呂海建,趙自豪,康森,張?jiān)扑?李杰
(內(nèi)蒙古科技大學(xué) 礦業(yè)與煤炭學(xué)院,內(nèi)蒙古 包頭 014010)
露天礦山的開(kāi)采給我們帶來(lái)資源,為我國(guó)的發(fā)展提供最基礎(chǔ)的能源,但同時(shí)由于開(kāi)采深度的增加,露天礦邊坡的穩(wěn)定性逐漸成為一個(gè)影響礦山安全生產(chǎn)和經(jīng)濟(jì)效益的問(wèn)題.在降雨時(shí),由于雨水沿裂隙滲入土體,導(dǎo)致土體穩(wěn)定性降低,從而對(duì)邊坡造成不利影響.上述問(wèn)題在礦山開(kāi)采邊坡和排土場(chǎng)邊坡中均存在,且由于排土場(chǎng)土體松散,其穩(wěn)定性問(wèn)題也更為嚴(yán)重.鑒于排土場(chǎng)邊坡屬于松散堆積體,其內(nèi)部結(jié)構(gòu)已知,且較開(kāi)采邊坡相對(duì)不穩(wěn)定,因此便于通過(guò)試驗(yàn)來(lái)研究滲流條件下排土場(chǎng)邊坡的穩(wěn)定性變化.
降雨入滲是誘發(fā)邊坡失穩(wěn)的主要因素[1-2],研究滲流對(duì)邊坡穩(wěn)定性影響具有重要意義.在方法上,呂剛等[3]建立排土場(chǎng)平臺(tái)-邊坡室內(nèi)模型,采用人工模擬降雨試驗(yàn)研究不同降雨強(qiáng)度和土體裂縫深度條件下排土場(chǎng)平臺(tái)-邊坡模型的演變過(guò)程,認(rèn)為模型系統(tǒng)徑流量和侵蝕量來(lái)自土體裂縫和降雨強(qiáng)度的共同作用;張巖巖[4]在分析降雨作用于斜坡時(shí),同時(shí)考慮坡體的入滲和坡面的徑流,研究表明,降雨強(qiáng)度較大時(shí)徑流出現(xiàn)較早,降雨強(qiáng)度較小時(shí)滲流出現(xiàn)較早,且隨時(shí)間的增加,小降雨強(qiáng)度作用下坡體水平位移具有更明顯的響應(yīng);藍(lán)宇[5]采用數(shù)值模擬方法對(duì)李屋排土場(chǎng)邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行綜合分析,提出“分臺(tái)階排土+堆置反壓平臺(tái)”的治理措施,為礦山開(kāi)采提供了安全保障;孫欽同等[6]將高密度電阻率法應(yīng)用于壩體滲漏的探測(cè),經(jīng)過(guò)分析,表明高密度電阻率法對(duì)小范圍和小滲流量的滲漏部位的探測(cè)具有很好的效果,能快速準(zhǔn)確地定位滲漏部位.
目前在研究邊坡穩(wěn)定性的方法中,采用物理模型或數(shù)值模型進(jìn)行分析的較為普遍,而使用儀器探測(cè)的較少,一方面由于排土場(chǎng)處于使用階段,探測(cè)時(shí)排土體應(yīng)力變化會(huì)對(duì)儀器帶來(lái)干擾,影響數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性;另一方面,出于安全問(wèn)題的考慮,在探測(cè)時(shí)礦山往往處于停產(chǎn)檢修階段,探測(cè)的時(shí)間間隙極為有限.此外,由于實(shí)際礦山排土場(chǎng)邊坡較大,通過(guò)實(shí)際排土場(chǎng)邊坡研究滲流易對(duì)邊坡造成不利影響,因此,搭建相似模型模擬滲流條件下不同時(shí)期邊坡的狀態(tài),以此對(duì)照實(shí)際邊坡變形的不同階段,這種研究方法可為邊坡治理提供參考.
本文通過(guò)建立某礦排土場(chǎng)相似模型,采用高密度電阻率法,對(duì)邊坡模型在降雨滲流過(guò)程中的變化情況進(jìn)行探測(cè),經(jīng)過(guò)分析,其反演視電阻率圖像的變化與邊坡模型裂隙的變化相吻合,表明高密度電阻率法能較好地反映模型邊坡滲流的過(guò)程以及邊坡裂隙的發(fā)展,為相關(guān)邊坡穩(wěn)定性的研究提供了一種思路.
以白云鄂博西礦排土場(chǎng)為原型,建立相似模型進(jìn)行試驗(yàn)[7].模型采用長(zhǎng)×寬×高為1.0 m×1.0 m×0.7 m的木制框作為試驗(yàn)裝置,木框壁厚為1.6 cm.試驗(yàn)用土取自某建筑工地,試驗(yàn)用沙為普通河沙,取回的土經(jīng)過(guò)1 mm孔徑網(wǎng)篩選.搭建模型時(shí),將小顆粒石塊選出,模型按照土、河沙、小顆粒石塊質(zhì)量比為5.5∶3.0∶1.0進(jìn)行配比.根據(jù)前人研究[8-9],結(jié)合實(shí)際排土場(chǎng)尺寸與試驗(yàn)?zāi)P蜅l件,設(shè)定模型相似系數(shù)為40.填土?xí)r,模擬實(shí)際排土場(chǎng)排土情況,采用逐層壓實(shí)的方法從下往上依次堆疊,模型搭建完畢后,其高度為50 cm,邊坡角為自然安息角32°,頂部平臺(tái)寬度約20 cm.邊坡模型如圖1所示.
圖1 排土場(chǎng)邊坡模型
高密度電阻率法在工程物探中應(yīng)用較為廣泛,是直流電法的發(fā)展,其原理與常規(guī)電阻率法完全相同,即利用各種巖土之間的導(dǎo)電性差異,通過(guò)觀測(cè)和研究與這些差異有關(guān)的人工電場(chǎng)分布規(guī)律,達(dá)到查明地下地質(zhì)構(gòu)造或?qū)ふ业V產(chǎn)資源的目的[10].以高密度電阻率法的溫納裝置為例,說(shuō)明高密度電阻率法的工作流程:探測(cè)前先將高密度電阻率法所用到的所有電極按一定順序排列,并確保相鄰電極間距離相同,以此形成一條完整的測(cè)線;測(cè)量時(shí)根據(jù)實(shí)際測(cè)線數(shù)量及電極間距設(shè)置儀器參數(shù),包括電極間距、最小隔離系數(shù)、最大隔離系數(shù)、開(kāi)始電極號(hào)、電極總數(shù)等.儀器工作時(shí),有4個(gè)電極同時(shí)有電流通過(guò),設(shè)這4個(gè)電極依次為A,M,N,B電極,其中電極A,B為供電電極,電極M,N為測(cè)量電極,測(cè)量時(shí)相鄰電極間有AM=MN=NB的距離關(guān)系[11].每測(cè)量一個(gè)點(diǎn)后電極編號(hào)都會(huì)變化,通過(guò)不同電極的組合,最后所有電極都有電流通過(guò).圖2為高密度電阻率法工作流程示意圖,其中a為相鄰電極間距,n表示測(cè)點(diǎn)的層數(shù),圖2中共有5層測(cè)點(diǎn).根據(jù)隔離系數(shù)的設(shè)置,圖2中最大隔離系數(shù)為5,表示電極A與M之間間隔5個(gè)電極,即若電極A為1號(hào)電極,則電極M為6號(hào)電極,電極N為11號(hào)電極,電極B為16號(hào)電極,依次類推.根據(jù)高密度電阻率法儀器原理,溫納裝置的跑極方式被稱為逆向斜測(cè)深,測(cè)量時(shí)電極A的位置不變,隔離系數(shù)由大變小,故電極的間距也逐漸變小,測(cè)量的深度逐漸變淺,最后電極到達(dá)相鄰電極,即A為1號(hào)電極,M為2號(hào)電極,N為3號(hào)電極,B為4號(hào)電極,此時(shí)每層測(cè)點(diǎn)第一個(gè)點(diǎn)的視電阻率均被測(cè)量.接下來(lái)以2號(hào)電極為A電極,按照前述方法依次測(cè)量,測(cè)量完畢后得到一個(gè)倒梯形的探測(cè)斷面.
圖2 高密度電阻率法工作流程
試驗(yàn)采用DUK-2B高密度電阻率法測(cè)量系統(tǒng),所用測(cè)線共有30個(gè)電極,故本試驗(yàn)共有9層測(cè)點(diǎn),每次測(cè)量測(cè)點(diǎn)總數(shù)為135個(gè).根據(jù)邊坡模型尺寸,測(cè)線沿模型頂部平臺(tái)走向布置,距離邊坡模型后緣15 cm,初末兩電極距模型兩側(cè)各約4.7 cm,電極間距為3 cm,電極插入模型深度為3 cm.高密度電阻率法測(cè)量系統(tǒng)外接25 V電源,使用溫納剖面,設(shè)置最大隔離系數(shù)為9,最小隔離系數(shù)為1,開(kāi)始電極號(hào)為1,電極總數(shù)為30,供電時(shí)間為0.5 s,其他參數(shù)均為默認(rèn)值.設(shè)置完畢后進(jìn)行接地檢測(cè),避免出現(xiàn)接地電阻過(guò)大而無(wú)法測(cè)量的情況,檢測(cè)完畢無(wú)異常后即可開(kāi)始測(cè)量.測(cè)量時(shí)第一個(gè)測(cè)點(diǎn)的電極號(hào)為1號(hào)、10號(hào)、19號(hào)、28號(hào),4個(gè)電極同時(shí)有電流通過(guò),所得電阻率為探測(cè)斷面左下角第一個(gè)數(shù)據(jù)的視電阻率,后續(xù)測(cè)點(diǎn)的電極號(hào)按前述方法依次排列.
測(cè)量完畢后導(dǎo)出所測(cè)數(shù)據(jù),由于測(cè)量時(shí)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)為電壓(mV)、電流(mA)、視電阻率(Ω·m),而RES2DINV反演軟件可識(shí)別的數(shù)據(jù)為測(cè)點(diǎn)的橫坐標(biāo)(m)、縱坐標(biāo)(m)、視電阻率(Ω·m),故需對(duì)導(dǎo)出的數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換以便反演軟件識(shí)別.之后采用RES2DINV反演軟件對(duì)轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)進(jìn)行反演處理和校正[12].經(jīng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析,隨深度變化層厚增加系數(shù)取1.1較為合適.不同層厚增加系數(shù)條件下反演數(shù)據(jù)迭代誤差如圖3所示,以第1次集中降雨中第1分步降雨所測(cè)量的數(shù)據(jù)為例,從圖3可以看出,層厚增加系數(shù)取1.1時(shí),迭代RMS誤差為7.4%;層厚增加系數(shù)取1.25時(shí),迭代RMS誤差為7.6%,故層厚增加系數(shù)取1.1較為合適,其誤差較小.在此條件下,由于儀器因素,測(cè)量深度為測(cè)線長(zhǎng)度的1/6,為0.144 m,故模型反演視電阻率的最大深度也為0.144 m,如圖3a所示.圖3中左側(cè)縱坐標(biāo)表示反演深度,下部橫坐標(biāo)表示測(cè)線電極相對(duì)位置及電極距,為便于定位電極,取1號(hào)電極對(duì)應(yīng)橫坐標(biāo)為0.03 m,2號(hào)電極對(duì)應(yīng)橫坐標(biāo)為0.06 m,依次類推,30號(hào)電極對(duì)應(yīng)橫坐標(biāo)為0.90 m.
圖3 不同層厚增加系數(shù)條件下反演數(shù)據(jù)迭代誤差
為模擬局部降雨,采用滴灌裝置在邊坡頂部進(jìn)行降水.試驗(yàn)中共設(shè)置8個(gè)滴箭,各滴箭間距約為11 cm,滴箭與主水管之間用短軟管連接,主水管連接水泵.試驗(yàn)時(shí)移動(dòng)滴箭,使水均勻滴在邊坡模型頂部,同時(shí)避免產(chǎn)生徑流.
試驗(yàn)采用“模擬降雨—停止降雨并測(cè)量—再次模擬降雨—再次停止降雨并測(cè)量”的循環(huán)模式研究高密度電阻率法在滲流試驗(yàn)中的應(yīng)用,該方法可通過(guò)高密度電阻率法的反演圖像觀測(cè)邊坡模型內(nèi)部視電阻率的變化情況,再根據(jù)視電阻率的變化推斷出邊坡內(nèi)部裂隙的產(chǎn)生及變化.試驗(yàn)以0.62 mm/min的降雨強(qiáng)度進(jìn)行2次集中降雨.第1次集中降雨時(shí),開(kāi)始每分步降雨持續(xù)3 min,間隔10 min,由于邊坡模型初始含水量較少,雨水入滲較快,分步降雨4次后,調(diào)整每分步降雨持續(xù)時(shí)間為5 min,間隔15 min,共進(jìn)行19次分步降雨;將邊坡模型在通風(fēng)環(huán)境下靜置12 h后,進(jìn)行第2次集中降雨,其每分步降雨持續(xù)時(shí)間為5 min,間隔15 min,共進(jìn)行13次分步降雨.分步降雨間歇期使用高密度電阻率法儀器測(cè)量邊坡內(nèi)部斷面,得到視電阻率數(shù)據(jù).
第1次集中降雨第1分步降雨時(shí),以0.62 mm/min的降雨強(qiáng)度模擬降雨3 min,降雨時(shí)移動(dòng)滴箭使雨量均勻.3 min后停止降雨,按前述值設(shè)置DUK-2B高密度電阻率法測(cè)量系統(tǒng)參數(shù)并測(cè)量,測(cè)量完畢后確認(rèn)儀器所測(cè)量的測(cè)點(diǎn)個(gè)數(shù),無(wú)誤后確認(rèn)該次測(cè)量數(shù)據(jù)有效.第1分步降雨結(jié)束10 min后進(jìn)行第2分步降雨,降雨條件與第1分步相同.第4分步降雨結(jié)束后,延長(zhǎng)間歇時(shí)間至15 min,并調(diào)整第5分步降雨時(shí)間為5 min,且后續(xù)分步降雨以該時(shí)間為標(biāo)準(zhǔn),共進(jìn)行19次分步降雨.
取反演視電阻率變化較為明顯的第1分步、第13分步和第17分步降雨后所測(cè)量的數(shù)據(jù)(如圖4所示)進(jìn)行分析,說(shuō)明高密度電阻率法在滲流試驗(yàn)中的應(yīng)用效果.圖4a是第1次集中降雨第1分步降雨后模型的反演視電阻率,由圖4a可知:視電阻率大致呈層狀分布,且由淺至深視電阻率逐漸增大,反演視電阻率較為均勻,無(wú)高、低阻體異常出現(xiàn).說(shuō)明在均勻地層中,雨水下滲均勻,表現(xiàn)為在反演圖中視電阻率由淺至深均勻分層變大.
圖4 第1次集中降雨邊坡視電阻率變化情況
由圖4b和圖4c可知,隨著降雨繼續(xù),邊坡模型中逐漸出現(xiàn)視電阻率高、低阻體異?,F(xiàn)象.圖4b中,在斷面橫坐標(biāo)為0.30~0.39 m,縱坐標(biāo)為0~0.06 m處出現(xiàn)高阻體,最大視電阻率約為165 Ω·m;在斷面橫坐標(biāo)為0.57~0.72 m,縱坐標(biāo)為0~0.11 m處出現(xiàn)低阻體,最小視電阻率約為32 Ω·m.圖4c中,在斷面橫坐標(biāo)為0.30~0.39 m,縱坐標(biāo)為0.01~0.05 m處出現(xiàn)高阻體,最大視電阻率約為175 Ω·m,且其周圍視電阻率整體變大;在斷面橫坐標(biāo)為0.42~0.51 m,縱坐標(biāo)為0.09~0.14 m處出現(xiàn)低阻體,最小視電阻率約為33 Ω·m,與圖4b相比,原有低阻區(qū)變得不明顯,說(shuō)明模型內(nèi)部由于滲流處在動(dòng)態(tài)變化的過(guò)程中.從第1次集中降雨開(kāi)始到結(jié)束,反演視電阻率圖中所表現(xiàn)出的邊坡模型表面變化與肉眼所見(jiàn)基本一致,但比肉眼所見(jiàn)更為精確,邊坡微小裂隙產(chǎn)生時(shí)并不明顯,但反演視電阻率圖中卻有體現(xiàn).隨著降雨的進(jìn)行,裂隙越來(lái)越寬,反演視電阻率圖中相應(yīng)位置也呈現(xiàn)出較大的視電阻率,邊坡表面的微小裂隙逐漸延伸,如圖5所示.
圖5 邊坡表面產(chǎn)生的微小裂隙
降雨過(guò)程中邊坡內(nèi)部出現(xiàn)高、低阻體異?,F(xiàn)象.高阻體異常表明邊坡內(nèi)部微小顆粒物隨水流進(jìn)入到邊坡更深處,導(dǎo)致原有位置出現(xiàn)的空隙被水充填并與大顆粒沙石形成新的結(jié)構(gòu),使電阻變大;而低阻體異常表明隨水流移動(dòng)的微小顆粒物越來(lái)越多,阻力也越來(lái)越大,并逐漸在邊坡更深處聚集,阻擋了細(xì)微顆粒物的繼續(xù)移動(dòng),由于入滲雨量小,以致邊坡原有結(jié)構(gòu)中的空隙被細(xì)微顆粒物充填,從而變得更為致密,使得巖土體結(jié)構(gòu)發(fā)生改變,入滲的水更多地與沙土混合,形成低電阻異常體.
第1次集中降雨結(jié)束12 h后,進(jìn)行第2次集中降雨.第2次集中降雨中每一分步降雨持續(xù)時(shí)間為5 min,兩分步降雨的間歇時(shí)間為15 min,降雨強(qiáng)度0.62 mm/min,共進(jìn)行13次分步降雨.取反演視電阻率變化較為明顯的第2次集中降雨前、第1分步、第7分步及第10分步數(shù)據(jù)分析裂隙的變化情況.
第1次集中降雨結(jié)束,將模型在通風(fēng)環(huán)境下自然風(fēng)干12 h后,使用高密度電阻率法儀器測(cè)量模型邊坡內(nèi)部視電阻率變化,如圖6a所示.經(jīng)分析,其反演視電阻率圖顯示出邊坡視電阻率異常區(qū)域與第1次集中降雨后期變化不大,但淺部高視電阻率區(qū)域有橫向貫通趨勢(shì).
圖6 第2次集中降雨邊坡視電阻率變化情況
第2次集中降雨第1分步降雨后反演視電阻率如圖6b所示.該次降雨后,模型的高、低阻區(qū)變得清晰,高視電阻率區(qū)域位于斷面橫坐標(biāo)0.42~0.51 m,縱坐標(biāo)0.03~0.06 m處,最大視電阻率約為200 Ω·m.
第2次集中降雨第7分步降雨后反演視電阻率如圖6c所示.隨著降雨的進(jìn)行,邊坡內(nèi)部高阻體延伸至邊坡表面,表明更大顆粒物隨水流沿已有裂隙進(jìn)入邊坡內(nèi)部更深處,導(dǎo)致原有位置空隙增大并失去原有穩(wěn)定性,內(nèi)部裂隙逐漸與表面已有裂隙連通,形成貫通裂隙,高視電阻率區(qū)位于斷面橫坐標(biāo)0.42~0.51 m,縱坐標(biāo)0~0.07 m處,最大視電阻率約為220 Ω·m,此時(shí)高阻體連通.
第2次集中降雨第10分步降雨后反演視電阻率如圖6d所示.隨著降雨繼續(xù)進(jìn)行,邊坡表面其他位置的顆粒物隨水流進(jìn)入已有裂隙,由于邊坡內(nèi)部深處水流不暢,顆粒物在裂隙處逐漸堆積,導(dǎo)致裂隙閉合,延伸到邊坡表面的高阻體視電阻率逐漸變小,其最大視電阻率約為100 Ω·m.巖土體結(jié)構(gòu)繼續(xù)改變,邊坡的不穩(wěn)定性增加.
高密度電阻率法是利用各種巖土之間的導(dǎo)電性差異實(shí)現(xiàn)探測(cè),在本試驗(yàn)中,由于滲流產(chǎn)生裂隙,巖土體空隙增大,導(dǎo)致兩電極之間電阻率變大,這種現(xiàn)象反映在反演視電阻率的高阻體異常上.盡管裂隙較小,但高密度電阻率法仍能發(fā)現(xiàn)異常,這說(shuō)明在小模型中高密度電阻率法也能體現(xiàn)出良好的探測(cè)效果.
研究滲流時(shí),在邊坡模型表面只能觀察到隨滲流的進(jìn)行邊坡產(chǎn)生裂隙,但不知道裂隙多深,也不知道邊坡內(nèi)部有沒(méi)有裂隙,而使用高密度電阻法,通過(guò)視電阻率異常可以直觀地知道邊坡內(nèi)部情況,也能通過(guò)電極位置找到具體的異常點(diǎn),為掌握邊坡內(nèi)部的變化情況提供依據(jù).圖7為模型斷面橫坐標(biāo)為0.48~0.51 m處第一層測(cè)點(diǎn)的視電阻率變化情況,對(duì)應(yīng)測(cè)量電極號(hào)為16號(hào)和17號(hào),該處由于滲流產(chǎn)生較大裂隙,視電阻率波動(dòng)較大.如圖7所示,第1次集中降雨開(kāi)始時(shí),由于巖土體較為干燥,視電阻率較大,隨著降雨滲流的進(jìn)行,視電阻率逐漸減小,直到第1次集中降雨結(jié)束視電阻率達(dá)到最低;靜置通風(fēng)12 h后,巖土體變得相對(duì)干燥,視電阻率又升高,但比初始時(shí)要低;繼續(xù)進(jìn)行第2次集中降雨,發(fā)現(xiàn)視電阻率經(jīng)歷“減小—升高—減小”的過(guò)程,此時(shí)肉眼可見(jiàn)該處裂隙經(jīng)歷“閉合—裂開(kāi)—閉合”的循環(huán),但閉合未能達(dá)到邊坡最開(kāi)始時(shí)無(wú)裂隙的情形.邊坡其他測(cè)點(diǎn)同樣能通過(guò)提取測(cè)量數(shù)據(jù)繪制圖表來(lái)展示其視電阻率變化情況.
圖7 電極號(hào)16號(hào)和17號(hào)處第1層測(cè)點(diǎn)視電阻率變化
通過(guò)試驗(yàn)可知,隨著降雨的進(jìn)行,邊坡模型反演視電阻率發(fā)生相應(yīng)變化,并且不同分步降雨后反演視電阻率異常區(qū)域呈現(xiàn)一定的連續(xù)性,通過(guò)這些變化可以分析邊坡模型裂隙產(chǎn)生的部位、大小、延伸方向等,及時(shí)發(fā)現(xiàn)邊坡隱患,為治理邊坡隱患提供參考.
1)高密度電阻率法對(duì)邊坡模型內(nèi)部變化的探測(cè)非常敏感,可用于微小裂隙的探測(cè),在小型有限空間中也同樣適用.
2)采用“降雨—探測(cè)—降雨—探測(cè)”循環(huán)的方式探測(cè)邊坡微小裂隙的產(chǎn)生、發(fā)展等變化情況,探測(cè)的反演視電阻率結(jié)果與模型實(shí)際裂隙變化情況吻合,表現(xiàn)為有裂隙處反演視電阻率相對(duì)較大,無(wú)裂隙處反演視電阻率相對(duì)較小.
3)降水滲流使邊坡產(chǎn)生裂隙,裂隙處經(jīng)過(guò)“裂開(kāi)—閉合—裂開(kāi)—閉合”的過(guò)程,導(dǎo)致裂隙逐漸變寬,增加了邊坡的不穩(wěn)定性.
4)采用高密度電阻率法探測(cè)時(shí),測(cè)點(diǎn)電極布置于邊坡表土層,盡可能地避免了對(duì)邊坡內(nèi)部結(jié)構(gòu)的破壞;同時(shí)從試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看,滲流裂隙未在電極處產(chǎn)生或延伸,說(shuō)明儀器設(shè)備對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的干擾較少.因此,該方法在露天礦山邊坡穩(wěn)定性的探測(cè)上具有很強(qiáng)的實(shí)用性.