南芬露天礦滑坡機(jī)理及其動(dòng)態(tài)過程

王長軍，曹春暉，陶志剛

(1.本鋼歪頭山鐵礦，遼寧 本溪 117005；2.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；3.中國礦業(yè)大學(xué)(北京)力學(xué)與建筑工程學(xué)院，北京 100083)

隨著露天礦開采深度的增加，礦山邊坡面臨一系列地質(zhì)災(zāi)害問題[1-2]，比如滑坡、泥石流、崩塌、沉降、臺(tái)階失穩(wěn)等?；率锹短斓V邊坡常見的地質(zhì)災(zāi)害，往往會(huì)造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失和人身財(cái)產(chǎn)損失?；录航?jīng)成為影響礦山安全生產(chǎn)和長久健康運(yùn)營的重要災(zāi)害問題，迫切需要對露天礦滑坡的機(jī)理和動(dòng)力學(xué)過程做更深入的研究。

國內(nèi)外學(xué)者對不同的露天礦滑坡機(jī)理進(jìn)行了分析研究，開挖擾動(dòng)、凍融循環(huán)、降雨、地震等是露天礦滑坡發(fā)生的主要原因[3-6]。多數(shù)研究僅考慮其中一種或少數(shù)幾種因素，滑坡機(jī)理缺少系統(tǒng)性綜合分析。另外，對露天礦滑坡的動(dòng)力學(xué)全過程分析相對較少。受前人研究的啟發(fā)，本文以2019年1月4日發(fā)生在南芬露天礦下盤394～502 m臺(tái)階中部老滑坡體區(qū)域的滑坡為例，對其機(jī)理進(jìn)行研究。結(jié)合現(xiàn)場勘查、地質(zhì)資料，并采用光滑粒子流體動(dòng)力學(xué)(SPH)方法結(jié)合Mohr-Coulomb彈塑性模型，建立三維數(shù)值計(jì)算模型，對露天礦滑坡進(jìn)行動(dòng)力學(xué)全過程分析，以了解其運(yùn)動(dòng)過程。SPH方法[7]最初用來研究天體物理的運(yùn)行規(guī)律，并逐漸應(yīng)用于流體力學(xué)、固體力學(xué)、沖擊爆炸等領(lǐng)域。作為一種無網(wǎng)格純拉格朗日方法，SPH方法在處理大變形問題如滑坡時(shí)具有獨(dú)特優(yōu)勢，在巖土工程領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，并取得了一系列進(jìn)展[8-9]。相對于有限元等方法，SPH方法由于無網(wǎng)格，可以避免大變形過程中產(chǎn)生的網(wǎng)格畸形等問題。而一些離散元方法，在處理像露天礦滑坡這類工程尺度的大變形問題時(shí)，對計(jì)算機(jī)內(nèi)存等要求較高，計(jì)算效率面臨挑戰(zhàn)。SPH方法以其高效率和可靠性，可以很好地再現(xiàn)露天礦滑坡的全過程，并根據(jù)數(shù)值結(jié)果為露天礦邊坡劃定危險(xiǎn)區(qū)域，制定防災(zāi)減災(zāi)措施，為露天礦安全生產(chǎn)和運(yùn)營提供指導(dǎo)性建議。

1 滑坡背景

1.1 滑坡介紹

本溪市南芬露天鐵礦是亞洲最大的單體露天礦山。近20年來，在特殊地形和長期礦山開采綜合影響下，采場下幫邊坡發(fā)生過多次滑坡，壓礦1 000多萬t，嚴(yán)重影響了礦山的正常開采。

2019年1月4日在南芬露天礦下盤394～502 m臺(tái)階中部老滑坡體區(qū)域發(fā)生滑坡，見圖1。滑體對礦山安全作業(yè)帶來了嚴(yán)重影響。由于及時(shí)預(yù)警，所幸未造成人身和設(shè)備損失，但滑落的碎石破壞了部分排水管路，阻擋了采礦車輛的正常出入，影響了正常的開采作業(yè)。本次滑坡體積大約為86 400 m3。露天礦邊坡整體較陡，滑坡體滑動(dòng)方向約為264°?；麦w厚度小于10 m，屬于淺層滑坡?；略磪^(qū)上部寬度約為50 m，下部寬度約為140 m，上下垂直落差大約110 m。 滑坡傳播區(qū)垂直落差大約120 m，底部寬度約為240 m。露天鐵礦滑坡源區(qū)為老滑坡體堆積區(qū)，老滑坡發(fā)生后滑坡體整體呈松散狀態(tài)掛靠于邊坡上。老滑坡體堆積層主要為碎石土，整體穩(wěn)定性較低，在爆破振動(dòng)，開挖、降雨、凍融等因素下極易發(fā)生滑坡。

圖1 滑坡特征Fig.1 Feature of the landslide

1.2 地質(zhì)和氣象水文資料

南芬礦區(qū)位于華北地臺(tái)遼東臺(tái)背斜營口-寬甸隆起的北緣太子河凹陷之中，新華夏系第二隆起與東西天山-陰山構(gòu)造帶的交匯處。地貌為單斜構(gòu)造，主要由變質(zhì)巖地層組成，屬中高山侵蝕構(gòu)造地貌。礦區(qū)內(nèi)廣泛發(fā)育太古界鞍山群，其次為元古界遼河群和震旦系地層及新生界第四系地層。南芬露天鐵礦屬于大型鞍山式沉積變質(zhì)鐵礦，含鐵巖段主要賦存于太古界鞍山群，表現(xiàn)為單斜構(gòu)造。

該區(qū)域水文網(wǎng)絡(luò)不發(fā)育。冬天降雨不多，夏季降雨量增加，河水變得豐富。大氣降水是地表水和地下水的主要來源。年平均降雨量、最大降雨量和最小降雨量分別為848～856 mm、1 259.8 mm和518.5 mm。汛期降雨量占全年降雨量的70%。 該區(qū)地處北溫帶季風(fēng)氣候區(qū)，四季分明。 年平均氣溫為7.7～8.2 ℃，最低氣溫為-24 ℃。 霜期(降雪期)一般為11月下旬至次年3月，最大凍結(jié)深度為1.49 m。

1.3 滑坡體土體成分

南芬露天礦下盤滑坡源主要為老滑坡堆積體，這些堆積的碎石土主要成分為礫石、塊石、礦石碎屑、細(xì)砂和黏土。老滑坡堆積體碎石土的主要巖性為底盤角閃巖、綠泥片巖、綠泥角閃片巖等。碎石土黏度較低，顆粒強(qiáng)度高，水穩(wěn)定性好。經(jīng)過現(xiàn)場勘查，結(jié)合室內(nèi)和室外試驗(yàn)，給出滑坡源松散堆積物的各級顆粒含量，見表1。

表1 不同級別顆粒組成情況Table 1 Composition of different grades of particles

2 滑坡機(jī)理分析

南芬露天礦年度剝巖量和鐵礦石開采量巨大，經(jīng)過長年的開采，逐漸形成了超高邊坡。這些高邊坡在自重、降雨、爆破振動(dòng)、機(jī)械開挖等因素作用下，其穩(wěn)定性逐漸降低，并成為礦區(qū)安全生產(chǎn)的重大隱患[10]。露天礦上盤邊坡以逆傾向巖體為主，下盤邊坡則以順傾向巖體為主。在特殊地形和長期礦山開采綜合影響下，采場下幫邊坡形成了多處較大規(guī)模的滑坡體；其中，下盤394～502 m臺(tái)階中部老滑坡體區(qū)域，由于其為散體堆積體，穩(wěn)定性較差，成為滑坡研究的重點(diǎn)區(qū)域。在2019年1月4日滑坡發(fā)生前，該區(qū)域曾發(fā)生明顯的變形；其中，在502臺(tái)階出現(xiàn)長度約為6 m的裂縫，最寬處20～30 cm(圖2(a))。主裂縫附近伴有數(shù)條寬度2～20 mm的細(xì)小裂縫，長度不等，這些裂縫使得降雨入滲變得容易。在降雨、振動(dòng)及自重等作用下，這些裂紋逐漸擴(kuò)展，使得降雨入滲進(jìn)一步增強(qiáng)，邊坡穩(wěn)定性逐漸降低。另外，在滑坡發(fā)生前，502 m臺(tái)階滑移量為7～8 m(圖2(b))。

“滑坡牛頓力空地監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)”是深部巖土力學(xué)與地下工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室何滿潮院士團(tuán)隊(duì)自主研發(fā)的滑坡監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)。該系統(tǒng)集滑坡監(jiān)測、預(yù)警、支護(hù)加固等技術(shù)為一體。牛頓力[11]的變化可以作為判斷災(zāi)變發(fā)生的條件來對滑坡進(jìn)行預(yù)警，可以得到較為準(zhǔn)確的滑坡臨滑信息。從本文滑坡發(fā)生前的牛頓力監(jiān)測曲線(圖2(c))變化可以看出，在2019年1月3日，牛頓力出現(xiàn)突變，指示滑坡可能即將發(fā)生；1月4日滑坡發(fā)生，驗(yàn)證了牛頓力監(jiān)測系統(tǒng)的可靠性。

圖2 滑坡前兆與滑坡牛頓力監(jiān)測曲線Fig.2 Landslide precursor and Newton force monitoring curve of landslide

露天礦邊坡的穩(wěn)定性往往受到開挖巖石結(jié)構(gòu)地質(zhì)的顯著影響，如層理、節(jié)理和斷層，這些不連續(xù)面經(jīng)過爆破振動(dòng)、風(fēng)化等活動(dòng)逐漸破碎成更小的塊體顆粒。這些破碎的碎石土一部分堆積在邊坡臺(tái)階上，一部分成為老滑坡體的堆積體。老滑坡體堆積在露天礦臺(tái)階上，結(jié)構(gòu)松散，穩(wěn)定性差。

巖質(zhì)邊坡的開挖通常涉及爆破。露天礦爆破的基本要求是產(chǎn)生一個(gè)碎渣堆，以適應(yīng)挖掘作業(yè)以及運(yùn)輸設(shè)備。在多層理、節(jié)理和高裂隙巖石中，爆炸氣體噴入、楔入并擴(kuò)展原有的裂縫?？傮w破碎程度受構(gòu)造地質(zhì)控制。在爆破過程中，受施工技術(shù)等多方面制約，臺(tái)階完整性和穩(wěn)定性會(huì)隨著爆破振動(dòng)而降低。而老堆積體的松散巖體，受爆破振動(dòng)影響，內(nèi)部構(gòu)造會(huì)受到擾動(dòng)，并處在一個(gè)不斷變化調(diào)整的過程。在爆破振動(dòng)作用下，老堆積體內(nèi)的碎石土?xí)饾u松散，其穩(wěn)定性亦隨之逐漸降低，當(dāng)土體內(nèi)部塊石之間的互鎖作用減弱，土體黏聚力和摩擦力降低到某一值時(shí)，滑坡就會(huì)發(fā)生。

坡腳開挖及臺(tái)階碎石土的清理，會(huì)降低露天礦邊坡穩(wěn)定性。在老滑坡體下部開挖或清理臺(tái)階碎石土?xí)r(清理浮石，圖3)，上部土體失去一部分阻擋和支持作用，坡腳開挖處的部分臨空土體受到擾動(dòng)而滑落，并牽拉上部土體，當(dāng)上部土體的自重產(chǎn)生的下滑力大于抵擋下滑作用的摩擦阻力時(shí)，滑坡隨之發(fā)生。

圖3 浮石清理Fig.3 Cleaning of float stone

降雨通常被認(rèn)為是滑坡最關(guān)鍵的誘發(fā)因素[16]。老滑坡體內(nèi)含有細(xì)顆粒物，這些細(xì)顆粒物可以吸收水分，部分顆粒遇水膨脹，使得土體的持水能力增強(qiáng)。老滑坡堆積體內(nèi)的水分可以降低顆粒間的摩擦力。在沖刷和滲透作用下，細(xì)顆粒會(huì)在骨架中遷移并被雨水帶走，粗顆粒物之間的間隙增大，從而改變原土體結(jié)構(gòu)，而降雨入滲變得更加容易。當(dāng)有持續(xù)降水時(shí)，土體內(nèi)部的水壓力不斷增大，導(dǎo)致排土場土體抗剪強(qiáng)度和穩(wěn)定性下降，并誘發(fā)滑坡的發(fā)生。此外，凍融也是導(dǎo)致滑坡發(fā)生一個(gè)原因。凍土層的膨脹會(huì)使土體局部隆起；當(dāng)凍土層融化時(shí)，會(huì)引起土體收縮。這種膨脹和收縮導(dǎo)致排土場局部損傷、薄弱面和裂縫的增長和擴(kuò)展。最后，坡面出現(xiàn)不均勻的崩塌和沉降。土體內(nèi)部的某些凍土層在某些條件下成為軟弱面或者潛在滑動(dòng)面，在自重或外部荷載擾動(dòng)下，滑坡可能會(huì)發(fā)生。綜上所述，南芬露天礦排土場滑坡是爆破振動(dòng)、坡腳開挖、降雨、凍融等綜合作用下發(fā)生的。綜合理解滑坡機(jī)理，對于制定露天礦防災(zāi)減災(zāi)措施具有重要意義。

3 滑坡動(dòng)力學(xué)全過程分析

3.1 SPH理論和Mohr-Coulomb模型

SPH法[13]是將計(jì)算域離散成一定數(shù)量的粒子，每個(gè)粒子占據(jù)一定質(zhì)量和體積，并攜帶密度、速度、加速度和壓力、應(yīng)力等物理參數(shù)。對于域內(nèi)任意的函數(shù)f(x)，其核近似形式可以表示為式(1)[17]。

(1)

式中：h為平滑長度；W為平滑函數(shù)。

滑坡過程中，粒子的運(yùn)動(dòng)和質(zhì)量守恒的控制方程可以寫成式(2)和式(3)。

(2)

(3)

式中：ρ、vα、t、σαβ、xβ和fα分別為密度、速度、時(shí)間、應(yīng)力張量、位置和體力；α和β為笛卡爾坐標(biāo)方向。

老滑坡體為松散巖土顆粒，本研究采用彈塑性Mohr-Coulomb本構(gòu)模型來研究其力學(xué)特性，其本構(gòu)模型可以用三個(gè)不變量來表示，見式(4)。

f(I1,J2,J3)=Rmcq-ptanφ-c=0

(4)

其流動(dòng)勢函數(shù)g可以表示為式(5)[18]。

(5)

式中：I1為應(yīng)力第一不變量；J2和J3分別為偏應(yīng)力第二不變量和第三不變量；φ為材料摩擦角；c為黏聚力；p為等效壓應(yīng)力；q為Mises等效應(yīng)力；為子午線偏心率，它定義了雙曲函數(shù)接近漸近線的速率；c0為初始黏聚力屈服應(yīng)力；ψ為在高圍壓下在p-Rmwq平面上測得的膨脹角；Rmc和Rmw為分別為和φ以及ψ有關(guān)的函數(shù)。通過引入應(yīng)力張量和應(yīng)變率張量的加法分解以及塑性屈服理論，并經(jīng)過一系列計(jì)算(推導(dǎo)過程參考[19])，SPH形式的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系可以表示為式(6)。

(6)

3.2 滑坡動(dòng)力學(xué)過程數(shù)值模擬

露天礦邊坡因其規(guī)模較大，研究人員常常采用數(shù)值方法研究其穩(wěn)定性。為了清楚地了解露天礦滑坡動(dòng)力學(xué)過程，本文選取2019年1月4日發(fā)生在南芬露天礦下盤394～502 m臺(tái)階中部老滑坡體區(qū)域的滑坡為例，建立數(shù)值模型并進(jìn)行全過程分析。邊坡巖體相對比較完整，其黏聚力為20 740 kPa，摩擦角為37°。而附著在邊坡表面的老滑坡堆積體為松散的碎石土，其黏聚力大大降低，而摩擦角也適當(dāng)減小。南芬露天礦排土場滑坡土體形態(tài)、粒徑和該露天礦邊坡老滑坡堆積體亦較為接近。參考南芬露天礦排土場發(fā)生的滑坡土體的黏聚力和摩擦角，并根據(jù)中國科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所進(jìn)行的室內(nèi)和現(xiàn)場試驗(yàn)，結(jié)合露天礦工程地質(zhì)資料，并根據(jù)試錯(cuò)法獲得使數(shù)值模擬結(jié)果和實(shí)際滑坡相符的力學(xué)參數(shù)(表2)。

表2 SPH滑坡模型材料屬性Table 2 Material properties of the SPH model

露天礦滑坡SPH數(shù)值模型尺寸如圖4所示?；麦w上部寬50 m，下部寬140 m，上下垂直落差為105 m。整個(gè)模型尺寸為：長412 m，寬300 m，高288 m。圖4中深色部分為滑坡源，在數(shù)值計(jì)算開始時(shí)自動(dòng)轉(zhuǎn)換成粒子，粒子總數(shù)為15 839。采用ABAQUS/Explicit計(jì)算，計(jì)算時(shí)長為100 s。

圖4 SPH滑坡模型尺寸Fig.4 Model size of the landslide by the SPH method

模型邊界條件施加如下：限制模型左右兩側(cè)Z方向的位移；限制模型前后兩側(cè)X方向位移；限制模型下方三個(gè)方向的位移。整個(gè)模型施加重力荷載?；峦馏w和邊坡巖體直接設(shè)置通用接觸，并設(shè)置摩擦系數(shù)為0.75，以模擬實(shí)際接觸情況。

圖5為露天礦滑坡的真實(shí)形態(tài)和SPH數(shù)值模擬得到的形態(tài)。由圖5可知，數(shù)值模擬形態(tài)和真實(shí)形態(tài)比較吻合。松散巖土體在露天礦邊坡臺(tái)階上向下滑動(dòng)，滑動(dòng)形態(tài)呈倒V字形。由數(shù)值結(jié)果可知，SPH模型可以很好地模擬露天礦滑坡，并可以根據(jù)模擬結(jié)果滑動(dòng)危險(xiǎn)區(qū)域范圍，為露天礦邊坡制定防災(zāi)減災(zāi)策略。

圖5 真實(shí)滑坡與SPH模擬對比Fig.5 Comparison between real landslide and SPH simulation

為了更好地了解露天礦滑坡動(dòng)力學(xué)全過程，選取t=0 s、10 s、20 s、30 s、50 s和100 s來分析不同時(shí)刻的滑坡形態(tài)，如圖6所示。由圖6可知，土體顆粒大概在t=20～30 s時(shí)滑動(dòng)到最低處臺(tái)階上；從t=50 s起，滑坡形態(tài)不再有很大變化，表明滑坡逐漸趨于停止。另外，從圖6可以清晰看出，粒子在滑坡運(yùn)動(dòng)過程中逐漸向兩側(cè)擴(kuò)散，這使得滑坡的最終形態(tài)呈現(xiàn)近似三角形，這與實(shí)際情況相符。

為了了解滑坡過程中土體顆粒的位移信息，露天礦滑坡在t=0 s、10 s、20 s、30 s、50 s和100 s的位移云圖如圖7所示。圖7顯示位移在中間線位置處為最大，并呈現(xiàn)出左右對稱的分布形式。

圖7 露天礦滑坡的總位移云圖Fig.7 Total displacement(U-Magnitude) contour of the landslides for the full high waste dump

圖8給出了露天礦滑坡從t=1 s到t=100 s的速度云圖。由圖8可知，粒子經(jīng)歷了先加速后減速至零的過程。從圖8(d)和8(e)對比發(fā)現(xiàn)，粒子的速度云圖形態(tài)基本一致，但是圖8(e)上顯示帶有速度的粒子個(gè)數(shù)明顯比圖8(d)的數(shù)量少。其原因是，粒子在露天礦邊坡上向下滑動(dòng)時(shí)，一部分粒子存留在了臺(tái)階上，這使得滑動(dòng)層變薄，進(jìn)而使得圖8(e)中的顯示帶有速度的粒子數(shù)目明顯減少。在實(shí)際露天礦滑坡過程中，土體一邊下滑一邊在各級臺(tái)階上堆積。數(shù)值模擬結(jié)果和實(shí)際滑坡表現(xiàn)出了很好的一致性。

圖8 露天礦滑坡的速度云圖Fig.8 Velocity (V-Magnitude) contour of the landslides for the full high waste dump

總的來說，SPH方法憑借其自身的高計(jì)算效率和占用較低計(jì)算機(jī)內(nèi)存等優(yōu)勢，對于描述露天礦滑坡等大變形問題是很適用的。在本文中，結(jié)合SPH方法與Mohr-Coulomb彈塑性理論，將南芬露天礦邊坡老滑坡松散體離散成一系列粒子，這些粒子攜帶了代表散體顆粒的位置、密度和速度等信息，可以完整地描述老滑坡體在自重、降雨、凍融及振動(dòng)等作用下的動(dòng)態(tài)滑動(dòng)過程。該方法可以獲得任意時(shí)刻、任意位置粒子的速度、位移、能量耗散等信息，借此可以全面了解露天礦邊坡滑坡的動(dòng)態(tài)全過程。數(shù)值結(jié)果也可以幫助更好地了解滑坡機(jī)理。SPH方法屬于無網(wǎng)格法，可以避免出現(xiàn)網(wǎng)格畸形而導(dǎo)致的計(jì)算不收斂問題。除了計(jì)算效率高之外，其可靠性亦能得到保障，如圖6所示，SPH計(jì)算得到的滑坡形態(tài)和范圍非常接近實(shí)際滑坡形態(tài)。另外，滑動(dòng)距離和速度等信息同樣可以按要求在數(shù)值模擬結(jié)果中予以顯示(圖7和圖8)。數(shù)值計(jì)算結(jié)果可以為露天礦邊坡滑坡災(zāi)害提供一些防治減災(zāi)策略，并可以根據(jù)數(shù)值結(jié)果中滑坡形態(tài)和范圍為滑坡災(zāi)害劃定范圍，提前制定防治減災(zāi)措施，比如對邊坡進(jìn)行加固支護(hù)等，以保障露天礦的安全運(yùn)營。不過，在SPH方法中，露天礦邊坡老滑坡體被視為單一物質(zhì)，未考慮老滑坡體內(nèi)的弱面、空隙和水壓力等影響。在以后的研究中，如果考慮流固耦合等問題，可能會(huì)使得計(jì)算精度進(jìn)一步提高，但計(jì)算效率可能會(huì)受到一定程度的影響。因次，在SPH方法中更加真實(shí)地描述露天礦邊坡物質(zhì)組成，以及如何保障高計(jì)算效率，將是下一步的研究重點(diǎn)。

4 結(jié) 論

1) 本研究以露天礦下盤394～502 m臺(tái)階中部老滑坡體區(qū)域的滑坡為例，對其機(jī)理進(jìn)行了研究。老堆積體的自身穩(wěn)定性較低，開挖或爆破振動(dòng)、降雨和凍融作用是導(dǎo)致滑坡的最主要原因。

2) 采用SPH方法結(jié)合彈塑性Mohr-Coulomb模型對露天礦滑坡進(jìn)行動(dòng)力學(xué)全過程模擬，數(shù)值結(jié)果在滑動(dòng)距離、形態(tài)和范圍等方面與實(shí)際滑坡表現(xiàn)出較好的一致性。SPH方法可以用來描述露天礦滑坡動(dòng)力學(xué)過程。

3) SPH數(shù)值結(jié)果可以為露天礦滑坡劃定危險(xiǎn)范圍，為礦山安全運(yùn)營提供防治減災(zāi)的指導(dǎo)性建議。