弃渣场边坡的粒径分布特征及其失稳机制研究

罗 浩，霍宇翔，巨能攀，赖若帆 ，解明礼，段 亮

(1.成都理工大学地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室，四川 成都 610059； 2.成都理工大学环境与土木工程学院，四川 成都 610059)

随着我国西部地区的经济发展及基础建设，西部山区公路和铁路的建设日益增多。由于地形条件的限制，隧道的建设必不可少，在复杂地形条件下的铁路建设中，长大隧道、特长隧道和隧道群也越来越多，也就产生了更多弃渣。目前隧道弃渣的利用率很低，通常只有10%～20%，其余的弃渣往往被选择在施工场地周边的沟谷地形倾倒堆砌，从而形成规模不一的弃渣场。弃渣场的稳定性关系到区域内的道路交通，弃渣场潜在引发的地质灾害对下游地区人民生产生活也有不可忽视的危害。

目前对于弃渣场的研究主要有以下几个方面：首先，部分研究人员为了对弃渣场的稳定性进行评价，将弃渣场视为各向同性的均质体斜坡进行研究，研究思路均将其视为类土质边坡并结合土力学的力学原理进行分析[1-3]。另一方面，考虑到弃渣场的组成物质和特有的形成方式(倾倒堆积)不同于一般的自然土质边坡，部分研究人员提出弃渣场边坡具有大孔隙率、低密度、坡体不同部位渣体粒径分级现象明显等特征，应从弃渣场的坡体结构特征入手进行分析[4-5]。李林等[6]根据排土场实际情况，用摄影与筛分综合法分析了排土场的岩土块度组成，得到了可靠的块度组成分析资料，并在此基础上，用数理统计的方法，总结出岩土块度组成随排土场高度变化的通用数学表达式。罗仁美[7]、黄广龙等[8]、王光进等[9]对排土场的粒径规律进行了研究，发现“一坡到底”的排弃方式对粒径分选作用明显，且分别总结了不同粒径颗粒的分布规律。研究得出：在排土场内，细颗粒含量随高度增加而增加，粗颗粒含量随高度增加而减少，大块石基本聚集于底部。申其鸿[10]采用摄影-图像分析的方法，统计分析了弃渣体块度特征，并采用R-R函数表达了弃渣块度组成，发现该方法的结果与实测块度结果的拟合程度接近。汪洋等[11-13]从物料堆积演化过程分析了排土场物料的粒径分选特征及堆积体的结构形态，研究表明：排土场物料粒径分选和堆积体的结构形态受较多因素影响。

总体而言，弃渣场边坡的不均匀性、各向异性以及坡体各部位弃渣体物理力学参数随级配特征变化明显的特性是弃渣场边坡特有的。但现有的数学统计、摄影-图像分析以及筛分试验等方法虽然在这方面研究中表现出一定的科学性和优越性，但是也存在着一定的局限性：并不能真实反映弃渣场边坡在堆积过程中不同粒径颗粒的分布特点和引起的破坏模式影响效应[14-15]。为突破这一局限，本文采用物理模拟方法重现了弃渣体的堆积过程，研究了弃渣场边坡内的渣体粒径分级特征，以及弃渣堆积体的坡体结构特征。并根据物理模拟的试验结果，结合PFC离散元数值模拟研究了弃渣场边坡在考虑粒径分级情况下的变形失稳过程。研究结果可为该类弃渣场边坡结构特征、堆积体分级特征、变形破坏机制研究和堆积体边坡以及排土场边坡物理模拟试验研究提供借鉴，另一方面为该地区隧道工程工程建设及弃渣体的堆积提供参考。

1 研究区概况

研究区叙永—大村镇段铁路主要位于泸州市南部的古蔺县，地处四川盆地南缘、云贵高原北麓。按成因类型，德耀—古蔺—两河一线以北为构造剥蚀、侵蚀地貌。古蔺县处于亚热带与暖温带过渡季风气候区，四季分明，气候温和，立体气候显著。气象资料表明古蔺县极端最高气温40.7 ℃，极端最低气温-8 ℃。从时间上看，区内降雨量多集中在5～8月，约占全年的65%，也是地质灾害的高发期，其一般规律为：海拔1 000 m以下地区，降雨量随海拔上升而增多，平均增率约为47.7 mm/100 m；1 000 m以上地区，随海拔升高降雨量则呈减少趋势。根据泸州市古蔺县气象站降雨历史数据显示，研究区内月最大降水量为189.4 mm，日最大降水量为164 mm，1 h最大降水量为63.9 mm，连续最长降雨时间为18 d，降雨量如表1所示。

表1 古蔺县雨量统计

图1 研究区典型弃渣场全貌图Fig.1 Panorama of the typical abandoned slag yards in the study area

图3 叙大铁路沿线弃渣场已有变形破坏现象Fig.3 Deformation and damage of the abandoned slag yard along the Xuyong-Dacunzheng Railway

图2 大岭山隧道弃渣场剖面图Fig.2 Profile of the abandoned slag yard of the Dalingshan Tunne

研究区内弃渣场已有的变形迹象及破坏特征主要发现于弃渣体表层局部及附属结构内，表现为坡表冲刷、渣体裂缝、局部滑塌及附属结构破坏几大类，并未发现整体失稳的情况。由于弃渣体松散堆积的特性，降雨以及地表水的冲刷作用对弃渣场稳定性影响较大，水的入渗也会降低弃渣体颗粒的力学特性。如图3所示，因雨水或地表水的冲刷，已造成部分位置弃渣体流失，弃渣堆积体表层出现冲沟或水土流失的迹象；多个弃渣场可见弃渣体内存在裂缝，若雨水渗入渣体内部，裂缝继续发展，弃渣场容易发生整体失稳破坏；部分弃渣场内渣体分台阶堆积，一些台阶位置处弃渣堆积过多，已发生台阶位置局部垮塌。

2 弃渣场边坡粒径分级特征研究

针对弃渣场的现有研究基本都是将弃渣堆积体视作一种均一材料，而实际倾倒形成的弃渣堆积体内部结构特征和粒径分级情况十分明显。常用的钻探、物探等地质调查方法在松散的弃渣堆积体中适用性不强，因此本文通过弃渣倾倒模型试验来模拟弃渣堆积体的形成过程并获弃渣堆积体内部的结构形式[16-19]。本次物理模拟试验针对研究区由斜坡倾倒渣体形成的弃渣场，重点研究不同粒径的弃渣颗粒在斜坡场地上堆积过程中的运动分选规律和堆积体的内部结构特征。实验中通过一定的相似比例，选择表面粗糙且磨圆度差的石英砂和碎石代替弃渣颗粒，在物理模拟模型箱内，模拟了弃渣堆积的全过程，得出了弃渣堆积时不同粒径颗粒在坡体中的分布规律。实验结果对分析弃渣场弃渣颗粒的粒径分级及弃渣堆积体内部结构特征有一定的指导意义。

2.1 实验方案

本次试验的模型作为一个定性模型，主要研究弃渣堆积体中颗粒的粒径分级规律，及粒径分级造成的结构特征，在相似关系中首先满足颗粒粒径尺寸的几何相似关系和运动相似关系。本次试验选择1∶50的相似比对原始坡面及堆积颗粒进行缩尺处理。研究区风险较大的多个弃渣场都是将弃渣直接倾倒在原始斜坡场地上形成的，为坡地型弃渣场，本次试验针对该类型弃渣场，首先需将原始斜坡地形进行概化。各弃渣场的单个台阶的堆积高度集中在20～30 m范围内，弃渣堆积场地的原始斜坡角度范围为20°～30°；从剖面上来看，其地形存在一些凹凸不平，根据数次预试验发现：不平的地形主要对弃渣堆积的初期影响较大，当新的堆积体坡面形成时，其原始地形对的弃渣倾倒时分选的影响可忽略。因此将原始斜坡概化为坡角为25°的一平面，根据试验采用的模型箱尺寸如图4所示。

图4 模型箱示意图Fig.4 Schematic diagram showing the model box

2.2 实验模型

由于实际的弃渣总体粒径较大，从中筛分出符合相似比的小颗粒进行模型试验相当困难，因此本次试验采用相似材料代替。石英石和碎石的完整颗粒重度与实际弃渣颗粒的重度接近，且磨圆程度低，为模拟在重力作用下堆积材料的分选情况，选择石英砂和碎石颗粒替代实际弃渣[20-23]；再根据现场实测粒径(表2)按照1∶50的相似比例选择不同的粒径组材料：0.12～0.18 mm(80～120目)石英砂、0.38～0.83 mm(20～40目)石英砂、1～2 mm(9～16目)石英砂、2～4 mm(5～9目)石英砂、5～10 mm碎石。对实际弃渣场边坡不同坡体部位的弃渣体采样并进行筛分实验，采样过程中考虑到堆积体具有分级特征，应从不同部位分别采样[24]，本次试验分别在弃渣场斜坡的坡顶、坡中部、斜坡底部取样。筛分所得实际弃渣边坡的级配特征取3处试样级配实验结果的平均值。

表2 实测各粒径组含量

如图5所示，根据弃渣颗粒的磨圆度及表面粗糙度程度，选取性质较为接近的石英砂作为相似材料，并按照斜坡实际级配特征配置相应的比例，其中颗粒粒径处于5～10 mm的试验材料用碎石代替[25-27]，相似材料的配比如表3所示。

图5 试验选用材料及配比Fig.5 Selection of material and proportion for testing

表3 试验材料配比

2.3 实验过程

试验开始后，持续缓慢地将材料倾倒在坡顶，众多的单个颗粒不断地在运动和停止的状态间相互转换，不断地形成新的堆积体。堆积体的形成是一个动态的过程，单个颗粒的运动方式可能为滑移运动、翻滚运动或滑移-翻滚相互转换运动，大体规律为小颗粒通常滑移运动，粒径越小越容易因能量耗尽或渗入空隙中而停止，颗粒在首次运动停止后受到作用会再次启动，在某个更低位置停止[28]。在此过程中形成的堆积体各阶段如图6所示。

图6 弃渣堆积过程Fig.6 Dreg accumulation process

2.4 实验结果

从最终的堆积效果可以看出堆积体内不同粒径组的颗粒分布不均匀，存在明显的粒径分级特征。可从水平分层、斜向分层和整体分区的角度对形成的堆积体粒径分级特征进行分析[29]。将水平和斜向的分层界限结合，总共将堆积体划分为43个区域，其中水平方向从上至下的5层内分别被分为10，10，10，8和5个区域(图7)。堆积体各分区内粒径分级明显，其中第一水平层内的1-1～1-10各区域都主要以细颗粒为主，粒径分级不明显；第二水平层内2-1、2-3、2-5区域存在的粗颗粒较多，其他区域以中细颗粒为主；第三水平层内的3-3、3-5、3-7、3-10区域，第四水平层内的4-1、4-3、4-5、4-8区域，以及第五水平层内各区域均存在粗颗粒聚集的现象。

图7 堆积体粒径分区特征Fig.7 Partition characteristics of grain size of the accumulation body

结果表明根据粒径的斜向分层特征可将堆积体分为数个条带状区域，且条带方向与坡面方向平行(即各层与地面的角度为混合堆积体的自然休止角)，不同条带状层内的粗颗粒交替聚集出现，其中从内至外第3，5，7，10层内各层的中下部出现粗颗粒大量聚集的现象，而第1，2，4，6，8，9层内各层中下部的粗颗粒相对较分散，各局部以中颗粒为主。

从最终堆积情况来看，不同粒径组的颗粒在堆积体内部的分布位置明显存在较大差异，堆积体整体内部粒径分级的情况明显。根据分层筛分得到的各粒径组的颗粒在各层分布的质量比例如表4所示。

表4 堆积体各粒径组分布

对倾倒形成的堆积体按相对高度划分为5个区域进行筛分，得到堆积体不同高度的级配。因试验采用的颗粒粒径不连续，部分粒径范围内的颗粒缺失，不宜使用粒径累计曲线来表示各层的级配；而通过百分比累计柱状图可以明确看出各层中的颗粒级配，各粒径组颗粒按质量在各高层的分布如图8所示。

图8 各层粒径组累计百分比Fig.8 Cumulative percentage of the particle size groups in each layer

试验结果表明：第一层级配由大部分的0.12～0.18 mm和0.38～0.83 mm组的细颗粒和少量其他组颗粒组成；第二层和第一层类似，但细颗粒所占百分比有所降低，且0.38～0.83 mm组的细颗粒最多；第三层的级配中1～2 mm组的中等粒径颗粒占比最多；第四层的级配90%以上由1～2 mm、2～4 mm和5～10 mm的中粗颗粒组成，其中2～4组的占比最多；第五层的级配主要由2～4 mm和5～10 mm的粗颗粒组成，且5～10 mm组的占比最多，基本不含0.12～0.18 mm组的最细颗粒。第一层至第五层中所占百分比最多的颗粒粒径组分别为粒径从小到大的5组颗粒。

3 基于PFC2D的弃渣场变形破坏机制分析

在针对散粒体边坡变形运动过程模拟所用的方法中，离散单元法(DEM)是应用最广泛的。但在大多数的研究中并没有考虑弃渣场坡体结构的特征，即不同粒径的分布特征[30]。将弃渣体视作连续介质不能表现出弃渣场的非连续大变形运动过程。在前文实验结果的基础上，根据实验结论，引入粒径分级特征这一影响因素，对大岭山隧道进口弃渣场进行颗粒流模拟(表5)，在计算该弃渣场稳定性系数的过程中对强度进行折减，取临界状态下的强度参数(斜坡稳定性系数为1.0条件下的参数取值)，模拟分析该弃渣场变形及失稳过程。

表5 分层级配统计

3.1 基于PFC2D的变形破坏过程分析模拟方案

根据试验结果，在对弃渣场边坡进行变形破坏机制分析时应考虑弃渣场边坡内部渣体不均匀分布的影响。可以通过添加颗粒直径的不均匀性取值的方式得以实现。具体圆盘颗粒的直径和比例按照物理模拟试验结论赋值(图9)。

图9 模型尺寸及测量圆布置示意图Fig.9 Schematic diagram showing the model size and measuring circle layout

模拟工况(暴雨工况)考虑自重和暴雨影响：水的作用是诱发弃渣场失稳的一个关键因素，研究区多数的弃渣场后缘坡体冲沟发育，汇水面积大，雨水经坡体汇集在后缘冲沟排出，冲沟被弃渣堆积体阻塞，汇集的地表水不能有效排除[31]。弃渣堆积体透水性大，积水多数经弃渣内部排出，部分以孔隙水的形式存在堆积体内部。在暴雨状态下弃渣场失稳风险大，需重点研究。在天然工况的基础上，考虑暴雨工况下(根据研究区日最大降雨量，设置暴雨状态下的降雨量为0.164 m/d)岩土体物理力学参数变化对弃渣场变形破坏过程的影响。

3.2 弃渣场PFC2D模型建立及参数取值

(1)颗粒流模型的建立

根据现场调查及极限平衡法计算的结果，基岩对弃渣场稳定性的影响不大，而挡墙完好，能形成有效的防护，因此在PFC模型建立时将基岩和挡墙设置为墙体(Wall)以限制颗粒的运动[32]。

模型中的材料分为弃渣体和软弱覆盖层，将弃渣体按高程分为8个区域，分别生成不同级配的球体以模拟颗粒粒径分级的现象。将实际颗粒粒径按比例扩大，覆盖层球体半径为0.075～0.1 m，弃渣颗粒半径范围为0.025～0.15 m，结合现场调查及模型试验的结果，设置各分区内球体的级配与孔隙率(表4)最终总共生成42 279个球体颗粒，建立考虑粒径分布模型(图10)。

图10 弃渣场边坡颗粒流模型Fig.10 Particle flow model for slope of the abandonment yard

(2)细观参数的标定及取值

图11 PFC数值直剪试验Fig.11 Numerical direct shear test

级配弃渣体和覆盖层的接触模型采用平行黏结模型(linear parallel bond model)，对于颗粒天然状态下的参数，根据数值直剪试验和物理直剪试验的参数标定拟合，物理试验选取砂岩组0.25 MPa轴压下的曲线进行拟合(图11为数值直剪试验模型，图12为拟合成果曲线)，将拟合参数结合经验参数确定PFC细观参数的取值。由拟合试验结合经验参数，颗粒的细观参数取值如表6所示。由于弃渣场边坡松散堆积和孔隙率大的特性，弃渣颗粒的黏结强度和黏聚力可忽略不计，主要物理参数为弃渣颗粒的重度和内摩擦角。

图12 直剪试验参数拟合Fig.12 Parameter fitting of the direct shear test

表6 岩土体细观参数取值

3.3 弃渣场边坡变形失稳过程分析

根据Geo-Slope计算得到安全系数，取临界状态下(k=1.0时)的强度参数赋值，并对材料参数进行折减，使得弃渣场发生失稳，分析其变形失稳的过程。提取测量圆和监测点的位移数据，得到各监测点颗粒的运动位移随计算时步的变化关系(图13)。

图13 位移-计算时步曲线Fig.13 Displacement-calculating time-step curve

从位移监测曲线结合各阶段坡体形态可以看出，整个变形过程中坡体越上部的颗粒位移越大，底部的颗粒位移量较小。

整个变形破坏过程大致可分为以下几个阶段：

(1)应力重分布阶段(0～105步)：应力重分布，颗粒几乎没有位移，此阶段为强度折减后的第一个阶段，颗粒间的作用力进行调整，坡体内部的应力发生重分布。

(2)后缘拉裂阶段(1.0×105～1.6×105步)：后缘拉裂，颗粒发生位移，坡体出现变形，此过程的变形速率不大。

(3)后缘下错，前缘鼓胀阶段(1.6×105～3.0×105步)：次生裂缝产生，坡体整体下移，同时坡表台阶及前缘出现鼓胀，此阶段整体破坏呈现加速的趋势，变形速率较大。

(4)滑面形成阶段(3.0×105～5.0×105步)：潜在滑动面形成，变形速率进一步增大，坡体的滑动位移急剧增加。

(5)斜坡失稳破坏阶段(5.0×105步之后)：滑动面完全贯通，坡体整体失稳，变形位移保持一定的速率不断增加。

边坡变形至失稳过程的位移云图如图14所示。

图14 变形至失稳过程的位移云图Fig.14 Displacement nephogram from deformation to instability

从计算开始至1.0×105步过程中，颗粒间的应力发生重分布。约1.0×105步时，第二台阶上方的颗粒因颗粒粒径较大，相对上方的颗粒黏结较弱，在摩擦系数和黏结强度折减后，该位置颗粒之间的连接率先产生破坏，颗粒发生运动，坡表表现为向外侧鼓胀。此时除鼓胀位置外，坡体的变形和位移不大。

计算至1.5×105步时，鼓胀的颗粒位移加大，达到0.15 m。2.5×105步时，后缘平部平台位置产生的拉裂缝向下贯通整个弃渣体，同时第一级平台位置坡体前缘的颗粒被挤出。3.5×105步时，前缘颗粒被挤出位移约0.4 m，后缘拉裂缝张开较宽，裂缝之前的颗粒沿着覆盖层整体向下滑动，裂缝之后的渣体下滑速率较下部慢。计算至5×105步时，可看出沿软弱覆盖层的潜在滑动面形成，第二级平台上部发生局部垮塌，前缘颗粒的位移达到0.75 m。计算至1.0×106步时，边坡整体已经破坏，滑面完全贯通，颗粒的位移最大达到1.6 m，其中位移最大位置出现在弃渣体的中部至第一级平台范围内。此时以较高的速率下滑，颗粒将继续运动冲出挡墙。

从整个过程来看，该弃渣场的失稳模式为：滑面穿过弃渣体内部和覆盖层，带动上部的弃渣体滑动。因中间高程相较原始坡面角陡，上面堆积的弃渣体重度大，该部分的覆盖层内首先发生材料的剪切破坏，即该部分颗粒间的黏结被破坏，首先发生运动。在中部颗粒的推动下，前缘的颗粒被挤出，后部的颗粒因失去支撑而滑动。坡体的中下部表现出推移式滑坡的特征，弃渣体的上部表现出牵引式滑坡的特征。

4 结论

(1)通过概化模型的倾倒堆积试验研究发现：堆积体的形成是一个动态的过程，堆积体的每一个阶段都是由每个颗粒经过多次运动后停止堆积形成的，在堆积体不断形成的过程中，不同粒径的颗粒在重力及颗粒间的相互作用下不断地被分选，最终形成的堆积体粒径分级程度高，不均匀性强，具有明显的结构特征。

(2)不同粒径颗粒的平均运动距离不同，粒径与运动成正相关，最终形成的堆积体中颗粒的粒径级配不均匀分布现象明显。堆积体内部结构不均匀，主要表现为：上部密度大，下部密度小；上部空隙率小且空隙基本不贯通，下部的空隙率大且有较多的贯通空隙。堆积体不同高程位置的松散堆积材料具有不同的抗剪强度参数，其中黏聚力不大，且变化规律不明显，内摩擦角从上至下随着各层颗粒的平均粒径的增大而逐渐增大。

(3)使用PFC2D模拟了大岭山弃渣场边坡在降雨工况下的变形破坏过程，整个过程分为应力重分布、中部覆盖层剪切破坏、后缘拉裂、后缘下错、前缘鼓胀、潜在滑面形成及滑面贯通几个阶段。坡体的中下部表现出推移式滑坡的特征，弃渣体的上部表现出牵引式滑坡的特征。