降雨對厚沖積層邊坡穩定性影響

周靖人 楊天鴻 于慶磊 劉洪磊 李鳳柱 南世卿

(1.深部金屬礦山安全開采教育部重點實驗室，遼寧 沈陽 110819；2.東北大學資源與土木工程學院，遼寧 沈陽 110819；3.秦皇島燕勝巖土公司，河北 秦皇島 066000；4.河北鋼鐵集團礦山設計有限公司，河北 唐山 063701)

降雨對厚沖積層邊坡穩定性影響

周靖人1，2楊天鴻1,2于慶磊1,2劉洪磊1,2李鳳柱3南世卿4

(1.深部金屬礦山安全開采教育部重點實驗室，遼寧 沈陽 110819；2.東北大學資源與土木工程學院，遼寧 沈陽 110819；3.秦皇島燕勝巖土公司，河北 秦皇島 066000；4.河北鋼鐵集團礦山設計有限公司，河北 唐山 063701)

邊坡穩定是露天礦山安全生產的前提，降雨是影響邊坡穩定性的重要因素之一，特別是對于第四系沖積層厚大的露天邊坡，研究降雨的影響更加重要。結合研山露天礦東幫水文地質信息，對不同降雨強度下，地下水位埋深的變化及埋深變化之后對厚沖積層邊坡的安全系數和地下滲流場分布的影響進行研究。模擬計算結果顯示，礦山早期施工的堵水帷幕降低地下水位的作用不明顯，地下水位埋深持續偏低，邊坡細砂層和礫石層中含水豐富，形成了連貫的地下水運輸通道，坡面出現漏水現象，在大降雨時，邊坡涌水量急劇增加，邊坡安全系數明顯降低，有可能會出現滑坡等災害。根據這一情況并結合現場現狀，提出了邊坡疏干排水措施，提高了邊坡的穩定性，保證了礦山的安全穩定生產。

滲流 安全系數 邊坡計算 數值模擬

近年來，降雨作為誘發邊坡災害的一個重要因素，可以引發諸如泥石流，滑坡等地質災害，對我國的經濟和人員設備安全帶來的巨大的威脅。在降雨條件下，隨著降雨量的增加，邊坡地下潛水面逐漸升高，邊坡土體內部抗剪強度和基質吸力發生變化[1-3]，當達到一定的限度時可能引起邊坡失穩，且隨著地下水位的升高，露天坑涌水量急劇增加，會嚴重影響礦山安全高效生產，增大排水壓力。研山鐵礦二期露天礦東幫邊坡坡體為厚大的沖積土層，粉土、沙土、卵石、粉質黏性土層互層特征明顯，水文地質條件復雜，邊坡滲透性好，地下土層孔隙發育，對降雨更加敏感[3-4]，加上礦坑附近有灤河提供定水頭，增加了坑內涌水量，原來修筑的擋水帷幕沒有預想的效果，在露天開采過程中，各方位邊坡都已經發生了不同程度的開裂、滑坡和垮塌。本研究針對唐鋼研山露天礦東幫厚沖積層的現狀，分析了地下水位變化對邊坡穩定性的影響，并結合礦山實際提出了有效治理措施。

1 地質概況

根據前期勘察資料，研山鐵礦二期露天采場東幫臨近灤河，其中新河是人工開挖的輸水渠道，最近處距離露天采場最終境界線61 m，流量受人為控制，多年平均流量31 m3/s(1963—2003年)，近5 a流量變化在0.24～155.05 m3/s。東幫第四系表土邊坡地下水涌出量1 200～1 300 m3/h。經統計，2011年礦坑排水能力為5 000 m3/h，雨季到來時由于排水能力跟不上涌水量造成坑底局部淹沒，險些影響生產，其中東幫該區域第四系邊坡涌水量占較大比例(非雨季水量1 200～1 300 m3/h，坑內基巖邊坡涌水量還有700～800 m3/h)。由此可知，研山邊坡礦坑雨季地下水涌水量加上短歷時的地表匯水量跟非雨季比較，可增大3倍左右。礦區全年的降水量700～1 000 mm，主要集中在5—9月份，僅7月和8月的降水量就占全年平均降水量的58.9%。60 a一遇的24 h的暴雨強度510 mm/d，1 h最大暴雨強度119 mm/h。

地層由上至下為雜填土層、粉質黏土、粉砂層、礫石層及基巖層。其中，沖洪積砂、砂礫卵石層孔隙潛水含水層透水性、富水性極強，新河將作為定水水頭補給水源，并以東段為涌水通道，向采場內大量涌水，對礦山生產造成了極大的影響，急需采取相應的措施，采場平面圖如圖1所示。

圖1 研山鐵礦東幫邊坡平面

礫石層界線與新河河床相交，位于河床基地底，向坑內順傾，新河為直接補給源，地下水位較高。礫石層與細砂層底板傾向由東北向西南傾，東幫邊坡基巖頂板存在灤河舊河道。圖2中邊坡為圖1中N-N′位置剖面圖，可以看到透水層形成了比較集中的滲流通道，以新河、灤河為主要補給源，通過礫石層涌入露天坑內，從而造成較大的涌水量和較高的地下水水位。若東邊幫繼續采剝，隨著開采深度的增加，上層第四系土層和巖層被剝離，邊幫兩側水力梯度進一步加大，而細砂層和礫石層透水性和富水性極強，向采場內補給水量將進一步增大，若不及時治理，雨季到來時，該區40～50 m厚的沖積層表土邊坡在高水位強徑流作用下可能誘發邊坡失穩和泥石流災害[5-8]。

圖2 邊坡剖面

2 邊坡數值模擬

邊坡穩定性計算方法可分為極限平衡法、有限元、邊界元法以及可靠性分析方法[9]。極限平衡法因其計算模型簡單、計算方法簡便，計算結果能滿足工程需要等優點，被認為是邊坡工程分析與設計中最主要的且最有效的實用分析方法[10-11]。結合Geo-Slope軟件，可以根據不同的降雨條件，分析東幫邊坡地下水位變化，得到不同的邊坡安全系數。

2.1 數據選取

根據研山地質勘探資料選取各地層的力學參數和滲透系數見表1和表2。模擬以N-N′處邊坡剖面作為計算模型。

表1 邊坡穩定性計算各土層力學參數取值

表2 邊坡滲透系數

其中，粉土的黏聚力在不同降雨條件下變化較大，未降雨時為12.77 kPa，暴雨時，降低為6 kPa，飽和狀態下值為3.1 kPa，帷幕在各個局部的滲透系數不相同，取平均參數1.1×10-5m/s。

計算中采用流速來模擬降雨，降雨量為每小時滲入地表的水量，總降雨數值所取的是研山鐵礦歷年降雨量的平均值，根據當地地質勘探報告，在總降雨量中，約只有40%的降水通過滲流流入地下，即入滲系數為0.4。

2.2 地下滲流場

經過軟件模擬之后，得到不同降雨條件下邊坡地層中滲流場的分布情況，如圖3所示。

圖3 不同降雨條件下地下滲流場分布

從圖3可以看到，在帷幕的作用下，潛水面下降了0.6 m，邊坡帷幕堵水效果較差，在相應的臺階底部都出現了漏水點，地下水主要集中在導水性良好的礫石層和細砂層中。如圖4(a)所示，隨著降雨量的增加，地下水埋藏深度減小，地下涌水量急劇加大。可以看出，在研山鐵礦東幫邊坡中，地下水水位過高，在邊坡上會出現局部漏水的現象，降雨后，漏水點更加密集，帷幕堵水效果不明顯，在遇到大暴雨時，邊坡安全系數降低至1左右，會影響邊坡穩定從而造成滑坡等安全事故，應當在此處采取相應的疏干排水措施，以保證礦山的安全生產。

圖4 埋藏深度和安全系數、降雨量的關系

2.3 安全系數計算

根據上一步計算得到的地下潛水面分別用M-P方法和Bishop方法計算邊坡的安全系數[12-13]，得到的結果如圖5所示。

從圖5中可以看到邊坡的滑坡范圍主要集中在邊坡最上的2個臺階，與礦山實際情況吻合，如圖6所示。

地下水面經過了邊坡滑坡范圍，對邊坡的安全系數計算有很大的影響，如圖4(b)可知，隨著降雨量的增加，地下水埋藏深度逐步減小，最終達到飽和狀態。

從表3可以看到，沒有降雨時，邊坡安全系數為1.111，相對較穩定，降雨后安全系數降低到1.022，特別是在飽和狀態下，安全系數降低到1以下，沒有達到國家安全規程工作幫要求的安全系數，在雨水的沖刷下，邊坡會發生滑坡等地質災害。

2.4 防治措施

圖5 不同降雨條件下的邊坡安全系數

圖6 東幫邊坡圖片

表3 降雨量與邊坡安全系數

>對于東幫露天坑境界外的地表匯水，采取截流、排水的方法，形成良好的行水通道，將這部分匯水直接排入新河，防止其流入露天坑內沖刷表土邊坡。具體方案為：在東幫坡頂地表境界位置沿東幫利用裝有黏土的編織袋堆筑擋水壩，境界外5 m的位置設置南北縱向排水溝(見圖7)，將地表匯水直接沿溝排入灤河。

圖7 防汛措施布置

對于東幫已開挖的+10 m水平臺階，基本維持現狀，整平地表，夯實松動表土，防止暴雨條件下的徑流沖刷坡面松散覆土淤積到排水溝內。將排水溝北端沉淀池的容積擴大1倍，同時增加2臺與已有水泵同型號的排水泵，使得暴雨條件下水泵抽水能力和水池容量增大1倍。臨時水溝兩側夯實表土，定期清理內部淤積物，在沉淀池中設置多層過濾網，保證水泵的正常工作。在水池內設置2條溢流管(每條排水能力1 500 m3/h)，以備將暴雨條件下沉淀池中不能及時排出的積水溢流到-12 m水平的水坑，防止地下水在+10 m水平臺階漫溢。

3 結 論

(1)研山鐵礦東幫第四系表土層邊坡中砂層和礫石層含水豐富，根據模擬結果，在降雨的情況下，坡面出現漏水，和實際情況吻合較好。

(2)注漿帷幕對于地下水位的控制沒有明顯的效果，降雨對邊坡的穩定性影響十分明顯，在暴雨情況下，邊坡可能出現滑坡等地質災害。

(3)采取防治措施之后，邊坡漏水現象得到緩解，對于研山鐵礦的安全生產有重要的意義。

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(責任編輯 徐志宏)

Impact of Rainfall on Stability of Thick Alluvium Slope

Zhou Jingren1，2Yang Tianhong1，2Yu Qinglei1，2Liu Honglei1，2Li Fengzhu3Nan Shiqing4

(1.KeyLaboratoryofMinistryofEducationonSafeMiningofDeepMetalMines，Shenyang110819，China;2.SchoolofResource&CivilEngineering，NortheasternUniversity，Shenyang110819，China; 3.YanshengRock&SoilCo.，Ltd.，Qinhuangdao066000，China；4.HebeiIron&SteelGroupMineDesignCo.，Ltd.，Tangshan063701，China)

Slope stability is the pre-condition of safety and production in open-pit mine and rainfall is one of the most important factors that affect slope stability.Especially for thick alluvium open-pit slope，it is more important to study the effect of rainfall.Combining with the hydrological and geological data at eastern slope of Yanshan Iron Mine，The changes of groundwater depth，and its impact on safety factors of the slope and the distribution of the seepage field under different rainfall conditions were studied.The simulation results showed that the existed water shutoff curtain at the early construction does not work well in lowering the groundwater level and the groundwater depth is constantly low.The fine sand layer and gravel layer in the slope are rich in water，forming a coherent groundwater transport corridor，and water leakage appears in the slope.In heavy raining，slope water inflow is increased dramatically，slope safety factor decreased obviously，and Landslide may occur.Based on this and the status quo，a method for drainage was proposed in order to improve the safety factor and ensure the safety and stable production of the mine.

Seepage，Safety factor，Slope calculation，Numerical simulation

2014-05-04

國家重點基礎研究發展計劃項目(編號：2013CB227902)，國家自然科學基金項目(編號：51174045)，國家自然科學基金重點項目(編號：51034001)。

周靖人(1990—)，男，博士研究生。

TD 824.7

A

1001-1250(2014)-09-011-05