基于ＧＥＯ—Ｓｔｕｄｉｏ软件对排土场边坡稳定性昀分析 江西理工大学建筑与测绘工程学院 曾繁文 ［摘要］本文基于ＧＥＯ—ｓｔｕｄｉｏ岩土分析软件，运用极限平衡原理，使用Ｂｉｓｈｏｐ，Ｊａｎｂｕ，Ｍｏｒｇｅｎｓｔｅｒｍ－ｐｒｉｃｅ法，对排土场边坡进行稳定 陛数值模拟分析，得出排土场边坡最小滑移面，稳定安全系数以及各种方法之间的区别。 ［关键词］排土场 边坡稳定性 ＧＥＯ—Ｓｔｕｄｉｏ 数值模拟 Ｏ．引言 目前，我国有１１３１００多个矿山，其中８４５７个对环境造成严重影响， 而滑坡，泥石流是矿山安全最主要的问题。滑坡，泥石流的发生不仅影 响到矿山的自身安全生产，还造成人员伤亡和环境破坏，并产生重大经 济损失和社会影响。排土场是一种巨型人工松散堆垫体。我国现拥有 大型排土场数万座，多布置在山沟或山坡上，其安全与否主要受控于山 坡坡度，坡底承载力强弱，堆排物的物理力学性质，堆排工艺，降雨，地 上列各式中：ｃ、 一材料有效粘聚力和内摩擦角； ），、ｙ ，一分别为岩石和水的容重。 １．３ Ｍｏｒｇｅｎｓｔｅｒｎ—ｐｒｉｃｅ法 Ｍｏｒｇｅｎｓｔｅｒｎ—ｐｒｉｃｅ法适用于任意形状的滑动面，其计算式： Ｅ， （Ｆ， ）＝０ （１—１０） Ｍ （Ｆ， ）：ｆ （ｘ—Ｅ ）出一ｒ ＾ ｄｗ一０ （１－ｌ １） 下水等因素的综合影响，使得排土场安全评价比较困难 。如何正确， 客观反映出排土场的稳定性评价，已愈发重要。 ＧＥＯ—Ｓｔｕｄｉｏ是一套专业的，且功能强大的，适用于岩土工程数值分 析的软件。ＧＥＯ—Ｓｔｕｄｉｏ共有八个模块，其中包括边坡稳定性分析软 件一ＳＬＯＰＥ／Ｗ，地下水渗流分析软件一ＳＥＥＰ／Ｗ，岩土应力变形分析软 件一ＳＩＧＭＡ／Ｗ，地震响应分析软件一ＱＵＡＫＥ／Ｗ，地热分析软件一ＴＥＭＰ／ ｗ，地下水污染物传输分析软件一ＣＴＲＡＮ／Ｗ，空气流动分析软件一ＡＩＲ／ ｗ，综合渗流蒸发区和土壤表层分析软件一ＶＡＤＯＳＥ／Ｗ，三维渗流分析 软件一Ｓｅｅｐ３Ｄ。 １．极限平衡法基本理论 工程实践中多使用极限平衡法，其基本原理就是采用条分的思想， 将连续体进行离散分析，宏观和微观相结合。极限平衡法在边坡稳定 性分析中使用较早、积累了丰富的经验并且也是最经常使用的方法。 因考虑力的平衡条件以及破坏面形状的异同，极限平衡法包含了分析 圆弧滑动面的Ｂｉｓｈｏｐ法、Ｊａｎｂｕ法，分析任意形状滑动面的Ｍｏｒｇｅｎ— ｓｔｅｒｎ—ｐｒｉｃｅ法。极限平衡法各计算方法假定条件的不同，决定了这些方 法的计算精度及适用范围的不同。以下对这三种方法分别进行介绍。 １ １ Ｂｉｓｈｏｐ法 Ｂｉｓｈｏｐ法适用于圆弧滑动面的稳定性计算（图１），并且满足条块力 的平衡条件，其计算公式为： ∑ （ｆ ｆｂ ＋（Ｘｉ ， ∑ ｓｉｎａｉ＋∑Ｑ ＿Ｅｉ ｔａｎ￣ｂ ｉ．ｓｉｍｍｉ—ｃｏｓ口｝＋—一 ０ 十——瓦＿＿—ｎａｉ （１Ｌｌ—Ｊ—２一） 式中：ｗ．是条块自重，Ｅ 是法向条间力，ｘ．是切向条间力，Ｑ 是水平 向作用力， 是材料的有效粘结力， 是材料的内摩擦角。 上式中各条块间切向作用力ｘ，是未知的，通过迭代可以求出满足 每一条块力平衡条件的安全系数Ｆｓ，Ｂｉｓｈｏｐ法计算并不复杂，因此， Ｂｉｓｈｏｐ法提出了假定切向条间力ｘｌ－Ｏ的简化法。实践表明，Ｂｉｓｈｏｐ法 与精确计算方法的成果比较接近。 （ ｌ 图１ Ｂｉｓｈｏｐ法 图２ Ｊａｎｂｕ法 １．２ Ｊａｎｂｕ法 Ｊａｎｂｕ法比较适用于分析较浅时的任意形状滑动面（图２），Ｊａｎｂｕ法 假定条块间力的作用点位于条块下方１／３处，安全系数Ｆｓ的计算式： ∑ｘ／（１＋Ｙ／Ｆｓ） ‘ 一 式中： ｘ＝［ｃ ＋（ｙ矗－ｒ￣，ｈ ）・ｔａｎ ｑＩ １（１＋ｔａｎ。ａ）△ｚ （１－４） ｙ＝ｔａｎＯ／・ｔａｎ ； （１－５） Ｚ＝ｒ・ｈ・△ －ｔａｎ ： （１—６） Ｑ 一水平作用力； （１—７） 近似的改正系数：．ｔｏ＝１＋ｋ］ｄ／Ｌ一１．４（ｄ／Ｌ） ｌ： （１—８） 对：ｃ ＝Ｏ；ｋ＝Ｏ．３ｌ： ｃ，＞ｏ， ＞０；ｋ＝０．５０；Ｒ ＝Ｗｂ ｓｅｅ口 一Ｕｉ・ｔａｎ （１－９） ・－——１８２・－—— 采用Ｎｅｗｔｏｎ—Ｒａｐｈｓｏｎ法对包含于式（１—１０）和式（１一ｌ１）巾的Ｆ和 进行迭代求解。 ２．工程概况 大茅山东尾矿库：初期坝为堆石透水坝，初期坝高为２０ｍ，其坝顶 标高为１４０ｍ、宽为４ｍ，坝长为１２７ｍ，上游边坡１：１．７５，下游边坡１：１．７０ 和１：１．８０。初期库容约为６２万ｍ 。后期堆积坝：采用上游法尾矿筑 坝。按原设计，当坝高为６０ｍ，即最终标高为１８０ｍ时，为三级建筑物， 可堆存２０年尾矿，总库容为６００万ｍ ，有效库容为５００万ｎｌ 。目前，其 现状参数如下：子坝坝面标高：ｌ５１．４ｍ；沉积滩滩顶标高：１４８．２ｍ；坝体 高度：９．４ｍ；水位：１４６．４ｍ；坝体外坡坡度：１：３．６７；现场勘探时于滩长度 约２３０ｍ；当前库容为１１６．３３万ｎｌ 。 本地区出露的地层仅见第四系、上侏罗系冷水坞组和中震旦系志 棠组，以及由中震旦系志棠组热液蚀变而来的水云母一伊利石化带。 尾矿坝的下游和东尾矿库的上游以第四系（Ｑ）为主。其中，西尾矿坝的 下游以砂砾层和亚粘土为主，东尾矿库的上游以废石冲积层为主。 通过调查尾矿库库区的工程地质和搜集、整理库区原有库区资料， 得其特征如下： （１）尾矿堆积坝土。 １）尾矿砂类：灰、褐及灰褐色，呈饱和、湿及松散、稍密状态。根据 其颗粒组成可分为尾细砂、尾粉砂、尾亚砂。 ２）尾矿土类：浅黄色、浅灰色，呈饱和、软塑一流塑状态。根据其颗 粒组成可分为尾轻亚粘、尾重亚粘、尾矿泥。由于是在饱水条件下沉积 形成的，因此具有含水量大、灵敏度高和强度低等特点。 （２）初期坝为堆石透水坝，施工质量从现场调查来看还是比较好 的。 （３）坝基土为第四系崩坡积碎石夹砂＋残积亚粘土层（Ｑ ＋ｅ１）：棕 黄、灰黄及棕红色，含３０％左右的碎石和角砾，呈湿、饱和及软塑一可 塑，局部硬塑状态 由于土中含碎石较多，颗粒分布不均匀。 （４）基岩以中震旦系志棠组（ｚａＺ）的粉砂质泥岩为主，次为粉砂岩和 变质沉凝灰岩：中震旦系志棠组（ＺａＺ）为滨海一浅海相类复理石沉积建 造，轻微变质。库区及尾矿坝坝肩均有上述基岩广泛出露。 表ｌ排土场稳定性分析采用的土性指标 土类 容重 饱和容重 有效应力强度参数 ， 名称 ）， ｙ Ｃ ｋＮ／ｍ’ ｋＮ／ｍ ｋＰａ ｏ 坝基土 ２０．Ｏ ２０．Ｏ ５ ３０ 昆砂 ２１．０ ２１．５ ０ ２５ 尾矿 ２０．０ ２０．５ ２．５ ２３ ３．排土场稳定性计算 Ｎａｍｅ：基岩 Ｍ。ｄｅｌ：Ｍｏ￣ｒ－Ｃｏｔｌｏｍｂ ＵｎｉｔｗｅＩ ｔ ２２ ｋＮ／ｒ￣Ｃｏｈｅｓｌｏｎ：１０ ｋＰａ Ｐｈｉ：２６。 Ｎａｍｅ：坝基土 Ｍｏｄｅｌ＝ＭｏｈＰＣｏｕｔｏｍｂ Ｕｎｌｔｗｅｂ，ｍ：２ｏ ｋＮ ｃｏＩ１ｅ§ｉｏｎ ５ｋ尸ａ Ｐｈｉ：３０ Ｎａｍｅ：尾ｌ矿 Ｍｏｄｅｌ：ＭＯｈｒ－Ｃｏｕｌｏｒｎｂ ＵｎｉｔＷｅｉｇｈｔ：２０ ｋＮ／ｒｃｄ Ｃｏｈｅｓｉｏｎ：２ ５ ｋＰａ Ｐｈｉ：２３。 Ｎａｍ 尾砂 Ｍｏｄｅｌ：Ｍｏｈｒ－Ｃｏｕｌｏｍｂ ＵｎｉｔＷｅｉｇｈｔ：２１ ｋＮ／ｒ￣Ｃｏｈｅｓｋｚｎ：０ＫＰａ Ｐｈｉ：２５ ＮａｌＴｌｅ：韧期堋 Ｍｏｄｅｌ：Ｍｏｈｒ－Ｃｏｕｌｏｍｂ ＵｎｉｔｗｏｋＪ￣ｔ ２０ ｋＮｆｍ ｃ。ｈｅ暑ＩｏｒＩ ５ ｋＰｎ Ｐｈｉ：２７。 ”［ ｔ∞ｐ－ ｍＩＥ ：＝ 翌宴凳蔓鱼 …～ Ｏ ２５ ５０ ７５＇∞１ ’５０ １７ ５瑚２ 釉２７５ ３。。３２５ ３５ｏ拼４ ４２５ ４５０ ４７５ ５００ ５２５ ５５０ ５７５ ６∞６２５ Ｄｉｓｔａｎｃｅ 图３ Ｍｏｒｇｅｎｓｔｅｒｍ—ｐｒｉｃｅ法计算分析结果 ＧＥＯ－ＳＬＯＰＥ是计算排土场稳定的模块，软件可以用Ｂｉｓｈｏｐ法， Ｊａｎｂｕ法，Ｍｏｒｇｅｎｓｔｅｒｍ—ｐｒｉｃｅ法计算安全系数和滑移面。根据调查的基 本数据，浸润线位置，简化模型，分为尾砂层，尾矿层，坝基土层，基岩层。 建立剖面简化模型，剖面稳定性计算如图３所示。 （下转第１８４￣）