雨水反復浸蝕對露天礦邊坡穩定性影響分析

羅曉章

摘要：露天采礦作為基本采礦方式之一，占中國各種非能源固體礦床的很大比例，其中鐵礦石占80%。露天開采成本低，生產效率高，資源回收率高。在露天開采過程中，邊坡的穩定性不僅影響礦山的生產效率，還影響礦山的安全生產和可持續發展。研究表明，在長期雨水侵蝕和黃土坡面滲透的條件下，坡面侵蝕引起并促進了土壤層滑坡面黃土坡面的漸進破壞。

關鍵詞：雨水；反復浸蝕；露天礦；邊坡穩定性

1、礦區水文地質情況簡析

礦區地處青藏高原高山峽谷區，屬大陸性的溫帶半干旱高寒山地氣候，具有四季不分、氣象多變、日照時間長、紫外線輻射強、氣壓和氧氣濃度低、氣候垂直變化明顯等高原山地氣候特點。據昌都縣氣象站（海拔3300m）氣象資料顯示，多年平均年降水量513.6mm，最大年降水量704.3mm（1998年），最小年降水量287.7mm（1994年），每年降水多集中在6月至9月，占全年降水量的75%以上。多年平均年蒸發量1519.0mm。年溫差小而日溫差大，年平均氣溫7.5℃。年最高氣溫25℃，最低氣溫-19.3℃，月平均氣溫6月至8月最高，11月至次年4月較低，氣溫日變幅最大達18.5℃。10月至次年4月為凍土期，多降雪，最大凍土深度32cm。11月至次年4月有3級～4級西風，其余月份多為靜風或2級左右東風。

2、邊坡穩定性的影響因素分析

露天采礦影響因素很多，但是邊坡穩定性影響因素大體上有兩種，一種是內部因素，另外一種是外部因素。內部因素在于邊坡土地和巖土的性質和內部構造。而外部因素主要來自于自然環境的因素和人為的因素，其中雨水沖刷屬于自然因素影響最重要的因素。邊皮穩定性的問題不只是一種因素影響的結果而是多種因素共同作用下的綜合反映，每個因素都相互關聯。

2.1內部因素

2.1.1巖土體的類型和性質

邊坡巖土的力學特性對邊坡的穩定性影響很大，決定了邊坡的穩定性和變形破壞的類型。由于坡面巖石和土壤的基本特性，當有淤泥質土、易風化的夾層或巖性砂巖、頁巖、泥巖等時，數十米的平緩坡面沒有幾百米的高陡坡穩定性容易出現坡度不穩定。

2.1.2邊坡地質構造

由于斜坡內部存在斷層、節理、層面不同的結構面，結構面的輸出狀態和巖體中不連續面的傾角變化會影響邊坡的穩定性，斜坡結構的平面穿過巖石和土壤出現不均勻性和不連續性影響斜坡的應力場，引起應力集中和不連續表面周圍的延遲，導致不同的變形和破壞模式。結構平面和斜面的組合將導致不同的邊坡狀態。

2.2降雨條件下裂縫對邊坡穩定性的影響

豐富的的地下水和它所存在周圍的環境和互動程度有關系。降雨能直接增加原圖和含水量，雨水的降落使得地表水土通過裂縫滲入到邊皮內部。雨水帶有的腐蝕性降低了土的質量還能增加邊坡下滑的動力。地表水的大量滲透導致地基滲水能力降低。降雨主要通過地表水滲透改變地下水，導致地下水應力場和坡面滲流場發生變化。在斜坡蠕變的初始階段，滑動表面很小并且主要發生在斜坡內。隨著滑動面的不斷膨脹和發展，弱滑動面將穿透連續滑動床，整個斜坡將發生很大變形。變形主要發生在斜坡的后部。這部分會產生大量的拉伸裂縫。裂縫的產生增加了土壤的滲透性并對斜坡的穩定性產生不利影響。

3、邊坡穩定性影響的計算分析

3.1有限元法邊坡穩定性評判依據

在分析邊坡穩定性時，使用不同的屈服準則，這將導致很大的差異。具有外接圓的Duncker-Prager模型比通過極限平衡法獲得的安全系數大約25%。通過強度折減有限元法分析邊坡穩定性的關鍵是確定邊坡是否處于臨界失效狀態。目前，有三種認可的斜坡不穩定標準：斜坡是否產生塑性滲透區；數值計算是否可以進行，即計算的收斂；特征部分的位移是突然的。

3.2土體強度參數的選取

土工試驗是在從現場采集的土壤上進行的，主要采用凝固和快速剪切的方法。為了模擬土層開挖暴露后幾次降雨飽和度和干飽和度的剪切強度變化，即雨水反復侵蝕對強度參數的影響，在自然條件下對土樣進行了試驗。在飽和干燥下再次飽和5次和10次后的土壤樣品測試給出了在三種不同工作條件下的淤泥的內摩擦角和內聚力。在淤泥飽和并干燥10次后，材料的強度降低太多，這表明高強度雨水的反復侵蝕已經對淤泥土造成損害。在這項研究中，淤泥主要選自天然、干燥和飽和狀態。通過第二次直剪試驗得到的強度參數作為邊坡數值模擬的強度參數，并根據選定的邊坡失穩準則計算出所需的土體強度參數。

3.3數值計算結果分析

從圖1可以看出，當斜坡的入滲深度為0.4m時，斜坡的主要破壞模式發生變化，但在斜坡完全破壞之前，斜坡底部發生塑性變形，塑料區的面積很大。當坡面的入滲深度為0.8m時，在坡腳處仍然產生塑性區，但塑性區較小。當邊坡入滲深度達到1m時，坡腳處不形成塑性帶，在2階坡的入滲帶產生滲透帶范圍相同的塑性帶，表明坡度已經損壞了。在計算結束時，雖然斜坡內部大部分滿足強度要求，但斜坡的小滑動面已經產生，斜坡的安全系數大大降低。劃分坡面滲透區后，坡度強度降低，塑性區首先形成在下臺階坡的入滲區，然后沿坡向滲透區向上延伸。

3.4結果分析

隨著降雨的持續性，排土場內的孔隙水壓力小，滲水能力增加，臺階坡度和下層平板恢復到不飽和狀態。邊坡下部隨著雨水量的增加沿著邊皮壓實區域很快滲入到邊坡內部，導致了壓實區域的孔隙率增加，孔隙壓力也增加，從而使邊坡壓實區域對邊坡滲流的影響逐漸增大。滲流區域受壓實區域的影響保留在了地表層以內，并且臺階內部的大部分孔隙水壓力保持不受干擾。

在雨水停止降落時，在壓實區的周圍排土場會有一部分滲透區處于飽和狀態，并且下部邊坡的壓實區被雨水完全滲透到了排水邊坡地段。在排土場地仍有一些區域孔隙水壓不受干擾，滲水能力增加使臺階飽和區域的水擴散到周圍未受干擾的區域，從飽和過渡到不飽和區域，并且在臺階內的大部分區域中孔隙水壓力逐漸增加。

坡內雨水的遷移方向一般為斜坡到坡內的扇形；由于壓實區的影響，堆場內部的孔隙水壓力受到顯著影響。傾倒坡降水滲流規律的數值模擬與類似模擬結果完全一致。兩種研究方法取得了相同的結果，研究結論的可靠性得到了一定程度的保證。

結束語：

露天采礦是采礦行業中技術要求非常高的采礦方式，對專業方面、安全方面、環境穩定性的要求都非常嚴格。一旦雨水影響到了邊坡的穩定性，就會給露天采礦埋下安全隱患，影響采礦正常進行下去，也威脅到人們的生命安全。在不同的地質環境中，采取不同的措施對礦區邊坡進行支護，才能保證邊坡的穩定性，從而促進采礦效率的提高，提高采礦企業的經濟效益。

參考文獻

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（作者單位：中鐵十九局集團礦業投資有限公司江達縣玉龍銅礦）