超高排土场的粒径分级及其边坡稳定性分析研究

(1. College of Resources and Environmental Science, Chongqing University, Chongqing 400044, China; 2. State Key Laboratory of Geomechanics and Geotechnical Engineering, Institute of Rock and Soil Mechanics, Chinese Academy of Sciences, Wuhan 430071, China; 3. No. 268 Brigade of Jiangxi Nuclear Industry Geological Bureau, Yushan, Jiangxi 334701, China; 4. Faculty of Land Resources Engineeirng， Kunming University of Science and Technology, Kunming 650093, China)
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引
言
104 km2，并以每年 340 km2 的速度增长，国力又只 能支撑 6%复垦率。因此，发展高台阶排土技术、 建立超高台阶排土场是大幅度减少矿业占地的重大
我国排土场、矸石山等占地已达 (1.4～ 2.0)×
收稿日期：2010-08-16 基金项目：国家重点基础研究发展规划 (973) (No. 2009CB724602)；国家杰出青年科学基金(No. E50725414)；岩土力学与工程国家重点实验室开放课 题（No.Z000607） ；岩土力学与工程国家重点实验室前言探索性项目（No. SKLQ003） ；重庆大学研究生科技创新基金（No.CDJXS11240007） ；重庆 大学中央高校基本科研业务费 (No. CDJZR10 240001)。 第一作者简介：王光进，男，1982 年生，博士研究生，主要从事岩土工程与边坡稳定性的研究。 E-mail： wangguangjin2005@
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2011 年
举措[1]。但在超高排土场成为人类工程活动中常见 的一类地质体的同时，也衍生出一系列的地质灾害 现象并带来一系列重大工程地质问题，严重威胁着 人类生存、工程建设及运营期间的安全。如 2008 年 8 月 1 日，山西省太原市娄烦县尖山铁矿排土场 发生特别重大跨塌事件， 造成 45 人遇难就是一个警 讯。 德兴铜矿西源岭 413 台阶排土场位于西源沟上 游山坡。 其堆排采用一坡到底的单台阶全段高排土， 排土工艺采用由内向外的边缘堆排法排放散体。排 土单台阶高达 120 m。图 1 为其现场裂缝调查图， 从其调查情况看，由于排土台阶高，在排土过程中 413 台阶顶面出现大量裂缝，其裂缝延伸较长，坡 面也有明显的鼓出。但由于此排土场堆排时间相对 较短，其平台大而平整，所以裂缝发育相对较新， 裂缝宽度较小。尽管如此，在外力作用时，也极有 可能出现滑坡等灾害性事故，这不仅对人员和排土 设备——矿用大型载重汽车、推土机等的安全构成 威协，而且排土场紧临 4 号尾矿库，其滑坡可能会 影响 4#尾矿坝的安全。因此，需对该边坡进行稳定 性分析评价。排土场是露天矿山开采时表层剥离废 石堆积而成的人工边坡。 因此， 它不同于其他边坡， 其具有自身的特点。超高排土场区别于一般土质边 坡最大的特征就在于：采用一坡到底的超高排土场 的排废过程使堆积体粒度具明显的分选性。其总体 规律表现为[2]：其粒径块度由上而下逐渐增大，总 的趋向是小块集中在上部，大块在下部，中间部分 各种块度参差不齐， 但以中等块度居多。 尽管如此， 大多数工程人员在对其边坡稳定分析时完全简化了 排土场的这一重要特征，他们大多把堆积体简化成 上、中、下 3 层，有的甚至把排土场堆积体作为一 － 种粒径级配的散体材料进行边坡稳定性分析[3 6]。 众所周知，堆积散体的强度参数是边坡稳定性计算 分析中一个至关重要因素，而不同的粒径组成是散 体材料强度参数的主要影响因素。因此，此种过于 简化的计算结果是不科学和不合理的。
Abstract：Apparent particle size grading is the most important characteristic of super-high dumping site, which is different from soil slope. On the basis of the development of the HHC-CA model and on-site survey of granular size distribution, the slope model of current situation，considering the features of particle size grading, was established according to Xiyuanlin 413 step dumping site．FLAC3D was used to analyze the slope stability of current situation and various piling up patterns slope based on the slope model．The results indicated that the upper displacement vector, whose displacement direction maintained the same direction of the current situation slope of Xiyuanlin 413 step dumping site，performanced for subsidence．The middle displacement vectors showed shear and the displacement vector of bottom had slightly the trend of anti-lift．The slope failure model of current situation expressed in crack at the top platform and shearing out with a arc in the middle．This status of current situation slope was temporary steady stage．To adopt full overlay dump of multi-step, the displacement vector of dumping site slope showed subsidence at the top and transited to the horizontal direction at the bottom． The slope failure mode expressed in crack at the top platform and shearing out with a arc at the bottom. When considering the influence of strength characteristics of granular pile on the slope stability only, the particle size grading of super-high dumping site is helpful to slope stability． Key words：super-high dumping site；granular particle size grading；cellular automaton；piling up pattern；slope stability analysis
岩土工作者们未考虑或未完全考虑超高排土场 的这一重要特征主要有三方面因素。 （1）超高排土 场边坡的粒径分布难以获取：由于排土场的粒径筛 分的工作量大、劳动强度高，而摄影法误差大，所 以获取排土场随高度变化的粒径分布需要耗费大量 的人力和物力。 （2）排土场散体强度参数的合理取 值一直是困扰岩土工程界的难题：①排土场散体物 料的尺寸相差悬殊，大的可以达到 1 m。因此，利 用现有的大型试验仪器还不能对原型级配土石料进 行力学试验，这就限制了室内试验用料的最大粒径, 因而必须对原型级配试料进行缩尺处理。 翁厚洋等[7] 对粗粒料缩尺效应研究后指出：由于缩尺后试料级 配与原级配不同，导致不同缩尺方法缩尺后的试料 级配和密度也不同。所以，即使试验条件相同，也 会使试验结果出现较大差异。然而，目前试验替代 级配料与原型级配料的力学特性关系还难以定量描 述。②目前，一般的粗粒土室内试验的粒径范围在 0～60 mm。 所以其试样的颗粒粒径尺寸相差还是较 大，不均匀程度高。文献[8－10]指出：粗粒土的宏 观力学特性是复杂的，其土颗粒组成、土颗粒的几 何排列方式和粒间作用力（即组构）是决定其宏观 力学性质的根本因素，致使粗粒土的宏观力学特性 表现出强烈的离散特征。郦能惠[11]认为：由于粗粒 料各粒组在试验过程中的随机分布（即离散特征） ， 就算同一试验人员在同一试验仪器，采用同样的试 验方法进行试验，即使试验的级配与试样的密度相 同，其试样内颗粒的初始架构可能完全不同，导致 其测得的强度参数差异较大。因此，由于试验替代 级配料与原型级配料的力学特性关系难以定量描 述，颗粒的组构也没有形成可用的理论，致使合理 的粗粒料力学参数难以通过室内试验得到。 （3）人 力、财力和时间的限制：由于粗粒料的室内试验都 需要使用大型设备来进行试验，如果对不同粒径含 量的散体粗粒料进行试验， 这需要花费大量的人力、 财力和时间，这在工程上既不经济也不可取。基于 以上客观因素的存在，仅采用传统的边坡分析方法 无法考虑超高排土场粒径分级这一明显特征。 因此， 这就需要在传统试验工作的基础上，引入别的分析 手段，以弥补超高排土场现行边坡稳定性分析方面 的不足。 李世海等[12]通过对土石混合体的研究指出：土 石混合体具有块体的形状大小不均匀和堆积块体在 空间随机分布的特点，因此，给出堆积体的力学特