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(chǎng)是露天開(kāi)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(guó)中西部的一些露天煤礦將排土場(chǎng)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(chǎng)[1-3]。在我國(guó)平朔安太堡露天煤礦南排土場(chǎng)、黑岱溝露天煤礦陰灣排土場(chǎng)等多個(gè)黃土溝壑基底排土場(chǎng)均發(fā)生過(guò)滑坡，黃土溝壑基底的空間演化機(jī)制成為這類(lèi)滑坡的主控因素，嚴(yán)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(cuò)的復(fù)雜基底形態(tài)使得無(wú)法準(zhǔn)確判斷排土場(chǎng)的潛在滑坡模式，更無(wú)法準(zhǔn)確計(jì)算其穩(wěn)定性[6-7]，忽略基底形態(tài)與巖性因素設(shè)計(jì)的排土場(chǎng)邊坡往往與實(shí)際有較大偏差。因此，隨著我國(guó)中西部煤炭資源的逐步開(kāi)發(fā)利用，這種特殊基底條件下的排土場(chǎng)對(duì)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(chǎng)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(yàn)手段[14]和監(jiān)測(cè)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(chǎng)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(chǎng)邊坡失穩(wěn)機(jī)理；趙洪寶等[17]利用塊體堆積散體邊坡穩(wěn)定性模擬試驗(yàn)裝置，對(duì)排土場(chǎng)穩(wěn)定性進(jìn)行相似模擬試驗(yàn)，對(duì)比分析了不同塊體組成與振動(dòng)頻率條件下邊坡穩(wěn)定性狀態(tài)及滑坡啟動(dòng)模式；崔春曉等[18]基于GNSS 在線監(jiān)測(cè)技術(shù)，綜合分析邊坡變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)排土場(chǎng)邊坡的安全狀態(tài)及穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)價(jià)。在以往的排土場(chǎng)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(chǎng)穩(wěn)定性分析；邊坡三維穩(wěn)定性計(jì)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(yán)格；三維數(shù)值模擬方法不僅能動(dòng)態(tài)模擬排土場(chǎng)邊坡破壞過(guò)程，而且能大致確定滑面的位置和形態(tài)。因此，對(duì)于黃土溝壑基底排土場(chǎng)的變形破壞問(wèn)題，采用三維數(shù)值模擬方法更合適。

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

1 排土場(chǎng)工程地質(zhì)概況

黑岱溝排土場(chǎng)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(shù)枝狀河谷和沖溝非常發(fā)育，致使臺(tái)狀高原被嚴(yán)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(chǎng)境界內(nèi)地勢(shì)南高北低，由南向北形成箕斗狀，內(nèi)部沖溝向位于排土場(chǎng)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(chǎng)的穩(wěn)定，易向東北方向滑動(dòng)。

排土場(chǎng)巖土層自下而上可劃分為風(fēng)化基底層，第四系粉土、黏土層，排棄物料。淺部風(fēng)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(shí)，黏土質(zhì)膠結(jié)，水化能力較強(qiáng)。各地層巖土體物理力學(xué)指標(biāo)見(jiàn)表1。

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

排土場(chǎng)周?chē)兄匾慕?、?gòu)筑物，排土場(chǎng)的東幫緊鄰儲(chǔ)煤場(chǎng)、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(jī)理分析

排土場(chǎng)常見(jiàn)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(dòng)，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(duì)基底或基巖面形態(tài)較規(guī)則的常規(guī)條件下，對(duì)于黃土溝壑基底排土場(chǎng)，滑坡必然會(huì)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(wú)充填結(jié)構(gòu)面（圖3），且黃土本身抗剪強(qiáng)度小，黃土層較厚，各位置形態(tài)差異較大，在排土場(chǎng)載荷與剪切作用下會(huì)形成啃斷與爬坡效應(yīng)，即當(dāng)排土場(chǎng)邊坡發(fā)生滑坡時(shí)，溝壑基底凸出部分可能被剪斷，滑面僅切過(guò)部分黃土形成非規(guī)則曲面滑動(dòng)（圖4）。

圖2 排土場(chǎng)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(chǎng)結(jié)構(gòu)模型Fig.3 Structure model of gully basement dump

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

3 排土場(chǎng)滑坡空間演化機(jī)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(jì)算模式，將多種計(jì)算模式耦合可用來(lái)解決復(fù)雜工程力學(xué)特性問(wèn)題[21]。鑒于研究對(duì)象是松散土體，在計(jì)算分析中選用摩爾-庫(kù)倫本構(gòu)模型，同時(shí)考慮剪切和拉伸2 種破壞機(jī)制，以位移不收斂作為滑坡判據(jù)，基于FLAC3D內(nèi)嵌的Fish 語(yǔ)言程序自編強(qiáng)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(zhǎng)為0.01。通過(guò)分析失穩(wěn)過(guò)程中的位移、變形等信息揭示黃土溝壑基底排土場(chǎng)滑坡的空間演化機(jī)制。

3.1 模型建立

為盡可能真實(shí)反映黃土溝壑基底排土場(chǎng)滑坡的空間演化機(jī)制，三維模型按1∶1 比例進(jìn)行構(gòu)建，模型東西寬1 200 m、南北長(zhǎng)1 100 m，單元類(lèi)型為8 節(jié)點(diǎn)，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(fēng)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(qiáng)度折減法，其原理是循環(huán)折減巖土體的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)直到邊坡剛好處于臨界破壞狀態(tài)[22]。通過(guò)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(guò)程中，排土場(chǎng)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(chǎng)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(chǎng)和溝壑基底的最大位移云圖與矢量場(chǎng)，可用于分析排土場(chǎng)滑坡的空間演化機(jī)制。由圖6、圖7、圖8 可知，當(dāng)折減系數(shù)為1.0 時(shí)，邊坡整體未發(fā)生明顯的位移變形，排土場(chǎng)和基底均受自重作用產(chǎn)生垂直位移，排土場(chǎng)下方的基底在排土場(chǎng)的擠壓作用下位移相對(duì)較大；折減系數(shù)從1.0～1.4 的過(guò)程中，邊坡上部巖體發(fā)生變形，在排土場(chǎng)上部出現(xiàn)兩個(gè)位移相對(duì)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(shí)邊坡的最大位移相對(duì)較?。徽蹨p系數(shù)從1.4～1.7 的過(guò)程中，最大位移呈近線性增加，在邊坡上部巖體變形的推動(dòng)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(kuò)展，形成類(lèi)橢球形的變形區(qū)，同時(shí)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(guò)程中，變形區(qū)的整體形態(tài)未發(fā)生較大變化，其范圍進(jìn)一步擴(kuò)大，最大位移加速增加，位移突變折減結(jié)束，排土場(chǎng)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(chǎng)最大位移云圖與矢量場(chǎng)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(chǎng)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(dòng)；由于黃土本身抗剪強(qiáng)度小，黃土層較厚，各位置形態(tài)差異較大，導(dǎo)致滑面切過(guò)各剖面的黃土層厚度不同，充分驗(yàn)證了理論分析過(guò)程中對(duì)黃土溝壑基底排土場(chǎng)滑坡機(jī)理的認(rèn)識(shí)。

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(wú)充填結(jié)構(gòu)面，且黃土本身抗剪強(qiáng)度小，黃土層較厚，各位置形態(tài)差異較大，在排土場(chǎng)載荷與剪切作用下會(huì)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(dòng)。

2) 黑岱溝排土場(chǎng)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(chǎng)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(kuò)展，形成類(lèi)橢球形變形區(qū)，最終演化成推動(dòng)式滑坡。