礦山排土場滑坡型泥石流起動條件的試驗研究

孫玉永肖紅菊

（1.銅陵學(xué)院，安徽 銅陵 244000；2.中鋼集團(tuán)馬鞍山礦山研究院有限公司，安徽 馬鞍山 243000；3.合肥工業(yè)大學(xué)，安徽 合肥 230009）

礦山排土場滑坡型泥石流起動條件的試驗研究

孫玉永1，2，3肖紅菊1

（1.銅陵學(xué)院，安徽 銅陵 244000；2.中鋼集團(tuán)馬鞍山礦山研究院有限公司，安徽 馬鞍山 243000；3.合肥工業(yè)大學(xué)，安徽 合肥 230009）

以礦山排土場滑坡型泥石流起動為研究對象，研制了一套礦山排土場滑坡型泥石流室內(nèi)試驗系統(tǒng)，進(jìn)行了不同顆粒級配、底床坡度和降雨強度下礦山排土場泥石流的室內(nèi)試驗。由試驗結(jié)果可知，礦山排土場發(fā)生泥石流時的臨界水量與排土場細(xì)顆粒含量以及降雨強度呈拋物線關(guān)系，當(dāng)細(xì)顆粒含量為30%和降雨強度為2L/s時，最易發(fā)生泥石流；底床坡度越大，越易發(fā)生泥石流。

礦山排土場；滑坡型泥石流；起動條件

1.引言

針對自然泥石流中滑坡型泥石流國內(nèi)外進(jìn)行了大量研究工作，并取得了豐碩成果[4～9]。美國地質(zhì)調(diào)查局Iverson博士[4～5]在大型泥石流試驗槽中進(jìn)行了大量試驗，認(rèn)為滑坡轉(zhuǎn)化為泥石流需經(jīng)歷三個過程，并提出了用庫倫顆粒流理論分析泥石流的起動、運動和堆積過程。中國科學(xué)院成都山地災(zāi)害與環(huán)境研究所的崔鵬研究員[6]建立了泥石流起動模型，推導(dǎo)了泥石流起動條件曲面。目前，針對礦山排土場泥石流的機(jī)理、運動、堆積過程都是借鑒于自然泥石流，考慮到礦山排土場自身特點，如巖土力學(xué)特性、堆積方式等，其爆發(fā)泥石流所需的動力條件、運動過程等都不同于自然泥石流，針對礦山排土場泥石流的研究還相對較少[10～11]。

本文以馬鋼南山礦高村排土場為工程背景，借助室內(nèi)模型試驗，系統(tǒng)研究了礦山排土場顆粒級配、底床坡度、降雨量等對泥石流起動的影響，可為礦山排土場泥石流的防治提供借鑒。

2.工程背景

馬鋼南山礦高村排土場分一期和二期規(guī)劃建設(shè)。一期排土場于2001年建設(shè)完成，土場東西長1250m，南北寬370～570m，占地面積902畝，最高排土堆置標(biāo)高為150m，總?cè)莘e1886萬m3。二期排土場在一期基礎(chǔ)上進(jìn)行擴(kuò)容建設(shè)，擴(kuò)容后的高村二期排土場主要向南、北兩側(cè)各加寬200～300m，總占地面積2286畝，二期排土場最終堆置標(biāo)高180m，初步設(shè)計總?cè)萘繛?000萬m3，二期排土場于2010年開始啟用。

3.試驗系統(tǒng)

本礦山排土場滑坡型泥石流模擬試驗系統(tǒng)如圖1所示，主要包括降雨模擬裝置、模型槽體、數(shù)據(jù)采集和處理裝置、框型支架組合構(gòu)成。

模型槽體是由有機(jī)玻璃板組成且坡度可調(diào)的上段模型槽、下段模型槽連接構(gòu)成，上段模型槽底板、下段模型槽底板通過合頁連接，上段模型槽側(cè)板、下段模型槽側(cè)板之間由可伸縮柔性橡膠帶連接；上段模型槽安裝在框型支架上，下段模型槽安裝在支撐柱上，下段模型槽的下部位于廢料收集池上。

數(shù)據(jù)采集和處理裝置由數(shù)碼照相裝置、量測設(shè)備構(gòu)成，量測設(shè)備包括用以模擬礦山排土場內(nèi)土壓力和孔隙水壓力測定的土壓力盒、孔隙水壓力計和數(shù)據(jù)采集儀、數(shù)據(jù)終端連接而成，土壓力盒、孔隙水壓力計位于上段模型槽內(nèi)的模型土樣中；數(shù)碼照相裝置位于上段模型槽之上并安裝在框型支架上。

通過“九天”個案，典型地展示了傳統(tǒng)體育的調(diào)適過程。可見，無論調(diào)適后是“整合”、“附加”、“取代”，都會形成一個新的傳統(tǒng)，這一個新的傳統(tǒng)代表了傳統(tǒng)涵化的結(jié)果。以“九天”陣頭變遷史的邏輯推展到傳統(tǒng)體育的變遷，如“發(fā)明的傳統(tǒng)”模型圖所示。

框型支架由型鋼支架、型鋼加固撐采用焊接的方式連接為一整體。在型鋼支架上設(shè)有多個銷釘孔，在支撐柱上也設(shè)有多個銷釘孔，上段模型槽側(cè)板通過銷釘安裝在型鋼支架的銷釘孔上，下段模型槽側(cè)板通過銷釘安裝在支撐柱的銷釘孔上，上段模型槽與水平方向沿著合頁向上調(diào)整的角度為0～25°，下段模型槽與水平方向沿著合頁向下調(diào)整的角度為0～40°，通過改變銷釘?shù)陌惭b高度來模擬礦山排土場坡度的調(diào)整。

降雨模擬裝置是由儲水槽、軟管或鋼管、噴頭順序連接構(gòu)成，在軟管或鋼管上安裝有閥門、流量計，通過調(diào)節(jié)閥門改變噴頭的出水量；噴頭位于上段模型槽內(nèi)的模型土樣之上。

本試驗系統(tǒng)能夠在室內(nèi)再現(xiàn)礦山排土場滑坡型泥石流的起動、運動和堆積過程，可同時考慮顆粒級配、底床坡度和降雨強度等的影響。

圖1 室內(nèi)模型試驗系統(tǒng)

4.礦山排土場泥石流試驗研究

4.1 試驗內(nèi)容

利用上述研制的試驗系統(tǒng)，主要進(jìn)行不同底床坡度、不同顆粒級配下排土場土樣在不同降雨強度下的泥石流起動試驗。試驗土樣為取自馬鋼南山礦高村排土場的礦渣，土樣到實驗室后首先進(jìn)行風(fēng)干、過篩處理，然后根據(jù)試驗指定的顆粒級配配制土樣，最后在礦山排土場滑坡型泥石流室內(nèi)模擬試驗系統(tǒng)中進(jìn)行試驗研究。主要試驗內(nèi)容包括如下：

（1）不同顆粒級配

考慮到模型槽寬度的限制，將直徑大于50mm的塊料進(jìn)行剔除，且將排土場散體物料細(xì)顆粒物質(zhì)與粗大顆粒物質(zhì)之間的分界值定位1mm[6]，細(xì)粒料的含量考慮10%、20%、30%和40%四種情況，該試驗過程中保持底床坡度和降雨強度相同。

（2）不同底床坡度

進(jìn)行底床坡度影響下礦山排土場滑坡型泥石流試驗研究時，底床坡度的角度根據(jù)實驗設(shè)備條件分別設(shè)定為10°、15°、20°和25°四組，細(xì)粒料的含量為30%。

（3）不同降雨強度

試驗中降雨強度是通過改變出水流量來控制的，具體分為四個等級，即0.5L/s、1.0L/s、2.0L/s和4.0L/s，其中底床坡度為20°、細(xì)粒料含量為30%。

4.2 試驗步驟

（1）將按級配曲線配制好的礦山排土場土樣分層堆積于上段模型槽的后段，同時在適當(dāng)位置埋入土壓力盒和孔隙水壓力計，并與數(shù)據(jù)采集儀和數(shù)據(jù)終端連接好。

（2）根據(jù)模擬自然邊坡的坡度調(diào)整上段模型槽和下段模型槽至合適角度，并用銷釘進(jìn)行固定，向儲水箱內(nèi)灌入自來水，并將數(shù)碼照相設(shè)備固定在框型支架的上段模型槽上方適當(dāng)位置。

（3）根據(jù)模擬降雨量大小調(diào)整閥門和閥門開關(guān)，讓儲水箱內(nèi)的水通過軟管或鋼管以及噴頭噴灑至模型土樣的上方，試驗至此正式開始。

（4）持續(xù)向模型土樣噴灑水，并觀測和記錄排土場泥石流的運動規(guī)律以及起動過程中內(nèi)部土壓力和孔隙水壓力的變化規(guī)律，同時記錄模擬礦山排土場泥石流的運動和堆積范圍、厚度等參數(shù)。

（5）根據(jù)上述數(shù)據(jù)和參數(shù)的組合分析，即可得到模擬礦山排土場滑坡型泥石流的起動、運動和堆積規(guī)律，為礦山排土場泥石流的防治措施提出提供依據(jù)。

4.3 試驗結(jié)果分析

（1）顆粒級配的影響

根據(jù)試驗觀測到土體的破壞形態(tài)，可將排土場滑坡型泥石流分為兩種類型，即塊體滑動型泥石流和流滑型泥石流，如圖2所示。當(dāng)土樣中粗顆粒含量較多時，由于粗粒間的咬合摩擦作用強，粒間連接作用弱，隨著降雨量的增加，坡面在雨水滲透力和下滑力共同作用下，排土場迅速產(chǎn)生貫通的破裂面，破裂面上部松散物質(zhì)迅速下滑，驟然爆發(fā)并順向運動，同時在斜坡上部出現(xiàn)張拉裂縫，促使土體再次發(fā)生塊體滑動，如此重復(fù)破壞產(chǎn)生向后滑動破壞類型即為塊體滑動性泥石流，該類泥石流呈漸進(jìn)式破壞。細(xì)顆粒含量較多的排土場則主要發(fā)生流滑型泥石流，細(xì)顆粒含量增多時，細(xì)顆粒填充了粗顆粒間的骨架孔隙，減少了粗顆粒間的摩擦力和咬合力，增強了粒間連接力，同時也降低了排土場的滲透系數(shù)，在降雨入滲作用下，隨著排土場土體含水量的增加，其強度指標(biāo)將不斷降低，待達(dá)到邊坡失穩(wěn)條件時，失穩(wěn)土體就會迅速向下滑移，形成流滑型泥石流，該類泥石流呈現(xiàn)突發(fā)性、快速性及流動距離長等特點。

圖2 不同顆粒級配對應(yīng)的破壞形態(tài)

圖3 細(xì)顆粒含量與泥石流起動臨界水量關(guān)系

試驗得到排土場泥石流起動時臨界水量與物料細(xì)顆粒含量關(guān)系如圖3所示。由圖可知，臨界水量與細(xì)顆粒含量呈拋物線關(guān)系，臨界起動水量存在一個最小值，當(dāng)細(xì)顆粒含量小于該值時，臨界水量隨細(xì)顆粒含量的增大而減少，當(dāng)細(xì)顆粒含量大于該值時，臨界水量隨著細(xì)顆粒含量的增大而增大，試驗得到該值在30%左右。該現(xiàn)象可用如圖4所示的顆粒受力分析來解釋，當(dāng)降雨強度較小時，顆粒受到雨水的滲透作用力較小，由土體含水量增加而引起的強度折減也較小[12]，因而泥石流不宜發(fā)生；隨著降雨強度的增加，顆粒受到的下滑力逐漸增加，加之抗滑力的降低，排土場就越易發(fā)生失穩(wěn)而形成泥石流；但當(dāng)降雨強度達(dá)到一定值時，雨水對排土場的作用主要是表面沖刷，則發(fā)生泥石流的概率也相應(yīng)降低。總之，礦山排土場泥石流是在降雨表面沖刷、降雨入滲引起土體強度降低以及雨水滲透力共同作用下產(chǎn)生的。

圖4 顆粒在降雨作用下的受力圖分析

（2）底床坡度

圖5為底床坡度與泥石流起動臨界水量之間的關(guān)系曲線。由圖可知，底床坡度越大，臨界降雨量越小，這主要是隨著底床坡度的增加，排土場邊坡的穩(wěn)定性將逐漸降低，但在底床坡度大于15°時，臨界降雨量下降率有所減少。

圖5 底床坡度與泥石流起動臨界水量關(guān)系

（3）降雨強度

圖6為不同降雨強度（出水流量）與排土場泥石流起動臨界水量之間的關(guān)系曲線。由圖可知，試驗中出水流量與排土場泥石流起動臨界水量之間呈拋物線關(guān)系，即當(dāng)流量小于2L/s時，流量越大，臨界水量越小，當(dāng)流量大于2L/s時，流量越大，臨界水量越大，也即2L/s為一個最有利于礦山排土場泥石流起動的流量，小于或大于該流量，泥石流都較難以起動。這主要是由于降雨量較小時，礦山排土場可能主要發(fā)生降雨入滲引起土體的強度降低作用，而表面沖刷和雨水滲透力作用相對較小，為此發(fā)生泥石流的可能性較小，隨著降雨量的增加，上述三者的作用逐漸增加，也使得泥石流更易發(fā)生，但當(dāng)降雨量再增加時，雨水的入滲和滲透作用將會減少，僅有表面沖刷作用在增加，則可能發(fā)生排土場表面的沖刷溝槽，而發(fā)生大規(guī)模泥石流的可能性降低。

圖6 降雨強度與排土場泥石流起動臨界水量關(guān)系

5.結(jié)語

（1）研制了一套適合礦山排土場滑坡型泥石流研究的室內(nèi)試驗系統(tǒng)，主要包括降雨模擬裝置、模型槽體、數(shù)據(jù)采集和處理裝置、框型支架組合構(gòu)成。

（2）由室內(nèi)試驗可知，礦山排土場發(fā)生泥石流時的臨界水量與排土場細(xì)顆粒含量以及降雨強度呈拋物線關(guān)系，當(dāng)細(xì)顆粒含量為30%和降雨強度為2L/s時，最易發(fā)生泥石流；底床坡度越大，越易發(fā)生泥石流。

（3）礦山排土場滑坡型泥石流是在降雨表面沖刷、降雨入滲引起土體強度降低以及雨水滲透力共同作用下產(chǎn)生的。

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Experimental S tudy on S tarting C ondition of L andslide D ebris F low of M inewaste D ump

Sun Yu-yong1，2，3，Xiao Hong-ju1
（1.Tongling University，Tongling Anhui244000，China；2.SinosteelMaanshan Institute ofMining Research Co.，Ltd，Ma'anshan Anhui243000，China；3.HefeiUniversity of Technology，HefeiAnhui230009，China）

Taking the starting condition ofminewaste dump landslide debris flow as the research object，develop a setof laboratory test system for studying onmine dump landslide debris flow.Theminewaste dump landslide debris flowswith different particle size distribution，different bed slopes and different rainfall intensities are tested using the test system.The results show that the relationship between fine particle contentand the critical rainfalland rainfall isparabolic.It isprone to debris flow easilywhen the partical content isabout30%and the rainfall intensity is2L/s.The larger the bed slope is intensity，themore debris flow is prone to debris flow.

m inewaste dump；landslide debris flow；starting condition

TU272

A

1672-0547（2015）01-0102-04

2014-11-05

孫玉永（1980-），男，河南新鄉(xiāng)人，銅陵學(xué)院建筑工程學(xué)院副教授，中鋼集團(tuán)馬鞍山礦山研究院有限公司和合肥工業(yè)大學(xué)博士后，研究方向：巖土工程及隧道工程。

國家博士后基金資助（2013M541827）；安徽省自然科學(xué)基金資助（1408085ME98）；銅陵學(xué)院2014年度學(xué)術(shù)帶頭人及后備人選科研項目（2014tlxyxs07）。