由于共震损伤累积导致的封闭细粒尾矿堆体的失效机制：来自振动台试验的见解

《Soil Dynamics and Earthquake Engineering》：Failure mechanism of closed fine-grained tailing deposits due to co-seismic damage accumulation: Insight from shaking table tests

本研究通过振动台试验模拟饱和细粒尾ings沉积物地震渐进破坏，揭示循环流动性引发的三阶段破坏机制（初始、循环流动性触发、破坏阶段），提出塑性位移系数量化累积损伤效应，证实地震动累积损伤显著增加后续强震下的失稳风险，为尾ings库地震安全评估提供理论依据。

　　

隋一尧|唐明高|刘文亮|徐强|徐鹏飞|李军|隋素刚|陈旭

中国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，成都，610059

摘要

近期发生的灾难性尾矿库事故造成了重大人员伤亡和环境破坏，引发了广泛关注。尾矿具有高饱和度、细颗粒和低渗透性的特点，在地震中容易发生失稳。尽管封闭式尾矿库中的尾矿由于长期固结而变得密实，在静态条件下通常被认为是稳定的，但它们仍可能因多阶段地震引起的累积性损伤而坍塌，这一过程目前研究还不够充分。本研究使用了一个饱和物理模型来模拟地震引发的渐进性失稳过程。通过嵌入式传感器和粒子图像测速（PIV）技术监测了模型的地震响应和变形演变。在测试过程中，传感器记录了超额孔隙水压力（EPWP）和动态土压力。结果表明，边坡失稳是由于粉砂层中的循环流动性造成的，这一过程可以分为三个阶段：初始阶段、循环流动性触发阶段和失稳阶段。当地震荷载超过某个临界值时，循环流动性开始发生，这通常由强烈的地震过程中的显著EPWP和水平地震力触发。此外，本文提出了一个塑性位移系数（D）来阐述累积性损伤和失稳机制。最后，测试结果表明，循环流动性引起的损伤会增加后续地震引发的不稳定性风险，这为退役尾矿坡的失稳机制提供了新的见解。

引言

尾矿库是矿石开采和选矿过程中的副产品，储存在尾矿储存设施（TSFs）中。由于尾矿中细颗粒含量高，其渗透性低且通常处于饱和状态，因此在地震中容易发生液化失稳[[1], [2], [3]]。当受到强烈地震作用时，地震扰动会引发非排水土壤响应，产生显著的超额孔隙水压力（EPWP），从而降低尾矿的剪切强度；同时，地震波传播产生的惯性力也会加剧这种效应[4]，从而危及边坡稳定性。已有多起尾矿库因地震而溃坝的案例，例如1928年智利的Barahona大坝[5]、1965年智利的El Coble大坝[6]、1978年日本的Mochikoshi大坝[7,8]以及2011年日本的Kayakari大坝[9]。这些灾难性事件对受影响社区的安全、财产和生态环境造成了严重影响。因此，了解地震引发的尾矿坡失稳机制至关重要，对于减轻不稳定性及相关风险具有关键意义，需要进一步研究。

早期研究者[[8], [9], [10]]探讨了地震导致尾矿库溃坝的机制。Ishihara（1984）[8]指出，Mochikoshi No.1和No.2大坝的失稳是由于地震产生的超额孔隙水压力引起的流动失稳。然而，两者的失稳过程有所不同：No.1大坝在主震期间失稳，而No.2大坝则在一天后溃坝。2011年Kayakari大坝的溃坝也是浅层松散尾矿的流动液化案例。值得注意的是，相邻的Takasega-mori大坝由于有效的排水设计将水位控制在安全范围内，因此未发生裂缝或局部滑动。由此可见，地下水水位、排水效率、堤坝类型、坡度角度、尾矿固结程度、矿物组成和颗粒大小分布等因素都会影响尾矿坡的稳定性和失稳机制。[Villavicencio等人（2014）[10]]根据智利的38个案例将地震引发的尾矿库失稳分为三种类型：地震引发的边坡不稳定、流动液化失稳和循环流动性引发的大变形。其中约50%的失稳事件是由流动液化引起的，32%是由地震引发的不稳定性或大变形造成的。许多失稳事件同时表现出多种机制的组合。因此，可以得出结论，尾矿库的地震失稳机制非常复杂，需要考虑多种因素。

小型试样试验（如循环三轴试验和循环直剪试验）是评估颗粒材料在不同条件下的循环抗力和响应的有效方法[[9]; [[11], [12], [13], [14], [15], [16], [17], [18], [19], [20], [21]]。通过制备具有不同岩土参数、初始应力状态和加载条件（如孔隙比、密度、级配、细颗粒含量、矿物组成、多方向剪切应力和围压）的试样，可以系统地研究砂土和颗粒材料的循环行为[[21], [22], [23]]。这有助于开发准确的本构模型，加深对地震行为的理解，并推动数值模拟技术的发展。然而，这些小型试验在准确再现大型尾矿坡的原位条件（特别是从完整状态到最终崩塌状态的失稳过程）方面存在挑战。例如，在循环三轴试验中，尾矿材料的失稳是由3.75%的循环应变（γ_SA）引起的[[13], [14], [15]]。实际上，循环流动性不仅会导致尾矿的大变形（即塑性应变），还会在挡土坝中产生大的纵向裂缝（即累积性损伤），从而影响边坡的完整性和安全性[10]。这种现场损伤现象在小型试样中很少观察到。

数值模拟技术为地震评估提供了新的视角。有限元方法（FEM）可以定量评估地震稳定性和位移[[9,23,24]]，但在模拟现场尾矿坡的显著不连续变形和裂缝方面存在局限性。离散元方法（DEM）通过显式模拟颗粒集合体，提供了关于动态条件下流动和大变形的微观力学的基本见解[[25,26]]。然而，原型规模饱和系统的DEM模拟计算量较大[[27]]，因为需要生成大量粒子并解决复杂的流固耦合问题。

振动台试验是理解自然滑坡、土壤边坡以及可液化场地地震性能的有效工具。目前，振动台已在多种研究中得到广泛应用，有效研究了实际场景下的地震行为，包括近断层地面运动的响应[[28]]、可液化场地的性能[[29], [30], [31], [32], [33]], 以及其他条件[[35], [36], [37], [38], [39], [40]]。然而，与自然土壤边坡相比，很少有研究使用振动台试验来评估矿山尾矿的动态响应[[1,3]; [[41], [42], [43], [44]]，尤其是在模拟尾矿坡时，往往忽略了层理结构[[1,41,42]]。事实上，尾矿库是最大的人造边坡之一，其颗粒组成具有异质性，颗粒大小通常随深度增加而从粗变细[[45]]。这一点非常重要，因为它可能影响尾矿库的地震稳定性[[14]]，因此应在物理建模试验中予以考虑。另一方面，封闭式尾矿池的失稳风险较低，因为尾矿经过长期固结后变得密实，剪切强度会随时间增加。然而，现场案例表明，当受到强地震等外部因素的影响时，可能会产生超额孔隙水压力，从而在密实（膨胀性）尾矿中引发循环流动性。这可能导致挡土坝的累积性损伤[[10]]，进而影响边坡的完整性和安全性，这一过程目前研究还不够充分。因此，通过振动台试验模拟地震作用下的封闭式尾矿坡失稳机制对于填补这一知识空白非常重要。

本文旨在研究一个概念性的细粒尾矿坡的失稳机制和演变过程，该模型简化自高度堆叠的封闭式上游尾矿库在地震作用下的情况。考虑到尾矿的层理结构和饱和可能性，振动激励在水平和垂直方向上同时施加，以更准确地模拟真实的地面运动。在模型内部嵌入了动态孔隙水压力计和土压力计来监测地震荷载下的内部响应，同时前部和侧面的摄像头记录了失稳过程的演变。研究结果为地震易发地区退役尾矿坡的安全管理和保护提供了宝贵的技术指导。

研究区域

本研究选择的参考原型是位于中国四川省攀枝花市东部地区Majiatian村和Ashuda村之间的Majiatian尾矿库。这是一个采用上游法建造的高度堆叠的尾矿库，沉积在Ashuda和Longtan山谷中，含有约1.23 × 10^8 m^3的钒钛磁铁矿尾矿，最大高度为183米，平均坡度为1:6（约9.5°），如图1所示

材料与方法

根据上述现场条件，测试模型被设计为饱和状态。实验材料选择了细砂、粉砂和淤泥等尾矿。根据所有剖面的钻探数据，各土层的比例分别为细砂24%、粉砂56%和淤泥20%。基于这些土层比例，建立了概念性物理模型。

结果

本节分析了模型边坡在逐渐增加的地震作用下的变形现象和动态响应。使用GoPro和高速度摄像机捕捉了前后视图的图像，并通过PIV技术分析了变形矢量、特定点的位移历史和位移等值线。

讨论

实验结果表明，模型边坡的变形和失稳过程与峰值地面加速度（PGA）、尾矿的循环流动性以及边坡模型的应力状态密切相关。为了进一步阐明饱和、密实细粒尾矿坡的渐进性地震失稳机制，讨论将围绕以下部分展开：第5.1节中测试结果与现场案例的比较；第5.2节中地震引发循环流动性的机制；以及EPPR的演变过程

结论

本研究通过振动台试验研究了在饱和条件下多阶段地震荷载作用下概念性封闭式密实尾矿坡的失稳过程。记录并分析了超额孔隙水压力（EPWP）、动态土压力、位移和累积性现象的响应。

边坡模型的渐进性失稳过程可以分为三个阶段：初始阶段、循环流动性触发阶段和失稳阶段

作者贡献声明

隋一尧：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿撰写，方法论研究，数据分析。唐明高：撰写 – 审稿与编辑，项目监督，资金获取，数据分析。刘文亮：资源协调，调查工作。徐强：资源协调，调查工作。徐鹏飞：资源协调，调查工作。李军：数据分析，数据管理。隋素刚：资源协调，调查工作。陈旭：撰写 – 审稿与编辑。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（项目编号：42377199、41941019）和中国有色金属工业昆明勘察设计研究院研究项目（项目编号：80303-AH20220235）的支持。感谢编辑和匿名审稿人的建设性意见以及对手稿的精心处理，这些工作有助于提升本文的质量。