某露天礦大型排土場降雨入滲條件下的穩定性分析*

解　芮　譚卓英,2　王　莉

(1.北京科技大學土木與環境工程學院;2.金屬礦山高效開采與安全教育部重點實驗室)

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某露天礦大型排土場降雨入滲條件下的穩定性分析*

解芮1譚卓英1,2王莉1

(1.北京科技大學土木與環境工程學院;2.金屬礦山高效開采與安全教育部重點實驗室)

通過對傳統極限平衡公式進行修正，采用流-固耦合方法,對某銅礦排土場在持續強降雨和短時暴雨等不同降雨入滲條件下的穩定性進行了研究。結果表明：排土場邊坡的安全系數在持續強降雨時平穩下降，在短時大暴雨前期下降幅度較大。邊坡東部在未考慮降雨時的安全系數為1.193，經歷了降雨入滲后安全系數最小為1.013，不能滿足相關規范要求,終了時僅有一個特征部位的安全系數處于1.30以上，最小安全系數已降至0.867,應采取邊坡加固及防排水措施，以防止降雨可能導致的排土場邊坡失穩。

降雨排土場土石混合體穩定性分析

排土場作為一種特殊的人工邊坡，具有結構松散、顆粒級配較差、無粘聚力等特點[1]。大氣降水和地表水系對于排土場穩定性的影響很大，降雨入滲使得邊坡體非飽和區的含水量增大，基質吸力降低，邊坡土體非飽和區抗剪強度降低，導致土體水壓力升高、強度降低，排土場穩定性受到影響[2]。持續強降雨及短時特大暴雨是導致邊坡失穩的主要因素之一，目前許多學者已對此展開了相應的研究，包括對排土場地表巖土的徑流特征進行分析[3-5]，研究松散巖土體主要失穩誘導因素、破壞機理[6-7]以及通過建立相應排土場滲流數學模型進行數值分析[8-10]等。

本文將在現有工程資料的基礎上，對傳統極限平衡公式進行修正，對某銅礦二期排土場持續強降雨和短時暴雨等不同入滲條件下邊坡滲流場進行模擬計算，分析相應情況下排土場邊坡的穩定性，研究降雨對排土場穩定性的影響規律。

1　工程概況

該銅礦是以銅、硫為主的多金屬露天礦山，距離江西省九江市約18km。根據九江氣象局資料記載，排土場區域內雨量充沛,年最大降雨量2 165.7mm，年最小降雨量868.3mm，年均降雨量1 420mm。在近期遭遇的一次罕見特大暴雨襲擊中，24h內降雨量約422mm。排土場為廢石松散體，屬強風化巖土，強度較低，存在潛在滑坡、泥石流等問題。

2　排土場邊坡模型建立及巖土參數定義

2.1非飽和土邊坡穩定分析理論改進和優化

飽和土邊坡穩定分析一般采用有效抗剪強度參數，可以將地下水位以上、由負孔隙水壓力提供的部分抗剪強度忽略不計。然而降雨對邊坡穩定性的影響主要是通過增加滑坡體的孔隙水壓力，使滑體的下滑力增大、滑面上的法向應力減小，降低滑面帶巖土體的等效抗剪強度[11]，最終使邊坡發生滑動。所以對地下水位很深或主要考慮可能出現淺層滑動的情況，就不能再忽略負孔隙水壓力的影響。

考慮非飽和土體抗剪強度，傳統的極限平衡方法不再適用，通過對其進行修改，使之適用于飽和-非飽和土體的抗滑分析。Janbu普遍條分法假設了條間合力作用點的位置，適用于任意滑面[12]。一般條間作用力的作用點位于離滑面(1/3～1/2)h(h為該處滑體厚度)處。在滿足合理性要求的前提下，調整作用點位置可以獲得比較精確的安全系數。改進后的Janbu條分法求安全系數的公式為：

(1)

式中，c′為土體有效粘聚力；φ′為與凈法向應力分量(σ-ua)有關的內摩擦角；φb為抗剪強度隨基質吸力(ua-uw)而變化的內摩擦角；Wi為條分土體重量；ua為破壞面上的孔隙氣壓力；uw為條分土體的孔隙水壓力；αi為條分土體底邊與水平面的夾角。

2.2排土場典型剖面模型建立

本次研究利用SEEP/W軟件求解降雨入滲條件下非飽和土坡中孔隙水壓力的分布。以排土場過渡性邊坡東部典型剖面為例，模型建立時需注意以下幾點：①網格劃分比可以影響單元性質，縱橫比越大單元性質越差，需要的積分階數越高,因此采用了縱橫比為1的最佳選擇；②當在不同區域使用不同類型的單元時，轉換區域需要考慮兩種單元的相容性，即保證相鄰邊結點的插值函數為同一階數，相鄰兩個單元內皆為線性或非線性；③選擇小的坐標值為原點，最佳為(0, 0)點。本次東部特征剖面模型網格共劃分為16 909個節點，6 332個單元。參考相關工程研究經驗，材料屬性簡化為前期排土、后期排土和基巖3個部分。其中，將排土場混合散體近似看作非飽和土。見圖1。

圖1　排土場現狀邊坡東部剖面模型

2.3材料參數選取及入滲條件界定

2.3.1材料參數

邊坡滲流場的有限元模擬主要考慮的是滲透系數函數曲線和土水特征曲線，包含滲透系數、體積含水率和基質吸力等參數。土水特征曲線反應了土體的持水能力，而非飽和滲透系數函數則反應土體在非飽和區導水的快慢。本次研究利用Fredlund&Xing模型預測巖土滲透系數和體積含水率與基質吸力的關系。排土場邊坡所涉及到的相關材料參數見表1，不同階段排棄的土石混合散體的土-水特征曲線與滲透系數曲線如圖2、圖3所示。

表1　巖土材料參數

圖2　土-水特征曲線

圖3　滲透系數函數曲線

2.3.2入滲邊界條件的處理

降雨入滲條件下，雨水的入滲量與巖土的滲透性、吸力狀況及降雨強度、降雨持續時間等因素有關。由達西定律可得，地表各個方向上的最大入滲能力為：

(2)

式中,kij為介質飽和滲透張量；h為總水頭；xi為坐標；ni為外法線方向余弦。

當降雨強度qr小于巖土的入滲能力時，降雨完全入滲，未形成地表徑流，此時屬于第二類邊界，可表示為：

(3)

式中,r5為降雨入滲面邊界。

當降雨強度大于巖土的入滲能力時，部分降雨入滲，部分降雨形成地表徑流。此時，邊界條件可作為第一類邊界，表示為：

(4)

式中,r1為已知水頭邊界；z0為入滲點的相對高程。

在初始靜態水位計算中，選取模型底部為不透水邊界，剖面兩側邊界設定為總水頭h=z0，邊坡表面為自由邊界。降雨期間，邊坡表面為降雨邊界,邊坡底部及兩側按不透水邊界處理。

3　計算結果分析

3.1滲流場模擬結果

通過SEEP/W模擬計算,得到該礦二期排土場邊坡東部典型特征剖面,在持續強降雨和短時暴雨作用下的瞬態滲流場水位線和水頭分布及以下相關結果。

(1)對有限元滲流模型的初始穩態滲流場進行計算，得到初始穩態時滲流場總水頭等勢線的變化范圍為35 ～80m，穩態水位線總體上處于排土體下方基巖內；壓力水頭等勢線的變化范圍為-15 ～60m，水位線以下部分壓力水頭由下至上呈逐漸變小的規律。

(2)以初始穩態滲流場模擬計算獲得的穩態水位線為初始條件，模擬在持續強降雨條件下的瞬態滲流場情況。取0.017 6m/h的降雨強度，降雨24h，每4h作為一個時間步長，各步長大小相等，降雨強度不變。滲流場的水位線起點從穩態時的72m隨著降雨持時的不斷增加而升高，最終上升到最大值約80m。通過在各時步的總水頭壓力等勢線分布對比分析，可得持續降雨情況下，降雨入滲主要對邊坡上部后期排棄的土石混合體部分的總水頭分布有所影響，對前期排棄土石混合體影響并不明顯。

(3)以初始穩態滲流場模擬計算獲得的穩態水位線為初始條件，模擬在短時特大暴雨條件瞬態滲流場情況。在0.105 5m/h的降雨強度下，降雨持時4h，每小時作為一個時間步長，步長、降雨強度均保持不變。通過短時特大暴雨情況下各時步的總水頭壓力等勢線分布的對比，可得降雨在開始階段就對邊坡上部排土料部分的總水頭分布有所影響，但隨著降雨持時推進變化并不明顯。這說明短時間內降雨量過大，大部分降雨隨坡面流失，并未滲透深入坡體。另外壓力水頭等勢線變化主要集中在邊坡上部土石混合體區域，邊坡水位線變化不明顯。

3.2排土場邊坡穩定性分析結果

分別模擬計算得到該礦二期排土場邊坡各典型特征剖面在持續強降雨和短時暴雨作用下的瞬態滲流場水位線和水頭分布。典型特征剖面包括過渡性邊坡東部剖面、中部剖面和西部剖面，以及排土終了邊坡A-A～F-F剖面(其中A-A～E-E剖面位于二期南坡排土場范圍內，剖面F-F位于城門溝排土場范圍內)。部分典型特征剖面安全系數與降雨關系如圖4和圖5所示。基于各剖面的滲流計算結果，在SLOPE/W中求出不同降雨條件下直觀反映邊坡穩定性的安全系數，進而分析得出邊坡穩定性隨降雨時間、持續類型的變化規律。不同降雨條件下排土場邊坡穩定性安全系數見表2。

圖4　排土場當前邊坡特征剖面安全系數與降雨關系曲線

根據以上數據結果分析得出：排土場各個特征邊坡穩定性隨降雨持續時間增加呈明顯單調下降趨勢。在持續強降雨條件下，每個時間步長邊坡的安全系數下降幅度較為平均，但在降雨結束時最終安全系數偏小；在短時大暴雨條件下的首個步長內，邊坡安全系數出現了大幅度下降，此后的每個時間步長里，安全系數的變化幅度逐漸變小。盡管兩種降雨情況的總降雨量相同，但單位降雨強度和降雨持時不同，直接導致了其對邊坡穩定性的影響程度不同。

現狀邊坡的東部在未考慮降雨時安全系數為1.193，在經歷降雨入滲的影響后安全系數最小降至1.013，不能滿足相關規范要求。終了時經歷降雨入滲的影響后，僅有一個特征部位的安全系數處于1.30以上，其中最小安全系數已降至0.867。顯然，將出現不穩定狀態，應引起重視。

圖5　排土場終了邊坡特征剖面安全系數與降雨關系曲線

排土場邊坡狀態剖面降雨狀態STEP0STEP1STEP2STEP3STEP4STEP5STEP6邊坡現狀西部中部東部持1.6851.6531.6311.6221.6041.5881.571短1.6851.6171.6021.5841.582持1.6091.5671.5441.5291.5151.5031.489短1.6091.5511.5371.5191.505持1.1931.1751.1521.1181.0991.0481.013短1.1931.1241.1111.0551.039邊坡終了A-AB-BC-CD-DE-EF-F持1.3911.3681.3501.3331.3121.2891.274短1.3911.3491.3141.3011.288持1.4731.4551.4291.4171.3921.3561.338短1.4731.4291.3841.3611.350持1.1931.1701.1491.1231.0891.0581.023短1.1931.1341.1011.0751.041持1.1031.0871.0491.0281.0090.9780.953短1.1031.0451.0210.9920.981持1.1001.0821.0551.0301.0070.9690.942短1.1001.0531.0170.9980.989持1.0231.0120.9650.9480.9210.8940.867短1.0230.9770.9320.9170.901

持為持續強降雨；短為短時大暴雨。

4　結　論

(1)傳統的極限平衡方法不再適用于非飽和土體抗剪強度計算，應對其有關方法及公式進行修改，使之適用于飽和-非飽和土體的抗滑分析。Janbu普遍條分法適用于任意滑面，在滿足合理性要求的前提下，調整作用點位置可以獲得比較精確的安全系數。

(2)持續降雨情況下，降雨入滲主要對邊坡上部后期排棄的土石混合體部分的總水頭分布有影響，對前期排棄土石混合體影響并不明顯；短時特大暴雨條件下，降雨在開始階段就對邊坡上部排土料部分的總水頭分布有影響，但隨著降雨持時推進變化并不明顯。

(3)在降雨入滲條件下該礦二期排土場邊坡穩定性明顯降低，最終結果顯示西部邊坡安全系數仍大于1，但下降較明顯，中東部邊坡安全系數大部分已小于1，安全系數低于規范要求，應引起足夠重視。

(4)現狀邊坡的東部在未考慮降雨時安全系數為1.193，在經歷降雨入滲的影響后最小已降至1.013，最終低至0.867，安全隱患較大。為盡可能減小降雨對排土場邊坡穩定性影響，應考慮地表徑流量、排土場邊坡集雨面積等，盡量沿坡體上部與原山地坡體的際線，合理設置排水溝，采取一定的加固措施。如發現邊坡附近有泉水等地下水時，應通過管道或封閉溝將水流直接引出排土場區域。

[1]李超,馬淑芝,賈洪彪,等.降雨入滲條件下粗粒排土場穩定性分析[J].金屬礦山,2015(9):147-151.

[2]黃剛海.強降雨入滲下復雜地形排土場穩定性分析[J].巖土工程學報,2013,35(2):292-295.

[3]魏忠義,白中科.露天礦大型排土場水蝕控制的徑流分散概念及其分散措施[J].煤炭學報,2003,28(5):486-490.

[4]柴書杰,白中科.安太堡露天礦排土場表層巖土的徑流特征與復墾種植研究[J].煤礦環境保護,1999,13(2):22-26.

[5]賀健.大格高臺階排土場巖土流失規律研究[J].金屬礦山,2011(11):14-16.

[6]肖富才,陳小杰,王毅鉑.勝利西二號露天礦內排土場邊坡穩定分析[J].露天采礦技術,2015(9):5-11.

[7]許建聰,尚岳全.降雨作用下淺層碎石土滑坡解體破壞機理研究[J].自然災害學報,2008(3):117-124.

[8]王協群,張有祥,鄒維列,等.降雨入滲條件下非飽和路堤變形與邊坡的穩定數值模擬[J].巖土力學,2015,31(11):3640-3655.

[9]周玉新,周志芳.有限分析法在排土場滲流分析中的應用[J].金屬礦山,2001(10):18-21.

[10]馬俊偉,吳愛祥,潘偉.各向異性散體介質中的滲流場分析研究[J].礦業研究與開發,2005,25(5):13-15.

[11]鄧東平,李亮.水平條分法下邊坡穩定性分析與計算方法研究[J].巖土力學,2012,33(10):3179-3188.

[12]朱本珍,周岳華,朱大勇,等.對Janbu普遍條分法計算方法的改進[J].防災減災工程學報,2003,23(4):56-60.

StabilityAnalysisoftheLargeDumpundertheConditionsofRainfallInfiltrationinaOpen-pitMine

XieRui1TanZhuoying1,2WangLi1

(1.CivilandEnvironmentalEngineeringSchool,UniversityofScienceandTechnologyBeijing,2.KeyStateLaboratoryofHigh-efficientMiningandSafetyofMetalMines(MinistryofEducation))

Thestabilityofacopperminedumpisanalyzedunderthedifferentconditionssuchascontinuallyheavyrainandshortrainstormbycorrectingthetraditionallimitequilibriumequationandusingfluid-solidcouplingmethod.Theresultsshowthatthesafetyfactorofdumpslopedeclinessteadyduringthecontinuousheavyrainfall,whileitdroppedsignificantlyinearlierperiodofshortrainstorm.Thesafetyfactorofeasternpartofsituationslopeis1.193withoutconsideringrainfall,andithasbeenreducedto1.013minimumafterexperiencingtherainfallinfiltration,whichdosenotmeettherelevantregulatoryreguirements.Attheendoftheperiod,onlyonecharacteristicspart'ssafetyfactorisstillabove1.30,theminimumsafetyfactorisreducedto0.867.Itisnecessarytotakemeasuresofslopestrengtheningandwaterproofinganddrainagetopreventinstabilityofdumpslopeprobablycausedbyrainfall.

Rainfall,Dump,Rock-soilmixture,Stabilityanalysis

2016-03-09)

*國家自然科學基金項目(編號：51174013)。

解芮(1992—)，女，碩士研究生,100083 北京市海淀區學院路30號。