黃土溝壑基底排土場滑坡的空間演化機制

王 東 ，張 巖 ，李廣賀 ，邢曉宇

（遼寧工程技術(shù)大學(xué) 礦業(yè)學(xué)院, 遼寧 阜新 123000）

0 引 言

外排土場是露天開采的必然產(chǎn)物，其穩(wěn)定性是影響露天煤礦安全生產(chǎn)的重要因素。由于特殊的地形地貌條件，我國中西部的一些露天煤礦將排土場建立在溝壑發(fā)育的黃土基底上，形成了基底軟弱、形態(tài)極其復(fù)雜的黃土溝壑基底排土場[1-3]。在我國平朔安太堡露天煤礦南排土場、黑岱溝露天煤礦陰灣排土場等多個黃土溝壑基底排土場均發(fā)生過滑坡，黃土溝壑基底的空間演化機制成為這類滑坡的主控因素，嚴重威脅著露天煤礦安全、高效生產(chǎn)[4-5]。由于溝壑縱橫交錯的復(fù)雜基底形態(tài)使得無法準確判斷排土場的潛在滑坡模式，更無法準確計算其穩(wěn)定性[6-7]，忽略基底形態(tài)與巖性因素設(shè)計的排土場邊坡往往與實際有較大偏差。因此，隨著我國中西部煤炭資源的逐步開發(fā)利用，這種特殊基底條件下的排土場對露天煤礦安全生產(chǎn)的影響日漸突出，其變形破壞的空間演化規(guī)律與穩(wěn)定性已成為露天礦邊坡工程領(lǐng)域的亟待解決的技術(shù)難題。

目前關(guān)于排土場穩(wěn)定性研究仍廣泛采用極限平衡法[8-11]與數(shù)值模擬技術(shù)[12-13]，少量采用模型試驗手段[14]和監(jiān)測手段[15]。如曹蘭柱等[16]基于極限平衡法與數(shù)值模擬方法，揭示了不同基底傾角條件下排土場邊坡穩(wěn)定性變化規(guī)律，分析了軟弱傾斜復(fù)合基底排土場邊坡失穩(wěn)機理；趙洪寶等[17]利用塊體堆積散體邊坡穩(wěn)定性模擬試驗裝置，對排土場穩(wěn)定性進行相似模擬試驗，對比分析了不同塊體組成與振動頻率條件下邊坡穩(wěn)定性狀態(tài)及滑坡啟動模式；崔春曉等[18]基于GNSS 在線監(jiān)測技術(shù)，綜合分析邊坡變形監(jiān)測數(shù)據(jù)，對排土場邊坡的安全狀態(tài)及穩(wěn)定性進行評價。在以往的排土場穩(wěn)定性分析中，廣泛采用二維極限平衡法，不適用基底形態(tài)復(fù)雜的排土場穩(wěn)定性分析；邊坡三維穩(wěn)定性計算方法盡管考慮了邊坡的空間效應(yīng)，但各種方法適用條件嚴格；三維數(shù)值模擬方法不僅能動態(tài)模擬排土場邊坡破壞過程，而且能大致確定滑面的位置和形態(tài)。因此，對于黃土溝壑基底排土場的變形破壞問題，采用三維數(shù)值模擬方法更合適。

筆者以準能公司黑岱溝排土場為工程背景，借助FLAC3D有限差分軟件，研究排土場變形破壞的空間演化過程，確定黃土溝壑基底排土場的滑坡模式及滑坡區(qū)域，為黑岱溝排土場邊坡治理提供技術(shù)參考，為類似條件排土場穩(wěn)定性研究提供借鑒。

1 排土場工程地質(zhì)概況

黑岱溝排土場位于鄂爾多斯高原東北部，地表由厚層第四系黃土覆蓋。本區(qū)樹枝狀河谷和沖溝非常發(fā)育，致使臺狀高原被嚴重切割，溝壑縱橫，地形支離破碎，形成具緩梁溝谷和高梁谷地形的塬丘地貌。排土場境界內(nèi)地勢南高北低，由南向北形成箕斗狀，內(nèi)部沖溝向位于排土場南北中軸線的主溝匯集，由北口匯出，如圖1a 所示?；鶐r面總體產(chǎn)狀為北傾，傾角5°左右，近似箕斗形態(tài)，如圖1b 所示。顯然，基底與基巖的賦存條件不利于排土場的穩(wěn)定，易向東北方向滑動。

排土場巖土層自下而上可劃分為風化基底層，第四系粉土、黏土層，排棄物料。淺部風化基巖主要為砂巖、泥巖，表層有一層高嶺土，厚度不等。第四系粉土層厚0～56.8 m，上部結(jié)構(gòu)較松散，土質(zhì)均勻，具大孔隙，垂直節(jié)理發(fā)育；下部塊狀結(jié)構(gòu)，屬干硬狀態(tài)的中低壓縮性土，遇水易崩解。黏土層厚0～4.0 m，塊狀結(jié)構(gòu)，土質(zhì)均勻、密實，黏土質(zhì)膠結(jié)，水化能力較強。各地層巖土體物理力學(xué)指標見表1。

表1 巖土體物理力學(xué)指標Table 1 Physical and mechanical indices of rock and soil mass

排土場周圍有重要的建、構(gòu)筑物，排土場的東幫緊鄰儲煤場、北幫距選煤廠150 m、西幫附近設(shè)有礦山公路（圖1c），一旦發(fā)生滑坡將直接影響著露天礦的安全生產(chǎn)，威脅著人員設(shè)備安全。

2 黃土溝壑基底的破壞機理分析

排土場常見的滑坡模式有沿基底面、基底內(nèi)弱層或基巖頂板發(fā)生的組合滑動，還有剪切基底內(nèi)土層發(fā)生的圓弧滑坡[19]（圖2）。上述滑坡模式均是針對基底或基巖面形態(tài)較規(guī)則的常規(guī)條件下，對于黃土溝壑基底排土場，滑坡必然會有新的模式。按照巖體力學(xué)中的斷續(xù)結(jié)構(gòu)面理論[20]，存在溝壑的基底面可視為一起伏無充填結(jié)構(gòu)面（圖3），且黃土本身抗剪強度小，黃土層較厚，各位置形態(tài)差異較大，在排土場載荷與剪切作用下會形成啃斷與爬坡效應(yīng)，即當排土場邊坡發(fā)生滑坡時，溝壑基底凸出部分可能被剪斷，滑面僅切過部分黃土形成非規(guī)則曲面滑動（圖4）。

圖2 排土場潛在的滑坡模式分析Fig.2 Analysis of potential landslide mode of dump

圖3 溝壑基底排土場結(jié)構(gòu)模型Fig.3 Structure model of gully basement dump

圖4 溝壑基底排土場潛在的滑坡模式分析Fig.4 Potential landslide mode analysis of gully basement dump

3 排土場滑坡空間演化機制數(shù)值模擬

數(shù)值模擬采用FLAC3D有限差分元軟件，該軟件共內(nèi)置了12 種彈塑性材料的本構(gòu)模型以及5 種計算模式，將多種計算模式耦合可用來解決復(fù)雜工程力學(xué)特性問題[21]。鑒于研究對象是松散土體，在計算分析中選用摩爾-庫倫本構(gòu)模型，同時考慮剪切和拉伸2 種破壞機制，以位移不收斂作為滑坡判據(jù)，基于FLAC3D內(nèi)嵌的Fish 語言程序自編強度折減命令流，保存每一步折減后的數(shù)據(jù)信息，設(shè)置折減步長為0.01。通過分析失穩(wěn)過程中的位移、變形等信息揭示黃土溝壑基底排土場滑坡的空間演化機制。

3.1 模型建立

為盡可能真實反映黃土溝壑基底排土場滑坡的空間演化機制，三維模型按1∶1 比例進行構(gòu)建，模型東西寬1 200 m、南北長1 100 m，單元類型為8 節(jié)點，四面體單元。模型的底部邊界設(shè)置垂直約束，四周邊界設(shè)置水平約束，即垂直、水平位移為0，模型的頂部和坡面為自由面，加載方式為重力加載。模型各地層巖性從下至上分別為：風化砂巖、第四系粉土及黏土、排棄物料，數(shù)值模擬模型如圖5 所示。

圖5 數(shù)值模擬模型Fig.5 Numerical simulation model

3.2 數(shù)值模擬結(jié)果及分析

邊坡穩(wěn)定性求解采用強度折減法，其原理是循環(huán)折減巖土體的抗剪強度指標直到邊坡剛好處于臨界破壞狀態(tài)[22]。通過分析折減系數(shù)與邊坡最大位移的關(guān)系曲線可知（圖6），折減系數(shù)從1.7 到1.8 的過程中，排土場和基底的最大位移均發(fā)生了突變，邊坡的穩(wěn)定系數(shù)為1.8。

圖6 折減系數(shù)與最大位移關(guān)系曲線（基底巖土體先于排土場巖土體發(fā)生破壞）Fig.6 Relation curve between reduction coefficient and maximum displacement (failure of basement rock mass occurs before that of dumping site)

圖7、圖8 分別為排土場和溝壑基底的最大位移云圖與矢量場，可用于分析排土場滑坡的空間演化機制。由圖6、圖7、圖8 可知，當折減系數(shù)為1.0 時，邊坡整體未發(fā)生明顯的位移變形，排土場和基底均受自重作用產(chǎn)生垂直位移，排土場下方的基底在排土場的擠壓作用下位移相對較大；折減系數(shù)從1.0～1.4 的過程中，邊坡上部巖體發(fā)生變形，在排土場上部出現(xiàn)兩個位移相對較大的區(qū)域，基底土體在南北中軸線兩側(cè)的坡腳處發(fā)生變形，但此時邊坡的最大位移相對較??；折減系數(shù)從1.4～1.7 的過程中，最大位移呈近線性增加，在邊坡上部巖體變形的推動作用下，中、下部巖體發(fā)生變形，受溝壑基底形態(tài)的影響，南北中軸線兩側(cè)的變形區(qū)向北部坡底擴展，形成類橢球形的變形區(qū)，同時基底土體在中軸線上的坡腳處發(fā)生位移變形；折減系數(shù)從1.7～2.1 的過程中，變形區(qū)的整體形態(tài)未發(fā)生較大變化，其范圍進一步擴大，最大位移加速增加，位移突變折減結(jié)束，排土場和基底土體最終變形區(qū)范圍分別如圖7 和圖8 所示。

圖7 排土場最大位移云圖與矢量場Fig.7 Maximum displacement nephogram and vector field of the dump

圖8 溝壑基底最大位移云圖與矢量場Fig.8 Maximum displacement nephogram and vector field of gully basement

分析各剖面基底最大位移云圖可知（圖9），剖面A、B、C的滑體均在基底黃土層內(nèi)，其滑坡模式為剪斷部分黃土形成非規(guī)則曲面滑動；由于黃土本身抗剪強度小，黃土層較厚，各位置形態(tài)差異較大，導(dǎo)致滑面切過各剖面的黃土層厚度不同，充分驗證了理論分析過程中對黃土溝壑基底排土場滑坡機理的認識。

圖9 各剖面基底最大位移云圖Fig.9 Cloud map of maximum basement displacement of each profile

4 結(jié) 論

1) 溝壑基底面可視為起伏無充填結(jié)構(gòu)面，且黃土本身抗剪強度小，黃土層較厚，各位置形態(tài)差異較大，在排土場載荷與剪切作用下會形成啃斷與爬坡效應(yīng)，其潛在滑坡模式為剪斷部分黃土層的非規(guī)則曲面滑動。

2) 黑岱溝排土場的穩(wěn)定性系數(shù)為1.8；在初始應(yīng)力狀態(tài)下，邊坡整體未發(fā)生明顯的位移變形，排土場受自重作用產(chǎn)生垂直位移，隨著折減系數(shù)的增加，邊坡上部巖體先發(fā)生變形，并擠壓中、下部巖體發(fā)生變形，受溝壑基底形態(tài)的影響，位于南北中軸線兩側(cè)的變形區(qū)向北部坡底擴展，形成類橢球形變形區(qū)，最終演化成推動式滑坡。