南芬露天鐵礦高陡邊坡失穩(wěn)全過程物理模型試驗研究

陶志剛，舒 昱，高毓山，王一聰，趙俊凱

(1.中國礦業(yè)大學(北京)力學與建筑工程學院，北京 100083；2.深部巖土力學與地下工程國家重點實驗室，北京 100083；3.本溪鋼鐵集團南芬露天鐵礦，遼寧 本溪 117000)

滑坡是一種長期以來對人類安全生產和生活造成嚴重威脅的地質災害，特別是在露天礦山由于頻繁采礦活動而引發(fā)滑坡時，對礦區(qū)工作人員人身安全和設備安全有較大的影響，嚴重威脅礦山的安全生產。

滑坡物理模型試驗法能夠在較短時間內重現(xiàn)滑坡發(fā)生的全過程，對于研究滑坡失穩(wěn)破壞機制十分有效。我國于20世紀80年代將這種研究方法引入國內，并已取得大量成果，如宋克強等[1]針對黃土滑坡的變形過程、滑體的時間效應及裂縫擴展過程進行研究；劉傳成[2]對降雨導致的泥巖滑坡滑動啟動條件和滑動原理進行了分析；武彩萍[3]分析了人工降雨條件下滑坡坡面形態(tài)變化過程；陳洪凱等[4]研究了松散體邊坡的吸水過程、蠕變過程以及滑坡發(fā)生之間的關系；左自波等[5]利用室內降雨試驗系統(tǒng)研究不同級配土樣與邊坡內部結構面之間的關系；胡明鑒等[6]對松散堆積的礫石土斜坡在降雨過程中的坡面土形態(tài)變化、性狀變化及斜坡穩(wěn)定狀態(tài)進行了研究和分析；雍睿等[7]利用試驗重現(xiàn)了滑坡三段式的演化過程，并揭示了滑坡穩(wěn)定性系數呈非線性衰減的規(guī)律；林鴻州等[8]發(fā)現(xiàn)降雨導致的滑坡存在“門檻累積降雨量”，并以此降雨量作為預警基準；劉鵬[9]針對相似材料和素紅土進行對比試驗，提出了不同配合比材料的物理力學指標確定方法。上述研究的工程背景多集中在松散堆積的天然土坡及礫石坡，而針對經支護加固后巖質邊坡的破壞機制鮮有探究。

本文以南芬露天礦下盤高陡邊坡為背景開展試驗研究，使用微型NPR錨索對邊坡模型進行支護，并采用數字圖像分析法和牛頓力監(jiān)測法對邊坡物理模型破壞全過程進行實時監(jiān)測。利用熱敏材料溫度變化模擬在降雨作用下巖質邊坡軟弱滑動面貫通破壞的情況，探究滑坡發(fā)生時滑動面的剪切強度指標衰減規(guī)律，為揭示巖質邊坡失穩(wěn)破壞機理及后續(xù)加固方案的提出提供了一定的參考依據。

1 工程概況

南芬露天鐵礦采場位于遼寧省本溪市，采場區(qū)域內構造線展布沿NNE方向擴展。礦體主體為單斜構造，巖石與礦石界面分明，鐵礦體主要分布在太古界安山群含鐵石英巖中，平均厚度40 m。由于目前鐵礦石產量遠低于需求量，為滿足礦山的可持續(xù)發(fā)展，將會進行四期擴幫開采工作。

通過擴幫增加開采規(guī)模會導致滑坡發(fā)生的概率增大。依據現(xiàn)場地質調查及地質雷達勘測可知，采場邊坡節(jié)理裂隙較為發(fā)育，其中節(jié)理發(fā)育最為明顯的一組位于下盤邊坡，該組節(jié)理總體上為順坡向，傾角稍大于坡面角，走向與邊坡以較小角度相交或基本相同。其表面存在滑動痕跡，通過測量可得其JRC值在2～4之間。節(jié)理出露處存在一個明顯的剪出口，如圖1所示，并有水流侵蝕痕跡，經測量產狀為295°∠48°。該邊坡為順傾邊坡，整體存在多組節(jié)理，存在貫通性極強的傾角與坡面角接近的節(jié)理，容易連通形成復合滑面，對邊坡整體的穩(wěn)定性構成威脅。

通過對南芬露天鐵礦的現(xiàn)場工程地質調查，該下盤邊坡主要分布的巖石種類為綠泥角閃巖，綠泥角閃巖能夠在短時間內達到吸水飽和狀態(tài)，對誘發(fā)滑坡具有顯著影響[10]。巖石樣品的室內巖石強度測試結果見表1。

圖1 下盤剪出口局部照片

表1 南芬露天鐵礦綠泥角閃巖強度參數

2 模型試驗方案

2.1 試驗系統(tǒng)

試驗設備采用中國礦業(yè)大學(北京)深部巖土力學與地下工程國家重點實驗室自主研發(fā)的深部地質工程災害模型試驗系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要由加載系統(tǒng)、液壓控制系統(tǒng)、數據采集系統(tǒng)等主要系統(tǒng)組成。 試驗系統(tǒng)可容納的模型尺寸最大為長×寬×高=1 600 mm×400 mm×1 600 mm，液壓控制系統(tǒng)可施加荷載范圍為0～5 MPa。該系統(tǒng)能夠實現(xiàn)對模型的底部及橫向位移約束，并能夠實現(xiàn)分區(qū)域組合施加荷載。

2.2 模型設計及制作

結合表1中的工程巖體力學參數，采用石膏粉與水為材料制成的有限單元板模擬綠泥角閃巖體，經過多次不同比例標準試樣試驗測試，本次室內模型試驗最終選用水與石膏粉比例為1∶1的有限單元板作為模擬材料。試驗所選用比例的有限單元板標準式樣測試結果見表2。

表2 水與石膏粉1∶1單元板參數

根據表2參數，可以計算出容重相似比參數，并用于計算應力相似比參數以及支護力相似比參數，見式(1)。

(1)

參照實際邊坡規(guī)模及試驗系統(tǒng)尺寸，最終確定模型高度為1.2 m，幾何相似比取為Cl=80，重力加速度相似比，見式(2)。

Cg=gp/gm=1

(2)

邊坡潛在滑動面采用石蠟材料制成的單元板進行模擬，在石蠟板的制作過程中放入聚酰亞胺薄膜電熱膜，試驗過程中通過對電熱膜進行加熱，使得石蠟材料融化來模擬結構面軟化現(xiàn)象。在模型上部設置高度為40 cm的傳力單元板， 并在其上部和下部鋪設鋼板，使其能將荷載均勻施加在邊坡頂部，物理模型制作完成如圖2所示。

圖2 試驗模型完成圖

2.3 監(jiān)測方法

針對普通錨索難以適應滑坡失穩(wěn)過程中的大變形破壞規(guī)律，當邊坡巖體發(fā)生大變形但還未失穩(wěn)破壞時，錨索已經被拉斷這一問題，何滿潮等[11]研發(fā)出適用于大變形支護的恒阻大變形錨索。相關研究表明恒阻大變形錨索具有高恒阻力、大變形量、強能量吸收等特性[12-13]。恒阻大變形錨索與力學傳感系統(tǒng)及通訊系統(tǒng)組成的監(jiān)測系統(tǒng)能夠在邊坡發(fā)生大變形破壞前進行預警[14]，錨索在大變形破壞之后沒有破壞，且仍然能夠正常工作。工程中使用的NPR錨索結構示意圖如圖3所示，錨索長度及張拉力與基巖深度、滑面深度、坡面角度等工程地質條件有關，恒阻體允許的最大變形量為1 000～2 000 mm。

圖3 恒阻大變形錨索結構示意圖

本次試驗基于現(xiàn)有應用于工程中的NPR錨索，研發(fā)出適應室內模型試驗的小型NPR錨索，并將高精度拉力傳感器與小型NPR錨索連接成一體，進而實現(xiàn)對滑坡大變形破壞的全過程力學監(jiān)測。試驗中的小型NPR錨索在對結構進行精簡優(yōu)化的同時保留了工程中使用的NPR錨索結構特征，錨索材料的選取根據室內拉伸試驗結果確定，并結合試驗相似比確定恒阻力值。拉伸試驗的結果及小型NPR錨索物理力學參數見表3和表4，試驗用拉力傳感器及小型NPR錨索如圖4所示。

圖4 高精度拉力傳感器及模型尺度NPR錨索圖

表3 錨索拉伸試驗的材料極限荷載

表4 工程錨索與模型試驗小型NPR錨索物理力學參數

同時，針對在試驗過程中發(fā)生的位移，采用數字散斑測量系統(tǒng)進行全過程位移量化分析。使用該系統(tǒng)持續(xù)采集模型表面的散斑圖像，依據散斑分布特性，對變形前后圖像進行相關性分析，來確定模型表面的位移，從而實現(xiàn)模型變形場的測量。

2.4 試驗過程

首先利用試驗設備的加載系統(tǒng)通過傳力單元板對模型預先加壓，使得單元板之間密實。預壓完成后，等待模型穩(wěn)定，使用直流穩(wěn)壓電源接通預先埋置在石蠟單元板中的PI薄膜電熱膜，對石蠟單元板進行加熱。石蠟材料在受熱過程中強度會降低，可用來模擬降雨時邊坡軟弱面強度降低的過程。在試驗過程中使用攝像機及散斑采集儀對邊坡模型失穩(wěn)破壞全過程進行監(jiān)測。同時，在石蠟板加熱的過程中不斷觀察邊坡模型的狀態(tài)，當邊坡模型發(fā)生滑動破壞后即停止加熱，試驗結束。

3 試驗結果分析

3.1 模型破壞特征

試驗結束后邊坡整體破壞特征如圖5所示，破壞區(qū)域主要集中在4個部分。破壞點1為坡頂處，該處由于受到下部滑體的牽引作用產生豎向沉降，測量結果顯示豎向位移為5 cm；破壞點2為預埋NPR錨索處，試驗過程中恒阻體受到滑動力的作用而在套筒內發(fā)生摩擦滑移，錨索整體長度增加；破壞點3為節(jié)理發(fā)育面，石蠟板上覆滑體發(fā)生整體滑移，石蠟板表面留有滑移摩擦的痕跡，并有大量的石膏粉殘留在石蠟板表面；破壞點4為坡腳處，滑體沿著軟弱面發(fā)生整體滑動，坡腳處出現(xiàn)局部破壞，經測量坡腳位移為6 cm。

圖5 邊坡模型整體破壞圖

3.2 邊坡模型監(jiān)測結果分析

對邊坡體內預埋的模型尺度NPR錨索實施全過程監(jiān)測，圖6為錨索拉力傳感器的監(jiān)測曲線。監(jiān)測結果顯示錨索受力表現(xiàn)出明顯的階段性特征，并可將其劃分為OA、AB、BC、CD等4個階段。

OA段：軟化壓密階段。此階段錨索拉力監(jiān)測曲線呈現(xiàn)下降趨勢，試驗開始階段先對邊坡模型進行預壓，通過加載系統(tǒng)對邊坡模型施加荷載，導致邊坡模型內錨索拉力傳感器受壓，讀數顯示為負值。錨索拉力傳感器受力持續(xù)增大，至OA階段結束時，邊坡模型較為密實，錨索受到壓力達到最大。實驗過程中，散斑圖像捕捉到該階段細微的變形和位移，如圖7所示。由垂直位移云圖可知，對邊坡模型施加荷載進行預壓后，隨著時間的推移，邊坡變形的區(qū)域逐漸擴大，位移量不斷增大，最大位移處集中在液壓器下方，且最大變形區(qū)不斷向上部移動。

AB段：裂紋產生階段。此階段錨索拉力監(jiān)測曲線呈現(xiàn)上升趨勢。撤銷上部預壓荷載后，對石蠟單元板進行加熱，隨著結構面的強度降低，裂隙發(fā)育迅速，滑體產生持續(xù)的蠕動變形，錨索拉力持續(xù)增加，最后小型NPR錨索進入恒阻階段，并表現(xiàn)出良好的恒定阻力。圖8為AB階段垂直位移云圖。從圖8中可明顯看出隨著結構面強度的不斷降低，邊坡模型最大位移逐漸向滑體部分轉移，邊坡模型整體垂直位移范圍向坡體下部擴散，由此可推斷此階段滑體已出現(xiàn)下滑趨勢。

圖6 錨索拉力傳感器監(jiān)測曲線

圖7 OA階段散斑圖像處理結果

圖8 AB階段散斑圖像處理結果

BC段：裂紋擴展階段。此階段錨索拉力監(jiān)測曲線沒有較大起伏處于穩(wěn)定狀態(tài)，邊坡模型內部的小型NPR錨索處于恒阻階段。邊坡模型內部裂紋持續(xù)擴展，坡體內部基本不再發(fā)生蠕動變形。至該階段結束，滑體與滑床間出現(xiàn)寬度為8 mm的裂縫，滑體發(fā)生豎向位移13 mm。圖9為該階段位移云圖。由垂直位移云圖可知，滑體豎向位移明顯增大，并在坡頂部位出現(xiàn)因位移較大散斑無法捕捉的區(qū)域，且滑動面已經初步形成，圖中顯示在坡腳處出現(xiàn)負位移，滑體下部呈現(xiàn)出上翹運動的趨勢。從水平位移云圖中可以看出，滑體水平向位移從坡頂至坡底逐漸增大，而滑床水平位移基本保持不變，滑體最大的水平位移區(qū)域集中在坡腳處，經測量該點水平位移量為7.8 mm，滑體整體呈現(xiàn)向右運動的趨勢。

CD段：滑動面貫通階段。此階段由錨索拉力監(jiān)測曲線可知，小型NPR錨索所受拉力迅速上升，三根錨索承受拉力的最大值分別為147.41 N、120.31 N、121.50N，隨后驟降至8 N左右，滑坡隨之發(fā)生解體滑移。圖10為該階段的位移云圖。由垂直位移云圖可知邊坡模型的豎向位移主要集中在滑體部分，其中滑體上部發(fā)生顯著的沉降變形，坡腳部分被向外擠出，在垂直方向上坡腳處的負位移量持續(xù)增加，至臨滑前坡腳處最大垂直位移量為-5.01 mm；從水平位移云圖可知隨著時間的推移，滑體與滑床之間逐漸呈現(xiàn)出相互分離的狀態(tài)。

圖9 BC階段散斑圖像處理結果

圖10 CD階段散斑圖像處理結果

4 結 論

1) 以南芬露天鐵礦下盤邊坡巖體作為研究對象，依照相似理論建立室內物理模型，運用數字散斑處理技術對邊坡模型失穩(wěn)過程進行監(jiān)測，將模型邊坡的失穩(wěn)破壞過程為四個階段：①軟化壓密階段；②裂紋產生階段；③裂紋擴展階段；④滑動面貫通階段。

2) 在模型邊坡失穩(wěn)破壞過程中，NPR錨索在滑力的作用下發(fā)生較大變形但未產生破斷失效，表明NPR錨索能夠實現(xiàn)滑坡全過程的有效加固及持續(xù)監(jiān)測。

3) 模型邊坡在發(fā)生大變形破壞前，NPR錨索受力呈現(xiàn)增加的趨勢，并在滑坡發(fā)生前達到最大值，之后突然下降至較低值，滑坡隨之發(fā)生，這一現(xiàn)象與工程現(xiàn)場滑坡牛頓力監(jiān)測結果是相吻合的，證明NPR錨索在滑坡的超前預警方面的有效性及合理性。