川西某稀土矿排土场稳定性分析论文

　　摘要：该排土场属于山沟性排土场，两岸坡度较陡，沟左岸坡度35°~65°，右岸坡度45°~75°。排土场基底覆盖层主要为冲洪积层，下伏地层为强-中风化的石英闪长岩。排土场物料主要为稀土矿排放的废石土，地基土主要为粉质粘土。本文结合非饱和降雨入渗形成的暂态饱和区作为降雨工况，利用GEO-SEEP/SLOPE，对排土场在自然工况、降雨工况、地震工况下的边坡稳定性进行分析。

 

　　关键词：排土场；GEO-SEEP/SLOPE；稳定性分析

 

　　该排土场位于刘家沟东支沟上游沟段，主沟河床比较大，平均为23%，沟床宽度2m~5m，左岸坡度35°~65°，右岸坡度45°~75°，为“V”字型山谷，均为常年性溪沟。排土场堆排总方向为自南而北。沿刘家沟沟谷方向堆放相对高差较大，约120m左右。排土场基底覆盖层主要为冲洪积层，下伏地层为强-中风化的石英闪长岩。

 

　　根据刘家沟排土场闭场竣工现状图，排土场初期坝顶标高2154.40m，现状排土场第一平台标高为2179.00m，平台宽度为20.00m，台阶坡比为1：1.5；排土场第二平台标高为2197.50m，平台宽度为20.00m，台阶坡比为1：1.5；排土场第三平台标高为2223.50m，平台宽度为20.00m，台阶坡比为1：1.5；排土场第四平台标高为2242.00m，平台宽度为25.00m，台阶坡比为1：1.5；排土场第五平台标高为2257.00m，平台宽度为20.00m，台阶坡比为1：1.5；排土场第六平台标高为2274.40m，平台最大宽度为240.00m，台阶坡比为1：1.5。
 

 

　　排土场台阶坡面角为33.69°，台阶高度为20.00m，排土场总高度为120.00m，整体边坡角为22°，属二等排土场。现对排土场进行稳定性分析，以便对整个工程的后期维护提供建议。

 

 

　　1.1工程地质条件

 

　　根据钻探揭露和地表调查，结合区域地质资料，勘察区表层主要出露的地层为人工填土层(Q4ml)，第四系全新统冲洪积层(Q4al+pl)，第四系全新统崩坡积层(Q4col)，第四系全新统残坡积层(Q4dl+el)，下伏基岩为前震旦纪石英闪长岩(δo)。

 

　　地层岩性由新到老分别叙述如下：

 

　　1.1.1人工堆积体(Q4ml)

 

　　人工填土：黄色，稍湿，含大量碎石，碎石含量约占10%~40%，粒径1cm~5cm，分布在整个排土场表层，该地层全场分布，揭露厚度4m~34.5m。

 

　　1.1.2第四系全新统冲洪积层(Q4al+pl)

 

　　第四系全新统冲洪积层(Q4al+pl)：砂土，青灰色，松散，颗粒少部分分散，大部分胶结，有轻微粘着感，主要分布在刘家沟沟底，该地层全场分布。

 

　　1.1.3全新统崩坡积层(Q4col)

 

　　碎石土，黄色，稍湿，碎石含量约50%~60%，粒径1cm~2cm，石质成份为石英闪长岩，呈强-中风化，空隙被粉质粘土充填，主要分布于刘家沟两岸斜坡上。

 

　　1.1.4第四系全新统残坡积层(Q4el+dl)

 

　　粉质粘土，土黄色，稍湿，主要由粘土矿物组成，切面稍有光泽，韧性、干强度中等，表层不发育裂隙，含碎石角砾，含量约5%~10%，粒径1cm~2cm。

 

　　1.1.5前震旦纪石英闪长岩

 

　　强风化石英闪长岩：青灰色，强风化，矿物成分主要为长石，角闪石，石英，黑云母等，粒状结构，块状构造。节理裂隙发育，岩芯呈碎块状。中风化石英闪长岩：青灰色，中风化，矿物成分主要为长石，角闪石，石英，黑云母等，粒状结构，块状构造。节理裂隙发育，岩芯呈碎块状。

 

　　1.2水文地质条件

 

　　排土场区内地下水主要为埋藏于基覆界面的孔隙潜水以及基岩裂隙水，其补给来源主要为大气降水，地下水位明显受大气降雨、季节的影响。

 

　　根据勘察报告，其勘察期间库区钻孔均未见地下水出露，无稳定地下水位线。勘察所做压水试验表明，该地区岩层属中等透水岩层，透水性主要受岩石风化程度及岩层节理裂隙所控制，岩层上部受风化影响，透水性相对较强，下部岩体透水性弱。

 

　　1.2.1地下水类型

 

　　区内地下水类型主要有第四系松散岩类孔隙潜水，闪长岩基岩裂隙水。区内主要为石英闪长岩，主要含风化裂隙水，泉流量一般小于0.1L/S，雨季局部泉水流量2.55L/S~11L/S。富水性弱~中等。为含水性中等的碎裂岩裂隙中等含水层。

 

　　1.2.2地下水补给、径流、排泄条件

 

　　排土场区域三面环山，出口位置标高较低，地表水径流方向单一，均向南方排泄，排泄通畅。区内基岩为不透水层，地下水不接受场外地下水补给，主要接受大气降水补给及本水文地质单元补给。区内接受降水补给面积较大。大气降水主要以地表径流形式排出场外，少量降水沿表层风化裂隙渗入地下水，形成裂隙水并沿山坡逐渐下移汇入谷底。地下水类型为孔隙潜水和基岩裂隙水，水位随高程及季节变化。槽沟为当地最低侵蚀面。

 

　　1.2.3地下水赋存特征及渗透性分析

 

　　根据勘察报告提供钻孔资料分析，坝区发育有强风化的石英闪长岩，裂隙发育，其中发育的节理、风化裂隙为地下水提供了贮存空间和运移通道。地下水水位埋深变化较大，补给方式为大气降水和地表水，排泄方式为泄流和蒸发，地下水类型为第四系孔隙水、潜水及基岩裂隙。压水试验表明，该地区岩层属中等透水岩层，透水性主要受岩石风化程度及岩层节理裂隙所控制。

       1.3不良地质作用和地质灾害

 

　　排土场区域多为深切割沟谷，沟谷发育。沟谷两岸坡度较陡，一般边坡在30°~80°不等，根据勘察报告提供资料，第四系残坡积、崩坡积发育，边坡岩性破碎，稳定性较差，雨季小型滑坡、塌方时有发生。排土场及拦渣坝位于刘家沟东支沟上游沟段，排土场发展总方向为自北向南，沿刘家沟沟谷方向堆放。两岸均被第四系崩坡积碎石层覆盖，植被较发育，右岸坡度较陡，土层厚度较薄，部分斜坡出露强风化石英闪长岩，危岩零星发育，左岸斜坡坡度下陡上缓，上部覆盖土层较厚，下部零星出露强风化石英闪长岩。局部斜坡现状发育零星的小规模土质垮崩等，排土场区所在上游沟段具备泥石流的形成条件，但物源较少，发生泥石流的可能性较小，规模小，无其它不良地质作用，现状条件下场地稳定性一般。

       1.4地震

 

　　排土场区域断裂构造较发育，构造地震常有发生。历史上，其外围近处无震中分布，属于地震活动波及影响区。参照《中国地震动参数区划图》(GB/18306-2001)，排土场区对应的地震基本抗震设防烈度为Ⅷ度，属于第一组，设计基本地震加速度值为0.20g。坝址内虽无断层通过，但区域地壳稳定性较差。

 

 

　　2.1压实度

 

　　土体抗剪强度的高低直接影响排土场稳定性，当排土场的一个台阶排土过快，废石土松散、未完全固结时，其抗剪强度较低，在坡度较陡(大于25°)的地基上堆土，极易发生滑坡，因此排土的压实度是影响排土场稳定性的重要因素。

 

　　2.2大气降水

 

　　排土场废石相对松散，大气降水易直接渗透形成地下水。当处于饱和状态下，欠固结废石土易形成泥石流，因此大气降水会对排土场的稳定性产生直接影响。

 

　　2.3地下水

 

　　对于雨季，雨水下渗直接形成地下水，地下水本身对于黏性土与风化闪长岩本身带有润滑与软化的作用，会导致实际的地基承载力和抗剪强度降低，从而易引发排土场滑坡出现。因此，地下水也对排土场稳定性产生直接影响。

 

　　2.4地基土的性质及其坡度

 

　　排土场地基土主要为类粉质粘土、砂土，该层地基承载力和抗剪强度较低，但排土场内未发现不良地质，沿地基整体滑动的可能性较低。由勘察剖面看，地基坡度相对较大，具有沿接触面滑动可能性。

 

　　2.5排土工艺

 

　　不同的排土工艺，基于不同粒径岩石和岩性的排土场空间分布存在较大的差异，岩石的压密程度不同，所以其稳定性也会存在差异。本排土场属于汽车排土，由于重力的作用，底部的岩石块度相对较大，其透水性能与力学参数相对较好，底部拥有良好的稳定性。

 

　　2.6排弃物料的力学性质

 

　　排弃物料的力学性能会对排土场的稳定性产生影响，由于受到岩石硬度以及对于水的敏感程度的影响，尤其是易风化、易水解的岩石，其实际的抗剪参数降低较快，易导致本体滑坡的情况出现，滑动线从排土场的本体直接穿过，其滑动面出露在排土场本体不同的高度位置处。

 

　　2.7地震

 

　　受地震影响，边坡安全系数会进一步降低，该工程本身处于高地震烈度设防的区域，其达到Ⅷ度。基于实际的规范要求，超过Ⅵ度时，需考虑地震影响。

 

　　2.8场地岩土体的物理力学性能评价

 

　　根据勘察资料及以往地质资料，场地各岩土的物理力学性能评价如下：①人工填土：为排放的废石土。黄色，稍湿，含大量碎石，碎石含量约占10%~40%，粒径1cm~5cm，分布在整个排土场表层，该地层全场分布，揭露厚度4m~34.5m。压缩系数为0.23，表明该层属中压缩性地基土，透水性较强，其力学强度一般，承载力偏低，压缩模量较小；排土弃渣材料多样、在空间上分布不均，易产生不均匀沉降。②第四系全新统冲洪积层：砂土，青灰色,松散，颗粒少部分分散，大部分胶结，有轻微粘着感，主要分布在刘家沟沟底，该地层全场分布，承载力中等，力学性能一般。③全新统崩坡积层：碎石土，黄色，稍湿，碎石含量约50%~60%，粒径1cm~2cm，石质成份为石英闪长岩，呈强-中风化，空隙被粉质粘土充填，主要分布于刘家沟两岸斜坡上，承载力中等，力学性能一般。④第四系全新统残坡积层：粉质粘土，土黄色，稍湿，主要由粘土矿物组成，切面稍有光泽，韧性、干强度中等，表层不发育裂隙，含碎石角砾，含量约5%~10%，粒径1cm~2cm，承载力中等，力学性质一般。⑤-1强风化石英闪长岩：青灰色，强风化，矿物成分主要为长石，角闪石，石英，黑云母等，粒状结构，块状构造。节理裂隙发育，岩芯呈碎块状。岩体的压缩模量中等，承载力较高，力学性能较好。⑥-2中风化石英闪长岩：青灰色，中风化，矿物成分主要为长石，角闪石，石英，黑云母等，粒状结构，块状构造。节理裂隙发育，岩芯呈碎块状。承载力高，力学性能较好。

 

　　3排土场边坡稳定性分析参数

       3.1分析剖面选择

 

　　基于地质条件、排土场堆置高度以及地形条件的因素，选择了二个典型剖面进行稳定性计算分析，典型剖面采用工勘地质剖面选取，代表排土场最危险的区域。

 

　　3.2地下水

 

　　根据勘察资料及地质资料，刘家沟排土场旱季地下水位埋藏较深，在原始地形交界面附近，地下水受大气降雨影响较大，渗流分析计算结果表明，雨季时地下水抬升至堆积体与原始地面交界。为安全起见本次稳定性计算中将直接采用该结果作为地下水埋深。

 

　　3.3岩土参数取值

 

　　根据勘察报告和排土场堆积体物理力学参数测试，排土场堆积体及其它地层主要岩土物理力学指标采用值如下。

 

　　①排土场堆积体：天然密度ρ=2.00g/cm3，内摩擦角φ=29.0°，黏聚力c=14.5kPa，地基承载力特征值fak=60kPa。②砂土：天然密度ρ=2.00g/cm3，内摩擦角φ=35.0°，黏聚力c=5kPa，地基承载力特征值fak=150kPa。③碎石土：天然密度ρ=2.10g/cm3，内摩擦角φ=30.0°，黏聚力c=5kPa，地基承载力特征值fak=160kPa。④粉质粘土：天然密度ρ=2.00g/cm3，内摩擦角φ=25.0°，黏聚力c=15kPa，地基承载力特征值fak=120kPa。⑤-1石英闪长岩：天然密度ρ=2.60g/cm3，内摩擦角φ=30.0°，黏聚力c=35kPa，地基承载力特征值fak=800kPa。⑤-2石英闪长岩：天然密度ρ=2.70g/cm3，内摩擦角φ=35.0°，黏聚力c=80kPa，地基承载力特征值fak=2500kPa。

 

　　3.4动力学指标

 

　　影响排土场边坡稳定性的动力学指标一般包括两类，一是爆破震动对边坡稳定性的影响，二是地震对边坡稳定性的影响。由于采场距离排土场较远，爆破振动对排土场边坡的影响很小，因此本次稳定性分析中仅考虑地震对排土场边坡稳定性的影响。根据该工程勘察报告，排土场区对应的地震基本抗震设防烈度为Ⅷ度，为第一组，地震的加速度设计值为0.20g。

 

　　3.5排土场边坡稳定性分析

 

　　根据刘家沟排土场边坡基本资料，针对边坡潜在破坏模式，运用Bishop法和Morgenstern-Price法，对排土场两个典型剖面边坡进行了稳定性计算。其中：自然工况条件指重力、稳定地下水位、正常施工荷载的组合。

 

　　(1)1-1剖面：①利用简化Bishop法计算，其结果如下：在自然工况下，滑动体从第四平台开始斜向下发展，至第二平台与第三平台之间滑出，安全系数为1.443；在降雨工况下，滑动体从第四平台以上坡体开始斜向下发展，从第一平台下的坡面之间滑出，安全系数为1.390；在地震工况下，滑动体于第四平台开始斜向下发展，从第二平台与第三平台之间坡面滑出，安全系数为1.188。②利用Morgenstern-Price法计算，其结果如下：在自然工况下，滑动体从第四平台开始斜向下发展，至第二平台与第三平台之间滑出，安全系数为1.443；在降雨工况下，滑动体从第四平台以上坡体开始斜向下发展，从坡脚至第二平台下的坡面之间滑出，安全系数为1.235；在地震工况下，滑动体于第四平台开始斜向下发展，从坡脚与第二平台之间坡面滑出，安全系数为1.218。

 

　　(2)2-2剖面：①利用简化Bishop法计算，其结果如下：在自然工况下，滑动体从第三平台与第四平台之间的坡面开始斜向下发展，从第一平台与第二平台之间坡面的下半部滑出，安全系数为1.398；在降雨工况下，滑动体从第三平台与第四平台之间的坡面开始斜向下发展，从第一平台与第二平台之间交界位置滑出，安全系数为1.337；在地震工况下，滑动体于第四平台上部坡体开始斜向下发展，从第一平台与第二平台之间坡面滑出，安全系数为1.153。②利用Morgenstern-Price法计算，其结果如下：在自然工况下，滑动体从第三平台与第四平台之间坡面开始斜向下发展，至第二平台与第三平台之间滑出，安全系数为1.400；在降雨工况下，滑动体从第三平台开始斜向下发展，从第一平台至第二平台间的下半部坡面滑出，安全系数为1.384；在地震工况下，滑动体从第三平台与第四平台之间坡面开始斜向下发展，从第一平台下坡面滑出，安全系数为1.180。

 

　　(3)利用GEO-SEEP/SLOPE对刘家沟排土场现状稳定性计算后，结果汇总如下：简化Bishop法：1-1在自然工况下最小安全系数为1.443，降雨工况下最小安全系数为1.390，地震工况下最小安全系数为1.217；2-2在自然工况下最小安全系数为1.386，降雨工况下最小安全系数为1.282，地震工况下最小安全系数为1.153。Morgenstern-Price法：1-1在自然工况下最小安全系数为1.443，降雨工况下最小安全系数为1.235，地震工况下最小安全系数为1.218；2-2在自然工况下最小安全系数为1.400，降雨工况下最小安全系数为1.384，地震工况下最小安全系数为1.180。

 

 

　　按照规范规定，排土场对最小安全系数的选用有严格的要求：排土场等级为一级时，排土场整体安全稳定性标准应1.25~1.30；二级时，应1.20~1.25；三级时，应1.15~1.20；四级时为1.15。

 

　　基于自然工况的条件下，整体的安全稳定性系数需要匹配实际规定要求。在降雨工况下，排土场的整体安全标准在满足上述的前提下还可再降低0.05，不过最低安全系数不可低于1.10。在地震工况下，排土场整体的安全稳定性标准在上述的前提下可降低0.05~0.10，不过最低的安全系数不可低于1.10。

 

　　利用GEO-SEEP/SLOPE，采用简化Bishop法和Morgenstern-Price法分别计算时：1-1剖面自然工况下最小安全系数为1.443，降雨工况下为1.235，地震工况下为1.217，均能满足相应要求；2-2剖面自然工况下最小安全系数为1.386，降雨工况下为1.282，地震工况下为1.153，也均能满足相应要求。因此可得出结论：针对稳定性来说，排土场的状态是安全的。