【毕业学位论文】永平铜矿西部排土场边坡稳定性分析-资源与安全工程

分类号 密级 U D C 编号 士学位论文 论文题目 永平铜矿西部排土场边坡稳定性分析 学科、专业 岩 土 工 程 研究生姓名 黄 敏 导师姓名及 专业技术职务 李夕兵 教授 分类号 密级 U D C 编号 硕士学位论文 永平铜矿西部排土场边坡稳定性分析 者姓名： 黄 敏 学科、专业： 岩 土 工 程 学院 (系、所 )： 资源与安全工程学院 指导老师： 李夕兵 教授 论文答辩日期： 答辩委员会主席： _ 中 南 大 学 2008 年 04 月 中南大学硕士学位论文 摘要 I 摘 要 排土场失稳将导致矿山土场灾害和重大工程事故， 不仅影响到矿山的正常生产，也将使矿山蒙受巨大的经济损失。本论文以永平铜矿西部排土场为工程背景，对其稳定性问题进行了深入的研究。通过现场工程地质和水文地质调查得到了坡面产状、 岩层分布情况等地质信息，在此基础上对典型区域岩土进行了物理力学性质试验研究，得到了排土场基岩、表土层和散体物料的物理力学强度参数，并对这些参数进行了工程处理，为下一步的滑坡力学分析提供数据基础。 目前在对排土场进行稳定性分析时多采用边坡稳定的理论， 因此迫切需要一种适合排土场特点的稳定性研究新方法。 在假设分析对象为变形体的基础上，本文尝试采用目前 在岩土工程界较为成熟的将其计算结果与传统极限平衡法计算所得结果进行对比分析研究。首先选取排土场边坡的典型断面，根据地质信息建立与实际情况基本一致的计算模型， 然后分析边坡在当前排土高度状况下变形情况、安全系数和潜在滑移面位置。结果表明在现有堆载高度情况下，传统极限平衡法和 坡整体上处于稳定状态。 增加排土场堆高可以提高排土场容积， 但对土场稳定性提出了更高的要求，因此需要合理的确定排土场 极限堆载高度。本文采用研究结果表明：随着堆载高度的增加， 每一分层堆载所引起的边坡水平方向和竖直方向最大位移值都在逐渐增大；塑性区分布范围也随之逐渐扩大；安全系数值则逐渐减小。当堆载高度增加至 128m 时，安全系数值将减小至 右。 根据设计规范要求， 允许稳定安全系数 K 值一般取 此确定排土场极限堆载高度为 128 m。 关键词： 排土场， 定性分析，安全系数，极限堆载高度中南大学硕士学位论文 I he of in in of is as is as of of by of On of in of in to At of to of It is to a of is on is At in is to is is on of of at is It at by by is at in is to to of So be in is by 南大学硕士学位论文 II of by of 28 to be So of 28 南大学硕士学位论文 目录 录 第一章 绪论 .题的来源 .坡理论的发展和目前的研究现状 .土场研究概况 . 排土场稳定性研究意义 . 排土场稳定性研究概况 . 排土场稳定性研究方法 .究内容和方法 .二章 边坡稳定性分析方法 .限平衡分析方法 . 概述 . 瑞典法 . 毕肖普法 . 滑楔法 . 以上几种方法和简化处理对计算精度的影响 . 概述 . . 边坡稳定性判断依据 . .章小结 .三章 排土场概况及岩土体物理力学性质研究 .土场工程地质条件 .土场水文地质条件 .土场物理力学性质试验研究 . 地基土的物理力学性质试验 . 散体物料的物理力学性质研究 . 排土场基岩物理力学性质研究 .章小结 .四章 排土场现状边坡稳定性分析 .算方法的选取 . 排土场稳定性影响因素 . 排土场滑塌模式 .南大学硕士学位论文 目录 V 算方法的确定 .统极限平衡分析方法 . 分析方法 . 分析条件和岩土物理力学参数 . 计算结果 . 几何模型的建立 . 力学模型和计算参数的选取 . 边坡稳定性分析计算 .限平衡分析方法与 .章小结 .五章 排土场边坡极限堆载高度的确定 .土场极限堆载高度的计算方法 .部排土场极限堆载高度的计算 . 计算方法的选取 . 计算剖面的选择 . 模拟方法 . 计算参数的选取 . 计算分析 . 极限堆载高度的确定 .章小结 .六章 结论和展望 .要结论 .在的问题和对今后工作的展望 . 考 文 献 . 谢 .读硕士学位期间主要研究成果 .南大学硕士学位论文 第一章 绪论 1 第一章 绪论 题的来源 永平铜矿西部排土场位于天排山西侧山麓，地势总的变化是东南高西北低，地形最高处标高 433m，最低处标高 90m。场区山体较陡峻，地形高差较大。自永平铜矿采矿场扩帮以来， 西部排土场急速堆高， 再加上扩帮排出的大多是粘土，排土场出现了两起事故： （ 1） 2004 年 9 月份该排土场在堆存过程中由于边坡失稳出现了排土车辆滑到坡脚，差点造成车毁人亡的重大事故； （ 2） 2005 年 1 月份该排土场在排土过程中，造成了一人死亡的事故。 排土场是矿山的重大危险源，根据国家相关法律要求，对于矿山重大危险源需要对现状进行定期稳定性分析和安全研究。该排土场的下游是铁路和农田，一旦排土场出现滑坡和泥石流，不仅影响矿山的正常生产，而且危及到下游的铁路和农田，因此，亟需对永平铜矿西部排土场进行稳定性分析研究，提出合理的治理方案。为此，江西铜业股份有限公司委托中南大学对永平铜矿西部排土场安全稳定性进行研究。 图 1平铜矿西部排土场 中南大学硕士学位论文 第一章 绪论 2 坡理论的发展和目前的研究现状 边坡工程稳定性研究始于 20 世纪 20 年代，最初是对于土坡稳定性的研究。20 世纪 20 年代以前， 对于土坡稳定和土压力的计算， 一律只计土体的内摩擦力，并假定滑动面为平面。 1773 年，法国工程师库仑 (C. A. 出了挡土墙土压力的计算方法，标志着土力学雏形的产生。 1857 年朗肯（ W. J. M. 假设墙后土体各点处于极限平衡状态的基础上建立计算主动和被动土压力的方法1。库仑和朗肯在分析土压力时所采用的方法后来被推广到地基承载力和边坡稳定分析中，形成一个体系，这就是极限平衡法。 1916 年，贺尔汀 (H. 裴德逊 (据大量观测论证了某些土体(特别是有粘结力的土体 )在发生滑动失稳破坏时，其滑动面是与圆柱面接近的曲面2。这就是最初的瑞典圆弧法。 30 40 年代是瑞典圆弧法逐渐完善的时期， 瑞典学者费伦纽斯 (W. 最初的圆弧法推广到兼有内摩擦力和粘结力的土体稳定性计算中去， 并初步探索了最危险滑弧位置的变化规律3,4。 这一事件曾被世界著名土力学家太沙基 （ K. 为现今岩土工程界的一个里程碑5。 40 年代以后，不少学者致力于改进瑞典 圆弧法。他们研究的方向是以下两个方面：一方面致力于探索最危险滑弧的位置，制作数表，曲线，以减少计算工作，如泰勒 (毕肖普 (A. W. 等，通过对一些特殊情况的研究，揭示了最危险滑弧圆心位置的某些变化规律6。另一方面，有不少人研究滑裂面的形状。 1941 年太沙基 (K. 提出，土体破坏时的滑动面更接近对数螺旋线5。但假定滑面为对数螺旋线，不仅计算工作更繁，而且大量计算对比表明，似乎也没有必要。因为，安全系数 K 值在真正的最危险滑面附近变化十分迟钝，所以，利用圆弧滑面假定仍然可以获得满意的结果。不过，土体越不均质，真正的最危险滑面偏离圆弧面越远，但在此种情况下，也并非对数螺旋线就能逼近真实情况。 50 60 年代，人们研究的主攻方向，一 是如何在计算中考虑滑动土体内部土条间的相互作用力，二是研究如何将此法推广应用至任意形状的滑动面，这一阶段的工作，使土体稳定分析的理论和方法逐渐完善。表现在： 1954 年简布 (N. 出了普遍条分法的基本原理7,8，将最初的圆弧法推广到任意滑面情况。并通过假定土条间推力的作用点位置，使问题得到比较合理的解决。 1955 年，毕肖普明确了土坡稳定安全系数的定义为6： （ 1 式中，沿整个滑面的平均抗剪强度， 为滑面上的平均剪应力，式 (1仅使安全系数的物理意义更加明确，而且使用范围也更广，为非圆弧滑面和考中南大学硕士学位论文 第一章 绪论 3 虑分条间作用力的各种方法提供了有利条件。 1965 年摩根斯顿（ 、普赖斯（ 先提出了“多余未知函数假定的合理性要求”8,9。从而使得分析的成果更趋合理。 1970 年 先将塑性力学理论应用于土坡稳定分析。它的理论基础是塑性力学的塑性位势理论， 最大优点在于计算中考虑了土料的应力与应变的关系。 1977 年 出了土坡稳定分析的能量法， 1983 年 0， 1995 年 出了塑性极限分析的动力法，这都是对塑性极限分析理论的丰富和发展。 60 年代以后，我国在土坡稳定分析方法 的改进方面发展较快，并在某些方面做出了重大的贡献。 70 年代潘家铮提出了滑坡极限分析的两 条基本原理极大值原理和极小值原理，并在 1980 年指出国外有些文献中将“极大”改为“极小”的错误11。并同时指出，这两条原理是相辅相成的，这两条原理是指导滑坡极限分析的理论准绳。 1978 年张天宝提出了在确定最危险滑弧滑面位置方面较费兰纽斯的 捷耶夫的扇形面积等经验方法更为准确的方法，并于 1980 年阐明了复合土坡最危险滑面分布的多极值规律： （ 1）只有对滑出点相同的滑弧，在 K 等值曲线图中研究极值区个数才具有实际意义； （ 2）滑出点相同时，滑弧穿越不同土层的组合数，一般就是理论上安全系数 K 的极小值个数12。与此同时，黄委、阎中华亦撰文指出过类似规律13。虽然这些规律是由比较粗糙的瑞典法导出的，但它们的实用意义却超出了瑞典法范围。 尽管对同一滑面采用不同方法计算得到的 K 值不同，但在最危险滑面分布规律方面各种方法都是基本一致的。因此，可利用这些规律减少使用更精确的方法解题时的计算工作量。 1981 年，孙君实利用虚功原理，根据杜兰克 (D. C. 设，证明了潘家铮的极大值定理；利用模糊数学工具，建立了土坡稳定安全系数模糊函数和模糊约束条件，并与传统的安全系数和最小安全系数相对应，提出了安全系数的模糊解集和最小模糊解集概念。 1983 年， 陈祖煜与 根本上解决了其数值分析的收敛问题，并减少了对土条侧向力所做假定的随意性14。近年来，陈祖煜在塑性极限分析法方面进行了广泛而深入的研究15。 90 年代以来，随着计算机的 普及，人们相继开发 、 、 等的计算程序16，可用试算法随机搜索最危险滑弧的位置，计算出所分析边坡的最小安全系数。 到目前为止，边坡稳定性分析评价方法主要经历了三个阶段，即传统的分析评价方法阶段、数值方法分析阶段和目前采用的综合评价方法阶段。 第一阶段采用的评价方法主要是极限平衡法。该法通过潜在滑体的受力分中南大学硕士学位论文 第一章 绪论 4 析，引入摩尔库伦强度准则，而后根据滑体的力 (力矩 )平衡，建立边坡安全系数表达式，进行定量评价分析3 9，这种方法由于安全系数的直观性至今仍被广泛采用。 第二阶段始于 20 世纪 60 年代，数值方法被引入到边坡稳定性分析中，数值方法包括：从早期的有限差分法 (有限单元法 (17 19， 边界单元法 (20到近些年出现的主要针对岩土介质的离散元法 (21 23，关键块体理论(，非连续变形分析 (24，刚体有限元法 (，快速拉格朗日分析法 (25，无网格伽辽金法 (26，数值流形方法 (27,28。数值方法能从较大范围考虑介质的复杂性，全面分析边坡的应力应变状态，有助于对边坡变形和破坏机理的认识，较极限平衡法有很大的改进和补充。边坡与滑坡研究中的数值分析得到了较大的发展。 有限元数值计算方法己由线性发展到高度非线性和大变形问题， 由二维发展到三维，同时可考虑粘性流变、渗流、温度、热导与应力场耦合、损伤和断裂，以及波动与动力效应。不同数值方法的结合与耦合，目前正显示其相互互补的应用前景，如有限元与边界元的混合，有限元与离散元的混合，有限元与无限元及有限元与块体元的混合等29。 第三阶段始于本世纪 70 年代，这个阶段的一些新理论和现代评价方法在边坡分析中得到应用，如可靠度理论30、模糊数学31、随机过程32、概率论与统计33、灰色预测理论、混沌、分形等非线性理论34,35，以及人工智能与神经网络36、损伤力学等，显示了良好的应用前景。在边坡稳定性的非线性动力学理论模型37、滑坡系统的自组织特性38,39、边坡变形的分形特征40 42、边坡失稳的分岔与突变模型43、边坡失稳判别的灰色系统理论等方面取得了若干成果。这些新理论和方法大大推动了边坡稳定研究的进展，但由于它们仍处于探索阶段，仍然存在很多不足，如：滑坡系统参数的选择往往受到实际监测资料的限制，资料自身的误差影响滑坡过程中的非线性方程的建立；对于滑坡的自组织特征，由于边坡系统内部和外部之间的相互作用和耦合机制不清楚， 难以建立模型来分析和研究，只能通过系统的一些宏观参数 (如嫡、分维数等 )的数值分析来研究系统的复杂性；对于分形理论，尺度的选择对无标度域规律性会有一定的影响，滑坡系统并非简单的分维等。 这些新理论和新方法的出现反映出目前岩土工程界中研究人员正由传统的正向思维，即牛顿时代的思维模式向不确定方向，即系统思维、反馈思维、全方位思维 (包括逆向思维、非逻辑思维、发散思维甚至直觉思维 )发展44。各种新技术、新方法、新理论的引入及其与上述评价方法的耦合仍是目前发展的总趋势。 中南大学硕士学位论文 第一章 绪论 5 土场研究概况 土场稳定性研究意义 目前我国大部分露天矿山已进入深凹开采状态，对排土场的容积需求增大，为最大限度减少矿山排土场占地，排土场段高不断加大。合理规划排土作业，科学管理排土工作，不仅是保证矿山安全生产的必要手段，而且对社会和生态平衡也有着十分重要的意义45,46。如果土场管理的不善造成土场失稳，导致矿山土场灾害和重大工程事故，不仅影响了矿山的正常生产，也将使矿山蒙受巨大的经济损失。 目前我国大部分矿山已进入深凹开采阶段， 露天矿山的大型化对排土场容积需求也越来越大。为提高矿山经济效益，减小排土场征地面积，目前许多矿山都设法最大限度的利用排土场已有占地，增加堆高，建设超高台阶排土场46 48，排土场堆高和稳定性密切相关，若一味增加堆高，势必给矿山带来巨大的安全隐患。因此，如何合理的确定排土场极限堆载高度已成为目前许多矿山面临的科研难题。 土场稳定性研究概况 国外的发达矿业大国都非常重视矿山生产效益。作为露天矿生产的主要环节，排土作业已由铁路运输，汽车运输发展到大型高效的胶带运输排土，排土场堆高也随之增大，其稳定性问题也随之而来。 欧洲和美洲国家对土场研究主要以美化环境和保护国土资源为主49,50。 英国于八十年代进行了排土场复垦与风景规划，并按照英国政府批准的总体开发程序及城填规划法进行。如南约克郡靠近当喀斯特的马克哈姆麦因煤矿，从一开采就有高标准的复垦计划，使土地利用与风景规划有机结合46。优美的风景，使复垦后的土地外观良好，能得到有效利用。德国从 1952 年起就进行了煤矸石物上造林及绿化试验，积累了许多经验。加拿大和美国的排土场都非常重视复土造田，加拿大南部与美国都从水土保持角度来要求排土场坡度。加拿大北部气候寒冷，不宜耕作，一般都以工程体稳定来要求坡角，大都在 35左右。南部矿山极为重视土场复垦工作，只要土场形成就立即进行复垦。各省都制订了相应的法规。全美矿山土场复垦也都法规化。所以美、加等国从国土复垦角度出发来要求排土场坡度，变动在 24 27，土场失稳现象较少。 上述国家主要考虑环境保护和复土造田， 其排土场坡度一般都会满足工程体的稳定要求，因此对排土场稳定性并没有进行深入的研究。 由于生产力水平及价值观念的差异， 我国的矿山排土场治理及稳定性研究与上述国家有很大区别。 国内对于土场稳定性研究虽然起步较晚，但近年来也有了一定的发展。马鞍山矿山研究院先后在永平铜矿和朱家包包铁矿进行了排土场稳定性及其防治措中南大学硕士学位论文 第一章 绪论 6 施研究51,52； 长沙矿冶研究院分别在南芬铁矿和厂坝七架沟排土场进行了稳定性研究53,54。以上研究主要发展和应用了土场监测技术和对排土场的科学规划，并对高台阶排土场进行了探索性的研究。随着高台阶土场的不断建设，人们逐渐发现传统的土场稳定性分析方法已逐渐不适应， 且这种不适应性随土场堆高的增加变得更加明显。因此高台阶土场稳定性研究对新方法的需求越来越迫切。 土场稳定性研究方法 排土场稳定性研究起步较晚，直到 70 年代末国际上才开始有一些不系统的研究，直到目前对于排土场稳定分析仍未形成一套非常成熟的理论。目前在对其进行稳定性分析时多采用边坡稳定的理论55 57，但由于排土场边坡与一般边坡差别较大，如果采用传统的边坡稳定性分析方法，可能会带来一定的误差。考虑到以上情况，本文尝试采用目前在岩土工程领域获得广泛应用的 并将其计算结果与传统极限平衡法计算所得结果进行对比分析研究。 究内容和方法 本论文采用目前在岩土工程领域获得广泛应用的 并将其计算结果与传统极限平衡法计算所得结果进行对比分析研究。并在此基础上确定该排土场的极限堆载高度，具体研究内容如下： （ 1） 对西部排土场进行现场工程地质调查， 以便建立恰当的理论分析模型； （ 2）对排土场散体物料和基底岩石进行 物理力学实验研究，为极限平衡分析和数值模拟研究提供可靠的参数； （ 3）利用已建立模型，对排土场现状边 坡分别进行极限平衡分析和数值模拟研究，将两种方法进行对比分析研究后，对现状边坡进行稳定性评价； （ 4）分析在排土高度增加的情况下排土 场边坡的稳定状况，得出其极限堆载的高度，以确保矿山的安全生产。中南大学硕士学位论文 第二章 边坡稳定性分析方法 7 第二章 边坡稳定性分析方法 限平衡分析方法 述 极限平衡法是建立在大家所熟悉的摩尔 ,4，其表达式为： +=+= 2 式中：破坏面上的剪应力； c为有效粘聚力； 和 为破坏面上的总应力和有效法向应力； 为有效内摩擦角。极限平衡法只考虑极限平衡条件和土的摩尔 过分析土体在破坏那一刻的力的平衡来求得问题的解。在大多数情况下，问题是静不定的。极限平衡方法处理这个问题的对策是引入一些简化假定，使问题变得静定可解。这种处理虽然使方法的严密性受到损害，但对计算结果的精度损害并不大。 在极限平衡法理论体系的形成过程当中，出现过一系列理论计算方法：瑞典法、毕肖普简化法和简化 。 瑞典法亦称 ，是边坡稳定分析领域最早出现的一种方法。该法假定滑裂面为圆弧形，在计算安全系数时，简单地将条块重量向滑面法向方向分解来求得法向力3。这一方法虽然引入过多的简化条件，但构成了近代边坡稳定分析条分法的雏形。 1955 年，毕肖普 (瑞典法基础上提出了一种简化方法。 这一方法仍然保留了滑裂面的形状为圆弧形和通过力矩平衡条件来求解安全系数这些特点，但是在确定土条底部法向力时，考虑了条间作用力在法线方向的贡献6。 自然界发生的滑坡其滑裂面有相当一大部分并非圆弧形。 对于任意形状的滑裂面，瑞典法和毕肖普法不再适用，此时，一些学者试图通过力平衡而不是力矩平衡条件来求解安全系数。这样，就出现了适用于非圆弧滑裂面的陆军工程师团法、罗厄法和简化 1。 20 世纪 50 年代和 60 年代早期建立起来的这些简化方法，其一个重要特点是试图提供较简单的计算步骤，使设计人员能够通过手算来得到安全系数。随着计算机的出现， 这一问题己不重要。 这样就出现了一些求解步骤更为严格的方法。例如： 、 9等。 典法1,4瑞典法是边坡稳定分析领域最早出现的一种方法，其基本假定为： 中南大学硕士学位论文 第二章 边坡稳定性分析方法 8 （ 1）假定土坡稳定属平面应变问题，即可取其某一横剖面为代表进行分析计算； （ 2）假定滑面形状为圆弧面，在采用条分法进行计算时不考虑滑动土体内部的相互作用力； （ 3）通过整体对圆心的力矩平衡来确定安全系数。定义安全系数为滑裂面上所能提供的抗滑力矩之和与外荷载及滑动土体在滑裂面上所产生的滑动力矩和之比。 其安全系数计算公式为（未考虑水平地震力） ： =+=（ 2 式中：条块条块条块条块孔隙水压力； 为有效内摩擦角。 肖普法1,41、简化条件： （ 1）滑面形状：圆弧滑裂面； （ 2）对多余未知力的假定：条块侧向垂直面上剪力 0=X ，即条块两侧作用力均为水平； （ 3）静力平衡： 建立垂直方向静力平衡方程（各参数具体含义参见图 2，从而解得 N ： =+ 2 2、安全系数计算： 通过整体对圆心的力矩平衡来确定安全系