软-陡基底排土场边坡破坏模式与机理

王家臣，李阳春，徐文彬，栾茂旭

中国矿业大学(北京)能源与矿业学院，北京 100083

排土场由矿山基建、采掘剥离的废石和表土堆积而成，是矿山堆存采掘固废的重要场地。据统计，国内矿山排土场占地面积达(115～211)×104km2，其稳定性受散体物料级配、排放参数、基底地形及地质条件等因素影响，易发生滑坡、泥石流等地质灾害，对矿山生产和生活造成严重威胁[1-2]。近年来，国内外学者主要借助物理模型试验和数值模拟等手段，基于相似理论和强度折减法，对排土场边坡渐进破坏过程、变形特征、滑坡机制等进行了分析，取得了丰硕成果。陈冲等[3]分析了含软弱土层排土场的潜在破坏模式以及渐进破坏过程；李伟等[4]基于支撑拱原理，推导了排土场边坡失稳位移判据；吴军等[5]揭示了湖区排土场失稳破坏的特征以及诱发湖区排土场失稳机理；关锌[6]发现软弱基底内部排土场的破坏模式主要为单台阶圆弧滑移和整体“坐落-滑移式”破坏；舒继森等[7]分析了云南小龙潭矿区露天排土场边坡破坏机理；王俊、王玉凯等[8-9]借助室内模型试验方法，研究了基底饱水和自然状态下黄土基底排土场变形破坏特征以及空间形态演化规律；Liu等[10]借助振动台，分析并揭示了高强度岩质边坡对地震波的响应；王衍汇等[11]揭示了工程开挖引起的黄土边坡变形破坏机理；龚文俊等[12]采用非连续变形分析法，研究了边坡弯曲倾倒破坏机理与支护方法；张娜等[13]通过Geostudio软件，计算了降雨工况条件下边坡稳定性系数；陶志刚等[14]通过现场试验与数值模拟，分析了大变形锚索在滑坡过程中的力学特性；杨幼清等[15]开展了高寒地区软弱基底排土场边坡稳定性分析。以上研究丰富了软弱基底的排土场变形分析和稳定性计算成果，指导了矿山实践。然而，针对软-陡基底排土场变形特征及破坏失稳机制与模式的研究尚少。

底摩擦试验是以相似原理为基础的一种物理模拟研究方法，主要依据圣维南原理，认为模型较薄时，均匀作用在模型上的摩擦力可以替代作用在原型排土场上的重力。底摩擦试验可确保模型受到平面摩擦力与重力在重力方向上作用效果相似，因而可以保证物理模拟试验结果的正确性[16-17]。本文以西藏甲玛矿区角岩排土场为研究背景，采用底摩擦试验方法，观测模型破坏的全过程，对混合散体颗粒在滑动过程中关键点位移进行分析，研究软-陡基底排土场的变形特征及滑坡模式，探讨含软弱层、倾斜基底的排土场变形破坏机制，研究结论对西部高原地区的排土场稳定分析具有一定的借鉴作用。

1 工程背景

由于西藏地区矿区地形特点，部分矿山属于山坡型露天矿，角岩排土场是西藏甲玛铜矿的外排土场之一，位于角岩露天矿东南侧，距离角岩露天矿500 m，两面有山体，属于沟谷型排土场。排土场底部坡度10°～20°，两侧山坡坡度30°～40°。角岩排土场采用压坡脚式排土，自上而下排放，单个台阶高30 m、宽30 m，排土边坡坡比为1∶1.75。排土场堆置高度达580 m，最终标高5 105 m，容积为10 800×104m3，占地面积达1.85 km2，整体地貌和设计如图1所示。

图1 角岩排土场平面图

角岩排土场边坡地基条件简单，勘察资料表明，地基主要由板岩、灰岩、角岩花岗斑岩以及沿坡分布的残积层组成，沟底碎石土堆积较厚[18]。地基没有裂缝、大变形以及滑坡、崩塌等不良地质现象。排土场地下水水位埋深0.1～1.0 m，含水层由碎石、角砾石组成，补给水来自于大气降水和裂隙水。总体而言，角岩排土场地基地形从高到低由陡变缓，随着地表倾角变化以及降雨融雪的影响，排土场容易形成软弱基底，极易发生滑坡灾害。

2 模型试验设计

2.1 原型选择

模型试验原型断面A-A剖面如图2所示，采用压坡脚式排土，首个排土台阶标高为+5 105 m，设计堆置高度580 m，设置19级排土台阶，每个台阶段高30 m，坡比为1∶1.75。角岩排土场地表起伏较大，最左侧地表倾角可达28°～30°，到中间部位倾角突然变小，在5°左右。考虑排土场地表线长达2 345 m，中间部位地表倾角由陡峭骤变为平缓这一特点，试验适当调整倾角，模型局部由陡峭简化为平缓，以更好地分析陡峭部位与平缓部位变形破坏情况的差异，探究此类特殊工况下排土场的变形破坏模式。

根据相似原理[19]，将图2进行缩尺简化，建模区地质力学模型长250 m、高100 m，基底倾角35°，散体物料堆置倾角30°，基底软层厚度5 m，如图3所示。定义l为长度，γ为容重，s为位移，σ为应力，ε为应变，E为弹性模量，σt为抗拉强度，σc为抗压强度，c为黏聚力，φ为摩擦角，μ为泊松比，f为摩擦因数。原型与模型之间具有相同量纲的物理量之比称为相似比，用C表示。基本相似判据有：Cδ=CE=Cσe=Cσr=Cc；Cσ=Cγ×Cl；Cf=1；Cφ=1，结合底摩擦试验仪尺寸，确定模拟试验的几何相似比Cl=200∶1，相似材料容重比Cσ=200Cγ。选用相似材料时，应考虑散体物料粒径的相似。

图3 模型剖面

2.2 相似模型制备

排土场的岩土体物理力学参数见表 1。选用石灰、石膏、砂子(小于1 mm颗粒，质量占比49.26%；1～2.5 mm颗粒，占35.12%；2.5～5 mm颗粒，占15.62%)、水、黏土等配制不同相似模型材料，具体配比见表2。

表1 排土场岩土体物理力学参数

表2 试验材料配比

2.3 试验方法及监测系统

首先，按照材料配比制作底摩擦边坡模型，将相似材料均匀平摊并击实，按设计的模型尺寸和形状进行削减，制成试验所需的模型，风干3 d。为减小摩擦力，应保证模型厚度在2 cm左右，并在侧壁留有间隙。其次，通过模具在模型的表面用红色油漆喷出定位点，点直径10 mm，点与点之间间距20 mm。然后，将底摩擦实验台电源接通，底摩擦试验系统开始自检并稳定10 min。最后，水平架设运动相机，打开转速控制器电源开关，同时相机开始拍摄，当转速稳定一段时间后停机，对模型进行拍照，对位移观测点进行测量。试验通过控制带式输送机的转速来模拟运动力，输送带转速通常为1.5～12 r/min。采用Go Pro HERO 运动摄像机，拍摄技术规格为35 帧/s，分辨率2 704×1 520，纵横比16∶9，线性视野。试验完成后，将拍摄完的视频通过 Adobe Premiere Pro CC 2019 软件按照每一帧导出，根据试验模型的破坏情况选取若干张照片，选取的照片按照时间进行排序。通过Adobe Photoshop CC 2019对图像进行处理，获得模型点位的时间位移数据，借助Tecplot软件绘制位移等值线图像。

图4 底摩擦试验台与运动相机

3 试验结果与分析

3.1 破坏模式全过程分析

软-陡基底排土场的破坏过程如图5所示。当输送带运行5.3 s后，软-陡基底排土场边坡首先在坡脚处产生轻微下沉[20]，坡脚处产生较明显的贯通坡面的垂直张拉裂缝，多条裂缝间相交，形成向右移动的小块体；当输送带运行10.6 s，水平基底下沉明显，坡脚拉裂缝和滑体明显增多，导致排土台阶平盘面上也产生了较深的拉裂缝。同时边坡沿倾斜基底也发生滑移下沉，且下沉裂缝逐渐向上演化扩展；当输送带运行16 s，软弱基底下沉加速，倾斜基底上边坡由于底部台阶下沉而失去抗滑体，边坡沿着倾斜弱层面发生整体滑移，此时坡脚处的拉裂缝发生闭合，说明坡脚块体对上部滑移体产生了抗滑阻力。

总体来讲，软-陡基底排土场的破坏过程可分为3个阶段[21]：

(1) 坡脚卸荷变形阶段。坡脚处有临空面，有临空卸荷现象，且底部存在软弱层，散体物料的物理力学性质与软弱层差异较大，会发生差异性沉陷。因而，坡脚部分排土场受应力重新分布以及应力集中的共同影响下，向右侧滑移并伴随张拉裂缝产生。

图5 模型破坏过程

(2) 垂直张拉裂缝贯通阶段。水平的软弱层主要产生压缩变形，其上部排土场产生贯通张拉裂缝，应力不均匀分布导致裂缝分割的单独块体偏转，倾斜软弱层主要受压缩剪切滑移。

(3) 张拉裂缝扩展阶段。贯通张拉裂缝向两侧扩展细小张拉裂缝，受裂缝分割，微小单独块体增多，倾斜软弱层受到剪切作用而产生向下的致滑力，最终导致排土场整体产生滑塌。

3.2 位移分析

图6、图7分别为排土场边坡的水平位移和垂直位移等值线云图。由图可知，当底摩擦输送带运行5.3 s时，水平位移在软弱倾斜基底上的变化最大，最大水平位移1.5 mm，最大垂直位移0.6 mm，垂直位移主要发生在坡面上，但垂直位移变化量很小；当输送带运行10.6 s时，倾斜基底面上发生水平位移的范围增多，最大水平位移增至3 mm，而垂直位移仍没有太多变化，说明排土场边坡产生了向台阶坡面方向的运动趋势；当输送带运行16 s时，水平位移分布范围继续扩大，在倾斜软弱层面出现较明显的滑移带，底部的水平台阶也发生了较大的水平位移，最大水平位移和垂直位移分别达15 mm和16 mm。由图8可知，由于软弱基底的影响，边坡首先在水平软弱基底坡脚处发生下沉和产生裂缝，进而产生破断小块体，小块体沿基底向前滑动，使边坡失去抗滑体，同时边坡沿倾斜弱面持续下沉，不均匀下沉的弱面导致右侧台阶垂直位移增大，裂缝扩展贯通整个边坡，最终导致坡体沿着倾斜软弱面发生整体向下滑移。

图7 垂直位移等值线云图

图8 总位移等值线云图

3.3 特征点变形时程曲线分析

为了进一步分析边坡变形特征，在模型的表面选择4个特征点，对边坡的变形过程进行分析。选定的特征点(a、b、c、d)如图9所示。图10为特征点的位移时程曲线，可以看出，在加载早期(10.6 s内)特征点a、b、c、d的水平位移与垂直位移缓慢增长，且位移值很小。随着输送带运行，坡脚出现拉裂缝，c、d点处的张拉裂缝分割出单独块体，d点块体发生下沉，因而d点的垂直位移量比c点要大；d点水平位移与c点几乎相等，说明此阶段主要发生了垂直沉降。由于c、d点发生下沉运动，导致a、b点处边坡产生裂缝，对比a、b点的水平位移曲线可知，b点发生了较大的水平移动，但a、b点垂直位移量基本相同，说明此阶段主要发生了向边坡外侧的水平运动。

图9 特征点位置

3.4 基于Geostudio的软-陡基底排土场分析

3.4.1 数值模型建立

通过Geostudio软件[22-23]，联合SIGMA/W模块及SLOPE/W模块，分析排土场变形、应力变化以及潜在滑移面，以验证底摩擦试验中排土场变形破坏机制。模型由散体、软弱层、基底三部分组成，模型尺寸参数：长度200 m，宽度90 m，台阶高30 m，坡比为1∶1.75，软弱层厚度为5 m。模型采用的物理力学参数见表1。

3.4.2 位移场特征分析

软-陡基底排土场位移场如图 11所示。可以看出，最大水平位移达6.5 mm，最大垂直位移达18 mm，最大总位移达20 mm。水平位移、垂直位移主要在软弱层处集聚，且水平位移、垂直位移在排土场左侧变化均大于右侧。总位移在倾斜软弱层部位集聚，说明软-陡基底排土场局部区域发生了明显的右下侧滑移。排土场模型垂直位移远大于水平位移，且软弱层部位出现位移等值线集中现象，说明软弱层受压产生明显压缩变形。对比排土场整体位移变化情况，发现左侧部分受排土场自重影响较大，倾斜软弱层对排土场变形的影响比水平软弱层更大。从位移场变化图可以看出，排土场两个台阶顶部沉降明显，软弱层在边坡顶部也有明显沉降，倾斜部分基底、软弱层、散体变形更明显，坡脚附近分布有临空卸荷造成的倾斜变形，软-陡基底排土场整体以沉降为主，并沿软弱层向右下侧滑移。

图10 特征点位移时程曲线

图11 软-陡基底排土场位移场特征

3.4.3 剪应变特征分析

图12为软-陡基底排土场的剪应变分布云图。由图12可以看出，软-陡基底排土场受剪切作用明显，在坡脚处、水平软弱层、倾斜软弱层位置均出现剪应变集中，剪应变在排土场台阶呈曲线条带分布，在底部水平软弱层内呈同心弧状，同时在倾斜软弱层内有对称现象，表明软弱层与散体接触面极易发生滑移趋势。

图12 软-陡基底排土场剪应变分布云图

图13为软-陡基底排土场滑移面位置图。从图13可知，软-陡基底排土场潜在最危险滑移面呈圆弧型，滑移面分别在水平基底和倾斜基底处的基岩面相切滑移，滑面贯穿散体上部平台，并从坡脚右侧穿出地表。滑移面穿过软弱层的现象，则是由于受到较大上部压力而产生较大切向的致滑力，使软弱层剪切移动，从而上部散体产生整体滑移。潜在滑移面形状及位置与底摩擦试验模型变形破坏特征(图5)基本符合。

图13 排土场潜在滑移面位置

4 结 论

(1) 软-陡基底排土场变形失稳全过程可分为坡脚卸荷变形、垂直张拉裂缝贯通和张拉裂缝扩展三个阶段，其破坏模式主要表现沉降、拉裂贯通、拉裂扩展以及整体滑移。

(2) 边坡首先在水平软弱基底坡脚处发生下沉和产生裂缝，进而产生破断小块体，小块体沿基底向前滑动，使边坡失去抗滑体，导致边坡抗滑力下降，最终使边坡沿倾斜软弱面发生整体向下滑移而失稳。

(3) 水平软弱基底呈压缩状态，倾斜软弱面主要发生剪切破坏，坡脚是发生滑移启动带，主要呈现压缩和剪切状态。潜在滑面形态为近似圆弧滑面，软弱基底是排土场沉降、拉裂、滑移的主要因素，倾斜软弱基底对排土场的稳定性影响尤为显著。