矿山排土场边坡稳定性分析及安全评价-20110618-外考-李小春

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1、中国科学院武汉岩土力学研究所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李小春 研究员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

2、息及勘察测试要求五.历史资料与初步勘察的工作要点六.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工程地质类比

3、法和刚刚体极限平衡计算法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，其坡脚地坡脚地面抗隆起面抗隆起和抗渗流抗渗流等稳定性评价应按现行有关标准执行5 当边坡破坏机制复杂边坡破坏机制复杂时，宜结合数值分析法数值分析法行分析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剩余下滑力、传递系数传递系数）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金属非金属矿山安全规程 GB l6423-2006一.

4、相关规范的解读编号号危危险级排土排土场特征特征1.在山坡地基上在山坡地基上顺坡排土或在坡排土或在软地基上排土，未采取安全措施，地基上排土，未采取安全措施，经常常发生滑坡的生滑坡的2易易发生泥石流的山坡排土生泥石流的山坡排土场，下游有采，下游有采矿场，工，工业场地，居民点、永久性建筑等地，居民点、永久性建筑等设施，未施，未采取切采取切实有效的防治措施有效的防治措施3排土排土场存在重大危存在重大危险源（如汽源（如汽车排土排土场未建安全未建安全车挡，铁路排土路排土场铁路路线顺坡和曲率半径坡和曲率半径小于小于规程最小程最小值），极易），极易发生生车毁毁人亡事故人亡事故4山坡山坡汇水面水面积大而未修筑排

5、水沟或排水沟被大而未修筑排水沟或排水沟被严重堵塞的重堵塞的5经验算，用余推力法算，用余推力法计算的安全系数小于算的安全系数小于1.0的的编号号病病级排土排土场特征特征1排土排土场地基条件不好，地基条件不好，对排土排土场的安全影响不大的的安全影响不大的2易易发生泥石流的山坡排土生泥石流的山坡排土场，下游有山地、沙漠或，下游有山地、沙漠或农田，未采取有效的防治措施的田，未采取有效的防治措施的3未按排土未按排土场作作业管理要求的参数或管理要求的参数或规定定进行施工的行施工的4经验算，用余推力法算，用余推力法计算的安全系数大于算的安全系数大于1.00小于小于设计规定定值的的编号号正常正常级排土排土场特

6、征特征1排土排土场基基础较好或不良地基好或不良地基经过有效有效处理理2排土排土场各各项参数符合参数符合设计要求和排土要求和排土场作作业管理要求，用余推力法管理要求，用余推力法计算的安全系数大于算的安全系数大于1.15，正常生，正常生产的的3排水沟及泥石流排水沟及泥石流拦挡设施符合施符合设计要求的要求的一.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、变形开裂：措施操作中可能遇到的问题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

7、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失效失效模式模式破坏部位破坏部位影响因素影响因素排土料排土料特性特性界面特界面特性性地基特地基特性性荷载条荷载条件件边界条边界条件件滑坡滑坡排土场本体排土场本体软化软化破碎破碎颗粒运颗粒运动动湿陷湿陷软化软化植物植物坡积土坡积土液化液化软化软化重力重力超载超载地震地震爆破爆破地形地形涌泉涌泉降雨降雨界面界面地基地基问题识别 = 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

8、的滑坡 降雨控制的排土场本体滑坡影响因素分布图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图3. 降雨控制的排土场界面滑坡影响因素分布图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图4. 降雨控制的排土场地基滑坡影响因素分布图降雨控制的排土场地基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失效模式主要控制因素过程计算方法滑坡地震地震惯性力性力和超静孔隙水超静孔隙水压力的力的作用，下滑力增大，抗滑力减小类比/有限元/极限平衡/有限差分低粘性土发生液化液化，孔隙压力猛增，土抗剪强度迅速减小或完全丧失类比/有限元/有限差分/离散元降

9、雨基质吸力丧失或大减少；土体含水量增加，容重增大；地下水位抬高，渗透力增大有限元/有限差分/极限平衡/软弱层(黄土基底等)抗剪强度降低;；黄土地基中可能产生演化弱层工程类比/有限元/有限差分多种外力综合作用流固耦合流体导致岩土软化、细颗粒流失，同时岩土的力学和结构变化又改变流体运移通道有限元/有限差分地震-降雨地震的累积效应导致边坡岩体力学参数的降低，为后来的外地质营力创造了条件，最终导致了边坡的失稳破坏有限元/有限差分三.排土场的失效模式识别与计算方法失效失效模式模式破坏部位破坏部位影响因素影响因素排土料排土料特性特性界面特界面特性性地基特地基特性性荷载条荷载条件件边界条边界条件件变形变形超

10、限超限排土场本体排土场本体软化软化破碎破碎颗粒运颗粒运动动压实压实固结固结湿陷湿陷软化软化滑移滑移固结固结压实压实软化软化重力重力超载超载地震地震地形地形涌泉涌泉降雨降雨界面界面地基地基三.排土场的失效模式识别与计算方法图图5. 降雨控制的排土场地基变形超限影响因素分布图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失效模式影响因素过程计算方法变形超限地形地貌、排弃方式排土场下垫面承载力不一，排弃岩土空间分布很不均匀，造成排土场不同部位的非均匀沉降有限元/有限差分排土料与地基土的压实、固结排土料：松散岩土物料，在自重和外载荷作用下的逐渐压实和沉降。其沉降系数为1.

11、11.2，沉降过程延续数年工程类比/有限元/有限差分/经验公式地基土：在饱和粘土层中，由于土的渗透效果差，当土受到外界压力后，土粒间附着的孔隙水一时难以排除，外界压力迫使水压增大，粒间压力一时难以增加，从而引起排土场因地基失稳而滑坡工程类比有限元/有限差分三.排土场的失效模式识别与计算方法失效模式影响因素机理计算方法泥石流基本条件松散物质供给；充足的水体条件；地形条件固体颗粒先遭受水体冲刷作用，使固体颗粒与下垫层面脱离关系，然后又遭受水体片蚀作用，使固体物质由坡地转移入河床工程类比16/有限元/现场试验法激发条件暴雨滑坡转化型泥石流经过3个过程：(1)滑动岩土体的广泛库伦破坏；(2)由高孔流体

12、压力导致的部分或完全液化；(3)滑坡平动动能转化为颗粒振动内能工程类比/有限元/离散元三.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名称原理具体方法选取原则定性分析方法工程类比对已有边坡和待分析边坡从各个方面进行对比、归纳和总结，判断边坡稳定性机理、主要影响因素的相似性数据库和专家系统建立已有边坡工程数据库；基于类比和推理，判断出待分析边坡稳定性知识准确完备；推理法则、判据正确定量计算方法极限平衡法根据滑体力学平衡分析，确定滑动面抗滑安全系数Ordinary(Fellenius法)、Bishop法、Janbu法、Morgenstern-Price法、Spencer法、Sa

13、rma法、余推力法滑动失稳极限分析法以塑性极限分析理论的上限定理和下限定理为基础建立的力学分析方法用的很少滑移线场法采用速度和应力滑移线场的几何特性求解极限平衡偏微分方程组的数学方法对边值问题限制较多数值分析方法应用非线性计算力学和数值技术理论发展而成的分析方法有限元、有限差分离散元、边界元、DDA、PFC等处理非线性、非均质、复杂边界、耦合等问题，可反映应力、变形的时空演化过程四.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分析方法所需信息勘察手段极限平衡法数值分析方法地貌形态钻探、井探，槽探、地球物理勘探地基岩土类型、成因、结构特性、力学特性、地下水的类型、水位，水压，补给及动

14、态变化，岩土的透水性，地下水的出露地区气象、水文、地震条件岩土的物理力学性质、软弱结构面的抗剪强度物理性质试验、力学性质试验单轴抗压、三轴压缩，直剪，轴向拉伸、点荷载试验原位试验荷载试验、静力触探、圆锥动力触探、标准贯入试验、十字板剪切试验、旁压试验、现场直剪试验六.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1:2000-1:50004）工程地质测绘的范围除应包括场地及邻近地段，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

15、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方法平衡条件条件力假定滑面形状适用条件水平力竖向力力矩瑞典法OrdinaryMethodofSlice条间力合力方向与滑弧底面平行圆弧得到的最小安全系数比严格方法得到的结果要小。在总应力分析中，误差不会超过一定的范围，属于工程应用可以接受的范围。对于含有高孔隙水压力的有效应力分析，误差较大。9毕肖普法Bishop条间合力水平圆弧对于圆弧滑面，Bishop方法的结果具有足够的精度。10简化简布法SimplifiedJanbu*条间

16、力合力水平，使用修正系数F0计算条间剪力任意形状 与满足所有平衡条件的方法相比，安全系数相差不超过%，当假设条间力合力平行于与地面平行时，误差更大；Lowe-Karafiath法适用性较好，适用于较大的情况10。罗厄法*Lowe-Karafiath条间力倾角等于土条底面倾角和顶面倾角的平均值任意形状传递系数法*(余推力法)条间力倾角等于上一土条底面倾角任意形状在无附加荷载情况下自动满足力矩平衡。当滑动面是圆弧时,余推力法和简化Bishop法的计算安全系数是非常接近的,而且二者所搜索到的临界滑弧位置几乎重合。11简布修正法Janbucorrected*推力线任意形状 推力线高度的假定，导致收敛困

17、难12斯宾塞法Spencer条间水平与切向力比值为常数任意形状满足所有所有平衡条件的方法给出的最小安全系数差别不会超过正负5%，可以认为在所有情况下都是正确的10摩根斯坦-普赖斯法Morgenstern-Price条间水平与切向力比值存在函数关系任意形状排土场稳定性极限平衡法计算分析要点7 七.计算分析的要点方法原理优点有限元法将连续求解域离散为一组单元，以每个单元内的近似函数来分片表示求解域上待求的未知场函数；近似函数通常由未知场函数及其导数在单元各节点的数值插值函数来表达。从而使一个连续的无限自由度问题变成离散的有限自由度问题能反映岩土体应力-应变关系，避免极限平衡法中视条块为刚体的缺陷；

18、能够反映不连续面，能够模拟复杂边界条件；可模拟岩土体的应力、应变分布规律和破坏趋势离散单元法将所研究的区域划分成一个个分立的多边形块体单元，单元之间可以看成是角-角接触，角-边接触或边-边接触，而且随着单元的平移和转动，允许调整各个单元之间的接触关系离散元强度单元之间的关系，对单元本身的变形却忽略不计。能够模拟边坡岩体的大变形，并且可以实时预测，但由于单元划分的特点，其对块体结构、碎裂结构岩土体组成的边坡比较适合有限差分法把连续的定解区域用有限个离散点构成的网格来代替，把连续定解区域上的连续变量的函数用在网格上定义的离散变量函数来近似；把原方程和定解条件中的微商用差商来近似，积分用积分和来近似

19、，于是原微分方程和定解条件就近似地代之以代数方程组，即有限差分方程组，解此方程组就可以得到原问题在离散点上的近似解既考虑了单元本身的变形，同时采用时步迭代，能够反映大变形以及可以考虑不连续面的作用图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d方法始终在5%以内1-2种工况超过5%3-4种工况超过5%多于4种工况超过5%OrdinaryBishopJanbu simplifiedJanbu correctedSpencerL-KM-Pu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、

20、L-K同时计算，综合取值u应尽量采用满足所有平衡条件的方法。自行编制程序时，仍需克服收敛性的问题uBishop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

21、；当被保护对象为失事后损失轻微时，稳定性系数应取1.15。五实例：峨口排土场稳定性评价排弃工艺排弃工艺1汽车运输汽车运输推土机推排推土机推排先近后远、多先近后远、多层同时排弃层同时排弃研究范围研究范围2 南排土场南排土场（终（终排）排） 石人沟土场石人沟土场 跑马岭土场跑马岭土场 2号和号和3号排土号排土场场排土场容量排土场容量3研究背景研究背景石人沟、石人沟、2#，3#排土场排土场1原始地形坡度原始地形坡度2530地表出露，以基岩为主，地基稳地表出露，以基岩为主，地基稳定定土场下方紧邻金方园铁矿，私挖土场下方紧邻金方园铁矿，私挖乱采和坡脚扒渣捡矿严重乱采和坡脚扒渣捡矿严重跑马岭排土场跑马岭排

22、土场2研究背景研究背景 地形条件适宜地形条件适宜 ：山谷型，南磨沟南北向喇叭状狭山谷型，南磨沟南北向喇叭状狭长沟，沟底纵坡长沟，沟底纵坡20度左右。度左右。地质地质：表土为第四纪黄土覆盖层，基层内含绿泥：表土为第四纪黄土覆盖层，基层内含绿泥片岩软弱层。片岩软弱层。环境环境：北部紧临北东采场，南部靠近采选工业区，：北部紧临北东采场，南部靠近采选工业区，下方有民采选厂。下方有民采选厂。参数：最大高差近参数：最大高差近400m（1816土场至土场至1684土场高土场高差差132m，1684土场至土场至1588土场高差土场高差96m，1588土土场下部私人选场已挖成立坡，高差达场下部私人选场已挖成立坡

23、，高差达200多多m）问题识别问题识别失效失效模式模式破坏部位破坏部位影响因素影响因素排土料排土料特性特性界面特界面特性性地基特地基特性性荷载条荷载条件件边界条边界条件件滑坡滑坡排土场本体排土场本体软化软化破碎破碎颗粒运颗粒运动动湿陷湿陷软化软化植物植物坡积土坡积土液化液化软化软化重力重力超载超载地震地震爆破爆破地形地形涌泉涌泉降雨降雨界面界面地基地基堆载过高、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问题识别分析方法选择分析方法选择名称原理具体方法选取原则定性分析方法工程类比对已有边坡和待分析边坡从各个方面进行对比、归纳和总结，判断边坡稳定性机理、主要影响因

24、素的相似性数据库和专家系统建立已有边坡工程数据库；基于类比和推理，判断出待分析边坡稳定性知识准确完备；推理法则、判据正确定量计算方法极限平衡法根据滑体力学平衡分析，确定滑动面抗滑安全系数Ordinary(Fellenius法)、Bishop法、Janbu法、Morgenstern-Price法、Spencer法、Sarma法、余推力法滑动失稳极限分析法以塑性极限分析理论的上限定理和下限定理为基础建立的力学分析方法用的很少滑移线场法采用速度和应力滑移线场的几何特性求解极限平衡偏微分方程组的数学方法对边值问题限制较多数值分析方法应用非线性计算力学和数值技术理论发展而成的分析方法有限元、有限差分离散

25、元、边界元、DDA、PFC等处理非线性、非均质、复杂边界、耦合等问题，可反映应力、变形的时空演化过程分析方法选择分析方法选择方法原理优点有限元法将连续求解域离散为一组单元，以每个单元内的近似函数来分片表示求解域上待求的未知场函数；近似函数通常由未知场函数及其导数在单元各节点的数值插值函数来表达。从而使一个连续的无限自由度问题变成离散的有限自由度问题能反映岩土体应力-应变关系，避免极限平衡法中视条块为刚体的缺陷；能够反映不连续面，能够模拟复杂边界条件；可模拟岩土体的应力、应变分布规律和破坏趋势离散单元法将所研究的区域划分成一个个分立的多边形块体单元，单元之间可以看成是角-角接触，角-边接触或边-

26、边接触，而且随着单元的平移和转动，允许调整各个单元之间的接触关系离散元强度单元之间的关系，对单元本身的变形却忽略不计。能够模拟边坡岩体的大变形，并且可以实时预测，但由于单元划分的特点，其对块体结构、碎裂结构岩土体组成的边坡比较适合有限差分法把连续的定解区域用有限个离散点构成的网格来代替，把连续定解区域上的连续变量的函数用在网格上定义的离散变量函数来近似；把原方程和定解条件中的微商用差商来近似，积分用积分和来近似，于是原微分方程和定解条件就近似地代之以代数方程组，即有限差分方程组，解此方程组就可以得到原问题在离散点上的近似解既考虑了单元本身的变形，同时采用时步迭代，能够反映大变形以及可以考虑不连

27、续面的作用渗流计算、安全系数计算分析方法选择分析方法选择分析方法所需信息勘察手段极限平衡法数值分析方法原始、现状及终了地貌形态钻探、槽探地基岩土类型、成因、结构特性、力学特性地下水的类型、水位，水压，补给及动态变化，岩土的透水性，地下水的出露地区气象、水文、地震条件排土场及地基岩土的强度及变形参数物理性质试验：密度等室内力学性质试验：单轴抗压、三轴压缩、直剪、点荷载试验安全响应机制监测系统设计排土场实例调查类比分析数 字 化 地 质 模 型太钢矿业分公司峨口铁矿排土场稳定性及排土工艺技术研究报告排土场稳定性分析、评价排土场稳定性分析、评价排土工艺技术排土工艺技术技术方案及管理标准技术方案及管理

28、标准排土场监测方案排土场监测方案堆置分段高度排弃方式极限堆置高度排土顺序料源控制分排设计施工技术管理标准规范渗流计算有限差分法基地处理渗滤系统综合治理综合治理Bishop法Janbu法型余推力法边本体滑坡沿面滑坡基础滑坡泥石流破坏模式滑坡挡滑桩墙工程地质、水文地质调查变形迹象岩体位置规模潜在滑动块体边界确定断层、节理、层间错动、出水点、岩性界限极限平衡计算有限元计算地震表土堆积料外因诱发内因作用降雨基础空间分布模型张裂隙位置地下水及渗流力学参数力学试验参数反演三轴试验中型剪切试验三级预警指标监测手段深部变形地下水监测深部位移监测移动GPS监测摄影测量全站仪地表变形散体块度组成物理力学性质原始地

29、形、现状测量影响因素数值计算安全评价勘察设计槽 探补充钻探法声波测井钻孔摄像典型剖面确定一期现场工作一期现场工作地质调查地质调查1 1、熟悉地形、熟悉地形 2、计算剖面确定、计算剖面确定 3、岩性辨别、岩性辨别 4、地质填图、地质填图 5、排土料取样、排土料取样二期现场工作二期现场工作现场试验现场试验2 1、钻孔摄像、钻孔摄像 2、爆破震动测试、爆破震动测试 3、监测管埋设监测管埋设室内工作室内工作室内实验和稳定性分析室内实验和稳定性分析31、力学试验和参数统、力学试验和参数统计分析计分析2、渗流计算、渗流计算3、极限平衡计算分析、极限平衡计算分析4、FLAC计算分析计算分析室内工作室内工作监

30、测、工艺优化监测、工艺优化和治理设计和治理设计1、位移、水位和雨量、位移、水位和雨量 监测建议监测建议2、排土工艺优化设计排土工艺优化设计3 3、治理设计、治理设计4 一、工作内容和研究思路一、工作内容和研究思路山坡坡度山坡坡度2530。横断面呈。横断面呈“V”形，纵剖面呈阶梯状形，纵剖面呈阶梯状平均降雨量为平均降雨量为438.3mm，无地表水体，唯一补给来源为大，无地表水体，唯一补给来源为大气降水气降水 二、地质调查二、地质调查- -工程地质特征工程地质特征南磨沟南磨沟高度高度354354米米1 1 1 1、地形地貌、气候、地形地貌、气候、地形地貌、气候、地形地貌、气候原始地形原始地形土场现

31、状土场现状（跑马岭）（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，平均宽度约500m，沟底纵，沟底纵坡坡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，不等；基岩出露的岩性主要为云母石英片岩，局部出露

32、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层产状主要为倾向北西215北东北东20，倾角，倾角4085。 二、地质调查二、地质调查- -工程地质特征工程地质特征2 2 2 2、排土场地基及排土料特征、排土场地基及排土料特征、排土场地基及排土料特征、排土场地基及排土料特征- - - -跑马岭跑马岭跑马岭跑马岭散体岩石散体岩石块度分布块度分布规律规律筛分法筛分法摄影法摄影法直接量测法直接量测法较细物料较细物料100mm 三、排土场物料粒度分布规律三、

33、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

34、筛分试验结果确定排土场散体岩石物理力学试验级配方案四、排土场岩土物理力学性质四、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典型剖面选取代表试样点物理性质测试含水率容重力学性质测试筛分试验散体块度组成试样制备散体三轴试验粘聚力C内摩擦角强度参数弹模E泊松比变形参数岩石细观力学实验系统岩石细观力学实验系统 RMT 实验系统实验系统 岩石真三轴实验系统岩石真三轴实验系统 土动土动GDS岩石渗流实验系统岩石渗流实验系统 岩土高温渗透测试仪岩土高温渗透测试仪 岩石高温高压实验系统岩石高温高压实验系统 岩石声发射

35、实验系统岩石声发射实验系统v拥有国内本学科领域最为齐全的拥有国内本学科领域最为齐全的实验设备实验设备，自主研制一系列岩土力学实验仪器，是国内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测试技术研发实力最强的单位剪切实验系统剪切实验系统四、排土场岩土物理力学性质四、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 排土料直剪试验排土料直剪试验 四、排土场岩土物理力学性质四、排土场岩土物理力学性质排土料试验级

36、配排土料试验级配-相似法相似法 四、排土场岩土物理力学性质四、排土场岩土物理力学性质基于三轴试验提供的DUCAN-CHUANG模型参数 四、排土场岩土物理力学性质四、排土场岩土物理力学性质峨口排土料试验结果汇总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五、峨口铁矿排土场边坡潜在破坏模式工程类比分析在破坏模式工程类比分析潜在失稳模式潜在失稳模式排土本体排土本体近程滑坡近程滑坡泥石流泥石流内因：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内因：受物料特

37、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，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；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，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支撑。水浸润降低排土体自身性质或爆破振动诱发。下部阻挡被动楔难以支撑。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

38、露于坡面。距离不远，一次滑动后随即稳定，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。若继续排土，则再一次滑动。沿原始山体沿原始山体表面滑动表面滑动基础山基础山体滑坡体滑坡跑马岭排土场跑马岭排土场1700m标高和石人沟土场非常明显。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。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五、峨口铁矿排土场边坡潜在破坏模式工程类比分析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，当业已稳定的土场掏挖坡脚形成凌空面时，其裂

39、缝急剧扩展，水平和垂直位移加大（终排多年的南排土场）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五、峨口铁矿排土场边坡潜在破坏模式工程类比分析在破坏模式工程类比分析潜在失稳模式潜在失稳模式排土本体排土本体近程滑坡近程滑坡泥石流泥石流主控因素：基底表面倾角、地基与排弃物之间的强度指标差异。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：规模和距离比本体滑坡要大，因此威胁也大特征：规模和距离比本体滑坡要大，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，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

40、层的顺坡向破坏。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（坡度：跑马岭（1822）、石人沟土场（）、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。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。沿原始山体沿原始山体表面滑动表面滑动基础山基础山体滑坡体滑坡五、峨口铁矿排土场边坡潜五、峨口铁矿排土场边坡潜在破坏模式工程类比分析在破坏模式工程类比分析潜在失稳模式潜在失稳模式排土本体排土本体近程滑坡近程

41、滑坡泥石流泥石流当地基软弱，或正断层时，水、过载或边坡过陡等因素而导致，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。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，下部基底隆起剪切而产生破坏。软弱带被挤压产生塑性流动挤出，下部基底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。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。沿原始山体沿原始山体表面滑动表面滑动基础山基础山体滑坡体滑坡五、峨口铁矿排土场边坡潜五、峨口铁矿排土场边坡潜在破坏模

42、式工程类比分析在破坏模式工程类比分析潜在失稳模式潜在失稳模式排土本体排土本体近程滑坡近程滑坡泥石流泥石流三个条件：三个条件：纵坡降较大而易于集水的沟谷地形地貌；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丰富的可移动的松散固体物质；固体物质；充足的降水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 沿原始山体沿原始山体表面滑动表面滑动基础山基础山体滑坡体滑坡五、峨口铁矿排土场边坡潜五、峨口铁矿排土场边坡潜在破坏模式工程类比分析在破坏模式工程类比分析稳定性分析方法的选择稳定性分析方法的选择极限平衡分析极限平衡分析安全系数（局部）安全系数（局部

43、）安全系数（整体）安全系数（整体）潜在滑面潜在滑面六、排土场稳定性分析六、排土场稳定性分析有限差分分析有限差分分析动态演化过程动态演化过程安全系数（整体）安全系数（整体）稳定性分析方法的选择稳定性分析方法的选择六、排土场稳定性分析六、排土场稳定性分析有限元强度折减有限元强度折减动态演化过程动态演化过程安全系数（整体）安全系数（整体）稳定性分析方法的选择稳定性分析方法的选择六、排土场稳定性分析六、排土场稳定性分析有限元分析有限元分析动态演化过程动态演化过程监控对象及参数监控对象及参数稳定性分析方法的选择稳定性分析方法的选择六、排土场稳定性分析六、排土场稳定性分析主方法：极限平衡分析主方法：极限平

44、衡分析Spencer Morgenstern-Price 稳定性分析方法的选择稳定性分析方法的选择六、排土场稳定性分析六、排土场稳定性分析验证验证余推力法余推力法 有限差分有限差分 稳定性定量指标稳定性定量指标允许安全系数允许安全系数经验性经验性人为性人为性国内外对露天矿边坡一般取用允许安全系数在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，多数场合下取之间，多数场合下取F=1.15-1.3（岩土岩土工程勘察规范工程勘察规范GB50021-2001规定）规定） 有色金属矿山排土场设计规范有色金属矿山排土场设计规范规定，稳定性系规定，稳定性系数取数取1.15-1.30 1.

45、15-1.30 ；并根据被保护对象等级而定。；并根据被保护对象等级而定。根据工程类比原理，取允许安全系数根据工程类比原理，取允许安全系数根据工程类比原理，取允许安全系数根据工程类比原理，取允许安全系数F F允允允允=1.15=1.15典型剖面的选择典型剖面的选择六、排土场稳定性分析六、排土场稳定性分析 内摩擦角随高度增加而变大，而内聚力减小内摩擦角随高度增加而变大，而内聚力减小内摩擦角随高度增加而变大，而内聚力减小内摩擦角随高度增加而变大，而内聚力减小。以统计概率模型的结果作为排土场的稳定性分析动力学指标，以统计概率模型的结果作为排土场的稳定性分析动力学指标，以统计概率模型的结果作为排土场的稳

46、定性分析动力学指标，以统计概率模型的结果作为排土场的稳定性分析动力学指标，即即即即0.05g0.05g0.05g0.05g 力学参数及指标的选择力学参数及指标的选择六、排土场稳定性分析六、排土场稳定性分析 排土场边界条件排土场边界条件 网格选用三网格选用三网格选用三网格选用三角形二次单元。角形二次单元。角形二次单元。角形二次单元。内外边界按第一内外边界按第一内外边界按第一内外边界按第一类边界条件处理，类边界条件处理，类边界条件处理，类边界条件处理，分别取总水头和分别取总水头和分别取总水头和分别取总水头和压力水头；底板压力水头；底板压力水头；底板压力水头；底板按第二类边界条按第二类边界条按第二类

47、边界条按第二类边界条件，设为不透水件，设为不透水件，设为不透水件，设为不透水边界。边界。边界。边界。六、排土场稳定性分析六、排土场稳定性分析渗流场计算的边界模型渗流场计算的边界模型 O-O剖面地下水等势线分布图剖面地下水等势线分布图终了终了现状现状6个剖面的浸润线都在排土体以下，这符合峨口铁矿排土场岩性较好，散体块度较大，渗透性较好的实际特征，可以作为稳定性分析的依据 六、排土场稳定性分析六、排土场稳定性分析现状及终了的渗流场（以现状及终了的渗流场（以o-o为例）为例） ：无震动，无地下水；：无震动，无地下水；：无震动，无地下水；：无震动，无地下水； ：无震动，有地下水：无震动，有地下水：无震

48、动，有地下水：无震动，有地下水； ：有震动，无地下水；：有震动，无地下水；：有震动，无地下水；：有震动，无地下水； ：有震动，有地下水。：有震动，有地下水。：有震动，有地下水。：有震动，有地下水。O-O剖面剖面分别进行：分别进行：1 1进口，进口，2 2、3 3、4 4为出口；为出口；2 2进口，进口，3 3、4 4为出口；为出口；3 3进口，进口，4 4出口；出口；完成边坡的整体、局部稳定性计算完成边坡的整体、局部稳定性计算六、排土场稳定性分析六、排土场稳定性分析工况设计及局部和整体滑面的规划工况设计及局部和整体滑面的规划Spencer法法M-P法法O-O剖面剖面Spencer法法M-P法法

49、O-O剖面剖面快速拉格朗日法快速拉格朗日法传递系数法传递系数法O-O剖面剖面 排土场的稳定性分析综合采用了经验类比、室内试验和数值分析计算。在稳定性分析计算手段排土场的稳定性分析综合采用了经验类比、室内试验和数值分析计算。在稳定性分析计算手段上则采用主流的极限平衡和强度折减方法，并综合集成，并不局限在安全系数的具体值中，上则采用主流的极限平衡和强度折减方法，并综合集成，并不局限在安全系数的具体值中，而是充分结合现场踏勘结果进行综合分析判断。本项目研究过程中选用适合圆弧形滑动面的而是充分结合现场踏勘结果进行综合分析判断。本项目研究过程中选用适合圆弧形滑动面的Spencer法和法和Morgenst

50、ern-Price法联合计算，并通过法联合计算，并通过FLAC3D和余推力法对比分析和余推力法对比分析。（1）跑马岭排土场安全储备较低（接近）跑马岭排土场安全储备较低（接近1.0），已处于极限平衡状态；基底坡向较陡，对继续排），已处于极限平衡状态；基底坡向较陡，对继续排土堆载不利；地震情况下，排土场易发生北向及北东向的整体破坏。同时考虑到跑马岭排土土堆载不利；地震情况下，排土场易发生北向及北东向的整体破坏。同时考虑到跑马岭排土场北部、东部均为私人选矿厂，南部为工作区，一旦发生破坏，将产生巨大的损失。建议立场北部、东部均为私人选矿厂，南部为工作区，一旦发生破坏，将产生巨大的损失。建议立即停止即停

51、止1816平台排土，从平台排土，从1740削坡减载，形成台阶，并采取从削坡减载，形成台阶，并采取从1600m平台推进排土形成多台平台推进排土形成多台阶压坡脚式土场形式，起到填压坡脚稳定作用，以提高排土场的安全储备。整体工艺对策是，阶压坡脚式土场形式，起到填压坡脚稳定作用，以提高排土场的安全储备。整体工艺对策是，采取分台阶有组织排土工艺，先排下部和远部，由远及近，由低向高。管理对策则是和周边采取分台阶有组织排土工艺，先排下部和远部，由远及近，由低向高。管理对策则是和周边矿山排土场隔离封闭。有必要在该区域建立监测点，进行地表监测和地基深层位移监测，并矿山排土场隔离封闭。有必要在该区域建立监测点，进

52、行地表监测和地基深层位移监测，并根据情况及时采取抗滑桩、挡渣墙等工程措施，以确保该区域安全。根据情况及时采取抗滑桩、挡渣墙等工程措施，以确保该区域安全。（2）石人沟排土场终排多年，排土料及地基固结变形已经稳定，自然状态下，不会发生破坏。）石人沟排土场终排多年，排土料及地基固结变形已经稳定，自然状态下，不会发生破坏。M-M剖面由于下覆角闪片岩的有利地基，安全系数有一定储备；剖面由于下覆角闪片岩的有利地基，安全系数有一定储备；R-R剖面方向原始地形较剖面方向原始地形较陡，地震条件下，易发生顺坡向破坏。建议石人沟排土场不再继续使用，同时沿陡，地震条件下，易发生顺坡向破坏。建议石人沟排土场不再继续使用，同时沿P-P方向进方向进行削坡减载，压脚等方式，提高安全储备。行削坡减载，压脚等方式，提高安全储备。（3）南排土场？由于私人滥采，导致部分终排地形遭到破坏，形成局部的不稳定区。建议设立）南排土场？由于私人滥采，导致部分终排地形遭到破坏，形成局部的不稳定区。建议设立封闭机制，禁止私人无序作业，同时有计划复垦，以减少水土流失，提高基础的稳定性。封闭机制，禁止私人无序作业，同时有计划复垦，以减少水土流失，提高基础的稳定性。六、排土场稳定性分析六、排土场稳定性分析