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1、中国科学院武汉岩土力学研究所 岩土力学与工程国家重点实验室,矿山排土场边坡 稳定性分析及评价,李小春 研究员,有色金属矿山排土场设计规范 GB50421-2007,岩土工程勘察规范 GB 50021-2001,钢铁企业总图运输设计规范,金属非金属矿山安全规程 GBl64232006,岩土工程勘察技术规范 YS 5202-2004,金属非金属矿山排土场安全生产规则 AQ_2005-2005, 金属非金属矿山安全规程 GB l6423-2006,报告内容,第一部分 一.相关规范的解读 二.稳定性分析与评价的流程 三.稳定性分析方法的分类 四.不同分析方法所需的信息及勘察测试要求 五.历史资料与初步
2、勘察的工作要点 六.失稳模式及其机理 七.计算分析的要点 八.稳定性评价的指标与判据 第二部分 实例：峨口排土场稳定性评价,有色金属矿山排土场设计规范 GB 50421-2007,一.相关规范的解读,有色金属矿山排土场设计规范 GB 50421-2007,一.相关规范的解读,有色金属矿山排土场设计规范 GB 50421-2007,一.相关规范的解读,建筑边坡工程技术规范 GB 50330-2002,一.相关规范的解读,5.1.2 根据边坡岩土类型和结构，综合采用工程地质类比法和刚体极限平衡计算法进行 5.1.3对土质较软、地面荷载较大、高度较大的边坡，其坡脚地面抗隆起和抗渗流等稳定性评价应按现
3、行有关标准执行 5 当边坡破坏机制复杂时，宜结合数值分析法行分析 5.2.5采用折线滑动法时，边坡稳定性系数按照传递系数法计算（并未直接指明，但公式说明中出现了剩余下滑力、传递系数） 5.2.6对存在地下水渗流作用的边坡，稳定性分析应按下列方法考虑地下水的作用： 1. 水下部分岩土体重度取浮重度; 2. 提供了动水压力的计算公式, 金属非金属矿山安全规程 GB l6423-2006,一.相关规范的解读,一.相关规范的解读,稳定性评价的条件：土质或陡坡基；危险级、病级 计算分析方法：极限平衡、工程类比、地质分析、数值模拟 评价指标：抗滑稳定性：Fs 1.15-1.30 泥石流、塌陷、滚石、变形开
4、裂：措施 操作中可能遇到的问题 失稳类型遗漏、勘察针对性、计算方法选取、计算参数取值 评价指标与判据 议题1：现行规范等的问题？,二.稳定性分析的流程,基于问题识别的排土场稳定性分析方法 问题：特征+要素+过程 勘察、计算、评价都要立足机理、因素,三.排土场的失效模式的识别与计算方法,问题识别 = 主要影响因素 + 部位 + 机理+过程 例如：堆载过高引起的沿排土场-基岩界面的滑坡,降雨控制的排土场本体滑坡影响因素分布图,三.排土场的失效模式识别与计算方法,图3. 降雨控制的排土场界面滑坡影响因素分布图,三.排土场的失效模式识别与计算方法,图4. 降雨控制的排土场地基滑坡影响因素分布图,三.排
5、土场的失效模式识别与计算方法,三.排土场的失效模式识别与计算方法,三.排土场的失效模式识别与计算方法,图5. 降雨控制的排土场地基变形超限影响因素分布图,三.排土场的失效模式识别与计算方法,三.排土场的失效模式识别与计算方法,三.排土场的失效模式识别与计算方法,三.排土场的失效模式识别与计算方法,四.稳定性分析方法的分类,五.分析计算所需的信息及勘察测试要求,六.历史资料与初步勘察的工作要点,1）历史资料：地形地貌、勘察资料、水文、气象、地震、施工记录、研究报告 2）工程地质测绘宜在初步勘察阶段进行 3）工程地质测绘比例尺可采用1:2000-1:5000 4）工程地质测绘的范围除应包括场地及邻
6、近地段，尚应包括影响工程建设不良地质作用的发育地段和工程建设可能引起的不良地质作用范围。当地震基本烈度等于或大于7度及地质条件特别复杂时，宜适当扩大工程地质测绘范围 5）对重要的地段或隐患(如滑坡、泥石流、断裂带的分布位置及影响等)宜进行详细勘察和测绘,七.排土场计算分析的要点,排土场稳定性极限平衡法计算分析要点7,七.计算分析的要点,图3. 各分析方法差值百分比对比,表3. 各分析方法差值百分比分布统计,图3. 各分析方法标准差对比,没有方法能在所有工况中保持精度小于5%，因此不宜单一的计算方法。建议选用M-P、Spencer、Bishop、L-K同时计算，综合取值 应尽量采用满足所有平衡条
7、件的方法。自行编制程序时，仍需克服收敛性的问题 Bishop法具有良好的替代性，在本算例中，其精度只在2种工况中超过5%，且计算标准差较低，计算时具有良好的稳定性,八.稳定性评价的指标与判据,有色金属矿山排土场设计规范(GB50421-2007) 7.09规定:当采用圆弧滑动验算法、平面滑动验算法、折线滑动法验算排土场稳定性时，边坡稳定性系数取1.15-1.30；并根据被保护对象等级而定。被保护对象为失事后使村镇和和居民集中区遭受严重灾害时，稳定系数应取1.3；当被保护对象为失事后不至造成人员伤亡或这造成损失不大的次要建筑物时，稳定性系数应取1.2；当被保护对象为失事后损失轻微时，稳定性系数应
8、取1.15。,五,实例：峨口排土场稳定性评价,1,汽车运输 推土机推排 先近后远、多层同时排弃,2,南排土场（终排） 石人沟土场 跑马岭土场 2号和3号排土场,3,研究背景,1,原始地形坡度2530 地表出露，以基岩为主，地基稳定 土场下方紧邻金方园铁矿，私挖乱采和坡脚扒渣捡矿严重,2,研究背景,地形条件适宜 ：山谷型，南磨沟南北向喇叭状狭长沟，沟底纵坡20度左右。 地质：表土为第四纪黄土覆盖层，基层内含绿泥片岩软弱层。 环境：北部紧临北东采场，南部靠近采选工业区，下方有民采选厂。 参数：最大高差近400m（1816土场至1684土场高差132m，1684土场至1588土场高差96m，1588
9、土场下部私人选场已挖成立坡，高差达200多m）,问题识别,堆载过高、降雨入渗、地震引起的排土场本体或基础滑坡； 无需控制变形，无泥石流条件,问题识别,分析方法选择,分析方法选择,渗流计算、安全系数计算,分析方法选择,1,1、熟悉地形 2、计算剖面确定 3、岩性辨别 4、地质填图 5、排土料取样,2,1、钻孔摄像 2、爆破震动测试 3、监测管埋设,3,1、力学试验和参数统计分析 2、渗流计算 3、极限平衡计算分析 4、FLAC计算分析,1、位移、水位和雨量 监测建议 2、排土工艺优化设计 3、治理设计,4,一、工作内容和研究思路,山坡坡度2530。横断面呈“V”形，纵剖面呈阶梯状 平均降雨量为4
10、38.3mm，无地表水体，唯一补给来源为大气降水,二、地质调查-工程地质特征,南磨沟,高度354米,1、地形地貌、气候,原始地形,土场现状（跑马岭）,跑马岭排土场所占的南磨沟系南北向狭长沟，延伸超过1.5km，平均宽度约500m，沟底纵坡20度左右，沟中有民采小矿点，沟口处有村庄和工厂，并有公路通过。地基土上部主要为第四系残坡积土，主要为粉质粘土，可塑硬塑状态，局部含有碎石，厚度13m不等；基岩出露的岩性主要为云母石英片岩，局部出露角闪岩侵入体，岩石较坚硬，但节理裂隙发育。根据地质钻探资料表明，跑马岭排土场基岩存在绿泥片岩夹层，岩层产状主要为倾向北西215北东20，倾角4085。,二、地质调查
11、-工程地质特征,2、排土场地基及排土料特征-跑马岭,三、排土场物料粒度分布规律,三、排土场物料粒度分布规律,三、排土场物料粒度分布规律,粒度组成累积分布曲线与分布特征参数,排土场总体级配良好，排土过程中分层排土对排土场边坡极其有利,三、排土场物料粒度分布规律,随排土高度的分布规律（以跑马岭为范例）,细粒岩石逐渐减少，粗粒岩石逐渐增多,三、排土场物料粒度分布规律,粒度组成分布函数,各取样点的粒度组成较好地符合罗申拉莫勒函数：排土场上部中、细粒偏多，中下部大块多 利用粒度组成分布函数可求出土场边坡不同部位的散体块度组成，进而判断不同位置和高度的排土体力学强度参数 基于筛分试验结果确定排土场散体岩石
12、物理力学试验级配方案,四、排土场岩土物理力学性质,排土场的稳定性取决于其本身的地质结构、地基及堆积物料的力学性质以及地下水渗流场的分布、动力荷载的大小等多方面的因素,拥有国内本学科领域最为齐全的实验设备，自主研制一系列岩土力学实验仪器，是国内测试技术研发实力最强的单位,剪切实验系统,四、排土场岩土物理力学性质,在一定围压3条件下，逐级对散体试样施加轴向压力1，使试样发生压缩、剪切、变形、直致破坏，从而测定获得散体物料的有关力学参数指标,排土料大三轴试验,YLSZ30-3型应力式大型三轴试验机,排土料直剪试验,四、排土场岩土物理力学性质,排土料试验级配-相似法,四、排土场岩土物理力学性质,基于三
13、轴试验提供的DUCAN-CHUANG模型参数,四、排土场岩土物理力学性质,峨口排土料试验结果汇总,完成排土场散体物料饱水状态下、自然状态下直剪试验和三轴试验。获得了饱和状态下、自然状态下c值、值随排土场堆置高度变化的函数,五、峨口铁矿排土场边坡潜在破坏模式工程类比分析,潜在失稳模式,排土本体 近程滑坡,泥石流,内因：受物料特性自身影响（粘土或细颗粒含量较高），压实沉实导致内部的 孔隙压力增高，应力集中，降低了潜在滑动面的摩阻力；或者由于岩土混排， 在排土场内形成软弱层，雨水作用降低了潜在滑面的摩阻力而形成； 外因：受堆高、水浸润或爆破振动影响。台阶高度超过散体岩石堆积极限， 下部阻挡被动楔难以
14、支撑。水浸润降低排土体自身性质或爆破振动诱发。 特征：园弧形滑面，穿过内部而出露于坡面。距离不远，一次滑动后随即稳定， 若继续排土，则再一次滑动。,沿原始山体 表面滑动,基础山 体滑坡,跑马岭排土场1700m标高和石人沟土场非常明显。 平台表面出现显著的贯通裂缝和变形，却并不会产生滑坡。,五、峨口铁矿排土场边坡潜在破坏模式工程类比分析,当业已稳定的土场掏挖坡脚形成凌空面时，其裂缝急剧扩展， 水平和垂直位移加大（终排多年的南排土场）,五、峨口铁矿排土场边坡潜在破坏模式工程类比分析,潜在失稳模式,排土本体 近程滑坡,泥石流,主控因素：基底表面倾角、地基与排弃物之间的强度指标差异。 特征：规模和距离
15、比本体滑坡要大，因此威胁也大 初期排弃表土，强度低，结构疏松，水沿基底表面滞流浸润软化，构成滑带， 产生沿基底表层的顺坡向破坏。 峨口排土场均在斜坡之上，坡面存在一定厚度黄土或残积土，浸水湿润后软化 坡度：跑马岭（1822）、石人沟土场（2530）。 应作为重点风险源控制。做好隔离和警戒，杜绝掏挖土场坡脚，防范未然。,沿原始山体 表面滑动,基础山 体滑坡,五、峨口铁矿排土场边坡潜在破坏模式工程类比分析,潜在失稳模式,排土本体 近程滑坡,泥石流,当地基软弱，或正断层时，水、过载或边坡过陡等因素而导致， 在上部土场作用下产生滑移和底鼓，进而牵引上部土场滑坡。 软弱带被挤压产生塑性流动挤出，下部基底
16、隆起剪切而产生破坏。 峨口铁矿土场表土较薄，且为碎石土，下部基岩完整，不会发生此类破坏。,沿原始山体 表面滑动,基础山 体滑坡,五、峨口铁矿排土场边坡潜在破坏模式工程类比分析,潜在失稳模式,排土本体 近程滑坡,泥石流,三个条件：纵坡降较大而易于集水的沟谷地形地貌；丰富的可移动的松散 固体物质；充足的降水 峨口铁矿各区排土场形成泥石流的条件不充足,沿原始山体 表面滑动,基础山 体滑坡,五、峨口铁矿排土场边坡潜在破坏模式工程类比分析,六、排土场稳定性分析,六、排土场稳定性分析,六、排土场稳定性分析,六、排土场稳定性分析,六、排土场稳定性分析,国内外对露天矿边坡一般取用允许安全系数在F=1.10-1.50之间，多数场合下取F=1.15-1.3（岩土工程勘察规范GB50021-2001规定） 有色金属矿山排土场设计规范规定，稳定性系数取1.15-1.30 ；并根据被保护对象等级而定。,根据工程类比原理，取允许
