软弱倾斜复合基底排土场边坡失稳机理与控制_曹兰柱.pdf

软弱倾斜复合基底排土场边坡失稳机理与控制 曹兰柱张剑锋王东 （辽宁工程技术大学矿业学院， 辽宁 阜新 123000） 摘要针对露天矿软弱倾斜基底排土场边坡变形失稳问题， 以蒙东西二露天矿排土场边坡为工程背景， 基 于刚体极限平衡与三维数值模拟方法， 揭示了不同基底倾角条件下排土场边坡稳定性变化规律， 分析了软弱倾斜 复合基底排土场边坡失稳机理， 并讨论了治理措施。研究表明 ①排土场边坡稳定性与顺倾基底倾角呈负相关关 系， 与逆倾基底倾角呈正相关关系； ②排土场边坡基底失稳过程可分为排土场沉降、 局部剪切错动、 局部剪切破坏、 剪切裂缝扩展和贯通5个阶段； ③排土场潜在滑坡模式是以排弃物料内部拉裂的圆弧形态为侧界面， 以基底剪切 滑移为底界面的切层顺层滑动； ④排土场边坡基底逆倾时的稳定性明显优于基底顺倾时的稳定性， 极限平衡法 分析结果与数值模拟研究结果具有良好的一致性， 充分体现了软弱倾斜复合基底排土场的边坡失稳特征。在上述 分析的基础上， 进一步讨论了排土场边坡稳定性控制方案。针对顺倾基底明显不利于排土场稳定的问题， 通过调 整局部区段排土线的布置及发展方式和改变剥离物的排弃顺序有助于提高顺倾基底条件下排土场的稳定性。 关键词露天开采排土场边坡倾斜基底失稳机理稳定性控制极限平衡法 中图分类号TD79文献标志码A文章编号1001-1250 （2019） -05-043-05 DOI10.19614/ki.jsks.201905008 Instability Mechanism and Control of the Dump Slope with Soft Inclined Composite Basement Cao LanzhuZhang JianfengWang Dong2 （College of Mining and Engineering， Liaoning Technical University， Fuxin 123000， China） AbstractAiming at the problem of deation and instability of dump slope with soft inclined composite basement in open-pit mine， taking Mengdong west No.2 open-pit coal mine as the engineering background， and based on the rigid body lim- it equilibrium and three-dimensional numerical simulation ， the stability variation regularity of dump slope with different basement dip angles is studied， the instability mechanism of the stability of the soft inclined composite basement dump is analyzed， besides that， the corresponding control measures are given.The study results show that①the slope stability is negatively correlated with the dip angle of the acclinal basement and positively correlated with the dip angle of the reversed dip angle of the basement； ②the instability process of the slope basement can be divided into 5 stages， they are dump settle- ment， local shear dislocation， local shear failure，shear crack expansion and penetration； ③the potential landslide mode can be described as intersection-bedding sliding， which taking the arc shape of the tensile crack of internal disposal material as side interface and the basement shear slipping as the bottom interface； ④the stability of dump slope with reversed basdment is obviously better than that of the dump slope with conclinal basement， the analysis results of limit equilibrium is well consistent with the numerical simulation results， which fully reflects the instability characteristics of the dump slope with soft inclined composite basement.On the basis of the above discussion， the stability control measures of the dump slope stability are further discussed.In order to improve the stability of dump slope under the condition of conclinal basement， the layout and development mode of local section dump lines and the order of stripped materials can be adjusted. KeywordsOpen-pit mining， Dump slope， Inclined basement， Instability mechanism， Stability control， Limit equilibri- um 收稿日期2019-04-03 基金项目国家自然科学基金项目 （编号 51874160， 51604145） ， 辽宁省高等学校创新人才支持计划项目 （编号 LR2016039） ， 辽宁省煤炭资源 安全开采与洁净利用工程研究中心开放基金项目 （编号 LNTU15KF08） 。 作者简介曹兰柱 （1962） ， 男， 教授， 博士， 博士研究生导师。 通讯作者张剑锋 （1993） ， 男， 硕士研究生。 总第 515 期 2019 年第 5 期 金属矿山 METAL MINE Series No. 515 May 2019 43 ChaoXing 金属矿山2019年第5期总第515期 排土场是露天开采的必然产物， 确保其稳定关系 到矿山安全高效生产。伴随着工业的快速发展， 我国 对能源的需求量急剧提升， 露天煤矿的生产能力和规 模逐年增加， 排土场滑坡灾害屡见不鲜。例如平朔安 太堡露天矿、 白音华四号露天矿、 神华宝日希勒露天 矿等诸多露天矿排土场， 均发生过滑坡或表面出现张 裂缝、 坡脚处地面隆起等较大的变形破坏现象， 究其 原因， 软弱基底是造成排土场变形失稳的主控因素。 因此， 软弱倾斜复合基底排土场边坡失稳机理分析研 究具有重要的工程实际意义。 近年来， 大量学者分别采用土力学理论、 极限平 衡方法、 数值模拟方法对排土场边坡稳定性开展了 理论研究及实践探索， 取得了一定的成果。宋子岭 等 ［1］以安太堡露天矿芦子沟背斜构造形成的倾斜基 底排土场边坡为例， 分析了倾斜基底对边坡稳定性的 影响规律， 并给出安太堡露天矿内排土场边坡合理的 推进平盘宽度， 但未对倾斜基底破坏过程进行详细讨 论； 陈立云 ［2］对排土场基底形态、 坡高和坡角对边坡 稳定性的影响进行了定量分析和评价， 认为基底形态 对排土场稳定性影响最大， 边坡角次之， 边坡高度影 响最小， 但未给出相应的边坡灾害防治措施； 曹兰柱 等 ［3］对软弱基底排土场的堆载过程进行了数值模拟 分析， 确定了边坡的破坏模式以及最终排弃高度， 为 类似排土场边坡设计提供了依据； 王家臣等 ［4］基于强 度折减法逐渐折减黏土强度参数， 确定了基底软弱层 和排土场内部扩展裂缝组合的双楔形滑动模式。尽 管现阶段有关排土场边坡稳定性分析的成果较丰富， 但对于软弱倾斜复合基底排土场边坡失稳机理的成 果较少， 对于相应的稳定性控制方案的研究也涉及较 少， 许多关于软弱倾斜复合基底排土场边坡的工程实 际问题仍未得到有效解决。 本研究采用刚体极限平衡法与数值模拟相结合 的技术方法， 以蒙东西二露天矿排土场边坡为研究 对象， 分析不同基底倾角条件下排土场边坡稳定性 变化规律， 讨论软弱倾斜复合基底排土场边坡失稳 机理， 并提出具体的边坡稳定性控制方案， 为类似排 土场边坡变形失稳防治工作提供参考。 1工程概况 蒙东西二露天矿距锡林浩特12 km， 位于内蒙古 高原中东部。该矿南排土场座落于第四系表土和第 三系较厚的松散软岩层上， 为第四系粉细砂、 粉土和 第三系砂砾， 结构松散， 压缩性较强， 力学性质较差， 基岩地形总体倾向与地形坡向基本一致， 倾向SE， 倾 角约3。大气降水汇集的地表径流和第四系地下水 流向基本与排土场基底坡向一致， 当基底长期处于 水的作用影响下， 其强度力学指标必然会持续下降， 最终在排弃物料载荷的作用下发生破坏， 从而诱发 排土场边坡失稳。蒙东西二露天矿基底岩层为典型 的软弱基底， 其性质不利于排土场边坡稳定， 且基底 和基岩的形态特征可能导致排土场边坡变形、 破坏 及稳定性的差异。边坡各地层岩土体的力学指标见 表1。 2排土场边坡稳定性极限平衡法分析 由于刚体极限平衡法操作简单、 计算精确、 技术 成熟而被广泛应用于工程实践中。刚体极限平衡法 的基本原理是将岩土体视为刚体， 不考虑变形问题， 通过假设滑体按一定规则拆分为连续的块体， 而后 构建该类块体的平衡方程求解相关数值， 进而达到 分析边坡稳定性的目的 ［5］。目前， 刚体极限平衡法应 用最为广泛， 最常用的主要有简化Bishop法、 剩余推 力法、 Fellenious法、 Janbu法 ［6-9］， 其中剩余推力法适用 于任意滑面的滑坡。因此， 本研究基于剩余推力法 对倾角14， 高度105 m， 基底倾角分别为逆倾5、 逆 倾3、 0 （水平） 、 顺倾3、 顺倾5的排土场的边坡稳 定性进行分析， 结果如图1、 图2所示。由图1、 图2可 知 排土场边坡稳定性随逆倾基底倾角的增大而增 大， 随着顺倾基底倾角的增大而减小。 3排土场失稳机理与稳定性数值模拟 3. 1倾斜复合排土场基底模型构建 在软弱基底条件下， 排土场坡高和坡角增大， 可 能引发基底破坏， 基底破坏通常会诱发排土场失稳， 基底形态与岩性也会影响排土场的失稳模式和稳定 性 ［10-13］。可见， 倾斜复合基底顺逆倾排土场的破坏机 理不尽相同。本研究选取西二南外排土场为计算区 域， 构建排土场及基底的三维计算模型。模型尺寸 排土场沿X轴1.8 km， Y轴1.5km； 坡高75～100 m， 坡 面自然安息角33， 排土场边坡角14。本研究构建 的三维有限差分模型见图3 （a） ， 图中剖面1为排土场 南北向的竖向剖面 （图3 （b） ） ， 剖面2为沿着地表最大 倾向的排土场竖向剖面 （图3 （c） ） 。 44 ChaoXing 曹兰柱等 软弱倾斜复合基底排土场边坡失稳机理与控制2019年第5期 3. 2南外排土场稳定性与失稳机理分析 临界失稳状态时排土场表面及 2 个剖面的位 移场分布如图4所示。由图4可知 ①西二露天矿 南外排土场边坡临界失稳时， 大型滑坡区主要位于 最大地表倾向的排土场南侧， 局部小滑坡位于排土 场东西两侧， 且局部小滑坡以排土场东侧为主； ② 排土场滑坡模式是以排弃物料内部拉裂的圆弧形 态为侧界面， 以基底剪切滑移为底界面的切层顺 层滑动 ［14］。相比于顺倾地表， 逆倾地表更有利于排 土场的稳定性， 充分体现了倾斜基底顺逆倾排土场 在变形及稳定性方面的差异 ［14-16］。 图5和图6分别为边坡在基底顺倾和逆倾条件 下失稳过程中的剪应变增量及位移矢量图， 描述了 整个失稳过程中排土场边坡变形、 破坏规律及稳定 性特征。 由图5可知 当排土场初始形成、 折减系数Ks 1.0时， 排土场南侧上部的个别单台阶发生了小范围 坍塌； 当Ks1.1时， 排土场坡脚处岩土体和基底在接 触面处发生了一定程度的剪切错动， 但范围较小； 当 Ks1.2时， 排土场坡脚及附近的基底岩土体发生了局 部剪切破坏； 当 Ks1.3 时， 剪切破坏区域大范围增 加， 排土场复合基底处于接近失稳状态； 当 Ks1.4 时， 排土场复合基底整体失稳。以上分析表明 排土 场复合基底失稳是一渐进过程， 经历了排土场沉降、 局部剪切错动、 局部剪切破坏、 剪切裂缝扩展和贯通 5个阶段。 由图6可知 当排土场初始形成、 折减系数Ks 1.0时， 排土场北侧上部的个别单台阶同样发生了小 范围坍塌， 剪应变未发展至坡脚； 当Ks1.4时， 边坡 45 ChaoXing 金属矿山2019年第5期总第515期 仍然处于稳定状态， 只是在Ks逐渐增大的过程中， 剪 应变逐渐发展至坡脚， 基底岩土体并未发生任何破 坏， 仅在此过程中伴随有单个台阶的局部坍塌现象。 4排土场稳定性控制方案 根据本研究排土场边坡稳定性分析结果， 认为 造成蒙东西二排土场边坡失稳的主控因素为基底形 态， 当基底岩性条件一定时， 基底形态是影响边坡稳 定性的重要因素， 尤其在基底顺倾时， 可通过调整排 土程序对边坡稳定性进行控制。具体来说 一方面， 可通过调整排土线的布置及发展方式来改变排土场 边坡面与基底面之间的空间关系， 即调整排土线的 布置及发展方式使排土场边坡面与基底面成逆倾关 系； 另一方面， 不同类型剥离物的排弃顺序对排土场 也有一定的影响， 可首先在排弃场地放置抗剪强度 指标较大的岩石来提高和控制排土场的稳定性。对 于蒙东西二露天矿， 外排土场基本排弃至地表境界， 无法通过改变排土程序来提高其稳定性； 对于内排 土场， 可通过调整排土程序， 即调整局部区段排土线 46 ChaoXing ［1］ ［2］ ［3］ ［4］ ［5］ ［6］ ［7］ ［8］ ［9］ ［10］ ［11］ ［12］ ［13］ ［14］ ［15］ ［16］ 的布置及发展方式和改变剥离物的排弃顺序来提高 顺倾基底条件下内排土场边坡稳定性。 5结论 （1） 排土场在初始形成及临界失稳时， 基底顺倾 一侧的坡体位移均较显著， 表明逆倾基底明显有利 于维持排土场的稳定性。 （2） 排土场边坡失稳是一个应力调整的动态过 程， 同时也是一个渐进过程， 须经过排土场沉降、 局 部剪切错动、 局部剪切破坏、 剪切裂缝扩展和贯通5 个阶段。 （3） 针对蒙东西二露天矿工程实际以及顺倾基 底明显不利于排土场稳定的问题， 可通过调整局部 区段排土线的布置及发展方式和改变剥离物的排弃 顺序来提高顺倾基底条件下内排土场边坡稳定性。 参 考 文 献 宋子岭， 刘文坊， 范军富， 等.倾斜基底内排土场边坡稳定性分析 ［J］ .金属矿山， 2018 （2） 179-183. Song Ziling，Liu Wenfang，Fan Junfu， et al. Slope stability analy- sis of dump in inclined basement［J］ . Metal Mine， 2018（2） 179- 183. 陈立云.倾斜基底排土场稳定性预测与失稳机制探讨以胜 利煤田西二号露天煤矿排土场为例 ［J］ .中国煤炭地质， 2016， 28 （3） 50-55. Chen Liyun.Prediction of stability and discussion of instability mechanism of inclined basement dumptaking the dump of No.2 opencast coal mine in Shengli Coalfield as an example ［J］ .Coal Ge- ology of China， 2016， 28 （3） 50-55. 曹兰柱， 王珍， 王东， 等.软弱基底排土场堆载过程中稳定性 数值模拟 ［J］ .防灾减灾工程学报， 2017， 37 （5） 776-781. Cao Lanzhu， Wang Zhen， Wang Dong， et al.Numerical simulation of the stability of soft base dump during loading ［J］ .Journal of Di- saster Prevention and Mitigation Engineering， 2017， 37（5） 776- 781. 王家臣， 陈冲.软弱基底排土场边坡稳定性三维反演分析 ［J］ . 中国矿业大学学报， 2017， 46 （3） 474-479. Wang Jiachen， Chen Chong.Three-dimensional inversion analysis of slope stability of dump with weak base ［J］ .Journal of China Uni- versity of Mining and Technology， 2017， 46 （3） 474-479. 丰定祥， 吴家秀， 葛修润.边坡稳定性分析中几个问题的探讨 ［J］ .岩土工程学报， 1990， 12 （3） 1-9. Feng Dingxiang， Wu Jiaxiu， Ge Xiurun. Some problems of slope Stability analysis ［J］ .Chinese Journal of Geotechnical Engineering， 1990， 12 （3） 1-9. 王俊， 孙书伟， 陈冲.饱水黄土基底排土场地质力学模型试 验研究 ［J］ .煤炭学报， 2014， 39 （5） 861-867. Wang Jun， Sun Shuwei， Chen Chong.Geo-mechanical model experi- ment research of dumping site on loess basement ［J］ .Journal of Chi- na Coal Society， 2014， 39 （5） 861-867. 董晓红， 梁桂兰， 许忠厚.边坡稳定分析方法综述及发展趋势研 究 ［J］ .水利与建筑工程学报， 2012， 10 （5） 100-102. Dong Xiaohong，Liang Guilan，Xu Zhonghou.Summarization for slope stability analysis s and research on their development trend［J］ .Journal of Water Resources and Architectural Engineer- ing， 2012， 10 （5） 100-102. 丁参军， 张林洪， 于国荣， 等.边坡稳定性分析方法研究现状与趋 势 ［J］ .水电能源科学， 2011， 29 （8） 112-114. Ding Canjun， Zhang Linhong， Yu Guorong， et al.Research current situation and development trend of slope stability analysis ［J］ .Water Resources and Power， 2011， 29 （8） 112-114. Bishop A W.The use of the slip circle in the stability analysis of slopes ［J］ .Geotechnique， 1955， 5 （1） 7-17. Janbu N.Earth pressures and bearing capacity calculations by gen- eralized procedure of slices ［C］ //Proceedings of the 4thConference on Soil Mechanics and Foundation Engineering.London， 1957207- 212. 曹平， 张科， 汪亦显， 等.复杂边坡滑动面确定的联合搜索法 ［J］ .岩石力学与工程学报， 2010， 29 （4） 814-821. Cao Ping， ZhangKe， WangYixian， et al.Mixed search algorithm of critical slip surface of complex slope ［J］ .Chinese Journal of Rock- Mechanics and Engineering， 2010， 29 （4） 814-821. 赵尚毅， 郑颖人， 邓卫东.用有限元强度折减法进行节理岩质边 坡稳定性分析 ［J］ .岩石力学与工程学报， 2003， 22 （2） 254-260. Zhao Shangyi， Zheng Yingren， Deng Weidong.Stability analysis on jointed rock slope rock slope by strength reduction fem ［J］ .Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering， 2003， 22 （2） 254-260. 王东， 王珍， 曹兰柱， 等.断层位置对露天矿顺倾层状边坡稳 定性的影响研究 ［J］ .中国安全科学学报， 2014， 24 （12） 83-89. Wang Dong， Wang Zhen， Cao Lanzhu， et al.Influence of faults posi- tion on stability of dip bedded slope in surface mines［J］ .China Safety Science Journal， 2015， 24 （12） 83-89. 陈立云.胜利煤田西二号露天煤矿排土场边坡工程地质环境条 件及稳定性预测 ［J］ .西部资源， 2015 （6） 71-73. Chen Liyun.Engineering geological conditions and stability predic- tion of the dump of west No.2 coal mine of Shengli Coalfield［J］ . West Resources， 2015 （6） 71-73. 寇晓东， 周维垣， 杨若琼. FLAC3D进行三峡船闸高边坡稳定分析 ［J］ .岩石力学与工程学报， 2001， 20 （1） 6-10. Kou Xiaodong， Zhou Weiyuan， Yang Ruoqiong.Stability analysis of the high slopes of Three Gorges ship lock using FLAC3D［J］ . Chi- nese Journal of Rock Mechanics and Engineering， 2001， 20 （1） 6- 10. 曹兰柱， 赵立春.含多弱层复合边坡滑坡治理三维数值分析 ［J］ . 中国安全生产科学技术， 2015， 11 （6） 102-107. Cao Lanzhu， Zhao Lichun.Three-dimensional numerical analysis on landslide control of composite slope with multiple weak layers ［J］ . Journal of Safety Science and Technology， 2015， 11 （6） 102-107. （责任编辑王小兵） 2019年第5期曹兰柱等 软弱倾斜复合基底排土场边坡失稳机理与控制 47 ChaoXing