矿山排土场边坡稳定性分析及安全评价-20110618-外考-李小春

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GB50021-2001钢铁企业总图运输设计规范金属非金属矿山安全规程GBl6423—2006岩土工程勘察技术规范YS5202-2004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》GBl6423-2006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GB50421-2007》一.相关规范的解读《有色金属矿山排土场设计规范GB50421-2007》一.相关规范的解读《有色金属矿山排土场设计规范GB50421-2007》一.相关规范的解读《建筑边坡工程技术规范》GB50330-2002一.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》GBl6423-2006一.相关规范的解读编号危险级排土场特征1.在山坡地基上顺坡排土或在软地基上排土，未采取安全措施，经常发生滑坡的2易发生泥石流的山坡排土场，下游有采矿场，工业场地，居民点、永久性建筑等设施，未采取切实有效的防治措施3排土场存在重大危险源（如汽车排土场未建安全车挡，铁路排土场铁路线顺坡和曲率半径小于规程最小值），极易发生车毁人亡事故4山坡汇水面积大而未修筑排水沟或排水沟被严重堵塞的5经验算，用余推力法计算的安全系数小于1.0的编号病级排土场特征1排土场地基条件不好，对排土场的安全影响不大的2易发生泥石流的山坡排土场，下游有山地、沙漠或农田，未采取有效的防治措施的3未按排土场作业管理要求的参数或规定进行施工的4经验算，用余推力法计算的安全系数大于1.00小于设计规定值的编号正常级排土场特征1排土场基础较好或不良地基经过有效处理2排土场各项参数符合设计要求和排土场作业管理要求，用余推力法计算的安全系数大于1.15，正常生产的3排水沟及泥石流拦挡设施符合设计要求的一.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：Fs1.15-1.30泥石流、塌陷、滚石、变形开裂：措施操作中可能遇到的问题•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失效模式破坏部位影响因素排土料特性界面特性地基特性荷载条件边界条件滑坡排土场本体软化破碎颗粒运动湿陷软化植物坡积土液化软化重力超载地震爆破地形涌泉降雨界面地基问题识别=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和超静孔隙水压力的作用，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，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模式破坏部位影响因素排土料特性界面特性地基特性荷载条件边界条件变形超限排土场本体软化破碎颗粒运动压实固结湿陷软化滑移固结压实软化重力超载地震地形涌泉降雨界面地基三.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1.1～1.2，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、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；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，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%Ordinary√Bishop√Janbusimplified√Janbucorrected√Spencer√L-K√M-P√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