南芬露天铁矿高陡边坡失稳全过程物理模型试验研究

陶志刚，舒 昱，高毓山，王一聪，赵俊凯

(1.中国矿业大学(北京)力学与建筑工程学院，北京 100083；2.深部岩土力学与地下工程国家重点实验室，北京 100083；3.本溪钢铁集团南芬露天铁矿，辽宁 本溪 117000)

滑坡是一种长期以来对人类安全生产和生活造成严重威胁的地质灾害，特别是在露天矿山由于频繁采矿活动而引发滑坡时，对矿区工作人员人身安全和设备安全有较大的影响，严重威胁矿山的安全生产。

滑坡物理模型试验法能够在较短时间内重现滑坡发生的全过程，对于研究滑坡失稳破坏机制十分有效。我国于20世纪80年代将这种研究方法引入国内，并已取得大量成果，如宋克强等[1]针对黄土滑坡的变形过程、滑体的时间效应及裂缝扩展过程进行研究；刘传成[2]对降雨导致的泥岩滑坡滑动启动条件和滑动原理进行了分析；武彩萍[3]分析了人工降雨条件下滑坡坡面形态变化过程；陈洪凯等[4]研究了松散体边坡的吸水过程、蠕变过程以及滑坡发生之间的关系；左自波等[5]利用室内降雨试验系统研究不同级配土样与边坡内部结构面之间的关系；胡明鉴等[6]对松散堆积的砾石土斜坡在降雨过程中的坡面土形态变化、性状变化及斜坡稳定状态进行了研究和分析；雍睿等[7]利用试验重现了滑坡三段式的演化过程，并揭示了滑坡稳定性系数呈非线性衰减的规律；林鸿州等[8]发现降雨导致的滑坡存在“门槛累积降雨量”，并以此降雨量作为预警基准；刘鹏[9]针对相似材料和素红土进行对比试验，提出了不同配合比材料的物理力学指标确定方法。上述研究的工程背景多集中在松散堆积的天然土坡及砾石坡，而针对经支护加固后岩质边坡的破坏机制鲜有探究。

本文以南芬露天矿下盘高陡边坡为背景开展试验研究，使用微型NPR锚索对边坡模型进行支护，并采用数字图像分析法和牛顿力监测法对边坡物理模型破坏全过程进行实时监测。利用热敏材料温度变化模拟在降雨作用下岩质边坡软弱滑动面贯通破坏的情况，探究滑坡发生时滑动面的剪切强度指标衰减规律，为揭示岩质边坡失稳破坏机理及后续加固方案的提出提供了一定的参考依据。

1 工程概况

南芬露天铁矿采场位于辽宁省本溪市，采场区域内构造线展布沿NNE方向扩展。矿体主体为单斜构造，岩石与矿石界面分明，铁矿体主要分布在太古界安山群含铁石英岩中，平均厚度40 m。由于目前铁矿石产量远低于需求量，为满足矿山的可持续发展，将会进行四期扩帮开采工作。

通过扩帮增加开采规模会导致滑坡发生的概率增大。依据现场地质调查及地质雷达勘测可知，采场边坡节理裂隙较为发育，其中节理发育最为明显的一组位于下盘边坡，该组节理总体上为顺坡向，倾角稍大于坡面角，走向与边坡以较小角度相交或基本相同。其表面存在滑动痕迹，通过测量可得其JRC值在2～4之间。节理出露处存在一个明显的剪出口，如图1所示，并有水流侵蚀痕迹，经测量产状为295°∠48°。该边坡为顺倾边坡，整体存在多组节理，存在贯通性极强的倾角与坡面角接近的节理，容易连通形成复合滑面，对边坡整体的稳定性构成威胁。

通过对南芬露天铁矿的现场工程地质调查，该下盘边坡主要分布的岩石种类为绿泥角闪岩，绿泥角闪岩能够在短时间内达到吸水饱和状态，对诱发滑坡具有显著影响[10]。岩石样品的室内岩石强度测试结果见表1。

图1 下盘剪出口局部照片

表1 南芬露天铁矿绿泥角闪岩强度参数

2 模型试验方案

2.1 试验系统

试验设备采用中国矿业大学(北京)深部岩土力学与地下工程国家重点实验室自主研发的深部地质工程灾害模型试验系统，该系统主要由加载系统、液压控制系统、数据采集系统等主要系统组成。 试验系统可容纳的模型尺寸最大为长×宽×高=1 600 mm×400 mm×1 600 mm，液压控制系统可施加荷载范围为0～5 MPa。该系统能够实现对模型的底部及横向位移约束，并能够实现分区域组合施加荷载。

2.2 模型设计及制作

结合表1中的工程岩体力学参数，采用石膏粉与水为材料制成的有限单元板模拟绿泥角闪岩体，经过多次不同比例标准试样试验测试，本次室内模型试验最终选用水与石膏粉比例为1∶1的有限单元板作为模拟材料。试验所选用比例的有限单元板标准式样测试结果见表2。

表2 水与石膏粉1∶1单元板参数

根据表2参数，可以计算出容重相似比参数，并用于计算应力相似比参数以及支护力相似比参数，见式(1)。

(1)

参照实际边坡规模及试验系统尺寸，最终确定模型高度为1.2 m，几何相似比取为Cl=80，重力加速度相似比，见式(2)。

Cg=gp/gm=1

(2)

边坡潜在滑动面采用石蜡材料制成的单元板进行模拟，在石蜡板的制作过程中放入聚酰亚胺薄膜电热膜，试验过程中通过对电热膜进行加热，使得石蜡材料融化来模拟结构面软化现象。在模型上部设置高度为40 cm的传力单元板， 并在其上部和下部铺设钢板，使其能将荷载均匀施加在边坡顶部，物理模型制作完成如图2所示。

图2 试验模型完成图

2.3 监测方法

针对普通锚索难以适应滑坡失稳过程中的大变形破坏规律，当边坡岩体发生大变形但还未失稳破坏时，锚索已经被拉断这一问题，何满潮等[11]研发出适用于大变形支护的恒阻大变形锚索。相关研究表明恒阻大变形锚索具有高恒阻力、大变形量、强能量吸收等特性[12-13]。恒阻大变形锚索与力学传感系统及通讯系统组成的监测系统能够在边坡发生大变形破坏前进行预警[14]，锚索在大变形破坏之后没有破坏，且仍然能够正常工作。工程中使用的NPR锚索结构示意图如图3所示，锚索长度及张拉力与基岩深度、滑面深度、坡面角度等工程地质条件有关，恒阻体允许的最大变形量为1 000～2 000 mm。

图3 恒阻大变形锚索结构示意图

本次试验基于现有应用于工程中的NPR锚索，研发出适应室内模型试验的小型NPR锚索，并将高精度拉力传感器与小型NPR锚索连接成一体，进而实现对滑坡大变形破坏的全过程力学监测。试验中的小型NPR锚索在对结构进行精简优化的同时保留了工程中使用的NPR锚索结构特征，锚索材料的选取根据室内拉伸试验结果确定，并结合试验相似比确定恒阻力值。拉伸试验的结果及小型NPR锚索物理力学参数见表3和表4，试验用拉力传感器及小型NPR锚索如图4所示。

图4 高精度拉力传感器及模型尺度NPR锚索图

表3 锚索拉伸试验的材料极限荷载

表4 工程锚索与模型试验小型NPR锚索物理力学参数

同时，针对在试验过程中发生的位移，采用数字散斑测量系统进行全过程位移量化分析。使用该系统持续采集模型表面的散斑图像，依据散斑分布特性，对变形前后图像进行相关性分析，来确定模型表面的位移，从而实现模型变形场的测量。

2.4 试验过程

首先利用试验设备的加载系统通过传力单元板对模型预先加压，使得单元板之间密实。预压完成后，等待模型稳定，使用直流稳压电源接通预先埋置在石蜡单元板中的PI薄膜电热膜，对石蜡单元板进行加热。石蜡材料在受热过程中强度会降低，可用来模拟降雨时边坡软弱面强度降低的过程。在试验过程中使用摄像机及散斑采集仪对边坡模型失稳破坏全过程进行监测。同时，在石蜡板加热的过程中不断观察边坡模型的状态，当边坡模型发生滑动破坏后即停止加热，试验结束。

3 试验结果分析

3.1 模型破坏特征

试验结束后边坡整体破坏特征如图5所示，破坏区域主要集中在4个部分。破坏点1为坡顶处，该处由于受到下部滑体的牵引作用产生竖向沉降，测量结果显示竖向位移为5 cm；破坏点2为预埋NPR锚索处，试验过程中恒阻体受到滑动力的作用而在套筒内发生摩擦滑移，锚索整体长度增加；破坏点3为节理发育面，石蜡板上覆滑体发生整体滑移，石蜡板表面留有滑移摩擦的痕迹，并有大量的石膏粉残留在石蜡板表面；破坏点4为坡脚处，滑体沿着软弱面发生整体滑动，坡脚处出现局部破坏，经测量坡脚位移为6 cm。

图5 边坡模型整体破坏图

3.2 边坡模型监测结果分析

对边坡体内预埋的模型尺度NPR锚索实施全过程监测，图6为锚索拉力传感器的监测曲线。监测结果显示锚索受力表现出明显的阶段性特征，并可将其划分为OA、AB、BC、CD等4个阶段。

OA段：软化压密阶段。此阶段锚索拉力监测曲线呈现下降趋势，试验开始阶段先对边坡模型进行预压，通过加载系统对边坡模型施加荷载，导致边坡模型内锚索拉力传感器受压，读数显示为负值。锚索拉力传感器受力持续增大，至OA阶段结束时，边坡模型较为密实，锚索受到压力达到最大。实验过程中，散斑图像捕捉到该阶段细微的变形和位移，如图7所示。由垂直位移云图可知，对边坡模型施加荷载进行预压后，随着时间的推移，边坡变形的区域逐渐扩大，位移量不断增大，最大位移处集中在液压器下方，且最大变形区不断向上部移动。

AB段：裂纹产生阶段。此阶段锚索拉力监测曲线呈现上升趋势。撤销上部预压荷载后，对石蜡单元板进行加热，随着结构面的强度降低，裂隙发育迅速，滑体产生持续的蠕动变形，锚索拉力持续增加，最后小型NPR锚索进入恒阻阶段，并表现出良好的恒定阻力。图8为AB阶段垂直位移云图。从图8中可明显看出随着结构面强度的不断降低，边坡模型最大位移逐渐向滑体部分转移，边坡模型整体垂直位移范围向坡体下部扩散，由此可推断此阶段滑体已出现下滑趋势。

图6 锚索拉力传感器监测曲线

图7 OA阶段散斑图像处理结果

图8 AB阶段散斑图像处理结果

BC段：裂纹扩展阶段。此阶段锚索拉力监测曲线没有较大起伏处于稳定状态，边坡模型内部的小型NPR锚索处于恒阻阶段。边坡模型内部裂纹持续扩展，坡体内部基本不再发生蠕动变形。至该阶段结束，滑体与滑床间出现宽度为8 mm的裂缝，滑体发生竖向位移13 mm。图9为该阶段位移云图。由垂直位移云图可知，滑体竖向位移明显增大，并在坡顶部位出现因位移较大散斑无法捕捉的区域，且滑动面已经初步形成，图中显示在坡脚处出现负位移，滑体下部呈现出上翘运动的趋势。从水平位移云图中可以看出，滑体水平向位移从坡顶至坡底逐渐增大，而滑床水平位移基本保持不变，滑体最大的水平位移区域集中在坡脚处，经测量该点水平位移量为7.8 mm，滑体整体呈现向右运动的趋势。

CD段：滑动面贯通阶段。此阶段由锚索拉力监测曲线可知，小型NPR锚索所受拉力迅速上升，三根锚索承受拉力的最大值分别为147.41 N、120.31 N、121.50N，随后骤降至8 N左右，滑坡随之发生解体滑移。图10为该阶段的位移云图。由垂直位移云图可知边坡模型的竖向位移主要集中在滑体部分，其中滑体上部发生显著的沉降变形，坡脚部分被向外挤出，在垂直方向上坡脚处的负位移量持续增加，至临滑前坡脚处最大垂直位移量为-5.01 mm；从水平位移云图可知随着时间的推移，滑体与滑床之间逐渐呈现出相互分离的状态。

图9 BC阶段散斑图像处理结果

图10 CD阶段散斑图像处理结果

4 结 论

1) 以南芬露天铁矿下盘边坡岩体作为研究对象，依照相似理论建立室内物理模型，运用数字散斑处理技术对边坡模型失稳过程进行监测，将模型边坡的失稳破坏过程为四个阶段：①软化压密阶段；②裂纹产生阶段；③裂纹扩展阶段；④滑动面贯通阶段。

2) 在模型边坡失稳破坏过程中，NPR锚索在滑力的作用下发生较大变形但未产生破断失效，表明NPR锚索能够实现滑坡全过程的有效加固及持续监测。

3) 模型边坡在发生大变形破坏前，NPR锚索受力呈现增加的趋势，并在滑坡发生前达到最大值，之后突然下降至较低值，滑坡随之发生，这一现象与工程现场滑坡牛顿力监测结果是相吻合的，证明NPR锚索在滑坡的超前预警方面的有效性及合理性。