滲流作用下某露天礦排土場邊坡穩定性及敏感因素分析

左曉歡，楊 溢 ，陳 峰 ，潘祎文 ，葉志程 ，歷一帆

(1.昆明理工大學 公共安全與應急管理學院，云南 昆明650093；2.昆明有色冶金設計研究院股份公司，云南 昆明650500；3.昆明理工大學 國土資源工程學院，云南 昆明650093)

0 引言

礦山排土場是一種規模巨大的人工松散堆積體，排土場邊坡的穩定性與礦山的安全生產密切相關，降雨是造成排土場邊坡失穩的主要原因之一[1-3]，故很有必要對排土場邊坡進行降雨入滲研究。本文以云南省安寧市某露天磷礦內排土場為研究對象，結合滲流基本理論及礦山提供的勘查資料，運用數值模擬手段，對該排土場邊坡進行降雨入滲條件下的穩定性模擬分析。此外，為研究影響邊坡穩定性的各因素的敏感性，采用數理統計軟件SPSS進行了敏感性正交試驗[4-6]。

1 影響內排土場邊坡穩定性的主要因素

1)內排土場基底

該排土場基底由燈影組上段(Z2dn2)含磷白云巖和震旦系燈影組東龍潭段(Z2dn1)含藻類白云巖組成。巖層以中厚層為主，總體向東傾，傾角為15°～30°；巖性及巖溶發育不均一，巖溶形態以溶溝、溶隙、溶孔為主，溶隙寬度為0.1～10.0 cm，部分溶隙被泥質物充填，地表除較淺溶溝外偶見少量延伸短的不規則縫隙狀洞穴。巖石堅硬-半堅硬，飽和抗壓強度為38.1～67.9 MPa。

2)地下水

該排土場為基底燈影組、陡山沱組碳酸鹽巖夾碎屑巖裂隙巖溶含水層，區域富水性中等-強，單泉流量0.2～10 L/s。初始地下水位為左側上游水位標高(30 m)，右側下游水位標高25 m。未揭露有巖溶空洞，基底含水層對礦床無充水影響。礦床主要充水來源于季節性大氣降雨，有自流排泄條件。該礦床水文地質屬以大氣降雨充水為主的簡單類型。

3)排棄物載荷

該排土場邊坡穩定性與堆排體容重、堆排高度和排棄角度密切相關。邊坡穩定性隨著高度和排棄角度的增加而降低；排棄物容重越大，其對基底的壓力就越大，穩定系數也隨之降低。

2 內排土場邊坡概況

2.1 基本概況

設計將該露天采場分為5個開采區域，本次模擬的內排土場位于露天采坑區域1、區域2、區域3。3個區域合計設計容積為3024.15 萬m3，堆排廢石量為2 520.13 萬m3。北側排土場廢石堆置總高90 m(標高2 290～2 380 m)，東側排土場廢石堆置總高140 m(標高2 240～2 380 m)，堆置段高為10、20 m。分段安全平臺寬20 m，設3%的反坡；坡面角35.0°，北側邊坡整體坡面角為21.50°，東側邊坡整體坡面角為17.69°。

2.2 邊坡巖土體物理力學參數

參考該排土場場地巖土工程勘察報告中的建議值，選取的巖土體物理力學參數見表1。

表1 排土場巖土體物理力學參數

3 數值模擬分析

3.1 邊坡驗算剖面的選取

根據相關規范要求，為盡可能反映區域1、區域2、區域3內排土場邊坡的穩定性，本次選擇有代表性的Ⅰ-Ⅰ剖面(見圖1)進行數值模擬分析。

圖1 內排土場邊坡穩定性驗算剖面位置

3.2 計算模型網格劃分及邊界條件

3.2.1 網格劃分

Ⅰ-Ⅰ剖面邊坡截面高162 m，長555 m，臺階高20 m，分段安全平臺寬20 m；邊坡整體坡面角為21.5°；初始地下水位為左側上游水位標高(30 m)，右側下游水位標高25 m。綜合考慮邊界條件、步長等因素，將模型全局單元尺寸設為8 m，共劃分為1 204個節點、1 136個單元(見圖2)。

圖2 邊坡計算模型及網格劃分

3.2.2 模型邊界條件

a.模型兩側：地下水位以下邊界按照定水頭處理，地下水位以上邊界按零流量邊界處理。

b.模型表面：由于排土場堆排廢棄物的透水性相對較好，所以在穩態滲流分析中將邊坡表面設為自由邊界，在降雨瞬態滲流分析中將邊坡表面設為入滲邊界。

c.模型底部：底部為基巖，滲透系數較低，故將其設為不透水邊界。

3.3 計算參數的選取

3.3.1 模型的土-水特征曲線

土-水特征曲線和非飽和土的土體滲透系數是非飽和土體滲流模擬的2個關鍵參數，它們直接影響模擬結果的精確性[7]。土-水特征曲線能反映土體基質吸力與體積含水率之間的函數關系，一般情況下可通過實驗獲得；但實驗過程復雜，所以有學者在大量實驗研究的基礎上，提出了各種土-水特征預測模型，如Fledlund Xing模型、Van Genuchten模型。本次模擬采用Geo-Studio自帶的Fledlund Xing模型。模型土-水特征曲線如圖3所示。

(a)堆排物料

(b)基底材料

3.3.2 模擬參數設定

本文主要模擬降雨滲流作用下排土場邊坡內部的孔隙水壓力、體積含水率及安全系數的動態變化過程。降雨強度以中國氣象部門統計的全國降雨資料為依據，降雨工況設計見表2。

表2 降雨入滲工況設計

3.4 數值模擬邊坡滲流分析

3.4.1 初始邊坡穩態滲流分析

由于邊坡基巖存在地下水，利用SEEP/W模塊分析其初始孔隙水壓力的分布狀態，為邊坡瞬態滲流分析奠定基礎。分析結果如圖4所示。

圖4 初始邊坡孔隙水壓力分布

3.4.2 降雨條件下邊坡瞬態滲流分析

降雨過程中邊坡內部孔隙水壓力和體積含水率會隨著雨水入滲發生動態變化，選擇坡面中部某一特征點進行觀測，結果如圖5、圖6所示。

圖5 不同降雨強度下孔隙水壓力變化曲線

圖6 不同降雨強度下體積含水率變化曲線

3.5 瞬態滲流模擬結果分析

a.在降雨初期，排土場邊坡的孔隙水壓力和體積含水率與降雨時間呈線性正相關；其主要原因是排土場邊坡坡面的初始孔隙水壓力較小，在降雨入滲初期屬于無壓(或壓力較小)期，雨水入滲速度較快，所以在降雨初期(不同降雨強度下)邊坡孔隙水壓力和體積含水率上升較快。

b.由圖5、圖6可知：在降雨強度為46 mm/d、降雨持時為3 d時，體積含水率未達到飽和值，孔隙水壓力未到達浸潤線值，所以隨降雨持時的增加相關值均增大；而在降雨強度為120 mm/d、降雨持時為3 d時，特征點的孔隙水壓力在降雨2 d后即達到浸潤線孔隙水壓力值(0 kPa)，體積含水率也達到了飽和含水率，此時邊坡出現暫態飽和區；但由于排土體的滲透系數較大，邊坡達到暫態飽和后，雨水會隨自重入滲到邊坡內部，所以在降雨強度為120 mm/d、降雨2 d后，邊坡的孔隙水壓力和體積含水率均略有下降。

3.6 降雨入滲條件下邊坡穩定性分析

由于降雨入滲過程中邊坡的體積含水率會升高，土體抗剪強度隨之下降，安全系數隨之變化[8]。將上述瞬態滲流SEEP/W分析結果導入SLOPE/W進行極限平衡分析，觀察邊坡安全系數的變化情況(見圖7)。極限平衡分析方法選擇Morgenstern-Price法。

(a)降雨強度46 mm/d

(b)降雨強度120 mm/d

由圖7可知：在不同降雨強度、相同降雨持時條件下，邊坡安全系數均呈下降趨勢；降雨強度越大，邊坡安全系數降幅越大，且安全系數降低的持續時間越長。這是因為降雨強度越大，滲入邊坡內部的雨水就越多，邊坡抗剪強度降幅越大。所以在相同降雨持時下，降雨強度越大越容易引起邊坡的失穩破壞。

4 邊坡穩定性影響因素的正交試驗

4.1 正交設計與分析

考慮排土場的土體容重、內摩擦角、內聚力、降雨強度4種因素對排土場邊坡穩定性的影響，對排土場I-I剖面進行正交設計。根據邊坡工程設計手冊和礦山提供的勘查報告確定各參數的取值，每種參數選取4個水平(見表3)。

表3 各影響因素的正交設計

4.2 正交試驗結果及分析

在該正交試驗中假設各因素之間無交互作用，試驗次數為16次，則正交表選擇L16(44)。利用Geo-Studio中SEEP/W模塊模擬排土場邊坡在降雨入滲時的瞬態滲流分布，再將分析結果導入SLOPE/W 模塊進行極限平衡分析。根據L16(44)正交試驗表進行正交試驗，結果見表4。

表4 正交試驗結果

計算各指標的敏感性大小的方法一般有兩種：極差分析和方差分析。極差分析較為簡單，方差分析的計算過程較為復雜。為使敏感性因素分析的結果更為準確，借助數理統計SPSS數據分析軟件進行因素的方差分析。將正交試驗結果導入SPSS軟件，由于因變量只有安全系數，所以選擇單變量模型進行分析，模型類型選擇主效應模型，單變量實測平均值事后多重比較方法選擇S-N-K。SPSS方差分析結果見表5。

表5 方差分析結果

根據方差原理可知，當顯著性P<0.05時，即認為該因素對因變量(安全系數)的影響是顯著的,P越小說明影響越顯著。由此判定排土場邊坡穩定性影響因素敏感性排序為：內摩擦角>土體容重>內聚力>降雨強度。

5 結論

a.在不同降雨強度、相同降雨持時條件下，降雨強度越大對邊坡穩定性的影響越大，邊坡體積含水率和孔隙水壓力上升越快；隨著雨水入滲，邊坡自重增大，安全系數降低。

b.當降雨強度為120 mm/d、連續降雨2 d后，邊坡表面會出現暫態飽和區；而降雨強度為46 mm/d時，未出現暫態飽和區，說明降雨強度越大，暫態飽和區出現得越早。

c.排土場邊坡穩定性影響因素敏感性排序為：內摩擦角>土體容重>內聚力>降雨強度。