王家臣，李陽春，徐文彬，欒茂旭

中國礦業(yè)大學(xué)(北京)能源與礦業(yè)學(xué)院，北京 100083

排土場由礦山基建、采掘剝離的廢石和表土堆積而成，是礦山堆存采掘固廢的重要場地。據(jù)統(tǒng)計(jì)，國內(nèi)礦山排土場占地面積達(dá)(115～211)×104km2，其穩(wěn)定性受散體物料級配、排放參數(shù)、基底地形及地質(zhì)條件等因素影響，易發(fā)生滑坡、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害，對礦山生產(chǎn)和生活造成嚴(yán)重威脅[1-2]。近年來，國內(nèi)外學(xué)者主要借助物理模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬等手段，基于相似理論和強(qiáng)度折減法，對排土場邊坡漸進(jìn)破壞過程、變形特征、滑坡機(jī)制等進(jìn)行了分析，取得了豐碩成果。陳沖等[3]分析了含軟弱土層排土場的潛在破壞模式以及漸進(jìn)破壞過程；李偉等[4]基于支撐拱原理，推導(dǎo)了排土場邊坡失穩(wěn)位移判據(jù)；吳軍等[5]揭示了湖區(qū)排土場失穩(wěn)破壞的特征以及誘發(fā)湖區(qū)排土場失穩(wěn)機(jī)理；關(guān)鋅[6]發(fā)現(xiàn)軟弱基底內(nèi)部排土場的破壞模式主要為單臺階圓弧滑移和整體“坐落-滑移式”破壞；舒繼森等[7]分析了云南小龍?zhí)兜V區(qū)露天排土場邊坡破壞機(jī)理；王俊、王玉凱等[8-9]借助室內(nèi)模型試驗(yàn)方法，研究了基底飽水和自然狀態(tài)下黃土基底排土場變形破壞特征以及空間形態(tài)演化規(guī)律；Liu等[10]借助振動臺，分析并揭示了高強(qiáng)度巖質(zhì)邊坡對地震波的響應(yīng)；王衍匯等[11]揭示了工程開挖引起的黃土邊坡變形破壞機(jī)理；龔文俊等[12]采用非連續(xù)變形分析法，研究了邊坡彎曲傾倒破壞機(jī)理與支護(hù)方法；張娜等[13]通過Geostudio軟件，計(jì)算了降雨工況條件下邊坡穩(wěn)定性系數(shù)；陶志剛等[14]通過現(xiàn)場試驗(yàn)與數(shù)值模擬，分析了大變形錨索在滑坡過程中的力學(xué)特性；楊幼清等[15]開展了高寒地區(qū)軟弱基底排土場邊坡穩(wěn)定性分析。以上研究豐富了軟弱基底的排土場變形分析和穩(wěn)定性計(jì)算成果，指導(dǎo)了礦山實(shí)踐。然而，針對軟-陡基底排土場變形特征及破壞失穩(wěn)機(jī)制與模式的研究尚少。

底摩擦試驗(yàn)是以相似原理為基礎(chǔ)的一種物理模擬研究方法，主要依據(jù)圣維南原理，認(rèn)為模型較薄時(shí)，均勻作用在模型上的摩擦力可以替代作用在原型排土場上的重力。底摩擦試驗(yàn)可確保模型受到平面摩擦力與重力在重力方向上作用效果相似，因而可以保證物理模擬試驗(yàn)結(jié)果的正確性[16-17]。本文以西藏甲瑪?shù)V區(qū)角巖排土場為研究背景，采用底摩擦試驗(yàn)方法，觀測模型破壞的全過程，對混合散體顆粒在滑動過程中關(guān)鍵點(diǎn)位移進(jìn)行分析，研究軟-陡基底排土場的變形特征及滑坡模式，探討含軟弱層、傾斜基底的排土場變形破壞機(jī)制，研究結(jié)論對西部高原地區(qū)的排土場穩(wěn)定分析具有一定的借鑒作用。

1 工程背景

由于西藏地區(qū)礦區(qū)地形特點(diǎn)，部分礦山屬于山坡型露天礦，角巖排土場是西藏甲瑪銅礦的外排土場之一，位于角巖露天礦東南側(cè)，距離角巖露天礦500 m，兩面有山體，屬于溝谷型排土場。排土場底部坡度10°～20°，兩側(cè)山坡坡度30°～40°。角巖排土場采用壓坡腳式排土，自上而下排放，單個(gè)臺階高30 m、寬30 m，排土邊坡坡比為1∶1.75。排土場堆置高度達(dá)580 m，最終標(biāo)高5 105 m，容積為10 800×104m3，占地面積達(dá)1.85 km2，整體地貌和設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 角巖排土場平面圖

角巖排土場邊坡地基條件簡單，勘察資料表明，地基主要由板巖、灰?guī)r、角巖花崗斑巖以及沿坡分布的殘積層組成，溝底碎石土堆積較厚[18]。地基沒有裂縫、大變形以及滑坡、崩塌等不良地質(zhì)現(xiàn)象。排土場地下水水位埋深0.1～1.0 m，含水層由碎石、角礫石組成，補(bǔ)給水來自于大氣降水和裂隙水。總體而言，角巖排土場地基地形從高到低由陡變緩，隨著地表傾角變化以及降雨融雪的影響，排土場容易形成軟弱基底，極易發(fā)生滑坡災(zāi)害。

2 模型試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 原型選擇

模型試驗(yàn)原型斷面A-A剖面如圖2所示，采用壓坡腳式排土，首個(gè)排土臺階標(biāo)高為+5 105 m，設(shè)計(jì)堆置高度580 m，設(shè)置19級排土臺階，每個(gè)臺階段高30 m，坡比為1∶1.75。角巖排土場地表起伏較大，最左側(cè)地表傾角可達(dá)28°～30°，到中間部位傾角突然變小，在5°左右?？紤]排土場地表線長達(dá)2 345 m，中間部位地表傾角由陡峭驟變?yōu)槠骄忂@一特點(diǎn)，試驗(yàn)適當(dāng)調(diào)整傾角，模型局部由陡峭簡化為平緩，以更好地分析陡峭部位與平緩部位變形破壞情況的差異，探究此類特殊工況下排土場的變形破壞模式。

根據(jù)相似原理[19]，將圖2進(jìn)行縮尺簡化，建模區(qū)地質(zhì)力學(xué)模型長250 m、高100 m，基底傾角35°，散體物料堆置傾角30°，基底軟層厚度5 m，如圖3所示。定義l為長度，γ為容重，s為位移，σ為應(yīng)力，ε為應(yīng)變，E為彈性模量，σt為抗拉強(qiáng)度，σc為抗壓強(qiáng)度，c為黏聚力，φ為摩擦角，μ為泊松比，f為摩擦因數(shù)。原型與模型之間具有相同量綱的物理量之比稱為相似比，用C表示?；鞠嗨婆袚?jù)有：Cδ=CE=Cσe=Cσr=Cc；Cσ=Cγ×Cl；Cf=1；Cφ=1，結(jié)合底摩擦試驗(yàn)儀尺寸，確定模擬試驗(yàn)的幾何相似比Cl=200∶1，相似材料容重比Cσ=200Cγ。選用相似材料時(shí)，應(yīng)考慮散體物料粒徑的相似。

圖3 模型剖面

2.2 相似模型制備

排土場的巖土體物理力學(xué)參數(shù)見表 1。選用石灰、石膏、砂子(小于1 mm顆粒，質(zhì)量占比49.26%；1～2.5 mm顆粒，占35.12%；2.5～5 mm顆粒，占15.62%)、水、黏土等配制不同相似模型材料，具體配比見表2。

表1 排土場巖土體物理力學(xué)參數(shù)

表2 試驗(yàn)材料配比

2.3 試驗(yàn)方法及監(jiān)測系統(tǒng)

首先，按照材料配比制作底摩擦邊坡模型，將相似材料均勻平攤并擊實(shí)，按設(shè)計(jì)的模型尺寸和形狀進(jìn)行削減，制成試驗(yàn)所需的模型，風(fēng)干3 d。為減小摩擦力，應(yīng)保證模型厚度在2 cm左右，并在側(cè)壁留有間隙。其次，通過模具在模型的表面用紅色油漆噴出定位點(diǎn)，點(diǎn)直徑10 mm，點(diǎn)與點(diǎn)之間間距20 mm。然后，將底摩擦實(shí)驗(yàn)臺電源接通，底摩擦試驗(yàn)系統(tǒng)開始自檢并穩(wěn)定10 min。最后，水平架設(shè)運(yùn)動相機(jī)，打開轉(zhuǎn)速控制器電源開關(guān)，同時(shí)相機(jī)開始拍攝，當(dāng)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定一段時(shí)間后停機(jī)，對模型進(jìn)行拍照，對位移觀測點(diǎn)進(jìn)行測量。試驗(yàn)通過控制帶式輸送機(jī)的轉(zhuǎn)速來模擬運(yùn)動力，輸送帶轉(zhuǎn)速通常為1.5～12 r/min。采用Go Pro HERO 運(yùn)動攝像機(jī)，拍攝技術(shù)規(guī)格為35 幀/s，分辨率2 704×1 520，縱橫比16∶9，線性視野。試驗(yàn)完成后，將拍攝完的視頻通過 Adobe Premiere Pro CC 2019 軟件按照每一幀導(dǎo)出，根據(jù)試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷钠茐那闆r選取若干張照片，選取的照片按照時(shí)間進(jìn)行排序。通過Adobe Photoshop CC 2019對圖像進(jìn)行處理，獲得模型點(diǎn)位的時(shí)間位移數(shù)據(jù)，借助Tecplot軟件繪制位移等值線圖像。

圖4 底摩擦試驗(yàn)臺與運(yùn)動相機(jī)

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 破壞模式全過程分析

軟-陡基底排土場的破壞過程如圖5所示。當(dāng)輸送帶運(yùn)行5.3 s后，軟-陡基底排土場邊坡首先在坡腳處產(chǎn)生輕微下沉[20]，坡腳處產(chǎn)生較明顯的貫通坡面的垂直張拉裂縫，多條裂縫間相交，形成向右移動的小塊體；當(dāng)輸送帶運(yùn)行10.6 s，水平基底下沉明顯，坡腳拉裂縫和滑體明顯增多，導(dǎo)致排土臺階平盤面上也產(chǎn)生了較深的拉裂縫。同時(shí)邊坡沿傾斜基底也發(fā)生滑移下沉，且下沉裂縫逐漸向上演化擴(kuò)展；當(dāng)輸送帶運(yùn)行16 s，軟弱基底下沉加速，傾斜基底上邊坡由于底部臺階下沉而失去抗滑體，邊坡沿著傾斜弱層面發(fā)生整體滑移，此時(shí)坡腳處的拉裂縫發(fā)生閉合，說明坡腳塊體對上部滑移體產(chǎn)生了抗滑阻力。

總體來講，軟-陡基底排土場的破壞過程可分為3個(gè)階段[21]：

(1) 坡腳卸荷變形階段。坡腳處有臨空面，有臨空卸荷現(xiàn)象，且底部存在軟弱層，散體物料的物理力學(xué)性質(zhì)與軟弱層差異較大，會發(fā)生差異性沉陷。因而，坡腳部分排土場受應(yīng)力重新分布以及應(yīng)力集中的共同影響下，向右側(cè)滑移并伴隨張拉裂縫產(chǎn)生。

圖5 模型破壞過程

(2) 垂直張拉裂縫貫通階段。水平的軟弱層主要產(chǎn)生壓縮變形，其上部排土場產(chǎn)生貫通張拉裂縫，應(yīng)力不均勻分布導(dǎo)致裂縫分割的單獨(dú)塊體偏轉(zhuǎn)，傾斜軟弱層主要受壓縮剪切滑移。

(3) 張拉裂縫擴(kuò)展階段。貫通張拉裂縫向兩側(cè)擴(kuò)展細(xì)小張拉裂縫，受裂縫分割，微小單獨(dú)塊體增多，傾斜軟弱層受到剪切作用而產(chǎn)生向下的致滑力，最終導(dǎo)致排土場整體產(chǎn)生滑塌。

3.2 位移分析

圖6、圖7分別為排土場邊坡的水平位移和垂直位移等值線云圖。由圖可知，當(dāng)?shù)啄Σ凛斔蛶н\(yùn)行5.3 s時(shí)，水平位移在軟弱傾斜基底上的變化最大，最大水平位移1.5 mm，最大垂直位移0.6 mm，垂直位移主要發(fā)生在坡面上，但垂直位移變化量很?。划?dāng)輸送帶運(yùn)行10.6 s時(shí)，傾斜基底面上發(fā)生水平位移的范圍增多，最大水平位移增至3 mm，而垂直位移仍沒有太多變化，說明排土場邊坡產(chǎn)生了向臺階坡面方向的運(yùn)動趨勢；當(dāng)輸送帶運(yùn)行16 s時(shí)，水平位移分布范圍繼續(xù)擴(kuò)大，在傾斜軟弱層面出現(xiàn)較明顯的滑移帶，底部的水平臺階也發(fā)生了較大的水平位移，最大水平位移和垂直位移分別達(dá)15 mm和16 mm。由圖8可知，由于軟弱基底的影響，邊坡首先在水平軟弱基底坡腳處發(fā)生下沉和產(chǎn)生裂縫，進(jìn)而產(chǎn)生破斷小塊體，小塊體沿基底向前滑動，使邊坡失去抗滑體，同時(shí)邊坡沿傾斜弱面持續(xù)下沉，不均勻下沉的弱面導(dǎo)致右側(cè)臺階垂直位移增大，裂縫擴(kuò)展貫通整個(gè)邊坡，最終導(dǎo)致坡體沿著傾斜軟弱面發(fā)生整體向下滑移。

圖7 垂直位移等值線云圖

圖8 總位移等值線云圖

3.3 特征點(diǎn)變形時(shí)程曲線分析

為了進(jìn)一步分析邊坡變形特征，在模型的表面選擇4個(gè)特征點(diǎn)，對邊坡的變形過程進(jìn)行分析。選定的特征點(diǎn)(a、b、c、d)如圖9所示。圖10為特征點(diǎn)的位移時(shí)程曲線，可以看出，在加載早期(10.6 s內(nèi))特征點(diǎn)a、b、c、d的水平位移與垂直位移緩慢增長，且位移值很小。隨著輸送帶運(yùn)行，坡腳出現(xiàn)拉裂縫，c、d點(diǎn)處的張拉裂縫分割出單獨(dú)塊體，d點(diǎn)塊體發(fā)生下沉，因而d點(diǎn)的垂直位移量比c點(diǎn)要大；d點(diǎn)水平位移與c點(diǎn)幾乎相等，說明此階段主要發(fā)生了垂直沉降。由于c、d點(diǎn)發(fā)生下沉運(yùn)動，導(dǎo)致a、b點(diǎn)處邊坡產(chǎn)生裂縫，對比a、b點(diǎn)的水平位移曲線可知，b點(diǎn)發(fā)生了較大的水平移動，但a、b點(diǎn)垂直位移量基本相同，說明此階段主要發(fā)生了向邊坡外側(cè)的水平運(yùn)動。

圖9 特征點(diǎn)位置

3.4 基于Geostudio的軟-陡基底排土場分析

3.4.1 數(shù)值模型建立

通過Geostudio軟件[22-23]，聯(lián)合SIGMA/W模塊及SLOPE/W模塊，分析排土場變形、應(yīng)力變化以及潛在滑移面，以驗(yàn)證底摩擦試驗(yàn)中排土場變形破壞機(jī)制。模型由散體、軟弱層、基底三部分組成，模型尺寸參數(shù)：長度200 m，寬度90 m，臺階高30 m，坡比為1∶1.75，軟弱層厚度為5 m。模型采用的物理力學(xué)參數(shù)見表1。

3.4.2 位移場特征分析

軟-陡基底排土場位移場如圖 11所示?？梢钥闯觯畲笏轿灰七_(dá)6.5 mm，最大垂直位移達(dá)18 mm，最大總位移達(dá)20 mm。水平位移、垂直位移主要在軟弱層處集聚，且水平位移、垂直位移在排土場左側(cè)變化均大于右側(cè)?？偽灰圃趦A斜軟弱層部位集聚，說明軟-陡基底排土場局部區(qū)域發(fā)生了明顯的右下側(cè)滑移。排土場模型垂直位移遠(yuǎn)大于水平位移，且軟弱層部位出現(xiàn)位移等值線集中現(xiàn)象，說明軟弱層受壓產(chǎn)生明顯壓縮變形。對比排土場整體位移變化情況，發(fā)現(xiàn)左側(cè)部分受排土場自重影響較大，傾斜軟弱層對排土場變形的影響比水平軟弱層更大。從位移場變化圖可以看出，排土場兩個(gè)臺階頂部沉降明顯，軟弱層在邊坡頂部也有明顯沉降，傾斜部分基底、軟弱層、散體變形更明顯，坡腳附近分布有臨空卸荷造成的傾斜變形，軟-陡基底排土場整體以沉降為主，并沿軟弱層向右下側(cè)滑移。

圖10 特征點(diǎn)位移時(shí)程曲線

圖11 軟-陡基底排土場位移場特征

3.4.3 剪應(yīng)變特征分析

圖12為軟-陡基底排土場的剪應(yīng)變分布云圖。由圖12可以看出，軟-陡基底排土場受剪切作用明顯，在坡腳處、水平軟弱層、傾斜軟弱層位置均出現(xiàn)剪應(yīng)變集中，剪應(yīng)變在排土場臺階呈曲線條帶分布，在底部水平軟弱層內(nèi)呈同心弧狀，同時(shí)在傾斜軟弱層內(nèi)有對稱現(xiàn)象，表明軟弱層與散體接觸面極易發(fā)生滑移趨勢。

圖12 軟-陡基底排土場剪應(yīng)變分布云圖

圖13為軟-陡基底排土場滑移面位置圖。從圖13可知，軟-陡基底排土場潛在最危險(xiǎn)滑移面呈圓弧型，滑移面分別在水平基底和傾斜基底處的基巖面相切滑移，滑面貫穿散體上部平臺，并從坡腳右側(cè)穿出地表?；泼娲┻^軟弱層的現(xiàn)象，則是由于受到較大上部壓力而產(chǎn)生較大切向的致滑力，使軟弱層剪切移動，從而上部散體產(chǎn)生整體滑移。潛在滑移面形狀及位置與底摩擦試驗(yàn)?zāi)Ｐ妥冃纹茐奶卣?圖5)基本符合。

圖13 排土場潛在滑移面位置

4 結(jié) 論

(1) 軟-陡基底排土場變形失穩(wěn)全過程可分為坡腳卸荷變形、垂直張拉裂縫貫通和張拉裂縫擴(kuò)展三個(gè)階段，其破壞模式主要表現(xiàn)沉降、拉裂貫通、拉裂擴(kuò)展以及整體滑移。

(2) 邊坡首先在水平軟弱基底坡腳處發(fā)生下沉和產(chǎn)生裂縫，進(jìn)而產(chǎn)生破斷小塊體，小塊體沿基底向前滑動，使邊坡失去抗滑體，導(dǎo)致邊坡抗滑力下降，最終使邊坡沿傾斜軟弱面發(fā)生整體向下滑移而失穩(wěn)。

(3) 水平軟弱基底呈壓縮狀態(tài)，傾斜軟弱面主要發(fā)生剪切破壞，坡腳是發(fā)生滑移啟動帶，主要呈現(xiàn)壓縮和剪切狀態(tài)。潛在滑面形態(tài)為近似圓弧滑面，軟弱基底是排土場沉降、拉裂、滑移的主要因素，傾斜軟弱基底對排土場的穩(wěn)定性影響尤為顯著。