降雨對露天煤礦排土場邊坡穩定性的影響分析

陳飛宇

(陜西延長石油巴拉素煤業有限公司，陜西 榆林 719000)

0 引言

在露天煤礦中，降雨是導致排土場破壞失穩的重要影響因素。就排土場在降雨條件下的邊坡穩定性問題，前人已經做過很多研究。例如，王述紅等[1]研究了多層土邊坡內的入滲雨水方向的演變規律；王磊等[2]利用非飽和滲流理論與耦合分析，對堆積體進行了穩定性評價，研究了降雨入滲對邊坡開裂的影響；狄圣杰等[3]以極限平衡理論為依據，分析了降雨條件下的邊坡可靠度；李永華等[4]通過飽和非飽和土滲流理論，分析了自嵌式擋墻倒塌機理；劉維發[5]分析出了散體粒徑分布規律，給出了應對邊坡失穩的方案；鄭開歡等[6]通過有限元分析軟件進行了孔壓-應力耦合分析，總結了雨后滑坡的發生機理；甘建軍等[7]研究了含軟弱夾層的邊坡穩定性受降雨入滲的影響；趙洪寶等[8]通過數值模擬軟件分析了排土場邊坡的失穩情況，并給出了治理的措施；付宏淵等[9]基于室內物理模型的建立，研究了灰質泥巖-土分層路堤滲流與變形的影響；戚藍等[10]通過三維模擬技術分析了降雨過程中邊坡滑移的發展規律；李宏儒等[11]分析了煤系地層邊坡的各影響因素對邊坡穩定性及滲流特點的影響；陳海遲等[12]針對不同年限的排土場記錄了降雨過程，分析了降雨特性與邊坡水力侵蝕的關系；黃剛海[13]通過數值軟件模擬分析了降雨作用下邊坡可能發生的災害問題。葉帥華等[14]通過建立應力場與滲流場的耦合計算模型，分析了多級黃土高邊坡的穩定性受降雨入滲的影響；何忠明等[15]經過有限元數值模擬分析了坡積土邊坡的降雨入滲受初始滲流場分布的影響。

為此，以石圪圖露天煤礦為例，根據外排土場的具體情況，探究外排土場邊坡所能承受的突發性強降雨的最大作用時間，以期為露天煤礦的安全生產提供一些借鑒。

1 工程概況

石圪圖露天煤礦位于鄂爾多斯市準格爾旗，氣象條件為典型的北方氣候，夏季炎熱，冬季嚴寒。露天煤礦工程地質條件、水文地質條件、開采現狀、不良地質特征等因素都會影響安全生產。一般7～9月該地區降水較為集中，占年降水量的67%，極易因突發性強降雨引起的邊坡構造以及應力分布發生變動，使得排土場邊坡出現滑坡、塌方等災害。外排土場位于采場西北側，面積約1.82 km2，東西走向長約1 020 m，南北走向長約1 830 m，邊坡角11°～20°，初始計劃排棄高度為60 m。排土場東側有一條通往采場的道路，一旦發生滑坡現象會導致進入采場的交通堵塞，影響礦山生產，所以研究排土場邊坡在降雨條件下的邊坡穩定性尤為重要。根據目前對研究區域地質條件等資料的掌握情況，本次穩定計算的安全儲備系數的選取充分考慮邊坡穩定的時效特性，按永久邊坡予以考慮，選取邊坡安全儲備系數為1.45。

2 非降雨條件下排土場邊坡穩定性現狀

2.1 排土場邊坡穩定性定量計算

在排土場的邊坡穩定性的計算剖析過程中，選擇A1剖面作為研究對象；采用Bishop法和Spencer法對在自然狀態下局部、整體穩定性及可能存在的排棄物料內部圓弧滑動和沿基底滑移模式分別進行了定量的計算分析，計算參數及分析結果見表1、2，計算結果如圖1所示。

圖1 A1剖面計算結果Fig.1 A1 section calculation results

表1 各土層物理參數

表2 外排土場邊坡穩定性分析結果

外排土場潛在滑坡方式為圓弧式滑動、基底型破壞，經過計算可知自然狀態下外排土場邊坡穩定性的安全儲備系數滿足1.45的要求，邊坡穩定。

2.2 排土場穩定性模擬分析

對石圪圖露天煤礦外排土場進行分析，此次研究選取A1剖面進行模擬分析。模型的計算長度為460 m，高度為230 m，所得塑性區分布及位移云圖如圖2、3所示。

圖2 邊坡塑性區分布Fig.2 Distribution of slope plastic zone

圖3 邊坡位移云圖Fig.3 Slope displacement cloud map

從塑性區的分布能夠得出，排棄物料內部未出現塑性區，從邊坡位移云圖上看，模擬計算穩定時，邊坡的變形已經達到穩定狀態，此時邊坡移動量最大為0.02 m，位于坡腳處。綜上分析，可以得出排土場邊坡在非降雨條件下是較為穩固的。圓弧剪切表現形式發生在外排土場的排棄物料內部，沿基底細砂層剪出的破壞模式。自然狀態下穩定性良好，但由于外排土場底部排棄物為細砂層，由于細砂層粘聚力較低，突降暴雨，使得基底長時間積水會有滑坡的危險。

3 降雨條件下排土場邊坡穩定性

3.1 邊坡滲流模型的建立

3.1.1 計算邊界確定

把降雨入滲界限設為坡面，把流量界限設為雨強小于土體入滲強度時刻，當雨強大于土體入滲強度時作為水頭界限，假定界限不產生積水，界限水壓為零，水頭值為地表高程。兩側界限，地下水位以上按零流量處理，以下為給定水頭界限，值為初始地下水位。底部界限，設為不透水界限。

查閱該地區歷年降雨資料，可將該地區降雨分為4個降雨類型，雨型A為拋物式降雨，72 h內降雨量先增加后減小，最大降雨量6.81 mm/h，雨型B為均勻式降雨，最大降雨強度為3.88 mm/h，雨型C為遞增式降雨，72 h內降雨逐漸增加，最大降雨量為7.94 mm/h，雨型D為遞減式降雨，72 h內降雨遞減，最大降雨量為7.85 mm/h，降雨類型如圖4所示。土層中的監測點散布狀況如圖5所示，共設置5個監測點。

3.1.2 土水特征與滲透系數曲線的確定

外排土場的滲透系數曲線以及水土特征曲線由V-G模型獲得，如圖6、7所示。

圖4 4種不同雨型Fig.4 Four different types of rain

圖5 計算模型及監測點布設Fig.5 Calculation model and monitoring point layout

圖6 基質吸力與滲透系數關系Fig.6 Relationship between matrix suction and permeability coefficient

圖7 土水特征曲線Fig.7 Soil-water characteristic curve

3.2 數值計算結果分析

3.2.1 孔隙水壓分析

降雨72 h的5個監測點在4種不同雨型影響下的孔隙水壓變化如圖8所示。在雨型A拋物線式降雨作用下，開始雨量不大，以毛細水壓為主，使得淺層監測點1、2負的孔隙水壓增大，但是隨著持續的降雨，由于滲流通道的形成使得毛細水壓消失，雨水開始入滲，土體的體積含水率逐漸增大，這時水呈拉漲狀態，孔隙水壓始終為負值。監測點3的初始孔隙水壓為-49.04 kPa，隨著降雨的進行，在6 h后，土體的含水量大于飽和含水量，孔隙水壓為70.11 kPa，隨后孔隙水壓逐漸增大并穩定在100 kPa上下；處在初始水位線上部的監測點4，受到初始毛細水壓的影響，開始孔隙水壓為-34.92 kPa，隨著土體含水量的增大孔隙水壓變為正值后，迅速增大到305 kPa后緩慢降到終值204 kPa左右；處在初始水位線下部的監測點5孔隙水壓力始終為正值，在0～8 h時快速增長到410 kPa上下，隨著雨水入滲的穩定，各點孔隙水壓也都穩定。

圖8 4種不同雨型作用各監測點處孔隙水壓變化Fig.8 Variation of pore water pressure at each monitoring point under the action of four different rain types

在雨型B均勻式降雨作用下，監測點1的孔隙水壓由-49.04 kPa快速增大至-169.28 kPa，之后慢慢地接近穩定值-124.52 kPa；監測點2受降雨影響不大，孔隙水壓緩慢減小到-13.73 kPa，之后基本保持不變；監測點3處的孔隙水壓增至-159.72 kPa后基本保持不變；監測點4的孔隙水壓由-34.92 kPa增至378.17 kPa，之后緩慢降低至終值197.76 kPa；監測點5處在0～10 h孔隙水壓增速較大，10～16 h增速緩慢，之后逐漸降低。在雨型C遞增式降雨作用下，監測點1與監測點3處孔隙水壓初期緩慢增大，變為正值后不再發生變化；監測點2處孔隙水壓短時間內增至-208.9 kPa后基本保持不變；監測點4與監測點5的孔隙水壓初期劇增至最大值后，孔隙水壓漸漸下降并趨于一穩固值。在雨型D遞減式降雨作用下，監測點1的孔隙水壓快速增至-210.88 kPa后，孔隙水壓值逐漸減小最終趨于穩定；監測點2受降雨影響不大，負的孔隙水壓增至-68 kPa，隨著土體含水率穩定逐漸降低并趨于穩定；監測點3、4處孔隙水壓變化規律相似，由初始孔隙水壓急速增至負的最大值，隨后趨近于0，增至正的最大值后趨于穩定；監測點5初始孔隙水壓急劇增至最大值，之后漸漸降低并趨于一穩固值。

在自然狀態下，邊坡土體處在非飽和狀態，土體含水率較低，其基質吸力較大，并且這時的土體抗剪強度及粘聚力較強，邊坡處在一個相對穩定的狀態。然而在降雨之后，隨著雨水的入滲，土體含水率逐漸增大，土體逐漸向飽和狀態發展，這時，土體的基質吸力會快速下降，從而降低了抗剪強度及粘聚力，使得下滑力增大，極大地增加了邊坡滑坡的可能。

3.2.2 位移分析

在4種不同雨型降雨作用下，最終網格變形如圖9所示。各監測點處位移在降雨10 h左右基本完成，并且深部的X、Y方向位移量要小于淺部的。通過數據對比，在雨型A、D的影響下，各監測點的位移量最大，其中最大位移量為21.79 cm。

圖9 不同雨型作用下模型最終網格變形(放大10倍)Fig.9 The final mesh deformation of the model under the action of different rain types (10 times magnification)

3.2.3 邊坡安全系數分析

在SEEP/W中解析初始狀態穩定滲流情況，得到初始水頭，輸入SIGMA/W中進行初始應力場的計算，同時以4種不同雨型作為邊界的條件進行72 h的降雨計算，從而得到不同雨型作用下的滲流場和應力場，導入SLOPE/W中，計算各時間段排土場邊坡的穩定性。在有限元法的基礎上分析出不同雨型作用下，排土場邊坡在不同時間段的安全系數，如圖10所示。

圖10 邊坡安全系數隨降雨進行變化曲線Fig.10 Curve of slope safety factor changing with rainfall

由圖10可知，在4種降雨類型作用下，隨著降雨時間的增長邊坡的安全系數在逐漸下降，當雨水入滲使得土體達到飽和狀態時，其基質吸力受其影響變小，這時安全系數處于較為穩定狀態。其中在雨型A影響下，降雨26 h安全系數下降到1.444；在雨型C影響下，降雨56 h安全系數下降到1.442；在雨型D影響下，降雨36 h安全系數下降到1.432；均小于安全儲備系數1.45，存在滑坡的可能，因此，建議采用人工支擋物對邊坡進行加固。

4 結論

(1)外排土場潛在滑坡模式為圓弧式滑動、基底型破壞，不考慮暴雨條件下的外排土場邊坡穩定性均滿足安全儲備系數1.45的要求，邊坡穩定。

(2)各監測點處位移在降雨10 h左右基本完成，且最大位移量為21.97 cm。

(3)受降雨因素的影響，排土場邊坡安全系數隨降雨歷時逐漸降低，其中在雨型A影響下，降雨26 h安全系數下降到1.444；在雨型C影響下，降雨56 h安全系數下降到1.442；在雨型D影響下，降雨36 h安全系數下降到1.432；均小于安全儲備系數1.45，存在滑坡的可能，因此，建議采用人工支擋物對邊坡進行加固。