矿山排土场滑坡型泥石流起动条件的试验研究

孙玉永肖红菊

（1.铜陵学院，安徽 铜陵 244000；2.中钢集团马鞍山矿山研究院有限公司，安徽 马鞍山 243000；3.合肥工业大学，安徽 合肥 230009）

矿山排土场滑坡型泥石流起动条件的试验研究

孙玉永1，2，3肖红菊1

（1.铜陵学院，安徽 铜陵 244000；2.中钢集团马鞍山矿山研究院有限公司，安徽 马鞍山 243000；3.合肥工业大学，安徽 合肥 230009）

以矿山排土场滑坡型泥石流起动为研究对象，研制了一套矿山排土场滑坡型泥石流室内试验系统，进行了不同颗粒级配、底床坡度和降雨强度下矿山排土场泥石流的室内试验。由试验结果可知，矿山排土场发生泥石流时的临界水量与排土场细颗粒含量以及降雨强度呈抛物线关系，当细颗粒含量为30%和降雨强度为2L/s时，最易发生泥石流；底床坡度越大，越易发生泥石流。

矿山排土场；滑坡型泥石流；起动条件

1.引言

针对自然泥石流中滑坡型泥石流国内外进行了大量研究工作，并取得了丰硕成果[4～9]。美国地质调查局Iverson博士[4～5]在大型泥石流试验槽中进行了大量试验，认为滑坡转化为泥石流需经历三个过程，并提出了用库伦颗粒流理论分析泥石流的起动、运动和堆积过程。中国科学院成都山地灾害与环境研究所的崔鹏研究员[6]建立了泥石流起动模型，推导了泥石流起动条件曲面。目前，针对矿山排土场泥石流的机理、运动、堆积过程都是借鉴于自然泥石流，考虑到矿山排土场自身特点，如岩土力学特性、堆积方式等，其爆发泥石流所需的动力条件、运动过程等都不同于自然泥石流，针对矿山排土场泥石流的研究还相对较少[10～11]。

本文以马钢南山矿高村排土场为工程背景，借助室内模型试验，系统研究了矿山排土场颗粒级配、底床坡度、降雨量等对泥石流起动的影响，可为矿山排土场泥石流的防治提供借鉴。

2.工程背景

马钢南山矿高村排土场分一期和二期规划建设。一期排土场于2001年建设完成，土场东西长1250m，南北宽370～570m，占地面积902亩，最高排土堆置标高为150m，总容积1886万m3。二期排土场在一期基础上进行扩容建设，扩容后的高村二期排土场主要向南、北两侧各加宽200～300m，总占地面积2286亩，二期排土场最终堆置标高180m，初步设计总容量为9000万m3，二期排土场于2010年开始启用。

3.试验系统

本矿山排土场滑坡型泥石流模拟试验系统如图1所示，主要包括降雨模拟装置、模型槽体、数据采集和处理装置、框型支架组合构成。

模型槽体是由有机玻璃板组成且坡度可调的上段模型槽、下段模型槽连接构成，上段模型槽底板、下段模型槽底板通过合页连接，上段模型槽侧板、下段模型槽侧板之间由可伸缩柔性橡胶带连接；上段模型槽安装在框型支架上，下段模型槽安装在支撑柱上，下段模型槽的下部位于废料收集池上。

数据采集和处理装置由数码照相装置、量测设备构成，量测设备包括用以模拟矿山排土场内土压力和孔隙水压力测定的土压力盒、孔隙水压力计和数据采集仪、数据终端连接而成，土压力盒、孔隙水压力计位于上段模型槽内的模型土样中；数码照相装置位于上段模型槽之上并安装在框型支架上。

通过“九天”个案，典型地展示了传统体育的调适过程。可见，无论调适后是“整合”、“附加”、“取代”，都会形成一个新的传统，这一个新的传统代表了传统涵化的结果。以“九天”阵头变迁史的逻辑推展到传统体育的变迁，如“发明的传统”模型图所示。

框型支架由型钢支架、型钢加固撑采用焊接的方式连接为一整体。在型钢支架上设有多个销钉孔，在支撑柱上也设有多个销钉孔，上段模型槽侧板通过销钉安装在型钢支架的销钉孔上，下段模型槽侧板通过销钉安装在支撑柱的销钉孔上，上段模型槽与水平方向沿着合页向上调整的角度为0～25°，下段模型槽与水平方向沿着合页向下调整的角度为0～40°，通过改变销钉的安装高度来模拟矿山排土场坡度的调整。

降雨模拟装置是由储水槽、软管或钢管、喷头顺序连接构成，在软管或钢管上安装有阀门、流量计，通过调节阀门改变喷头的出水量；喷头位于上段模型槽内的模型土样之上。

本试验系统能够在室内再现矿山排土场滑坡型泥石流的起动、运动和堆积过程，可同时考虑颗粒级配、底床坡度和降雨强度等的影响。

图1 室内模型试验系统

4.矿山排土场泥石流试验研究

4.1 试验内容

利用上述研制的试验系统，主要进行不同底床坡度、不同颗粒级配下排土场土样在不同降雨强度下的泥石流起动试验。试验土样为取自马钢南山矿高村排土场的矿渣，土样到实验室后首先进行风干、过筛处理，然后根据试验指定的颗粒级配配制土样，最后在矿山排土场滑坡型泥石流室内模拟试验系统中进行试验研究。主要试验内容包括如下：

（1）不同颗粒级配

考虑到模型槽宽度的限制，将直径大于50mm的块料进行剔除，且将排土场散体物料细颗粒物质与粗大颗粒物质之间的分界值定位1mm[6]，细粒料的含量考虑10%、20%、30%和40%四种情况，该试验过程中保持底床坡度和降雨强度相同。

（2）不同底床坡度

进行底床坡度影响下矿山排土场滑坡型泥石流试验研究时，底床坡度的角度根据实验设备条件分别设定为10°、15°、20°和25°四组，细粒料的含量为30%。

（3）不同降雨强度

试验中降雨强度是通过改变出水流量来控制的，具体分为四个等级，即0.5L/s、1.0L/s、2.0L/s和4.0L/s，其中底床坡度为20°、细粒料含量为30%。

4.2 试验步骤

（1）将按级配曲线配制好的矿山排土场土样分层堆积于上段模型槽的后段，同时在适当位置埋入土压力盒和孔隙水压力计，并与数据采集仪和数据终端连接好。

（2）根据模拟自然边坡的坡度调整上段模型槽和下段模型槽至合适角度，并用销钉进行固定，向储水箱内灌入自来水，并将数码照相设备固定在框型支架的上段模型槽上方适当位置。

（3）根据模拟降雨量大小调整阀门和阀门开关，让储水箱内的水通过软管或钢管以及喷头喷洒至模型土样的上方，试验至此正式开始。

（4）持续向模型土样喷洒水，并观测和记录排土场泥石流的运动规律以及起动过程中内部土压力和孔隙水压力的变化规律，同时记录模拟矿山排土场泥石流的运动和堆积范围、厚度等参数。

（5）根据上述数据和参数的组合分析，即可得到模拟矿山排土场滑坡型泥石流的起动、运动和堆积规律，为矿山排土场泥石流的防治措施提出提供依据。

4.3 试验结果分析

（1）颗粒级配的影响

根据试验观测到土体的破坏形态，可将排土场滑坡型泥石流分为两种类型，即块体滑动型泥石流和流滑型泥石流，如图2所示。当土样中粗颗粒含量较多时，由于粗粒间的咬合摩擦作用强，粒间连接作用弱，随着降雨量的增加，坡面在雨水渗透力和下滑力共同作用下，排土场迅速产生贯通的破裂面，破裂面上部松散物质迅速下滑，骤然爆发并顺向运动，同时在斜坡上部出现张拉裂缝，促使土体再次发生块体滑动，如此重复破坏产生向后滑动破坏类型即为块体滑动性泥石流，该类泥石流呈渐进式破坏。细颗粒含量较多的排土场则主要发生流滑型泥石流，细颗粒含量增多时，细颗粒填充了粗颗粒间的骨架孔隙，减少了粗颗粒间的摩擦力和咬合力，增强了粒间连接力，同时也降低了排土场的渗透系数，在降雨入渗作用下，随着排土场土体含水量的增加，其强度指标将不断降低，待达到边坡失稳条件时，失稳土体就会迅速向下滑移，形成流滑型泥石流，该类泥石流呈现突发性、快速性及流动距离长等特点。

图2 不同颗粒级配对应的破坏形态

图3 细颗粒含量与泥石流起动临界水量关系

试验得到排土场泥石流起动时临界水量与物料细颗粒含量关系如图3所示。由图可知，临界水量与细颗粒含量呈抛物线关系，临界起动水量存在一个最小值，当细颗粒含量小于该值时，临界水量随细颗粒含量的增大而减少，当细颗粒含量大于该值时，临界水量随着细颗粒含量的增大而增大，试验得到该值在30%左右。该现象可用如图4所示的颗粒受力分析来解释，当降雨强度较小时，颗粒受到雨水的渗透作用力较小，由土体含水量增加而引起的强度折减也较小[12]，因而泥石流不宜发生；随着降雨强度的增加，颗粒受到的下滑力逐渐增加，加之抗滑力的降低，排土场就越易发生失稳而形成泥石流；但当降雨强度达到一定值时，雨水对排土场的作用主要是表面冲刷，则发生泥石流的概率也相应降低。总之，矿山排土场泥石流是在降雨表面冲刷、降雨入渗引起土体强度降低以及雨水渗透力共同作用下产生的。

图4 颗粒在降雨作用下的受力图分析

（2）底床坡度

图5为底床坡度与泥石流起动临界水量之间的关系曲线。由图可知，底床坡度越大，临界降雨量越小，这主要是随着底床坡度的增加，排土场边坡的稳定性将逐渐降低，但在底床坡度大于15°时，临界降雨量下降率有所减少。

图5 底床坡度与泥石流起动临界水量关系

（3）降雨强度

图6为不同降雨强度（出水流量）与排土场泥石流起动临界水量之间的关系曲线。由图可知，试验中出水流量与排土场泥石流起动临界水量之间呈抛物线关系，即当流量小于2L/s时，流量越大，临界水量越小，当流量大于2L/s时，流量越大，临界水量越大，也即2L/s为一个最有利于矿山排土场泥石流起动的流量，小于或大于该流量，泥石流都较难以起动。这主要是由于降雨量较小时，矿山排土场可能主要发生降雨入渗引起土体的强度降低作用，而表面冲刷和雨水渗透力作用相对较小，为此发生泥石流的可能性较小，随着降雨量的增加，上述三者的作用逐渐增加，也使得泥石流更易发生，但当降雨量再增加时，雨水的入渗和渗透作用将会减少，仅有表面冲刷作用在增加，则可能发生排土场表面的冲刷沟槽，而发生大规模泥石流的可能性降低。

图6 降雨强度与排土场泥石流起动临界水量关系

5.结语

（1）研制了一套适合矿山排土场滑坡型泥石流研究的室内试验系统，主要包括降雨模拟装置、模型槽体、数据采集和处理装置、框型支架组合构成。

（2）由室内试验可知，矿山排土场发生泥石流时的临界水量与排土场细颗粒含量以及降雨强度呈抛物线关系，当细颗粒含量为30%和降雨强度为2L/s时，最易发生泥石流；底床坡度越大，越易发生泥石流。

（3）矿山排土场滑坡型泥石流是在降雨表面冲刷、降雨入渗引起土体强度降低以及雨水渗透力共同作用下产生的。

［1］中国科学院成都山地灾害与环境研究所.泥石流研究与防治[M].成都：四川科技出版社，1989.

［2］王永强，张继春.相似试验在排土场滑坡泥石流研究中的应用[J].安全与环境学报，2013,13（5）：195-198.

［3］阚生雷，孙世国，李晓芳.排土场滑坡与泥石流灾害控制技术与方法[J].岩土工程技术，2010，（5）：267-270.

［4］Iverson R M,et al.Flow of variably fluidized granularmasses across three-dimensional terrain 1.Coulomb Mixture Theory [J].Journal of Geophysical Research，2001，106(B1)：537-552.

［5］Iverson RM,et al.Dynamic pore-pressure fluctuations in rapidly shearing granular materials[J].Science,1989，（246）：796-799.

［6］崔鹏.泥石流起动条件及机理的实验研究[J].科学通报，1991，（21）：1650-1652.

［7］陈晓青，崔鹏，冯自立，等.滑坡转化泥石流起动的人工降雨试验研究[J].岩石力学与工程学报，2006,25（1）：106-116

［8］张 明，胡瑞林，殷跃平，等.滑坡型泥石流转化机制环剪试验研究[J].岩石力学与工程学报，2010，29（4）：822-832.

［9］李康康.滑坡型泥石流的形成机理和规模[J].化工矿产地质，2010，32（3）：160-162.

［10］徐友宁，曹琰波，张江华，等.基于人工模拟试验的小秦岭金矿区矿渣型泥石流起动研究[J].岩石力学与工程学报，2009，28（7）：1388-1395.

［11］黄瀚，王涛.峨边下坝沟和岩湾沟典型矿渣型泥石流特征及成因分析[J].路基工程，2014，（2）：132-136.

［12］边加敏，王保田.含水量对非饱和土抗剪强度参数的影响研究[J].地下空间与工程学报，2011，7（1）：17-21.

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

孙玉永（1980-），男，河南新乡人，铜陵学院建筑工程学院副教授，中钢集团马鞍山矿山研究院有限公司和合肥工业大学博士后，研究方向：岩土工程及隧道工程。

国家博士后基金资助（2013M541827）；安徽省自然科学基金资助（1408085ME98）；铜陵学院2014年度学术带头人及后备人选科研项目（2014tlxyxs07）。