降雨條件下全段高排土場邊坡穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)研究

陶志剛，李華鑫，曹 輝，龐仕輝，王 賀

(1.中國礦業(yè)大學(xué)(北京) 深部巖土力學(xué)與地下工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083; 2.中國礦業(yè)大學(xué)(北京) 力學(xué)與建筑工程學(xué)院，北京 100083; 3.北京礦冶科技集團(tuán)有限公司 礦山工程研究設(shè)計(jì)所，北京 102628)

全國有113 000多個(gè)礦山，其中有8 457個(gè)礦山對(duì)礦區(qū)的整體環(huán)境影響比較大[1]，而我國又是一個(gè)多露天礦的國家，露天礦主要的地質(zhì)災(zāi)害問題中滑坡和泥石流是最突出的，這類地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生往往會(huì)造成非常嚴(yán)重的損失[2-4]?；潞湍嗍鳛?zāi)害會(huì)嚴(yán)重影響排土場排土作業(yè)安全，排土場的邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)而會(huì)影響露天礦安全生產(chǎn)作業(yè)與開采進(jìn)度[5]，所以排土場邊坡穩(wěn)定性的研究對(duì)于礦山的安全和經(jīng)濟(jì)效益來說都具有重要的意義[6]。

影響排土場邊坡穩(wěn)定性的因素總體可以分為4類:外力作用、基底的物理力學(xué)性質(zhì)、排棄物的物理力學(xué)性質(zhì)和水的影響[7-11]。排土場穩(wěn)定性評(píng)價(jià)方法主要分為極限平衡分析法[12-13]、數(shù)值分析法[14-15]和可靠性分析法[16-17]。基于排土場穩(wěn)定性評(píng)價(jià)的各種方法，國內(nèi)外眾多學(xué)者對(duì)排土場邊坡失穩(wěn)誘因開展大量的研究工作，并取得顯著成果。例如，STEIAKAKIS等[18]采用極限平衡法分析希臘主要的露天礦“South Field”發(fā)生大規(guī)模排土場失穩(wěn)破壞現(xiàn)象，最終確定高含水量黏性土排棄物較低的抗剪強(qiáng)度是誘發(fā)排土場破壞的主要因素。為能更好理解由碎石和松散顆粒組成的排土場在任何位置上應(yīng)力、應(yīng)變歷史及位移和破壞信息，KONER和CHAKRAVARTY[19]采用離散元數(shù)值模擬方法，從顆粒性質(zhì)的角度對(duì)具有節(jié)理的巖質(zhì)邊坡進(jìn)行分析，以評(píng)估排堆場的穩(wěn)定性。Lü Xiangfeng等[20]建立滲流-損傷耦合數(shù)值模型對(duì)飽水排土場邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性分析，結(jié)果表明較高的孔隙壓力可以降低滑動(dòng)面上的正壓力和摩擦力，使飽水巖體強(qiáng)度降低，進(jìn)而導(dǎo)致邊坡失穩(wěn)。RADHAKANTA和DEBASHISH[21]使用二維的有限差分法，以5種不同土工材料為對(duì)象，評(píng)估不同排土場邊坡傾角對(duì)平均降雨和強(qiáng)降雨的響應(yīng)。WANG等[22]以邊坡穩(wěn)定系數(shù)為切入點(diǎn)研究地下水滲流對(duì)排土場邊坡穩(wěn)定性的影響，結(jié)果表明隨著地下水位的升高，邊坡穩(wěn)定系數(shù)減小，且邊坡穩(wěn)定系數(shù)降低率隨地下水位的升高而降低。

排土場的變形量遠(yuǎn)超普通巖質(zhì)邊坡的變形量，所以傳統(tǒng)巖質(zhì)邊坡的監(jiān)測系統(tǒng)無法在排土場邊坡中廣泛應(yīng)用[23-24]。例如通過立樁和全站儀經(jīng)緯儀等進(jìn)行監(jiān)測，排土場滾石會(huì)對(duì)監(jiān)測設(shè)施造成破壞，難以實(shí)現(xiàn)長期監(jiān)測;排土工作過程中地表位移無時(shí)無刻不隨排土施工的進(jìn)行而發(fā)生變化，會(huì)造成地表位移變形掃描監(jiān)測法預(yù)警頻繁。排土場大多由碎石顆粒組成，通過根管鉆孔的方法來施工不現(xiàn)實(shí)，利用高壓注漿的方法成本過高。目前使用最多的點(diǎn)狀監(jiān)測無法實(shí)現(xiàn)長距離大面積監(jiān)測，存在監(jiān)測盲區(qū);增加監(jiān)測點(diǎn)數(shù)雖然可靠性有所提高，但工作量倍增，況且監(jiān)測點(diǎn)數(shù)的增加也會(huì)影響巖土體的整體性和結(jié)構(gòu)安全。

為解決上述排土場穩(wěn)定性監(jiān)測中存在的問題，筆者以遼寧本溪南芬露天鐵礦Ⅱ號(hào)全段高排土場為研究背景，采用數(shù)值模擬與物理模型實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方式對(duì)降雨和堆載影響下排土場邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行研究，并采用光纖作為監(jiān)測設(shè)備制定工程尺度上適用于南芬露天鐵礦Ⅱ號(hào)全段高排土場大變形監(jiān)測方案。

1 排土場區(qū)域地質(zhì)及穩(wěn)定性概況

Ⅱ號(hào)排土場位于采場西南的上盤，地貌為單斜構(gòu)造，主要由變質(zhì)巖系地層構(gòu)成，屬侵蝕構(gòu)造中的高山地，其中排土場內(nèi)部地基基礎(chǔ)部分以泥灰?guī)r為主。Ⅱ號(hào)排土場屬溝谷型排土場，大氣降水是地表和地下水的主要補(bǔ)給來源。

隨著天氣變暖，溫度上升導(dǎo)致排土場內(nèi)部凍土層開始融化，內(nèi)部水壓增大導(dǎo)致土場的穩(wěn)定性降低。2014-04-10，Ⅱ號(hào)排土場發(fā)生泥石流，泥石流排泄區(qū)長100 m;排巖機(jī)工作區(qū)域出現(xiàn)多條長而寬的裂縫，局部區(qū)域出現(xiàn)大面積塌陷，長約350 m，寬160 m的范圍。必須引起重視，加大排土場邊坡的巡查力度，增強(qiáng)監(jiān)測預(yù)警技術(shù)的研究和應(yīng)用，提高排土場泥石流監(jiān)測預(yù)警的自動(dòng)化、智能化和信息化,加快土場監(jiān)測系統(tǒng)的建設(shè)進(jìn)度，通過科學(xué)的方法對(duì)土場變形進(jìn)行監(jiān)測。

2 排土場邊坡相似物理模型

2.1 排土場邊坡相似模型設(shè)計(jì)

本次實(shí)驗(yàn)以南芬露天鐵礦Ⅱ號(hào)全段高排土場為原型，采用物理模擬的方法研究Ⅱ號(hào)全段高排土場邊坡穩(wěn)定性及監(jiān)測方案，排土場相關(guān)參數(shù)見表1。排土場排渣的物理力學(xué)性質(zhì)是決定邊坡高度和邊坡角的關(guān)鍵性因素，而邊坡高度和邊坡角的大小又是影響邊坡穩(wěn)定性的重要因素，所以排渣的物理力學(xué)性質(zhì)對(duì)研究排土場邊坡穩(wěn)定性至關(guān)重要。根據(jù)Ⅱ號(hào)全段高排土場散體各粒級(jí)質(zhì)量分?jǐn)?shù)以及光纖監(jiān)測排土場變形的特點(diǎn)，通過選取相應(yīng)的物理指標(biāo)進(jìn)行模擬研究，排土場散體各粒級(jí)含量見表2。

表1 排土場邊坡相關(guān)參數(shù)Table 1 Relevant parameters of dump slope

表2 排土場散體各粒級(jí)含量Table 2 Content of each particle size of the dump

根據(jù)相似三定理，相似比按照如下公式計(jì)算:

式中，Lp為排土場相關(guān)實(shí)際尺寸(馮家東溝);Lm為相似物理模型相關(guān)尺寸;CL為相似比。

設(shè)置排土場邊坡相似模型高1 m，根據(jù)上式計(jì)算得相似比為1∶250，模型所用物料的最大粒徑為4 mm。按照現(xiàn)場篩分散體各粒級(jí)質(zhì)量分?jǐn)?shù)(表1)及相似比將南芬露天礦潛在滑動(dòng)面(帶)上廣泛分布的綠泥角閃巖取材破碎后進(jìn)行室內(nèi)實(shí)驗(yàn)配比。實(shí)驗(yàn)室級(jí)配表見表3。模型尺寸設(shè)定為2 m×2 m×1 m，其中坡頂尺寸2 m×0.5 m，坡角34°，如圖1所示。

表3 室內(nèi)試驗(yàn)各粒級(jí)質(zhì)量分?jǐn)?shù)Table 3 Indoor test of the content of each particle size

圖1 排土場邊坡相似模型尺寸Fig.1 Dimensions of similar model of dump slope

2.2 排土場邊坡相似模型變形監(jiān)測設(shè)備

本實(shí)驗(yàn)基于分布式光纖監(jiān)測原理和排土場邊坡破壞機(jī)理，采用直徑僅2 mm的光纖作為監(jiān)測設(shè)備展開Ⅱ號(hào)全段高排土場室內(nèi)物理模型實(shí)驗(yàn)研究。布里淵光時(shí)域分析儀(BOTDA)測量時(shí)主要是通過受激產(chǎn)生的布里淵散射光產(chǎn)生布里淵頻率漂移實(shí)現(xiàn)，產(chǎn)生漂移的原因在于光纖軸向溫度和應(yīng)變發(fā)生變化。BOTDA需在光纖兩端安置激光器，分別將連續(xù)光和脈沖光射入光纖，構(gòu)成監(jiān)測回路[25-26]。BOTDA各參數(shù)的設(shè)置見表4。

表4 光纖應(yīng)變分析儀的參數(shù)設(shè)置Table 4 Parameter settings for fiber strain analyzer

光纖鋪設(shè)示意圖如圖2所示(X方向?yàn)檫吰聝A向、Y方向?yàn)檫吰伦呦?、Z方向?yàn)檫吰鲁两捣较?，其中X方向布置2層，每層傳感光纖布置6根，下層(X1層)編號(hào)為X11～X16，監(jiān)測光纖線性長67 cm，上層(X2層)編號(hào)為X21～X26，監(jiān)測光纖線性長108 cm;Y方向布置2層，每層布置2根，上層(Y1層)編號(hào)為Y11，Y12，下層(Y2層)編號(hào)為Y21，Y22，監(jiān)測光纖線性長均為200 cm;Z方向布置2組共4根，編號(hào)分別為Z11，Z12,Z21，Z22監(jiān)測光纖線性長度為170 cm。

圖2 傳感光纖布置Fig.2 Sensing fiber arrangement

各傳感光纖的鋪設(shè)間距如圖3所示，每層X方向光纖間距360 mm，最外側(cè)光纖與模型邊界之間距離100 mm，X向光纖層間距220 mm;Y向光纖間離110 mm，Y向光纖層間距220 mm;Z1組光纖距離坡腳670 mm，且位于模型Y方向3等分點(diǎn)處，Z向2組光纖間距離426 mm。

圖3 光纖分布間距Fig.3 Fiber distribution spacing

2.3 排土場邊坡相似模型實(shí)驗(yàn)設(shè)置

根據(jù)《中國巖土工程勘察規(guī)范》(GB 50021—2001)和《中國土工試驗(yàn)規(guī)范》(SL237—99)，中國科學(xué)院巖土力學(xué)研究所于2014年4月進(jìn)行現(xiàn)場試驗(yàn),確定影響Ⅱ號(hào)排土場邊坡穩(wěn)定性的主要因素是大氣降水和排土荷載。所以，筆者選擇模擬不同堆載和降雨對(duì)邊坡變形的影響。堆載分為2階段5級(jí)，第1階段模擬汽車排土荷載，在坡頂3等分處設(shè)置2個(gè)排巖通道，分20，50，70 kg三級(jí)加載(JZ20,JZ50,JZ70);第2階段模擬排巖機(jī)排土荷載，在坡頂5等分處設(shè)置4個(gè)排巖通道，分100，140 kg兩級(jí)加載(JZ100,JZ140);分別測定堆載穩(wěn)定后光纖的變形。

在堆載穩(wěn)定的情況下模擬不同降雨條件對(duì)邊坡變形的影響，基于相似三定理與南芬露天鐵礦水文地質(zhì)條件計(jì)算得每小時(shí)降雨量v為60 L,模型降雨面積S為4 m2，求得室內(nèi)試驗(yàn)達(dá)到日最大降雨量時(shí)降雨時(shí)間t為

(1)

式中，t為降雨時(shí)間,h;p為日最大降雨量,83 mm。

計(jì)算得出達(dá)到日最大降雨量所需時(shí)間為5.5 h，故實(shí)驗(yàn)過程中根據(jù)當(dāng)?shù)亟涤昵闆r，分別進(jìn)行3 d連續(xù)降雨5.5 h，對(duì)比分析各傳感光纖的變形量。降雨及堆載設(shè)置如圖4所示。

圖4 降雨及堆載設(shè)置Fig.4 Setting of rainfall and heap loading

3 排土場邊坡模型實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 不同堆載條件下模型應(yīng)變分析

3.1.1X向光纖應(yīng)變分析

X向光纖應(yīng)變?nèi)鐖D5所示，隨著荷載的不斷增大，光纖整體拉伸應(yīng)變量逐漸增大，排土場不同位置的變形量也相應(yīng)變大。X1層光纖變形規(guī)律:在荷載施加位置正下方應(yīng)變量更加突出，其中X12，X13，X14號(hào)光纖的應(yīng)變量達(dá)到3 000×10-6左右，從應(yīng)變量最大處沿邊坡傾向應(yīng)變量逐漸減小并趨于穩(wěn)定。X2層光纖整體變化趨勢明顯，不同位置光纖的應(yīng)變量均隨荷載的增加而增大;X2層光纖距坡頂位置較X1層稍深，受荷載施加位置的影響相對(duì)較小，并未出現(xiàn)明顯應(yīng)變突變。

3.1.2Y向光纖應(yīng)變分析

圖5 不同加載條件下X向光纖應(yīng)變Fig.5 Strain of X-direction optical fiber under different loading conditions

Y向光纖應(yīng)變?nèi)鐖D6所示，光纖隨排土場巖土體的變形產(chǎn)生同步應(yīng)變，并且?guī)r土體在施加荷載的位置發(fā)生不均勻沉降，光纖受拉，應(yīng)變量為正;由于整個(gè)排土場巖土體可視為塑性體，在施加兩荷載之間的位置，巖土體將會(huì)受到擠壓的作用，光纖隨著受壓，應(yīng)變量為負(fù)。在施加三級(jí)荷載時(shí)，Y11，Y12，Y21，Y22光纖的最大應(yīng)變量分別為2 060×10-6，279×10-6，615×10-6，229×10-6，施加兩級(jí)荷載時(shí)，Y11，Y12，Y21，Y22光纖的最大應(yīng)變量分別為2 223×10-6，409×10-6，689×10-6，287×10-6。結(jié)果表明，邊坡走向上巖土體變形量離施加荷載位置越近則越大，反之則反。

3.1.3Z向光纖應(yīng)變分析

圖6 不同加載條件下Y向光纖應(yīng)變Fig.6 Strain of Y-direction optical fiber under different loading conditions

Z方向光纖應(yīng)變?nèi)鐖D7所示，在分別施加不同荷載的情況下測試光纖的應(yīng)變量，更直觀的反映排土場沉降量大小。圖7表明，隨著荷載的增大光纖的拉伸應(yīng)變量增加，排土場邊坡相似模型的沉降量也相應(yīng)地增長。

圖7 不同加載條件下Z向光纖應(yīng)變Fig.7 Strain of Z-direction optical fiber under different loading conditions

3.2 不同降雨條件下模型應(yīng)變分析

3.2.1X向光纖應(yīng)變分析

X向光纖在第1天至第3天降雨工況下應(yīng)變情況對(duì)比如圖8所示，從X1層光纖的應(yīng)變可得，傳感光纖應(yīng)變量關(guān)系為:降雨第1天>降雨第2天>降雨第3天。在降雨第1天時(shí)每根光纖不同位置均發(fā)生應(yīng)變突變，且X11和X16，X12和X15，X13和X14號(hào)光纖的應(yīng)變趨勢和突變位置基本一致。X2層傳感光纖應(yīng)變量和X1層表現(xiàn)出相同的演化規(guī)律。由于X2層光纖距荷載施加位置較遠(yuǎn)，傳感光纖整體應(yīng)變量相對(duì)于X1層光纖較小。

3.2.2Y向光纖應(yīng)變分析

Y向光纖應(yīng)變整體表現(xiàn)出與X向光纖相似的空間分布規(guī)律，由于Y向光纖與坡面位置平行，沿邊坡走向出現(xiàn)2個(gè)應(yīng)變突變點(diǎn)，突變位置沿光纖中點(diǎn)呈對(duì)稱分布，但Y22號(hào)光纖整體變化趨勢相對(duì)較平穩(wěn)，并未出現(xiàn)明顯的應(yīng)變突變處。由于Y22號(hào)光纖遠(yuǎn)離巖土體滑動(dòng)方向，靠近模型邊界，其所在部位的巖土體變形存在較大阻力，故其應(yīng)變量較小且平穩(wěn)，Y向光纖降雨3天工況下應(yīng)變?nèi)鐖D9所示。

3.2.3Z向光纖應(yīng)變分析

圖8 X向光纖降雨3 d綜合應(yīng)變Fig.8 X fiber integrated strain in the rain for three days

圖9 Y向光纖降雨3 d綜合應(yīng)變Fig.9 Y fiber integrated strain in the rain for three days

圖10 Z向光纖降雨3 d綜合應(yīng)變Fig.10 Z fiber integrated strain in the rain for three days

從圖10中Z向光纖應(yīng)變可得Z11和Z12，Z21和Z22應(yīng)變趨勢相近，光纖應(yīng)變突變處均出現(xiàn)在光纖余坡面的分界處，位置如圖11所示，但整體應(yīng)變量較小。

圖11 Z向光纖應(yīng)變突變位置Fig.11 Strain mutation location diagram of Z Fiber

3.3 滑動(dòng)面位置判斷

圖12為降雨前后物理模型同一位置處取樣后經(jīng)掃描電子顯微鏡(SEM)放大50倍得到顆粒間孔隙度的照片。由圖12可知，降雨前的孔隙度明顯小于降雨后。在降雨作用下，泥質(zhì)膠結(jié)物沖刷流失，砂巖顆粒間膠結(jié)作用減弱。降雨過程中細(xì)顆粒在粗顆粒間的孔隙中移動(dòng)，小裂縫在排土荷載作用下隨著顆粒的移動(dòng)逐漸形成，裂縫逐漸增多并最終貫通形成潛在的危險(xiǎn)滑動(dòng)面。但由于降雨量不足，并未形成滑坡。

表5為第1天降雨過程中各傳感光纖應(yīng)變突變情況匯總表，由表5可知第1天降雨中各光纖的應(yīng)變量均出現(xiàn)不同程度的增加。各傳感光纖關(guān)于Y向中軸對(duì)稱分布，所以各光纖的應(yīng)變量表現(xiàn)出對(duì)稱增長的規(guī)律。光纖應(yīng)變突變表明其所在位置的巖土體產(chǎn)生變形突變，綜合分析各光纖應(yīng)變，第1天降雨的時(shí)邊坡處于不穩(wěn)定狀態(tài)，形成潛在危險(xiǎn)滑動(dòng)面?；瑒?dòng)面形成過程如圖13所示，將各應(yīng)變突變位置坐標(biāo)在室內(nèi)物理模型實(shí)驗(yàn)三維示意圖中連接起來，可得最危險(xiǎn)的滑動(dòng)面位置如圖14所示。

圖12 降雨前后樣品電鏡掃描Fig.12 Sample electron microscopy scanning pictures before and after the rain

表5 各光纖應(yīng)變對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)Table 5 Corresponding data of each fiber strain

圖13 邊坡滑動(dòng)面形成過程Fig.13 Slope instability process

4 排土場邊坡堆載變形數(shù)值模擬分析

4.1 數(shù)值模型的建立

如圖15所示，為使數(shù)值模擬監(jiān)測數(shù)據(jù)與室內(nèi)試驗(yàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)在相似度上保持一致并進(jìn)行相互驗(yàn)證，數(shù)值模型尺寸采用與物理模型相同的尺寸。本次模擬根據(jù)實(shí)驗(yàn)加載過程進(jìn)行相似模擬，加載過程同樣分為2個(gè)階段5個(gè)工況，并根據(jù)室內(nèi)物理模型相關(guān)參數(shù)設(shè)置數(shù)值參數(shù)進(jìn)行彈性模型計(jì)算，生成符合實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場的應(yīng)力條件。彈性應(yīng)力場計(jì)算結(jié)果如圖16所示，數(shù)值參數(shù)見表6。

4.2 堆載變形數(shù)值模擬結(jié)果分析

4.2.1坡體穩(wěn)定階段

20，50 kg加載計(jì)算結(jié)果如圖17所示，計(jì)算穩(wěn)定后豎向位移最大值分別為0.09，0.62 mm;模型中下部穩(wěn)定區(qū)與上部應(yīng)變區(qū)分界明顯，但并未出現(xiàn)破壞現(xiàn)象。模型加載后在其剪切應(yīng)力場中表現(xiàn)出潛在剪切應(yīng)變貫通帶，潛在貫通帶通過加載點(diǎn)并呈圓弧狀分布。

4.2.2坡體內(nèi)部開裂

70 kg加載計(jì)算結(jié)果如圖18(a)所示，計(jì)算穩(wěn)定后坡體豎向變形為1.2 mm(加載點(diǎn)的沉降不計(jì)入最大值)，模型中下部穩(wěn)定區(qū)與上部應(yīng)變區(qū)分界明顯，但并未出現(xiàn)明顯破壞。模型加載后剪切應(yīng)力場中剪切應(yīng)變起始于頂部加載點(diǎn)位置，以加載點(diǎn)為中心產(chǎn)生的楔形變形向內(nèi)部擴(kuò)散，并且在2個(gè)加載點(diǎn)中右側(cè)加載點(diǎn)下部已經(jīng)形成弧形貫通面。說明該加載工況中，內(nèi)部的弧形破壞面由頂端至下部形成。

4.2.3坡體滑動(dòng)面擴(kuò)展

圖14 滑動(dòng)面Fig.14 Sliding surface

圖15 模型尺寸Fig.15 Model size

100 kg加載計(jì)算結(jié)果如圖18(b)所示，該工況4個(gè)加載點(diǎn)，加載點(diǎn)位置首先出現(xiàn)較大沉降與剪切應(yīng)變，坡體豎向變形為1.2 mm。說明雖然本次加載總荷載較大，但荷載作用在坡體內(nèi)部擴(kuò)散，并未對(duì)邊坡穩(wěn)定性起到嚴(yán)重破壞作用。在剪切應(yīng)變場中，中間2個(gè)加載點(diǎn)先出現(xiàn)剪切貫通帶，并在頂部加載位置出現(xiàn)擴(kuò)大的剪切區(qū)。

4.2.4坡體滑動(dòng)面貫通

140 kg加載計(jì)算結(jié)果如圖18(c)所示，同樣為4個(gè)加載點(diǎn)，加載點(diǎn)位置首先出現(xiàn)較大沉降與剪切應(yīng)變，坡體豎向變形為4 mm。本次加載后邊坡變形較大，出現(xiàn)明顯破壞現(xiàn)象，說明在該工況下邊坡失穩(wěn)。在模型剪切應(yīng)變場中，中間2個(gè)加載點(diǎn)先出現(xiàn)剪切貫通帶，且頂部加載位置出現(xiàn)擴(kuò)大的剪切區(qū)，但并未擴(kuò)展至模型表面。

5 工程尺度排土場邊坡穩(wěn)定性監(jiān)測方法設(shè)計(jì)

以Ⅱ號(hào)全段高排土場光纖監(jiān)測室內(nèi)物理模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果為依據(jù)，針對(duì)Ⅱ號(hào)全段高排土場排土現(xiàn)狀進(jìn)行大變形監(jiān)測方法設(shè)計(jì)。在邊坡坡頂平臺(tái)位置開挖溝槽，將分布式感測光纜和光纖監(jiān)測管埋設(shè)到邊坡體內(nèi)部。受排土荷載影響，若邊坡產(chǎn)生向下滑動(dòng)趨勢，在邊坡土體變形區(qū)域，光纜隨邊坡一起變形，從而產(chǎn)生拉伸變形。利用分布式光纖應(yīng)變測試儀，可以測試出光纜變形大小，圈定出邊坡體變形區(qū)域。如圖19所示，在Ⅱ號(hào)全段高排土場的排巖機(jī)軌道外側(cè)布置200 m測線進(jìn)行監(jiān)測。A，B測線開挖長度均為200 m，測線光纜兩端需各冗余20 m。

圖17 加載20，50 kg后豎向位移場及剪切應(yīng)變場Fig.17 Vertical displacement field and Shear strain field after loading of 20 kg and 50 kg

圖18 加載70，100,140 kg后豎向位移場及剪切應(yīng)變場Fig.18 Vertical displacement and Shear strain field after loading of 70,100 and 140 kg

圖19 邊坡變形監(jiān)測位置示意Fig.19 Slope deformation monitoring location map

根據(jù)監(jiān)測現(xiàn)場實(shí)際情況及監(jiān)測要求，盡量選取與邊坡頂部走向平行的監(jiān)測線路，標(biāo)明監(jiān)測區(qū)帶的端點(diǎn)，用生石灰粉進(jìn)行定線標(biāo)識(shí)出監(jiān)測線路。溝槽開挖后，將溝槽底部整平或在溝底鋪砂墊攤平壓實(shí);將平整放線且兩端預(yù)留足夠長度的光纖固定在溝底并加裝保護(hù)套，待上述工序完成后即可進(jìn)行回填并修筑監(jiān)測站。

6 結(jié) 論

(1)對(duì)模型尺度Ⅱ號(hào)全段高排土場開展堆載和降雨模擬實(shí)驗(yàn)，并對(duì)不同工況下監(jiān)測光纖得到的曲線進(jìn)行分析得排土場變形量與堆載的空間演化規(guī)律:排土場的變形量與堆載增量呈正相關(guān);但隨深度增加，堆載對(duì)模型變形量的影響逐漸減小，說明深度的增加使邊坡變形敏感度降低。排土場變形量與降雨量的時(shí)間演化規(guī)律:排土場在變形量與降雨時(shí)長呈負(fù)相關(guān)，與單位降雨時(shí)長(h)呈正相關(guān)，說明排土場在雨水持續(xù)沖刷下產(chǎn)生變形，但隨著降雨的進(jìn)行模型發(fā)生排水固結(jié)，變形量逐漸減小。

(2)排土場模型實(shí)驗(yàn)中堆載和降雨作用下排土場邊坡對(duì)稱分布監(jiān)測光纖的應(yīng)變量各具有相似的空間分布規(guī)律:X向中部產(chǎn)生突變且隨著深度增加應(yīng)變量波動(dòng)加劇，靠近臨空面與內(nèi)部的應(yīng)變趨于穩(wěn)定，隨著堆載增加模型內(nèi)部也產(chǎn)生不均勻變形。Y向監(jiān)測光纖應(yīng)變突變位置與模擬排巖堆載位置一致，精準(zhǔn)反映堆載在排土場內(nèi)部應(yīng)力擴(kuò)散帶來的影響。反映排土場模型沉降量的Z向監(jiān)測光纖在加載后隨即產(chǎn)生應(yīng)變，加載完成后Z向應(yīng)變達(dá)到穩(wěn)定并維持在同一水平。加載完成后降雨條件下X，Y，Z三向監(jiān)測光纖在早期降雨隨即做出整體應(yīng)變量突增的響應(yīng)，排土場邊坡吸水能力隨著降雨的持續(xù)進(jìn)行降低，長期降雨對(duì)邊坡變形帶來的影響逐漸降低。

(3)結(jié)合堆載及降雨作用下模型尺度排土場邊坡穩(wěn)定性監(jiān)測實(shí)驗(yàn)、堆載作用下的數(shù)值模擬結(jié)果和降雨影響下材料的電鏡結(jié)構(gòu)掃描結(jié)果可知:降雨影響下排土場邊坡泥質(zhì)膠結(jié)材料沖刷流失，顆粒間接觸力減小，排棄物間隙變大。堆載增加使降雨在邊坡內(nèi)部產(chǎn)生的潛在滑動(dòng)面擴(kuò)大最終形成貫通的滑動(dòng)面。

(4)監(jiān)測光纖組成排土場滑坡監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)后，測得應(yīng)變量的變化位置能精確反映排土場邊坡內(nèi)部變形量及沉降量變化過程，不僅為確定排土場邊坡內(nèi)部潛在滑動(dòng)面提供科學(xué)的實(shí)驗(yàn)依據(jù)，也可供工程尺度排土場邊坡失穩(wěn)監(jiān)測借鑒。