Vol. 30 ! No. 2Feb 2021
第30卷第2期
2021年2月
ogilvy
中国矿业
CHINA MINING MAGAZINE
南芬露天铁矿高陡边坡失稳全过程
物理模型试验研究
陶志刚3舒昱3髙號dA 王一聪3赵俊凯12
(1.中国矿业大学(北京)力学与建筑工程学院，北京100083； 2.深部岩土力学与地下工程国家重点实验室，北京100083；
3.本溪钢铁集团南芬露天铁矿#辽宁本溪117000)
摘 要：利用自主研发的深部地质工程灾害模型试验系统进行试验，模拟滑坡大变形失稳破坏的全过程(
在模型内部布设小型NPR 锚索进行力学监测，同时采用数字散斑技术对边坡位移进行监测，从试验角度 研究滑坡大变形破坏时的边坡内部应力变化规律及NPR 锚索在大变形破坏条件下表现出的力学特性。
试验结果表明：边坡破坏表现出明显的阶段性演化过程，大致可划分为四个阶段：软化压密阶段、裂纹产生
阶段、裂纹扩展阶段、滑动面贯通阶段。边坡失稳破坏过程中，NPR 锚索发生较大变形但未发生破断失效， 表明锚索能够在滑坡全过程中对其进行持续监测和加固(NPR 锚索在试验过程中的受力特征与现场滑坡 牛顿力监测结果相吻合，证明NPR 锚索在滑坡超前预警方面具有有效性及合理性(
关键词：边坡稳定性；物理模型试验；NPR 锚索；露天铁矿
中图分类号：TD854 文献标识码：A 文章编号：1004-4051(2021)02-0101-06
Physical model test rearch on the whole process of high and
steep slope instability in Nanfen open-pit iron mine
TAO Zhigang 112 , SHU Yu 12 , GAO Yushan 3 , WANG Yicong 112 , ZHAO Junkai 112
(1 School of Mechanics b Civil Engineering !
China University of Mining and Technology (Beijing) , Beijing 100083, China ；2. State Key Laboratory of Geomechanics and Deep Underground Engineering ,
Beijing100083!China ；
3 NanfenOpen-pitIron Mine !BenxiIronandSteelGroup !Benxi117000!China )
Abstract : A physical model for the footwall slope of the Nanfen open-pit mine,China is established using a lf-developeddeepgeologicalengineeringdisaster modeltestsystem Modelscale NPR anchorcablesare
installed inside the model to carry out deep mechanical monitoring. The digital speckle technique is ud to monitordisplacementoftheslope model From anexperimentalpointofview !thevariationlaw ofshear strengthparametersofweakstructuralplaneandthemechanicalsupportcharacteristicsofNPRanchorcable
under the condition of large landslide deformation and failure are examined. Results of this model test show thatslopefailurehasfourdistinctstages :soilcompactionstage !crackgenerationstage !
crackpropagation
stage, sliding surface penetration stage. During slope failure, the NPR anchor cable experiences large deformationbutincursnodamageindicatingthattheNPRanchorcablecanbecontinuously monitoredand
reinforced during deformation and failure of the landslide. The stress characteristics of NPR anchor cables
收稿日期：2019-12-04 责任编辑：赵奎涛
基金项目：浙江省重点研发计划项目资助(编号：2019C03104)
第一作者简介：陶志刚(1981 — )，男，博士，副教授，主要从事岩体力学与工程灾害控制理论和教学工作,E-mail :taozhigang@263. com 。
引用格式：陶志刚，舒昱，高毓山，等.南芬露天铁矿高陡边坡失稳全过程物理模型试验研究:J *.中国矿业，2021,30(2):101-106,113 doi ：10.
12075/j. issn. 1004-4051. 2021 02. 015
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during the test are consistent with the monitoring results of the Newtonian force at the landslide site,which
proves that NPR anchor cable is effective and reasonable in landslide monitoring and early warning.
Keywords:slope stability；physical model test；NPR anchor cable；open-pit iron mineflowrve
滑坡是一种长期以来对人类安全生产和生活造成严重威胁的地害，牛天于频采发时，对矿区工作安全和设备安全有较大的影响，严重威胁矿山的安全生产。
物理模型试验法能够在较短时间内重现滑坡发生的全过程，对于研究稳破坏十分（我国于20世纪80年代种研究方入国内，并已取得大量成果,「门针黄，的变形过程、滑体的时间效应及扩展过1研究；刘②导致的启动和理；武彩萍⑶工下面形态变化过程；陈洪凯等⑷研究了松散体边坡的吸水过程、蠕变过及发生之间的关系；左自）5*利用室试验:
研究与构面之间的关系；fullhou
鉴等「疔散的砾过程中的坡面土形态变化、性状变化及稳定状态：研究和；乡⑺利用试验
式的过程，并揭示稳数
的规律；林鸿囚发导致的
“门槛 量”，并以此量作为预警基准；刘鹏⑼针相似材料和素红试验，提出了合比材料的物理力学指方法。上述研究的工程背景多集中散的天然及砾石，而针对经固的破坏机制鲜有究。
天矿下盘高陡边坡为背景开展试验研究，使用微型NPR锚模
并采用数字图像分析法和牛顿力监测物理模型破坏全过时监测。利用热敏材料温度变化模作用下面贯通破坏的情况，探究发生时面的度指标衰减规律，为揭示岩质边坡失稳破坏机理及后续加固方案的的参据。
1工程概况
南芬露天铁矿采场位于辽宁省本溪市，采场区域内构造沿NNE方向扩展。矿体主体为单构造，岩石与界面，铁矿体主要
界安铁中，平均厚度40m。由于目铁量远低于需求量，为满足矿山的可持续发，期扩开采工作。
通过扩帮增加开采规模会导致滑坡发生的概率增大。依据地及地勘测可知，采理发育，其中节理发育最显的于下，该 理总体上向，倾角稍大于坡面角，走向与角度相基相同。其表面迹，通过测量可得其JRC值在2〜4之间。节理出露处存在一个明显的，如图1所示，并有水流侵蚀痕迹，经测量产状为295°048°。该倾，整体存在多组理，存在贯通的倾角与坡面角接近的节理，容通形成复合滑面，体的稳定性构成胁。
通过对南芬露天铁矿的现场工程地质调查，该下主要的种绿泥角，绿泥角能够时间吸水和状态，发显著影响）10*。品的室度
domestication测试结果见表1（
图1下盘剪出口局部照片
Fig.1Partial photo of lower wall shear opening
表1南芬露天铁矿绿泥角闪岩强度参数Table1Strength parameters of chlorite amphibolite
in Nanfen open-pit mine
名称
密度/容重/
(kN/m3)
抗压强度/
泊松比
(g/cm3)MPa
绿泥角闪岩29829307.12032
2模型试验方案
bragging rights21试验
试验设备采用中国矿业大学（北京）深部岩土力学与地下工程国家重点实验室自主研发的深部地质工害模型试验，该主要、液、数据采主要。试验可容纳的模型尺寸最大为长X宽X高=1600
mmX
第2期陶志刚，等：南芬露天铁矿高陡边坡失稳全过程物理模型试验研究103
400mmX1600mm，液压控制系统可施加荷载范围为0〜5MPa。该系统能够模型的及横向位移约束，并能够区合荷载。2.2模及制作
合表1中的工体力学参数，采用石膏粉与水为材的单元板模拟绿泥角体，经过多例标准试样试验测试，本次室内模型试验最终选用水与例为f1的单元板作为模拟材料。试验用比例的单元板标准式样测试结果见表
表2水与石膏粉1：1单元板参数
Table21：1water to gypsum finite element plate parameters
密度/容重/抗压强度/弹性模量/
(g/cm3)(kN/m3)MPa GPa 单元板 1.1511.25532 2.01
根据表2参数，可以计算出容重相似比参数，并用于计算应力相似比参数以及相似比参数，见式(1)。
C,=i2.60(1)
7,,
参照实际边坡规模及试验系统尺寸，最终确定模型高度为1.2m，几何相似比取为G=80，出速度相似比，见式(2)。
C g=g P/g m=1(2)
边坡潜在滑动面采用材料制成的单元板进行模拟，板的制作过程中放入聚薄膜，试验过程中通过，使得石材来模构面象。在模型上部设置高度为40cm的传力单元板，并在其上部和下部铺板，使其能将荷，物理模作2所示。
图2试验模型完成图
Fig.2Completion diagram of test model
假释官2.3监测方法
针对普通锚索难以适应滑坡失稳过程中的大变形破坏规律，体发生大变形但还未失稳破坏时，锚经问题，何满研发用于大变形的变形锚索。相关研究表变形锚、大变形量、强能量吸收)12「⑷。变形锚索与力学传感系及通的监测能够发生变形破坏预警「14*，锚变形破坏之后没有破坏，且仍然能够正常工作。工程中使用的NPR 锚构示3所示，锚度及张与
基岩深度、滑面深度、坡面角度等工程地
关，体的最变形量1000〜2000mm(
长度取决于钻孔的深度
图3恒阻大变形锚索结构示意图
Fig.3Schematic diagram of constant resistance large deformation anchor cable structure
本次试验基于现有应用于工程中的NPR锚，研发应室模试验的NPR锚，
精度感器与NPR锚索迪
体，变形破坏的全过学监测(试验中的NPR锚构精的同时保留了工程中使用的NPR锚索结构特征，锚材料的选取根据室试验结果，并结合试验相似(试验的果及
NPR锚索物理力学参数见表3和表4，试验用I 感及NPR锚4示
特朗普和希拉里
(
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father的含义(a)高精度拉力传感器(b)小型NPR锚索
图4高精度拉力传感器及模型尺度NPR锚索图
Fig.4Images of t he tensile force nsor and model scale NPR anchor cable
Table3Material ultimate load of anchor cable tensile test 表3锚索拉伸试验的材料极限荷载
材料直+mm破断荷载/N
铝
10103
15131
铁
10523
15708
表4工程锚索与模型试验小型NPR锚索物理力学参数Table4Physical and mechanical parameters of field anchor cable and model test smal NPR anchor cable 锚材荷+N度/m直/mm 工程锚索85000085.0001524 NPR锚1310358〜0732150
同时，针对在试验过程中发生的位移，采用数字散斑测量全过移量。使用该系续采集模型表面的散斑图像，依据散斑分布特，对变形像相关，来模型表面的位移，从模型变形场的测量。
24试验过
首先利用试验设备的加载系统通过传力单元板对模型预，使得单元板之间密实。预压完成，等待模型稳定，使用直流稳源接通预！置单元板中的PI G，单元板进
(材过程中强度，可用来模时面强度的过程。在试验过程中使用摄像机及散斑采模稳破坏全过监测。同时，板的过程中
模型的状态，模型发生破坏后即停，试验结束。
3结果分析
3.1模型破坏特征
试验结束体破坏特征如图5所示，破坏区域主要集中在4个部分。破坏点1为坡顶处，该处由于下体的牵引作用产生竖向訂测量结果显示竖向位移为5cm；破坏点2为预埋NPR锚索处，试验过程中体的作用而在套发生移，锚 体长度增加；破坏点3理发育面，石蜡板上覆滑体发生整体滑移，板表面留移的
痕迹，量的r 粉残留板表面；破坏点4处，滑体沿着面发生整体，坡脚处破坏，经测量坡脚位移为6cm。
图5边坡模型整体破坏图
Fig.5Overall failure diagram of slope model
32模监测果
体内预埋的模型尺度NPR锚索实施全过程监测，图6为锚感器的监测曲线。监测果显示锚表显的征，
可将其划OA、AB、BC、CD等4。
OA段：软化压密阶段。此锚监测曲线呈现下，试验开模型进预压，通过模荷载，导致边模锚 感，数显示(
锚 感续增大，至OA束时barca
，
第2期陶志刚，等：南芬露天铁矿高陡边坡失稳全过程物理模型试验研究105
边坡模型较为密实，锚索受到压力达到最大。实验过程中，散斑图像捕该 微的变形和位移, 7所示。由垂直位移云图可知，模i 荷预，随着时间的推移，边坡变形的区逐渐扩大，位移量增大，最移处集中在液下方，且最大变形区向上部移动。
AB段：裂纹产生阶段。此锚监测曲上升。上部预压荷，对石蜡单元板，构面的强度，裂隙发育速，滑体产生持续的变形，锚 续增加，最NPR锚，并表现出良的。图8为AB垂直位移云图。从8中可明显构面强度的，边模最移逐向体移，模体垂直位移范围向坡体下部扩散，由此可推断此阶段滑体已出现下滑趋势。
图6锚索拉力传感器监测曲线
Fig.6Monitoring curve of anchor cable tension nsor
图7OA阶段散斑图像处理结果
Fig.7Speckle image processing results from the OA stage
图8AB阶段散斑图像处理结果
Fig.8Speckle image processing results from the AB stage
BC段：裂纹扩展阶段。此阶段锚索拉力监测曲线没处于稳定状态，边坡模的小NPR锚索处于。边坡模纹持续扩展，坡体基 再发生变形。至该阶束，滑体与间宽度为8mm的，滑体发生竖向位移13mm。图9为该移云图。
垂直位移云图可知，滑体竖向位移明显增大，并在nosmoking
因位移散斑捕捉的区域，且面已经形成，图中显示处移，滑体下部呈现出上翘运动的趋势。从水平位移云图中可，滑体水平向位移从逐增，水平移基变，体最的水平位移区中处，经测量该点水平位移量为7.8mm，滑体整体向的。
CD段：滑动面贯通。此锚［力监测曲可，NPR锚速上升，三根锚索承的最147.41N, 120.31N、121.50N，随后骤降至8N左右，滑坡随
