汤家坪排土场报告

1、目 录第一章排土场工程地质条件分析研究11.1概述11.2区域地质条件11.3 地形地貌特征51.4 排土场地基工程地质条件61.5 排土场水文地质特征81.6 场地土类型与地震动参数91.7 排土场区不良地质条件分析91.8 研究依据101.9 本章小节11第二章排土场渗流场分析研究122.1 概述122.2 排土场区水文地质特征122.3地下水渗流场有限元分析原理162.4 渗流场边界条件处理242.5 渗流场计算结果及分析25第三章排土场岩土物理力学性质试验293.1概述293.2试验项目及工作量303.3 排土场散体物料模拟303.4地基岩层物理力学性质试验333.5散体物理力学性质试

2、验37第四章排土场基底承载力及单台阶极限高度分析444.1概述444.2地基承载力分析454.3单台阶极限高度分析514.3本章小结52第五章泥石流灾害分析评价535.1排土场泥石流成因及形成机理535.2排土场的基本条件与特点605.3排土场泥石流形成的可能性及预测615.4结论及预防措施62第六章 排土场稳定性分析636.1概述636.2排土场稳定性分析基本条件及影响因素636.3 排土场滑坡模式676.4 排土场稳定性分析696.5稳定性分析结果84第七章 排土场排土工艺优化设计907.1 排土场概况907.2 排土场堆置参数917.3 排土场容积957.4 排土工艺优化967.5 排土

3、场运输道路102第八章 汤家坪排土场工程防治措施1048.1 概述1048.2排土场排洪排渗系统的设置1068.3 排土场位移变形监测109结 语120124第一章排土场工程地质条件分析研究1.1概述河南金达矿业公司汤家坪钼矿为拟新建矿区，位于商城县达权店乡香子岗村及十二道河村，距达权店乡政府驻地9.5公里，矿区面积3.66km2。汤家坪钼矿属大型的露天开采矿山项目，矿山开采规模330×104t/a。一期开采范围：境界上口东西长747m，南北宽653m，最高标高约363m，总出入沟口标高252m，底标高60m，长185m，宽77m，矿山一期服务年限23年。矿石与废土石均采用汽车运输方

4、式，矿石运至选厂，废石运到排土石场。汤家坪钼矿排石场位于露天采场南侧汤家坪沟谷上游处，该沟谷狭长，落差150m，沟底平均纵坡约为10，两侧山坡坡度14°30°，沟形偏陡。废石排放标高在+250m+400m之间，排土场容积为2950.0×104m3，能满足一期服务年限废石堆置要求。排土场区向北约5公里，有简易公路与省道216线相通，沿216线向北与省道339相接，经县城向西与京九铁路相距110公里，向北与宁西铁路相距约60公里，交通条件便利。 1.2区域地质条件1.2.1区域地质背景矿区位于大别山北麓，属于秦岭造山带东延部分，由多个形成于不同构造环境，有着各自独立的

5、建造特征、变形变质和构造演化序列的构造地层体组成，经历了多阶段、多期次构造运动，形成为一体的复杂构造带。其中起决定作用的是中岳变动与燕山运动，中岳变动中形成的褶皱呈北西-南东向规模较大的复背斜构造，主要褶皱轴线及枢纽有弯曲和丐伏的现象。燕山运动的褶皱仅在东南部较发育，呈北西向规模不大的复式向斜构造。构造以断裂构造为主，褶皱为辅。信阳洪畈集双椿铺断裂是秦岭构造带（隆起）与横川坳陷的分解断裂；桐柏商城断裂是秦岭褶皱带（北部）与桐柏大别山褶皱（南部）的分解断裂；而横贯秦岭褶皱带内的松扒龟山梅山断裂是南秦岭和北秦岭两大复合地体的聚合边界线。图1.1 区域构造地质图1.2.2地层根据区域构造单元划分，工

6、作区位于区域性桐柏-商城断裂以南，地层属于桐柏-大别变质核杂岩隆起带地层区，地层划分见下表1.1。表1.1 区域地层单位划分一览表界系(岩)群统(岩)组、层代号接触关系新生界第四系全新统冲积层Qhal奥陶系下统-震旦系肖家庙岩组Z-O1x未接触推覆构造中新元古界浒湾岩组Pt2+3h太古宇-元古界变质深层岩系PtDog表壳岩系ArDb区内出露地层简单，主要为元古界大别片麻杂岩和第四系土层。1、元古界大别片麻杂岩（PtDog）场区内除矿区出露花岗斑岩和沟谷中出露少量第四系外，其余均出露大别片麻杂岩。由于遭受到强烈的变质变形作用改造，构造形迹极为复杂，原始的地层层序大部分遭受破坏，片麻理产状零乱。组

7、成岩性较简单，主要为黑云斜长片麻岩（gnbp）、其次为斜长角闪片岩（gnph)。2、第四系（Q）区内第四系主要分布在沟谷中，厚度较小，一般2-5m。岩性为粉质粘土、砂、角砾及碎石等。1.2.3构造本区为桐柏-大别线性强应变带，经历了长期的地质演变，地质构造错综复杂。根据区域地层及沉积建造组合、岩浆活动、变质变形及地球物理特征，区内主要发育多期次的韧性变形以及以脆性变形为主的推覆构造和断裂构造。推覆构造位于新店以西，推覆体呈一短轴状，长约10km，宽约4km，推覆界面产状较陡，早期表现韧性变形，发育拉伸线理、拖拽褶皱等，后期叠加脆性构造。排土场区主要在汤家坪水库南侧上游发育一近东西向压扭性断裂构

8、造，断裂带内岩石破碎，见硅化及褐铁矿化现象。1.2.4新构造运动及地震矿区区域地质构造上处在桐柏-大别造山系中段，构造单元为大别山杂岩变形带。小区域上位于大别山字型弧形盾地内侧构造带中部，基底为元古界变质岩系地层，经多期构造活动，特别是燕山期岩浆活动较频繁，将早期变质岩体切割得支离破碎，使该区大面积侵入花岗岩岩体。排土场区属低山丘陵地貌，山谷狭窄，山脊尖峭，多呈“V”字沟谷，地形相对高差大，表明新构造运动主要为垂直方向上的上升运动，大别山区古陆持续隆起，沟谷下切，在冲沟两侧发育不对称阶地；山前倾斜平原发生广泛沉降，其早期具明显继承性，晚期则表现为振荡性沉降。进入全新世以来，该区仍处于南北向顺扭

9、应力场中，地壳活动仍较活跃：淮河上游及南侧各大支流发育不对称河谷，且历史地震记录也比较多。场区西侧约两公里的长竹园断裂是区域性商（城）麻（城）断裂的一部分，属深大断裂，呈北北东向展布，自1925年以来，该断裂在本区及附近地区发生三级以上地震有六次之多，1932年在邻区湖北省麻城县黄土岗一带发生6级地震，2000年3月，在距商城县约250km里以外的湖北省发生一次5级左右的地震，波及到商城县，商城县境内有震感，有少数陈旧房屋墙壁开裂，无人员伤亡。历史地震记录和商城县汤泉池温泉出露表明，长竹园断裂是一条活断层，在近期还有活动的可能。1.3 地形地貌特征商城处于大别山北麓，地势南北倾斜，逐级降低。南

10、部山地，海拔千米以上面积占全县总面积40%，中部低山丘陵，海拔在+100+400m，面积占32%；北部丘岗，海拔100m以下，面积占28%。项目处南部中低山区，总体山势北低南高，属低山丘陵区，最高标高855m（双尖）。矿区属侵蚀低山丘陵地貌，地形总体趋势是北低南高，最高海拔标高522.8m（郑彭坳），最低侵蚀基准面154.0m（马大沟清水河河床），相对高差达368.8m。地形受侵蚀切割，山势陡峭，沟谷纵横。汤家坪排土场位于商城县南方35km左右冲沟地带。冲沟两岸地貌属构造剥蚀中-低山地貌单元，地形由南向北逐渐变低；冲沟中上游呈“V”字型，两侧地势较陡，自然坡角30-50度，地表植被发育，沟谷中

11、有少量第四系冲洪积（Q4al+pl）碎石堆积；沿沟两侧岩石出露，显示岩性为黑云斜长片麻岩。地表水为沟谷中的季节性溪流。排土场区地貌属构造剥蚀低山地貌单元，地面标高在+220m-+400m之间，周边地势陡峻，地形起伏较大，山上植被发育，河沟呈“V”字型，沟底两侧多为民宅、农田。表部地层为第四系冲洪积砂、碎石层，见漂石、块石。地表水为河谷中的溪流，枯水季节几近断流。1.4 排土场地基工程地质条件根据本次河南省信阳工程地质勘察院针对排土场区的勘察情况，排土场地基划分出、四个工程地质层及若干亚层。各层特征分述如下：碎石（Q4al+pl）:黄褐色，湿-饱和，中密，粒径大于20mm以上的颗粒约占总量的60

12、%，棱角状，含5%左右的块石，最大粒径大于100mm，孔隙充填中粗砂；级配差，分选性较好，母岩成分为花岗片麻岩，矿物成分以石英、斜长石为主，次为云母及角闪石等；圆锥动力触探(N63.5)试验击数13.0-75.0击，主要分布于冲沟一带，层厚2.1-4.3米。1耕植土（Q4pd）：黄褐-灰褐色，湿，松散，含碎石及少量块石，含较多植物根系，干强度低，韧性差。分布于沟谷一带耕地中，层厚0.40.5米。2粉砂（Q4al+pl）:黄褐色、灰色，湿，松散，组分以粉砂为主，约占总量的60%，含较多粘粒；顶部约15cm含有机质，该层仅见于zk6钻孔，层厚0.7米。3砾砂（Q4al+pl）:黄褐色，湿，稍密-中

13、密，组分以粒径15mm的粗砂、角砾为主，约占总量的70%，颗粒呈棱角状，含少量碎石，级配差，分选性较好，母岩成分为花岗片麻岩，矿物成分以石英、斜长石为主，次为云母及角闪石等；圆锥动力触探(N63.5)试验击数8.031.0击，下部0.3m夹粉质粘土薄层，该层仅见于zk1钻孔，层厚0.8米。残坡积土（Q3el+pl）: 黄褐色，稍湿，松散，组分以花岗片麻岩碎屑及粘性土为主。该层于山麓边缘半坡一带分布，见于zk2 、zk4 、zk5 、zk7钻孔，层厚0.41.7米。1全风化黑云斜长片麻岩（Pt）：黄褐色，主要矿物成分为斜长石、石英、黑云母。岩石因受风化影响，原岩结构破坏严重，岩芯多呈砂土状，岩芯

14、采取率60%左右，岩体基本质量等级为级。层厚0.6-2.2米。2强风化黑云斜长片麻岩（Pt）：黄褐色，主要由长石、石英、黑云母等矿物成分组成，岩石因受风化影响，原岩结构破坏较严重，岩芯多呈砂状及碎块状，岩芯采取率70%左右；岩体基本质量等级为级。圆锥动力触探试验(N63.5)击数55.0-105.0击，层厚0.82.9米。3中风化-微风化黑云斜长片麻岩（Pt）：深灰色，粗粒变晶结构，厚层状构造，主要由长石、石英、黑云母等矿物成分组成，岩石受风化影响较弱，风化裂隙不发育，裂隙面呈闭合状，岩芯多呈长柱状、柱状，岩芯采取率85%以上；RQD约70%，岩体基本质量等级为级。该层揭露最大层厚6.7米。构

15、造角砾岩（Pt）：深灰色，粗粒变晶结构，块状构造，主要由长石、石英、黑云母等矿物成分组成，岩石受风化及构造影响较强，岩芯多呈碎块状，岩芯采取率60%以上；岩体基本质量等级为级。该层仅见于zk4钻孔，层厚2.4米。1.5 排土场水文地质特征1.5.1水文气象条件商城县属亚热带北部大陆性季风气候，其特点是四季分明，气候温和；春季多风，降雨量一般；夏季炎热，暴雨集中，易发生洪水；秋季天高气爽，温降较慢；冬季较寒冷干燥，晴天多，降雨少。降雨量较充沛，年降雨量1225.9mm，夏季暴雨集中，多发生在7、8月份，每年68月份的降雨量占年降雨量的40%以上。年平均气温15.4，最冷月（1月）平均气温2.0，

16、极端最低气温-20。最热月（7月）平均气温27.6，极端最高气温39.7。年降雨量1241.4毫米，分布趋势由南向北递减。年平均降雨日数125.8天。年均日照1763.1小时，日照率44%。太阳总辐射量平均为111.37千卡/平方厘米，光合有效辐射量54.57千卡/平方厘米，年均无霜期222天。1.5.2水文地质条件 汤家坪溪由南向北流过，源头高程大于400米，河谷两岸为陡峭的山体，高差近200m，落差大，汇水面积约1km2，上游水流量0.44l/s1m3/s，水量受降水控制，变化范围很大。汤家坪水库水位介于241.5 m247.5m，库容21000m390200m3。 排土场区及其附近地段地

17、下水类型主要为基岩风化裂隙、孔隙潜水。含水层主要赋存于冲洪积砂、碎石层及全风化强风化的黑云斜长片麻岩层的风化裂隙中，厚度2.04.9m不等，平均厚度约3.6m。由于冲洪积砂、碎石层及全风化强风化的黑云斜长片麻岩层中，碎粒间多被粘性土充填，渗透系数小，地下水迳流速度较慢，且岩石裂隙多发育呈闭合状。因此，降水入渗后使地下水富集，形成潜水。地下水主要补给来源为大气降水渗入补给，其沿浅层中(微)风化岩界面动移赋存，地下水迳流方向由南向北坡麓地带迳流，部分浅层地下水以小股泉或湿地形式排泄，人为开采地下水活动微弱，开采量小。1.6 场地土类型与地震动参数排土场地土类型为中软坚硬土，场地覆盖层厚度5.0m，

18、场地类别为类。按建筑抗震设计规范排土场区抗震设防烈度为6度，设计基本地震加速度值为0.05g，设计地震分组为第一组；场地设计特征周期为0.35s。1.7 排土场区不良地质条件分析(1) 破碎带排土场区存在两个破碎带，自南向北分别叙述如下：F1破碎带：位于汤家坪水库南侧上游(见汤家坪排土场工程地质平面图)，走向近于东西向,倾角约50°, 见硅化及褐铁矿化现象 ,节理裂隙发育，局部有松动的岩体崩积物。F2 破碎带：位于汤家坪水库南侧上游(见汤家坪排土场工程地质平面图),走向近于南北向，长约20m，宽约5m，见硅化及褐铁矿化现象，受构造动力挤压,岩体破碎，有松动孤石向山下倾斜，稳定性较差。

19、(2) 地貌特征根据上述调查排土场区山高坡陡谷深，局部出现掉块现象，有少量河谷堆积物，为洪水季节泥石流的形成提供了物质条件，但区内无山崩、大型滑坡以及泥石流等地质灾害记载。汤家坪水库下游以下坡度较缓，坡度约45%，沟谷宽度一般在50100m之间。(3) 地震液化据本次勘查成果，排土场区范围内，表层为25m冲洪积及残坡积土，下伏地层依次为全风化、强风化、中等风化的黑云斜长片麻岩岩体，且密实度较高，无液化土层分布，因此，工程建设施工引发场地土液化的可能性小。1.8 研究依据1、岩土工程勘察规范（GB50021-2001）2、工程岩体试验方法标准GB/T50266-19993、土工试验方法标准GB/

20、T50123-19994、河南省信阳工程地质勘察院2007年3月编制的汤家坪排土场工程地质勘察报告；5、南昌有色冶金设计研究院编制的河南金达矿业有限公司汤家坪钼矿（10000t/d）；6、冶金部马鞍山矿山研究院，攀钢（集团）矿业公司石灰石矿排土场合理结构参数研究，1997.12。7、马鞍山矿山研究院，福建紫金矿业股份有限公司紫金山金矿江山岽排土场稳定性研究报告，2001.4。8、采矿手册，冶金工业出版社，1991年5月。9、水文地质学的数值法，煤炭工业出版社，1980年。1.9 本章小节（1）汤家坪排土场位于商城县达权店乡香子岗村，为深切割陡窄地形，沟谷发育，山谷多呈“V”型，坡度为30-50

21、°左右。海拔高度介于200-500米。（2）汤家坪排土场属于桐柏-大别变质核杂岩隆起带。地表出露的地层为元古界大别片麻杂岩（PtDog）黑云斜长片麻岩、斜长角闪片岩，第四系（Q）砂质粘土、粘土、砂砾石等。（3）汤家坪排土场面积约为1 km2，流域内植被覆盖较好，据估算，植被覆盖率约为7080%。（4）勘察场地地下水属孔隙潜水，水质较好，对混凝土结构及钢筋混凝土结构中钢筋无腐蚀性，对钢结构具弱腐蚀性；（5）勘察场地的抗震设防烈度为6度，设计基本地震加速度值为0.05g，设计特征周期为0.35s,场地地基土类型为中软-中硬土，场地类别为类。属建筑抗震不利地段，场地内无液化土层分布。第二章

22、排土场渗流场分析研究2.1 概述影响排土场稳定性的因素有内在因素和外在因素两个方面。内在因素有组成排土场散体物料的力学性质等，它们常常起着主要的控制作用。外在因素有地表水和地下水的作用、地震、工程荷载等，其中，地表水和地下水是影响边坡稳定性最重要、最活跃的外在因素。地下水位及变动幅度，含水层与隔水层的分布及组合关系，散体物料渗透性强弱、富水性、地下水的补给、径流、排泄条件等等，对排土场稳定性起着决定性作用。地下水渗流对排土场稳定性的影响，主要表现在：地下水在排土场的散体物料中通过孔隙中的渗透形成孔隙水压力存在于排土场之中，对排土场产生静、动水压力。静水压力常使散体物料重度减少（浮重度），从力学

23、角度讲，它降低了岩土体的有效应力，从而减少了坡体的抗滑能力；而动水压力则通过渗透作用增加了坡体的下滑力。两者均使排土场稳定性降低。因此，任何赋存有地下水的排土场稳定性研究，都必须进行地下水渗流场的分析计算，为排土场稳定性分析提供基础依据。2.2 排土场区水文地质特征了解场区水文地质情况，含水层结构及其与隔水层的组合关系，以及水文气象关系，对研究地下水补给、径流、排泄具有十分重要的意义。本节重在对排土场区水文地质特征进行论证。2.2.1 排土场区气象水文条件商城县属亚热带北部大陆性季风气候，其特点是四季分明，气候温和；春季多风，降雨量一般；夏季炎热，暴雨集中，易发生洪水；秋季天高气爽，温降较慢；

24、冬季较寒冷干燥，晴天多，降雨少。降雨量较充沛，年降雨量1225.9mm，夏季暴雨集中，多发生在7、8月份，每年68月份的降雨量占年降雨量的40%以上。年平均气温15.4，最冷月（1月）平均气温2.0，极端最低气温-20。最热月（7月）平均气温27.6，极端最高气温39.7。年降雨量1241.4毫米，分布趋势由南向北递减。年平均降雨日数125.8天。年均日照1763.1小时，日照率44%。太阳总辐射量平均为111.37千卡/平方厘米，光合有效辐射量54.57千卡/平方厘米，年均无霜期222天。在排土场区域内，汤家坪溪由南向北流过，源头高程大于400米，河谷两岸为陡峭的山体，高差近200m，落差大

25、，汇水面积约1km2，上游水流量0.44l/s1m3/s，水量受降水控制，变化范围很大。汇入汤家坪水库，水库水位介于241.5 m247.5m，库容约21000m390200m3。排土场区及其附近地段地下水类型主要为基岩风化裂隙、孔隙潜水。含水层主要赋存于冲洪积砂、碎石层及全风化强风化的黑云斜长片麻岩层的风化裂隙中，厚度2.04.9m不等，平均厚度约3.6m。由于冲洪积砂、碎石层及全风化强风化的黑云斜长片麻岩层中，碎粒间多被粘性土充填，渗透系数小，地下水迳流速度较慢，且岩石裂隙多发育呈闭合状。因此，降水入渗后使地下水富集，形成潜水。地下水主要补给来源为大气降水渗入补给，其沿浅层中(微)风化岩界

26、面动移赋存，地下水迳流方向由南向北坡麓地带迳流，部分浅层地下水以小股泉或湿地形式排泄，人为开采地下水活动微弱，开采量小。汤家坪排土场位于汤家坪水库所处位置，规划中，汤家坪水库将为排土场侵占，排土场坡脚将延伸至库坝位置。排土场三面环山一面出口的漏斗状沟谷中,周围山高坡陡，便于水流的汇集。地下水的补给以大气降水为主，以地表水沟渠和泉排泄。2.2.2 排土场区水文地质条件汤家坪排土场区属侵蚀低山丘陵地貌，毗邻江淮分水岭是区域地下水的补给迳流区，总体地势南高北低，最高海拔高522.8米（郑彭坳），最低侵蚀基准面154.0米（马大沟西清水河河床），相对高差368.8米.1、含水层与隔水层（1）含水层汤家

27、坪矿区主要分布着黑云斜长片麻岩、花岗斑岩、斜长角闪（片）岩以及第四纪松散堆积物，依据赋水岩石的水文地质特征，将其划分为孔隙潜水含水层、基岩风化裂隙潜水含水层、基岩构造裂隙含水层等三类含水层。 孔隙潜水含水层赋水岩性第四纪松散堆积的砂、砾砂、卵砾石、含砾亚砂土等沿沟谷或河床呈带状分布，厚23米，粒度一般下粗上细、结构松散。 风化裂隙含水层排土场区出露岩石主要为花岗斑岩及黑云斜长片麻岩，岩石裂隙较发育，具褐色、褐红色铁锰质沉淀薄膜。处于高地势的风化裂隙接受降水及地表迳流的入渗，使得在低洼地带适当部位的风化层底部赋存有微量裂隙潜水，形成风化裂隙含水层。根据钻孔揭露，汤家坪矿区风化带下限深度范围为3.

28、6568.60米，含水层水位埋深0.0065.70米，随季节变化幅度大。该含水层主要补给来源是降水入渗补给，但由于风化裂隙多属闭合型且山体坡度大，不利于降水入渗补给，致使含水层赋水性、富水性差。 构造裂隙含水层汤家坪矿区构造裂隙较发育，遍布各类岩石。由于裂隙开启性差，且又多被后期充填，再加上补给来源贫乏，因而很难形成规模含水层。（2） 隔水层汤家坪矿区广泛分布的新鲜二长花岗斑岩、黑云斜长片麻岩、斜长角闪岩均属隔水岩层，岩石裂隙虽然发育，但由于部分裂隙被石英细脉或黄铁矿细脉充填，裂隙紧密闭合，岩体隔水性能良好。（3） 地下水的补给、迳流、排泄大气降水及地表水的垂向入渗是矿区地下水的主要补给来源，

29、由于地形坡度大、岩石裸露、风化层厚度小、裂隙开启性差，致使补给强度非常微弱。地下水的迳流是由正地形向负地形沿斜坡地带缓慢运移。地下水主要通过谷底湿地微渗、蒸发及迳流、泉等途径进行排泄。3、矿区地表水汤家坪溪：发源于矿区南部，汇水面积约1平方千米，自南向北流经矿体东侧，汇入清水河，上游测站流量0.44升/秒大于1m3/秒，明显受降水控制,变化范围很大。在矿区东南部溪流上游建一小型水库汤家坪，最低水位241.50米,最小库容21000 m3；最高水位247.50米，最大库容90200 m3。2.3地下水渗流场有限元分析原理地下水渗流计算的目的在于求得渗流场内的渗流要素，为排土场边坡结构参数的确定和

30、边坡稳定性分析提供可靠依据。目前所广泛采用的渗流计算方法，可分为流体力学解法和水力解法两类，更广泛的概念还包括图解法、数值计算及各种试验法等。但理论的流体力学解法仅对少数简单的情况有效，在实际多介质复杂边界条件的渗流问题中，采用数值计算法则更能符合和满足工程条件和需要。2.2.1 渗流计算模型地下水在排土场填土层中的运动变化基本上符合渗流的有关规律，即水文地质模型可假定为非均质各向异性的连续介质，这时稳定渗流的控制方程为： （21）式中：H为水头函数；k、k分别为x、方向的主渗透系数；已知水头边界，为上的水头分布；已知流量边界，为的法线方向，为上的流量分布（不透水基面为0）；渗流自由面边界，为

31、的法线方向；R为源、汇补给量（包括降雨入渗）。2.2.2 有限单元法渗流场数值模拟1、有限元基本原理有限元法是一种分块近似里兹（Riz）法的应用，它首先把连续体或研究区域离散划分成有限个单元体，称为基本单元，单元的角点称为结点，再以连续的分片插值函数建立一个个的单元方程后，依靠各结点把单元与单元连结起来，集会为整体，形成代数方程组在计算机上求解。经常求解渗流场中的水头函数H的方程，其一般形式为： KH=F （22）式中：K为总体渗透矩阵；H为水头列向量；F为自由项列向量。这样，就以代数方程组的求解代替了原来偏微分方程的求解。这种划分单元求得的代数方程或计算公式可称为解题的离散数学模型，而原始的

32、偏微分方程可称为基本数学模型。因此，有限元法可概括为一种划分单元来模拟实物或场域去进行物理量分析上的近似，以计算机为工具在矩阵分析和近似计算的基础上去进行所欲精度的数值计算方法。有限元法实施渗流问题计算的步骤如下：1）将概化的偏微分方程的定解问题划为相应的变分问题。2）离散化：将求解域划分为具有一定的几何形状的单元，进行单元编号并确定插值函数，对结点进行总体编号和单元上的局部编号，并建立两者之间的对应关系。3）单元分析：单元划分后，分别按单元分片插值，以单元结点水头函数值的插值函数来逼近变分泛函方程中的水头函数，得出单元上以结点水头值为未知量的代数方程组，从而导出单元渗透矩阵。4）总体渗透矩阵

33、合成：由单元渗透矩阵合成总体渗透矩阵，并以定解条件代入，从而得出整个求解区域上的总体有限元方程。5）求解线性代数方程组，求解各结点的未知水头值。6）结果分析及其他相应的所需物理量计算。2、伽辽金法方程转换1）伽辽金有限元支配方程伽辽金法（Galerkin Method）是加权余量法（Method of Weighted Residuals）的一种。它是将试函数Ni作为权函数进行加权计算。一般定义试探解（x，） （23）式中：N为研究区结点总数，Hi为相应结点的水头值。用（x，z）代替式（21）中的H，并使控制方程（21）在整个研究区域内的加权余量等于零，即： （24）利用分部积分和格林定理，可

34、将上式化为： （25）采用四节点四边形单元离散定解域。如图2.1所示，局部坐标与整体坐标的对应关系。z图2.1 局部坐标变换则（23）式可以写成： （26）其中Ni（，）（i=1，2，3，4）是形函数，它由下列条件唯一确定，Ni（，）在节点i上其值为1，其余节点j（ji）其值为0，即有： i，j=1,2,3,4 （27）其中（i，i）是节点i的局部坐标，则形函数可以写成： （28）其中 （29）整体坐标与局部坐标可由形函数表示为： （210）其中（xi，zi）（i1，2，3，4）是已知的节点整体坐标。由局部坐标变换成整体坐标的Jacob矩阵为： （211）所以 （212）根据等参单元的概念，渗

35、流方程可写为：（213）将代入上式，即可建立渗流有限元支配方程为： （214）其中将其转化为高斯积分式：其中 为Jacob逆矩阵。对单元渗流方程（214）进行整体组装，即可得到整个渗流问题的代数方程组K·H=F （215）式中：K为整体渗透矩阵；H为节点水头列阵；F为自由项列阵。（2）高斯积分公式上述在应用等参单元推导有限元方程过程中需要求诸如的积分。由于被积函数复杂，只能用数值积分手段求此积分。一般均采用精度较高的高斯积分法。二维高斯求积公式可写成 （216）其中i，j均为表22中的高斯求积节点，Hi，Hj（i，j1，2n）为相应的求积系数，此时，二维平面上的求积点数为n2个。表2

36、-2 常用高斯积分的节点积求积系数N节点k系数Hk2±0.577350269213±0.744596669200.55555555560.88888888894±0.8611363116±0.33998104360.34785484510.65214515495±0.9061798459±0.538469310100.23692688510.47262867050.5688888889在实际工程计算中，为了保证必要的精度，且不过分增加工作量，通常可根据等参数单元的节点个数来选取合适的积分高斯点数。积分点数n不需取得过大。通常渗流数值计

37、算中常用的高斯点数目如表23所示。表23 渗流计算常用高斯点数计算维数二 维三 维n2四节点八节点3八节点二十节点3、确定浸润面和渗出面对如图2.2所示的边坡渗流问题，存在有渗流自由面和渗出面。如果不考虑毛细管水，局部饱和区及水的蒸发等现象对渗流的影响，则整个边坡可分成渗流饱和区1（渗流实区AOBCDA），无渗流区2（渗流虚区ADEFA）。图2.2 渗流自由面在进行渗流计算时，对整个区域采用四边形等参单元离散，对渗流自由面以上的单元和节点称之为虚单元和虚节点，以下的称为实单元和实节点。如果事先知道了自由面AD和渗出面DC的确切位置，则由渗流方程引入边界条件后，就可以求得问题的唯一解。但事实上事

38、先不知道AD和DC的具体位置，因此，本节采用节点虚流量法处理该问题。因边界AD为渗流自由面，是区域1和2的分界面，其上水压强P=0，测压管水头等于位置水头H=Z；自由面以下的点有H>Z，以上的点有H<Z，区域1和2之间无流量交换。但实节点的流量连续性条件是建立在来自渗流虚区2的虚流量贡献上求解的结果，在1和2两域的分界面AD上必有越流现象。对此，采用逐步迭代计算的基本思想，在前一步近似解的基础上，对渗流方程的左边扣除节点虚流量贡献后，得到新的求解方程组： （217）其中 n为虚节点总数，可根据H <Z的条件判断。求解该方程组，得一新的近似解H。如果各水头分量满足沿自由面任一点

39、法向无流量交换现象，则该解答为所求。如果最大交换值小于某一事先给定的允许精度，则迭代计算也就结束，得到满足工程精度要求的近似解。计算表明，也可以用下列式作为节点虚流量法收敛的准则，即： （218）N为自由面节点总数，为允许误差，j为迭代次序号。2.4 渗流场边界条件处理排土场区及其附近地段地下水类型主要为基岩风化裂隙、孔隙潜水。含水层主要赋存于冲洪积砂、碎石层及全风化强风化的黑云斜长片麻岩层的风化裂隙中，厚度2.04.9m不等，平均厚度约3.6m。由于冲洪积砂、碎石层及全风化强风化的黑云斜长片麻岩层中，碎粒间多被粘性土充填，渗透系数小，属弱含水层。中风化及新鲜基岩裂隙虽然发育，但由于部分裂隙被

40、石英细脉或黄铁矿细脉充填，裂隙紧密闭合，岩体隔水性能良好，本次研究作为相对隔水岩层处理。排土场下游边界为定水头边界，由汤家坪水库水位资料，水头取值为排土场坡脚标高。排土场表面上承受降水入渗补给，入渗补给系数根据排土场面积以及场区气象水文资料来确定，具体做法如下：从年平均来看，排土场年降雨入渗补给地下水量Q补几近等于排土场地下水年排泄量Q排，即：Q补Q排 （219）这里Q补和Q排只对排土场而言，坡面汇水对排土场地下水产生的补给和因此而引起的那部分排泄量不包括在内，因此排土场地下水年排泄量Q排与排土场坡脚实测年泄流量Q的关系为： （220）式中F排为排土场表面积，F汇为整个排土场场区的汇水面积，F

41、坡为排土场汇水面积中的坡面汇水面积，即为坡面年汇入排土场的水量。由上述公式可算出排土场面积上的年降水入渗补给量Q补，则降雨入渗补给系数为： （221）式中W为年降雨量，这样可算出降雨入渗补给系数。汤家坪排土场因尚未启用，故没有针对排土场的地下水排泄量观测资料，但根据排土场未来物料性质及场地地形地貌条件，以及借鉴地质条件相似的其它排土场资料，最后确定汤家坪排土场降雨入渗补给系数为0.5。2.5 渗流场计算结果及分析根据地质模型的概化及数学方法的实现，对汤家坪排土场三个工程地质勘察剖面-剖面、-剖面、-剖面通过渗流场分析模拟，综合分析得出各剖面的地下水浸润线形态，如图2.3至图2.5所示。从图中可

42、以看出，地下水埋深较深，这主要是由于汤家坪排土场排弃物料主要以碎石为主，土质及细颗粒物料含量不大，散体物料渗透性较好所致。地下水埋深较深，这有利于新建排土场边坡的稳定性。由于汤家坪排土场尚未启用，其散体物料性质存在很大不确定性，在考虑到后期物料固结，孔隙率变小，导致物料渗透性变差，将直接影响地下水渗流场的形态。因此，本次研究只作为排土场前期稳定性分析的参考依据，在排土场使用中后期，建议根据排土场实际地下水渗流场情况，进行排土场稳定性较核。图2.3 I-I剖面渗流场浸润线位置图图2.4 II-II剖面渗流场浸润线位置图图2.5 III-III剖面渗流场浸润线位置图第三章排土场岩土物理力学性质试验

43、3.1概述排土场的稳定性取决于其本身的地质构造、地基及其堆积物料的物理力学性质以及地下水渗流场的分布、动力荷载的大小等多方面的因素。其中，排土场岩土物料及地基软弱岩层的物理力学性质是排土场稳定性研究泥石流防治研究的基础。在影响排土场边坡稳定性的诸多因素中，排土场基底承载力和排土场边坡结构参数是两个主要因素。基底土层在超高的排土体荷载作用下，产生很大的压缩变形，直至被侧向挤出，形成波状隆起，从而导致软基底高排土场的整体失稳。基底土层的厚度和结构，对排土场的稳定性和边坡变形规模有重大影响。矿山排土场排弃的松散岩石属于三相介质体，即岩土（石）、空气和水的混合物。根据松散物料的特性，排土场松散岩石的物

44、理力学性质不但与岩石岩性、湿度及容重等有关，而且与其颗粒形状、粒度组成有着密切的关系。因此排土场散体物料的粒度组成是影响排土场稳定性的重要因素。排土场散体物料的物理力学特性对于同一个矿山来说，在不同时期或同一时期排土场的不同地点取样所测定的各种参数指标不尽相同，这既涉及到矿区地质、水文地质、应力历史等因素，也与矿区气象条件和排土工艺有关，还受到取样条件和试验条件的限制，在试验中尽可能模拟这些条件的变化对散体物理力学性质的影响。为此，根据研究需要，分别在钻孔、探槽、钻孔周围及采场范围内岩石土取样。矿体围岩及夹石是未来废石主要来源，早期排土还包括基建剥离土及地表第四系土。3.2试验项目及工作量岩石

45、物理性质试验：密度试验、单轴抗压强度试验、单轴变形试验、规则抗剪断试验。散体力学性质试验：散体直剪试验、散体三轴试验、压缩试验、渗透试验。试验项目试样规格试验组数测试参数（指标）地基岩层物理力学性质试验岩石密度试验2干密度、饱和密度岩石抗压强度风干、饱和2测试岩石抗压强度岩石变形试验5*5*5cm1弹模、泊松比岩石抗剪断强度测试5*5*5cm1粘聚力、内摩擦角排土场散体物理力学性质试验散体压缩试验5av、Es散体直剪试验5c、散体三轴及渗透试验2c、K3.3 排土场散体物料模拟汤家坪排土场尚处于规划设计阶段，目前尚未排土，无法从排土场取废石散体样，故从矿区采取相同或类似岩石及山坡第四系土样，进

46、行人工配比，尽可能模拟未来排土场散体物料。根据汤家坪钼矿未来开采规划，在矿区有选择性地取5处具有代表性的取样地点，取样位置分布见图3.1，各点取样情况如下：1号点为花岗斑岩（K1X），矿区最硬岩石，4线，TC402处，坐标（X3490600,Y38626350），该处取碎石土1袋，取花岗斑岩样1袋。2号点为斜长闪长片麻岩（gnph），矿区易风化岩石，11线李河冲水库西侧，坐标（X3490900,Y38626450），该处取表土袋；强风化岩石1袋；弱风化岩石1袋。3号点为硅化黑云斜长片麻岩（Signbp）:主要布在矿区南侧16线，可利用汤家坪水库北侧取样,坐标（X3490150,Y3862675

47、0）。该处取碎石土1袋；花岗斑岩样1袋。4号点为黑云斜长片麻岩（gnbp），易风化岩石，在矿区四周局部分布， 8线取样, 坐标（X3490300,Y38626850）。该处主要取样为中风化岩石，中风化岩石取样4袋，碎石土取样3袋，并对有“局部高岭土化”取样1袋。5号点为黑云斜长片麻岩（gnbp），易风化岩石，分布在矿区四周，为主要围岩；可利用矿区北部15线探槽TC1501进行取样，坐标（X3490780,Y38626950），该点取样12袋，碎石土取样相距20m各取2袋；岩石取样8袋。因强风化岩(主要是强风化、高龄土化的花岗斑岩、黑云斜长片麻岩等): 主要成带状分布在矿体东侧、北侧外缘山坡，在

48、汤家坪水库东侧踏勘为“强风化片麻岩”未取样。仅4号点局部高岭土化取样1袋。未取样3号点4号点5号点1号点2号点图3.1 取样点分布图在实验室内，将从矿区取得的碎岩与土按照三种不同比例人工配比后，进行散体物料级配分析及散体力学性质试验、散体直剪试验、散体三轴试验、压缩试验、渗透试验等。3.4地基岩层物理力学性质试验3.4.1岩石密度试验本次岩石物理性质试验主要进行岩石密度测试。岩石密度，即单位体积的岩石质量。测试方法为量积法，每组制样三块，为长方体规则试样，试样分别为风干、饱和状态。用下式计算： （31）式中：岩石干密度（g/cm3）岩石饱和密度（g/cm3）md试样干质量(g)ms试样干质量(

49、g)A平均面积(cm2)H平均高度(cm)测试结果列于表3-1中。岩石密度试验结果表 表3-1岩石编号岩石名称密度 (g/cm3)ds单值均值单值均值1中风化黑云斜长片麻岩2.682.672.692.682.652.662.672.683.4.2单轴抗压强度试验当无侧限试样在纵向压力作用下出现压缩破坏时，单位面积承受的载荷称为岩石的抗压强度。 每组试验制样三块，试样尺寸为5×5×10cm，高径比为2:1。单轴抗压强度试验为风干和饱和状态。 按下式计算岩石单轴抗压强度： （32）式中：R岩石单轴抗压强度,MPa; P最大破坏载荷,kN; A垂直于加载方向的试样截面积,cm2。

50、单轴抗压试验结果列于表3-2中。 单轴抗压试验 表3-2岩石编号岩石名称试样状态抗压强度 （MPa）R单 值均值1中风化黑云斜长片麻岩风干86.0776.7471.5872.57饱和83.7173.0756.4979.003.4.3岩石单轴变形试验岩石变形试验，是在纵向压力作用下测定试样的纵向和横向变形，据此计算岩石的弹性模量和泊松比。每组制样四块，试样尺寸为5×5×10厘米，高径比为2:1。岩石单轴变形试验试样为风干状态。弹性模量和泊松比按下式计算： （33） 34） 式中：E 、弹性模量（MPa）和泊松比；50 相当于50抗压强度应力值，MPa;50时的纵向应变值；50

51、时的横向应变值。岩石变形试验结果列于表3-3中。 岩石变形试验 表33编号岩石名称试样状态弹性模量（MPa） (GPa)泊松比E单 值均 值单 值均 值1中风化黑云斜长片麻岩风干38.4457.980.280.2443.650.2291.860.223.4.4岩石抗剪断强度试验岩石抗剪断强度试验是将岩石加工成5×5×5cm的规则岩石试样置于固定的试验机模具中进行剪切试验，以测试岩石的抗剪断强度。 每组试样一般8块，试验中变换不同的剪切角（74°，66°，58°）进行规则岩块抗剪断试验。 岩石抗剪断强度试样为风干状态。 试件剪切面上的正应力和剪应

52、力分别按下列公式计算 （35） （36）式中： P 岩块破坏时的轴向压力，kN； B,H分别为岩块的宽度和高度，cm; 夹具剪切角，度； f 滚轴磨擦系数，取f0 根据每组试样破坏时、值，用最小二乘估算法统计规则岩块的抗剪强度c、值。岩石抗剪断强度试验结果列于表3-4中。岩石抗剪断强度试验 表3-4岩石编号岩石名称试样状态正应力剪应力粘聚力c内摩擦角MPaMPaMPa°1中风化黑云斜长片麻岩风干40.6555.1718.1142.9842.2357.3139.4153.4921.0540.4520.3339.0519.4737.418.1322.9910.1228.618.5424.153.4.5 岩石试验结果汇总地基岩层物理力学性质试验结果汇总见表3-5地基岩层物理力学性质试验结果汇总表 表3-5岩石名称试验类型中风化花岗片麻岩备注密度 0(g/cm3)2.67风干2.68饱水抗压强度 R（MPa）76.74风干73.07饱水变形试验弹性模量E (GPa)57.98风干泊松比 0.24抗剪断试验粘聚力 c（MPa）18.11风干内摩擦角（°）42.983.5散体物理力学性质试验3.5.1散体中型直剪试验散体直剪试验是在我院自行