，设计堆存量880万m3，服务年限为5 a；采用汽车运输、推土机配合的排土工艺，多台阶覆盖式堆排作业；排土场正常工作平台宽30 m。采用强度折减有限元法对排土场边坡进行极值模拟分析，为排土场安全生产提供理论依据。

1 工程概况

1.1 工程地质条件

在大地构造上，排土场所在地区位于2条深断裂之间；在空间位置上，该区处于燕山台褶带的北边缘；在沉积层位上，有早侏罗世含煤建造和中性火山岩建造，又有早白垩世含油页岩建造及火山岩建造。区域构造活动不剧烈。场区周围山体属构造剥蚀中低山地貌，周围山坡较陡，场区及其附近无大的褶皱构造和断层通过。

排土场场区地层地质结构：①层块石,由废石和风化片麻岩组成，为人工堆积物;②层尾粉砂,主要为长石、石英、云母,为人工堆积物;③层黄土，由粉土和粉质黏土组成，多孔隙，遇水具有湿陷性,工程性质较差；④层含黏性土碎石，母岩为中风化花岗片麻岩，充填物主要为粉土和混粒砂，厚0.7～2.3 m;⑤层强风化花岗片麻岩，风化裂隙较发育，岩体破碎，质量等级属Ⅴ类，工程性质良好，遇水软化，分布连续，厚度不均匀。

1.2 水文地质条件

场地地下水不丰富，由于沟底第四系覆盖层较薄，地下水主要为基岩裂隙水。场地上游范围内无地表径流补给，地下水的补给来源主要为季节性大气降水入渗，因沟底表层多为基岩出露，渗透系数相对较小，大气降水多以地表径流的方式向排土场下游排泄。

参照类似排土场场区岩土层材料的渗透系数经验值，该排土场场区各岩土层的渗透系数建议值列于表1。

表1 排土场场区各岩土层渗透系数建议值

1.3 场地地震效应及稳定性

该排土场位于抗震设防烈度6度区，设计基本地震加速度值为0.05 g，所属的设计地震分组为第三组。根据场地土质和地下水埋藏条件，拟建场地不存在饱和砂土或饱和粉土可液化土层。

根据区域地质构造和本地区历史地震资料，通过工程地质调查及相似工程类比，拟建场地及其附近无活动性断裂构造或活动断层通过，新生代以来特别是晚近地质时期，没有发生过大的地震活动，其场地的稳定性主要受环境地震的影响，至今未发现异常活动。场区周围山体植被发育，场区范围内原始土层无液化土存在，无崩塌和岩溶等不良地质作用存在。

综合以上情况分析，拟建排土场场地山体是稳定的，场区所在场地是稳定的。

2 排土场边坡稳定性模拟分析

2.1 边坡稳定性分析方法

有限元分析法是分析排土场边坡稳定性的一种有效方法，一般采用强度折减有限元分析法[1]。依据工程地质勘察所提供的数据资料，首先针对排土场所在位置进行地质条件分析，确保场地的稳定性，这是保证排土场整体稳定的前提；选择能够反映排土场边坡实际情况的典型剖面建立数值模型；结合有限元理论，用Ansys强度折减法对边坡变形破坏机制及演变进行数值模拟分析，研究排土场边坡的位移和内力变化；计算出排土场边坡抗滑稳定安全系数，跟排土场规范规定的最高安全系数相比较，来验证排土场边坡是否满足稳定要求[2-3]。这种方法不受排土场边坡形状和堆排料均匀程度的限制，可以更真实反映边坡体应力应变关系。

2.2 排土场基底承载能力计算

根据该排土场场地稳定性分析，排土场基底较为稳定。排土场排弃物和基底岩土物理力学参数见表2。

动态范围指的是画面中最暗（1）和最亮（2）部分的亮度差距。不同相机的动态范围并不相同，不过总的来说，因为像素尺寸更大，所以全画幅相机通常拥有更高的动态范围。一张照片的直方图（如右图所示）占据越多的横轴空间（3），这张照片的动态范围也就越高。

表2 排土场排弃物和基底岩土物理力学参数

在排土初期，基底岩土开始被压实，当堆置到一定高度时，基底被压实到最大的承载能力，但尚未到达极限状态，排土场基底最大承载能力允许堆置高度为

(1)

式中，H1为排土场高度，m；C为基底岩土黏聚力，岩土综合分析为4×104Pa；φ为内摩擦角，取40°；ρ为排土场物料的密度，由平均取样为2.25 t/m3。

计算得出排土场基底最大承载能力允许堆置高度为20.8 m。

该排土场第一层堆筑高度为18 m，小于上述计算值，地基处于最大承载能力之内，基底稳定可靠。

随着排土作业的进行，当基底处于极限状态，失去承载能力，产生塑性变形和位移时，计算排土场极限高度为

(2)

式中，H2为排土场极限高度，m；其他参数意义同上。

计算得出排土场基底极限承载能力允许堆置高度为200 m。

设计排土场最终堆积高度118 m，排土场基底承载能力及台阶极限高度满足安全生产需要。排土场在相邻台阶之间留设安全平台，减小排土场总体边坡角，使排土场总体边坡角小于自然安息角，增加了排土场的稳定性。

2.3 排土场边坡有限元计算模型

图1 排土场边坡典型剖面二维数值模型

2.4 模拟结果分析

边坡典型剖面的塑性应变云图见图2。

由图2可知，边坡变形随折减系数F的增大而变大，当F=1.34时，解不收敛，此时边坡破坏面近似圆弧形(图2(a))，并在此处的坡面上出现了局部的应力集中，说明此时边坡已经不安全，是边坡的危险区段。当F=1.35时，边坡内塑

图2 边坡模型塑性应变云图

性应变在排弃物层内自坡底向坡顶贯通(图2(b))，表明边坡已经破坏，满足了边坡的失稳判据。

因此，该边坡的安全系数Fs=1.34。参照《有色金属矿山排土场设计规范》，该排土场的抗滑稳定安全系数大于规范规定的安全系数(1.1～1.3)，满足稳定要求。

3 结 论

通过强度折减有限元分析法验证排土场边坡是否满足稳定要求，得到的结果符合工程实际，这种方法计算分析排土场边坡稳定性是可行的、可信的，为矿山排土场安全生产提供可靠的理论依据。

[1] 杨海春，母传伟，窦习章.选矿厂边坡防护设计[J].现代矿业，2013,(9):43-52.

[2] 郑颖人，赵尚毅，邓卫东.岩质边坡破坏机制有限元数值模拟分析[J].岩石力学与工程学报，2003,22(12):1943-1952.

[3] 张军涛，谢建斌，姚激等.岩质边坡稳定性的有限元分析和数值模拟[J].云南水力发电.2006,22(2):31-34.

[4] 赵尚毅，郑颖人，时卫民，等.用有限元强度折减法求边坡稳定安全系数[J].岩石力学与工程学报，2002,24(3): 343-346.

[5] 高长志，宋子岭，单儒娇.基于slide与plaxis的排土场边坡稳定分析[J].微计算机信息，2010,26(3): 261-262.

2015-03-30)

张利军(1974—)，男，高级工程师，150076 黑龙江省哈尔滨市。