强度折减法在某排土场现状边坡稳定性分析中的应用

万道春

【摘要】白马铁矿Ⅳ号排土场等级为一级，属重大危险源，特别是堆石坝将被下游万年沟尾矿库尾水浸泡约30m的条件下，若发生规模较大滑坡，可导致万年沟尾矿库的漫坝事故。本文采用强度折减法对其现状边坡进行分析，并用极限平衡法的计算结果进行对比，显示采用强度折减法计算的结果低20%左右，且满足规范要求。

【关键词】排土场;强度折减法;极限平衡;对比分析

白马铁矿Ⅳ号排土堆场设计废石总容积为5462万m3、总高度408m，其为一级排土场。整体边坡角23°，台阶坡面角34°，总共设置12个排土水平，最高排土水平2070m，最低排土水平1770m，最低堆置标高1662m。在1770m及其以下台阶均采取块石堆砌，在1700m修筑堆石坝。

该排土场下游为万年沟尾矿库，总坝高325m，总库容为3.26亿m3，属一等尾矿库。若该排土场发生滑坡对下游尾矿库的影响是巨大的。故采用强度折减法对排土场现状边坡进行稳定分析是十分必要的。

1、概况

白马铁矿Ⅳ号排土场场址位于攀枝花市米易县白马镇，南面紧邻上山联络道，西面为采场主干线。截止2019年10月末，排土场已受土约1400万m3，形成的主要排土平台有1722m、1750m、1760m、1780m、1790m、1810m、1870m、1930m、1960m、2020m、2040m、2050m。排土场现状整体边坡角19°、台阶坡面角20～36°。风化岩土排在上部台阶，块石排在下部台阶，1770m台阶以下均排弃块岩。排土场现状平面图见图1。

2、工程地质条件

2.1地形地貌

场地总体属中山斜坡剥蚀构造地貌。场地内以斜坡、冲沟及陡崖地形为主，强切割。呈东西向“V”字形大型冲沟，南侧坡度45～70°，北侧坡度30～55°。

2.2工程地质条件

排土区域地层有第四系全新统人工堆积层（排弃物主要有辉长岩、伟晶辉绿岩、辉绿岩、闪长岩、角闪正长岩、橄榄辉绿岩等）、下伏基岩层二迭系正长岩（按风化程度划分为全风化、强风化、中等风化）。

3、强度折减法

3.1强度折减法原理

折减系数定义为：在外荷载保持不变的情况下，边坡内土体所发挥的最大抗剪强度与外荷载在边坡内所产生的实际剪应力之比。

所谓强度折减方法就是将土体的抗剪强度指标c和Φ ，用一个折减系数F ，如式（3-1）和（3-2）所示的形式进行折减，然后用折减后的虚拟抗剪强度指标CF和ΦF ，取代原来的抗剪强度指标C和 Φ。

式中：CF是折减后土体虚拟的粘聚力;ΦF是折减后土体虚拟的内摩擦角：F是折减系数。

折减系数的初始值取得足够小，以保证开始时是一个近乎弹性的问题。然后不断增加F的值，折减后的抗剪强度指标逐步减小，直到某个折减抗剪强度下整个土坡发生失稳，那么在发生整体失稳之前的折减系数值，即土体的实际抗剪强度指标与发生虚拟破坏时折减强度指标的比值，就是这个土坡的稳定安全系数。

3.2岩土物理力学参数

岩土体物理力学参数取值见表1。

3.3模型的建立

本次采用垂直白马铁矿Ⅳ号排土场现状边坡2-2'剖面进行分析。经适当的抽象，得到相应的计算模型。边坡基本计算条件：计算范围（水平距离1645.91m，垂直距离540.00m）; 莫尔-库伦本构;初始地应力为自重应力场;边界条件（竖向边界作X方向约束，底部边界作XY方向约束）。分析模型见图2。

3.4结果与分析

计算中考虑岩土自重荷载条件下的变形状况，分析结果见图3。

排土場现状边坡整体安全系数为2.000，处于稳定状态，但排土场现状边坡1864-1810m台阶坡脚处有明显的剪应力集中;塑性破坏以剪切破坏为主，主要位于剪应力比较集中的台阶坡脚，塑性区基本上贯通整个台阶，可能存在局部变形。

4、极限平衡法稳定性分析

本次极限平衡法稳定分析选取剖面、岩土物理力学参数与上述一致;采用毕肖普法、摩根斯坦-普赖斯法两种方法在自然工况条件下进行分析计算;允许安全系数在自然工况Fs=1.30。稳定性计算结果简图见图4，计算结果见表2。

5、计算结果对比分析

计算结果对比见表3，采用极限平衡法的结果比强度折减法的结果大于20%左右。

结语：

（1）通过对排土场边坡现状分析，边坡处于整体稳定状态，局部边坡处于基本稳定状态。

（2）采用强度折减法、极限平衡法计算结果显示，采用极限平衡法的结果比强度折减法的结果大于20%左右，基本一致。

（3）加强排土场边坡日常巡查。及时发现排土场边坡异常变形，确保排土场边坡安全。

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