孔隙水壓力重分布對(duì)排土場(chǎng)邊坡穩(wěn)定性影響規(guī)律研究

田 光，韓 流，舒繼森，楊 日

（中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，江蘇 徐州 221116）

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展進(jìn)入形勢(shì)轉(zhuǎn)變關(guān)鍵期，資源消耗量提升同時(shí)伴隨剝離物的迅速增加，對(duì)煤炭企業(yè)安全、高質(zhì)量生產(chǎn)提出了更大的要求和挑戰(zhàn)[1-2]。受全球極端氣候變化等因素影響，近些年滑坡等地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生頻率逐步提高，且根據(jù)降雨強(qiáng)度不同呈現(xiàn)季節(jié)性分布[3-4]。所以，降雨對(duì)我國(guó)大型露天礦排土場(chǎng)邊坡穩(wěn)定性及生態(tài)環(huán)境均有重要影響[5-7]。全年降雨量較為豐富的礦區(qū)，水對(duì)邊坡穩(wěn)定性影響程度往往較其他因素更為突出[8-9]。

目前國(guó)內(nèi)外針對(duì)坡體內(nèi)孔隙水壓力分布特性已經(jīng)進(jìn)行了較多研究，包括不同影響因素影響下孔隙水壓力變化情況[10-13]；分析降雨入滲規(guī)律及破壞機(jī)理[14-16]以及通過(guò)極限分析等方法研究孔隙水壓力對(duì)邊坡穩(wěn)定性影響作用[17-20]。

以某礦排土場(chǎng)為例進(jìn)行研究，模擬分析礦區(qū)不同地下水位孔隙水壓力重分布情況及穩(wěn)定性系數(shù)變化情況以確保礦區(qū)人員及設(shè)備安全，對(duì)其邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行研究與分析具有重要的理論和實(shí)踐意義。

1 巖土體物理力學(xué)參數(shù)

1.1 排土場(chǎng)地質(zhì)條件

該礦主要排棄物為表土及泥灰?guī)r等剝離物，排土場(chǎng)坡頂計(jì)劃高程1 525 m水平，坡腳高程1 220 m水平。土層為第四系殘坡積層黏性土，抗水性能較差，堆填后易形成軟弱結(jié)構(gòu)面，對(duì)排土場(chǎng)邊坡穩(wěn)定性產(chǎn)生不利影響。基底地層巖性以灰?guī)r為主，無(wú)明顯軟弱夾層，整體強(qiáng)度不影響排土場(chǎng)穩(wěn)定性。

礦區(qū)內(nèi)全年降水量較多，水位線分布相對(duì)較高，排土場(chǎng)邊坡受入滲作用影響坡體賦存松散層孔隙水，排棄物料分布區(qū)富水性強(qiáng)，土體含水率高。坡體內(nèi)部孔隙水壓力分布變化時(shí)，土體軟化易形成軟弱結(jié)構(gòu)面[21]，暴雨時(shí)水流富集，更易形成坡面侵蝕溝并產(chǎn)生側(cè)向孔隙水壓力，進(jìn)一步降低排土場(chǎng)穩(wěn)定性。

1.2 排土場(chǎng)巖體力學(xué)參數(shù)

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際巖土勘察工作及原位試驗(yàn)方法選取該礦8—9月不同排棄高度排土場(chǎng)巖性測(cè)定混合排棄物料的巖體力學(xué)參數(shù)，并參照《巖土工程勘察規(guī)范》、《土工試驗(yàn)方法技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》、《原狀土樣技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》等相關(guān)技術(shù)規(guī)范要求進(jìn)行參數(shù)選取。排棄物料地質(zhì)參數(shù)根據(jù)排棄時(shí)間段不同主要由3部分組成。混合排棄物料力學(xué)參數(shù)表見(jiàn)表1。

表1 混合排棄物料力學(xué)參數(shù)表Table 1 Mechanical parameters of mixed waste materials

其中基底巖性主要由灰?guī)r及泥質(zhì)粉砂巖等巖性構(gòu)成。其中：內(nèi)摩擦角39.3°，黏聚力3.1×103kPa，密度2.67 t/m3。整體基巖自身強(qiáng)度基本滿足穩(wěn)定性要求，不對(duì)排土場(chǎng)邊坡穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。

2 水壓力重分布對(duì)邊坡穩(wěn)定性影響機(jī)理

露天礦邊坡內(nèi)地下水運(yùn)移規(guī)律遵循達(dá)西定律，巖體孔隙滲流路徑圖如圖1，不同巖性巖體顆粒中有著類似圖1的入滲規(guī)律。隨著開(kāi)采過(guò)程中降雨作用的不斷影響，坡體孔隙水壓力進(jìn)行重新分布，巖體內(nèi)部孔隙空間也隨之改變，形成入滲通道，滲流路徑改變，加速入滲作用。因?yàn)椴煌艞壐叨韧翆訚B透系數(shù)差異較大，易形成上部飽和區(qū)，飽和區(qū)域范圍逐漸擴(kuò)大并下移至與地下水相連。地下水位的逐漸升高往往會(huì)對(duì)邊坡造成不同程度的侵蝕和弱化，在臺(tái)階表面形成沖溝并誘發(fā)滑坡事故。

圖1 巖體孔隙滲流路徑圖Fig.1 Pore seepage path diagram of rock mass

由于排土場(chǎng)巖土不斷堆積和壓實(shí)等作用，坡體內(nèi)部孔隙度會(huì)呈現(xiàn)出近似成層土的空間分布和滲透特性。水流滲入不同土層時(shí)交界處孔隙水壓力增大,形成局部積水現(xiàn)象，土體抗剪強(qiáng)度下降，邊坡安全系數(shù)降低。

受降雨作用影響時(shí)水流較多情況為垂直土層滲入，在邊坡內(nèi)形成垂直層理滲透。根據(jù)土力學(xué)知識(shí)，垂直滲透時(shí)，各巖層滲流量相等，總水頭等于各層水頭損失之和，坡體等效滲透系數(shù)ky的計(jì)算公式為：

式中：ky為垂直方向等效滲透系數(shù)，m/s；H為排土高度，m；Hn為第n層巖體厚度，m；kn為第n層巖體垂直方向滲透系數(shù)，m/s。

3 不同孔隙水壓力分布下邊坡穩(wěn)定性

依據(jù)極限平衡理論通過(guò)SLOPE/W模塊進(jìn)行模擬分析。SLOPE/W可對(duì)復(fù)雜邊坡巖土體屬性、滑移面變化、地下水分布及孔隙水壓力等各項(xiàng)情況建模分析，還可從有限元應(yīng)力方法等角度切入進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性綜合分析計(jì)算與對(duì)比，滿足不同情況下的邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)工作。

3.1 模擬參數(shù)

模擬分析模型如圖2。邊坡高度為現(xiàn)排土高度220 m，邊坡角度15°。頂部排棄高程1 422～1 467 m水平，臺(tái)階高度10 m，坡面角30°，平臺(tái)寬度20 m。排土場(chǎng)不同區(qū)域混合物料滲透系數(shù)經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)鉆孔抽水試驗(yàn)測(cè)得為1.82×10-6～7.92×10-6cm/s，透水性等級(jí)為微透水性,模型參照式（1）選取采用排土場(chǎng)等效滲透系數(shù)為k=ky。

圖2 模擬分析模型Fig.2 Simulation analysis model

3.2 孔隙水壓力重分布數(shù)值模擬

針對(duì)該礦每年8—9月份排土場(chǎng)實(shí)際降雨情況及地下水位分布情況進(jìn)行數(shù)值模擬，對(duì)不同巖層進(jìn)行參數(shù)賦值，分別分析有無(wú)地下水影響時(shí)排土場(chǎng)邊坡安全系數(shù)變化及地下水位升高5 m和降低10、20、30 m等不同高度時(shí)孔隙水壓力重分布情況并進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)。邊坡穩(wěn)定性分析圖如圖3，孔隙水壓力重分布圖如圖4，邊坡穩(wěn)定系數(shù)變化情況如圖5。

圖3 邊坡穩(wěn)定性分析圖Fig.3 Slope stability analysis

圖4 孔隙水壓力重分布圖Fig.4 Pore water pressure redistribution

圖5 邊坡穩(wěn)定系數(shù)變化情況Fig.5 Variation of slope stability coefficient

受地下水位變化影響，邊坡內(nèi)部孔隙水壓力實(shí)現(xiàn)重新分布，圖4（a）中水位升高5 m時(shí)，負(fù)孔隙水壓力分布范圍減少，邊坡基質(zhì)吸力降低，整體安全系數(shù)呈下降趨勢(shì)；圖4（b）、圖4（c）、圖4（d）分別為水位降低10、20、30 m時(shí)水壓力變化，負(fù)孔隙水壓力分布范圍變大，邊坡基質(zhì)吸力增加，安全系數(shù)逐漸上升。當(dāng)?shù)叵滤陆?0 m時(shí)到達(dá)邊坡滑移面以下，此時(shí)隨著地下水位下降不再影響滑移面范圍內(nèi)邊坡穩(wěn)定性，安全系數(shù)變化趨于平緩。

4 結(jié) 語(yǔ)

1）孔隙水壓力重新分布改變邊坡內(nèi)部孔隙空間及地下水滲流路徑。隨著影響范圍不斷變化，邊坡呈現(xiàn)不同程度的弱化和侵蝕，不同土層交界處土體抗剪強(qiáng)度降低，排土場(chǎng)邊坡穩(wěn)定性下降。

2）地下水升高和降低不同高度時(shí)，邊坡安全系數(shù)先減小后增加，孔隙水壓力變化較為集中區(qū)域，邊坡安全系數(shù)波動(dòng)較為明顯。

3）地下水分別降低10、20、30 m時(shí)，邊坡安全系數(shù)由1.359逐漸升高至1.421。地下水高度降低30 m后水位線靠近基底，整體降至滑移面以下，隨著高度的進(jìn)一步降低邊坡安全系數(shù)變化趨于穩(wěn)定。