淺析坡外水位下降影響尾礦庫岸坡穩定性的主要因素

張 淼

（馬鞍山馬鋼礦山巖土工程勘察聯合公司，安徽 馬鞍山 243000）

1 研究背景

在尾礦庫岸坡失穩案例中，由于坡外水位下降引起的岸坡失穩是一種比較典型的岸坡失穩原因。鑒于實際工程中出現過的人工粘性土質岸坡由于坡外水位下降而失穩的案例，本文將以粘性尾礦庫岸坡為對象，研究其在坡外水位下降過程中的穩定性變化情況，并嘗試總結水位下降影響穩定性變化的主要因素。

2 影響尾礦庫岸坡穩定性的基本原理

在分析影響尾礦庫岸坡穩定性的要素時，主要沿著兩條思路進行：一是研究內部剪應力的變化，二是研究土體本身抗剪強度的改變。

土體內部剪應力變化是指以土顆粒骨架為研究對象，其所處的三維應力狀態的變化，這一三維應力狀態下處于最大剪應力面處的土體就是最有可能被破壞的土體。而水位變化后尾礦庫岸坡土骨架整體的受力情況就會變化，任一點處的土顆粒所處的三維應力狀態也就變化了，所以任一點處的土顆粒所受的最大剪應力也隨之變化。

3 水位下降條件下尾礦庫岸坡土體所受最大剪應力情況模擬

3.1 模型基本情況

本論文采用GeoStudio 2007系統軟件中的SIGMA/W、SEEP/W和SLOPE/W三個軟件聯合模擬尾礦庫岸坡在水位升降條件下的各種狀態。建立庫水位下降條件下簡化的尾礦庫岸坡數值模型。

高度為10m，坡比為1：2。假定為均質土體岸坡，坡面光滑。并假定土體的材料模型為彈塑性、各向同性材料。初始時刻坡外水位靜止在15米處，坡外水位線以下的飽和土材料種類為有效參數w/孔隙水壓力變化，坡外水位線以上的天然狀態土材料種類為總應力參數。岸坡土體的材料參數見表1所示。坡外水位由15m下降到6m，水位下降的速度假定是恒定值，取為1m/day。假定庫水位下降前的岸坡浸潤線與坡外水位高程（15m）共線，浸潤線以下土體均為飽和土，浸潤線以上土體為天然狀態。另假定岸坡底邊為不透水基巖，岸坡底邊界為水平和豎直兩個方向的固定約束，左側邊界和右側邊界為水平方向的固定約束。

表1 岸坡土體材料參數表

3.2 尾礦庫岸坡土體最大剪應力變化情況

圖1 坡外水位下降過程中尾礦庫岸坡土體最大剪應力變化曲線圖

建立尾礦庫岸坡模型，模型情況如3.1節所述。模擬水位下降過程中的岸坡滲流及孔隙水壓力情況；接著把水位下降過程中的岸坡土體所受應力場與孔隙水壓力場進行耦合，模擬出耦合后的岸坡土體所受應力情況和孔隙水壓力情況，得出水位下降過程中的尾礦庫岸坡土體最大剪應力變化情況如圖1所示。

3.3 水位下降過程中尾礦庫岸坡土體所承受的最大剪應力變化情況分析

根據圖1可以看出，在水位下降過程中，尾礦庫岸坡土體所受最大剪應力值是先減小后增大的。在水位下降前時刻開始的前5天里，土體最大剪應力值從初始狀態的22kPa迅速減小到第5天的14kPa；接著又增長至第9天的18kPa。土體所受最大剪應力的最大值為第0天的22kPa，最小值為第5天的14kPa。最危險的最大值時刻為第0天，也就是水位下降前的初始時刻，此時尾礦庫岸坡土體最大剪應力分布情況如圖2所示。

圖2 水位下降前尾礦庫岸坡土體最大剪應力分布云圖

4 水位下降條件下尾礦庫岸坡穩定性變化情況模擬

根據上節所述，岸坡穩定性安全系數最小，也就是對于岸坡穩定最危險的時刻，該時刻為坡外水位即將下降的那一瞬時。

在使用軟件模擬整個水位下降過程的岸坡滲流情況后，選擇最接近這一瞬時的下降第1天時刻去近似反映水位即將下降瞬時的岸坡滲流情況，也就是坡外水位下降至14m的時刻，此時的岸坡滲流情況如圖3所示。

圖3 坡外水位下降至14m時刻的岸坡滲流情況圖

根據圖3所示可以看出該時刻岸坡的滲流方向幾乎垂直于岸坡坡面。因為土顆粒所受的滲透力為場力，方向沿滲流場方向，所以滲透力在水位下降條件下的變化與滲流過程緊密相關。

從本次模擬的結果看，浸潤線以下范圍內的土顆粒均受到滲透力的作用，且滲透力的大小反映出的規律為：越接近尾礦庫岸坡的坡面或坡腳的表面，滲流強度越大。

5 水位下降影響尾礦庫岸坡穩定性的主要因素歸納

5.1 滲透力的影響

沿著影響尾礦庫岸坡土體最大剪應力變化的思路，根據上述模型模擬的結果分析，同時不研究土體范圍邊界處的穩定性情況，可以得出在尾礦庫岸坡范圍內的土顆粒整體所受的各外力中，滲透力的影響是占主要且決定性的因素。單位土體土粒上所受的滲透力用字母j來表示。

其中：γw為水的重度，i為水力梯度。

根據滲透力的計算公式可以看出，滲透力大小與水力梯度成正比，而水力梯度可反映為滲流強度。在模型模擬水位下降的過程中，尾礦庫岸坡穩定性安全系數最小的坡外水位下降前初始時刻恰好也是岸坡滲流強度最高的時刻。可見滲透力的變化是影響其穩定性的關鍵因素。

5.2 對尾礦庫岸坡土體抗剪強度的影響

水對土體抗剪強度參數的影響規律為：土體的粘聚力c呈現出隨著土體含水率w的增大而減小的趨勢，減小的速率較為穩定。在含水率增大到某一值后，粘聚力的值趨于穩定，不再隨含水率變化而改變。土體的內摩擦角總體上也呈現出隨著土體含水率w的增大而減小的趨勢，但在含水率增大的某些區間里內摩擦角會隨著含水率增大而增大。

隨著尾礦庫岸坡外水位下降，浸潤線也逐漸下降，部分區域范圍內的土體由飽和變為不飽和，含水率逐漸下降，抗剪強度隨之發生變化。土體抗剪強度越低，尾礦庫岸坡越容易失穩。

5.3 浸潤線的影響

坡外水位下降造成岸坡滲流，使得岸坡浸潤線逐漸下降。以浸潤線為分界，浸潤線以上范圍內的土顆粒受重力作用，可以天然重度來表示；而浸潤線以下范圍內的土顆粒不僅受重力作用，還受到浮力作用，可以浮重度來統一表示。

由于浸潤線變化，受到浮力作用的土顆粒范圍改變，這一外力變化會引起岸坡土體范圍內的任一點處的土顆粒三維應力狀態改變，從而若出現最大剪應力改變。若尾礦庫岸坡土體范圍內的任一點處的最大剪應力值大于該處的抗剪強度值，則該處土體發生破壞。