高台阶排土场拦挡坝防治泥石流稳定性计算分析
张建明
（甘肃镜铁山矿业有限公司，甘肃 嘉峪关 735100）
摘要：根据镜铁山黑沟矿拦挡坝刚性和柔性组合的结构形式，通过计算结果进行比较取值，总结出一套稳定可信的计算方法，确保拦挡坝在运营使用过程中的安全性和可靠性。
关键词：泥石流重力式拦挡坝刚柔组合消能稳定性
中图分类号：P642.23文献标识码：Ａ文章编号：1671-8550（2020）01-0017-05
0引言
镜铁山黑沟矿开采形式为露天开采，排土场位于露天采场的南部，排土场所处地形山高坡陡，单台阶高差大，坡降大，属典型的高台阶排土场。随着矿山持续剥采矿石，排土场的稳定性下降，发生高速碎屑流的可能性加大，大量松散物质堆积于南沟沟道，为大规模泥石流的形成提供了大量的松散物源。为防止大规模泥石流的发生，矿方决定立项建设拦挡坝等工程进行综合治理，以黑沟高台阶排土场建设拦挡坝为例，探讨拦挡坝的刚性和柔性组合的结构形式，分析坝体的受力特点，荷载组成及受力的变化，对拦挡坝的稳定性进行分类计算，并通过计算结果进行比较取值，分析和讨论，总结出一套稳定可信的计算方法，确保高台阶拦挡坝在运营使用过程中的安全性和可靠性，为高台阶排土场泥石流治理提供科学可行的治理方案。泥石流的有效流域面积分析见示意见图1。
图1 泥石流的有效流域面积分析
1拦挡坝的形式
随着矿山开采规模变大，为保证矿山安全持续生产，应充分利用排土场坡脚沟道内７道拦挡坝以及沟口排导槽。排土场发生远程碎屑流滑坡对下游的冲击破坏很严重，利用原有部分拦挡坝（3#～6#）进行碎屑流的部分消能，在原有坝体对泥石流的防治工程措施基础上（主要功能是“消能”、“滤砂和排水”），新建一大型混凝土+格宾石笼坝，不仅可满足库容的需求，同时也对高速碎屑流起到消能作用。对于新建坝体，其抗冲击能力及稳定性要求要提高，应满足对高速碎屑流的有效拦截及环境保护的要求。
2拦挡坝的消能作用
泥石流的既有治理中，建设了多级拦挡坝防范泥石流灾害，原设计也校核了拦挡坝在运营期间的抗滑移和抗倾覆稳定性。这表明既有拦挡坝稳定性均满足泥石流拦截过程中的相关要求。
通过排土场既有资料三维滑动数值模拟，分析既有拦挡坝位置处，受到排土场灾变后的废石流动冲击力和速度，认为既有的多级拦挡坝可起到分级消能作用。
拦挡坝凸出在滑动路径上，剪切面（带）岩桥效应明显，一方面，通过增大滑动基底的摩阻力提高抗滑力。另一方面，消耗排土场滑坡碎屑体的高势能转化的动能，减小滑动距离。通过拦挡坝对碎屑流的（刹车）减速作用，拦截了部分下滑的排土料，导致部分废石颗粒的沉积，起到阻碍滑坡体的纵向自由（无障碍）扩散。其结果是，减少了继续下滑的废石碎屑的速度和体量（规模），从而控制灾害影响范围（覆盖面积和距离）。
然而，对路径上的流动物质，拦截效应迥异，对于滑坡产生的干性碎屑流，受流动路径上的凸出地面的坝高制约，滑坡体中，速度较快粒子（即废石块体）滑动至拦挡坝前，被拦挡坝快速消能，堆积在拦挡坝前。由于滑坡体量较大，后续块体先后越过坝前堆积体表面、拦挡坝顶，朝下游移动，并被下一级拦挡坝消能。经过多级消能，表层具有越坝能力的高速粒子变成低速粒子，堆积在下一级坝前。通过减速和部分颗粒沉积的过程，拦挡坝实现阻拦排土体的作用。
对于干性碎屑流，现有实例表明，流动区层厚远大于泥石流，一般达到10～15m。这一点，无论是深圳滑坡，还是南芬铁矿冯家东沟滑坡，基本类似。因此，较小坝高，仅能拦截坝高范围内的“流体”，而流动体的上层部分，则直接翻越坝顶，继续无阻碍的“流动”。其结果是，虽然在能量上可部分消耗，但体量上则效果不明显。要控制灾变范围，就必须同时满足“体量拦截”和“能量消耗”，以坝体具有库容和抗冲击性为表征。
3泥石流堆积规律
按照堆积规律，即碎屑流龙头和流通段堆积角的不同，从流体动力学角度，由于存在废石碎屑对坝体的冲击、爬升，进而翻越导致漫顶的动力过程，一般只考虑半库运行，这是拦挡坝区别于常规重力式挡墙只考虑静力（主动或被动土压力）的最大区别。
泥石流具有突发性，当泥石流的３个条件同时具备，泥石流就会发生。以黑沟排土场为例，首先在排土场上部迅速下泄，运动速度在排土场上部达到最大，向对面山体冲击，冲向对面山体是爬升阶段。该阶段堆积厚度加快，过程速度较快，爬升到最高处后减速向南沟下游流动,向南沟下游，缓慢堆积，达到最大值之后，逐步向下游推进，呈现堆积缓坡，形成一定的坡降，坡降逐渐变缓，速度逐渐降低，在下游堆积区前沿，厚度变化加快变薄，呈现“冲积扇”的特征，沿主要流动区坡降方向向下游推进，最终由于拦挡坝的拦挡作用下停滞于拦挡坝上游。
根据泥石流的流动特性，近似绘制出黑沟排土场发生高速碎屑泥石流的堆积特征，见图2。
图2 拦挡坝、碎屑堆积体、原始沟谷地面纵断面
4拦挡坝的稳定性计算及结果
4.1拦挡坝设计方案
———混凝土坝体结构设计方案：
1）坝体高度37.3m，顶宽2m。上游面坡比1:0.15，下游坡比1:0.30，上部采用C25混凝土，下部采用C25混凝土加片石。
2）坝肩与山体采用桩基连接,桩基深入坝体2ｍ，深入基岩4m。
3）混凝土坝体坝肩两侧嵌入基岩2m。松散坡积物处嵌入5m。冰碛体等胶结较好的第四纪堆积物处视实际情况嵌入3～4m。
4）基础采用强度等级为C40混凝土浇筑。
———格宾坝体结构设计方案:
1）坝体高度36.7m，顶宽2m，上游面坡比1:0.5，下游与混凝土坝体和B2坝体用锚杆连接，格宾废石坝与钢筋混凝土过渡接触面坡度为1:0.15，格宾坝体采用HRB400级直径16mm钢筋点焊，以保证整体性，格宾结构将B2坝体覆盖。
2）采用锚固桩与山体完整基岩连接，锚固桩与格宾坝体采用焊接。锚固桩嵌入完整基岩3m，嵌入格宾坝体2m，锚杆与格宾焊接连接。
3）格宾结构坝体地基采用锚固桩固定连接，
———混凝土坝体采用边长1m镂空结构排水涵洞用于排水，B2坝体与混凝土坝体之间采用浆砌石排水设施。
———混凝土坝体采用HRB400级直径25的钢筋作为主筋，
———基础采用桩基承台基础，基础采用混凝土强度等级为C40，主筋为HRB400级直径为25的钢筋，桩基长12m。
———格宾坝体结构填石可选用硬质岩石或卵石，要求块石强度高，不易水解、抗风化，填充空隙率不大于30％，填石粒径以250～300mm为宜，拦挡坝设计方案平面布置及纵剖面见图3、4，稳定性计算模型见图5。
图3 平面布置图
图４ 纵剖面图
图５ 拦挡坝稳定性计算模型
4.2参数取值
根据《IRSM－2016－黑沟露天矿排土场灾变控制技术研究报告》，排土料参数取值见表1。
土压力计算（库伦土压力）为：
桩基抗拔力验算，根据《建筑桩基技术规范》（JGJ－94－2008），抗拔系数：λi＝0．5桩侧土抗压极限侧阻力标准：
群桩重GgP=20×[（31-8+1.5）×（28.5-8.5+1.5）×12]=126420kN
非整体破坏时，桩的总抗拔承载力：n·Nk=Σ（Ｔuk/2+GP）=16032kN
整体破坏时，桩的总抗拔承载力：n·Nk=Tgk/2+GgP=116220kN
因此，桩基的总抗拔承载力为16032kN（非整体破坏），
桩基水平承载力为：根据《建筑桩基技术规范》（JGJ-94-2008），对于碎石土，m取100～300MN/m4，此处取m=200MN/m4。
d>1m，b0=0.9（d+1）=0.9×（1.5+1）=2.25m
EC=3.25×104N/mm2
钢筋弹性模量与混凝土弹性模量的比值αE=
桩身配筋率：0.6％
EI=0.85ECI0=0.85×3.25×104N/mm2×0.245=6.77×103N/mm2
桩身混凝土抗拉强度设计值：ft=1.710kPa
αh=0.3669×12=4.4m＞4.0，取αh=4.0
桩顶固接，桩身最大弯矩系数:νM=0.926
不考虑竖向压力作用：
对应单宽坝体的桩水平抗力为：491.6×11/31=174.44kN/m
坝体自重=断面积×密度=829.4×23=19076.2kN/m
基础自重=断面积×密度=82.6×25=2065.0kN/m
4.3拦挡坝所受冲击力
新建拦挡坝位于B2，坝体处，根据《IRSM-2016-黑沟露天矿排土场灾变控制技术研究报告》计算结果，可大概确定排土料的冲击速度为：现状-2.98m/s，终了-3.07m/s，本次计算取大值3.07m/s。根据《IRSM-2016-黑沟露天矿排土场灾变控制技术研究报告》计算过程，单宽的37米坝高所受冲击力为:FH=（k·γc·υc2/g）H=（3.0×20×3.072/10）×37=2092.3kN/m
4.4各项力计算结果（见表2）
表2 计算总表/kNm-1
4.5稳定性要求及计算结果（见表3）
5泥石流拦挡坝的功能性分析
中国是世界上遭受泥石流灾害最为严重和频繁的国家之一，特别是西部地区，泥石流造成了重大的人员伤亡和经济损失。泥石流浆体的动压力及其所含块石的撞击力是危害防治工程构筑物的直接因素，国内外学者对泥石流中大块石的冲击理论研究表明，撞击力提供荷载是导致拦挡结构破坏的主要因素。所以，修建泥石流拦挡坝应该考虑上游泥石流迎水面格宾结构作为缓冲措施，提高泥石流拦挡结构抗大块石冲击性能。从而保证和提高坝体的整体稳定性，发挥其预定设计功能。
由于实际发生泥石流时，大块石对泥石流拦挡坝的撞击位置具有不确定性，因此为了使大块石撞击弹簧格构坝时发挥较好的缓冲作用，上游面全部以格宾坝体为主，所以黑沟拦挡坝用混凝土坝+格宾石笼坝筑坝，其功能主要是以“前坝消能，后坝承载，协同作用”的新理念为基础。
混凝土坝+格宾石笼坝的复核结构，解决灾害发生时拦挡坝容易被大块石撞击损毁的问题。与普通重力式泥石流拦挡坝相比，提出的格宾石笼坝钢架结构，具有一定的弹性，具有一定的变形复位功能和吸能能力，坝体的变形、支反力、位移、加速度等方面适应性较好。决定了复合式拦挡坝充分结合了混凝土坝的抗剪强度高和堆石坝的抗冲击性能强，特别是，堆石的变形适应性，堆石-混凝土二者之间的刚度匹配，使得传递到拦挡坝上的应力分布均匀，避免了局部的强度集中导致开裂问题。两侧山体部位坝肩、（坝趾处）地基提供的嵌固反力协同作用，对承载力要求显著降低。确保了系统的整体稳定性能更好。
6结语
泥石流堆积的数值模拟是泥石流研究的前沿领域，矿山排土场下游设置拦挡坝是矿山防灾减灾中重要组成部分。拦挡坝也是预防矿山排土场形成泥石流的重要措施，可减少泥石流对矿山的生产及下游工业民用建筑的冲击。在以往工作成果基础上，运用规范中的公式计算泥石流堆积对拦挡坝的荷载作用，土的侧压力和泥石流的冲击力对拦挡坝在空间上的分布。镜铁山黑沟矿这种单台阶、高差大的排土场对泥石流的抗冲击能力及稳定性的要求较高，如何准确的计算稳定性尤其重要，可进一步评价不同规模泥石流灾害对拦挡坝可能造成的冲击力及堆积高度，从而提高矿山对泥石流灾害的防灾减灾能力。
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