長(zhǎng)歷時(shí)降雨入滲對(duì)多臺(tái)階排土場(chǎng)邊坡穩(wěn)定性影響研究

甘海闊，周漢民，崔 旋，郄永波

（北京礦冶研究總院，北京102628）

降雨入滲是邊坡失穩(wěn)的主要誘發(fā)因素。在我國(guó)每年由于長(zhǎng)歷時(shí)降雨或短時(shí)暴雨所引發(fā)的各類巖土邊坡失穩(wěn)次數(shù)多達(dá)數(shù)萬次［1］。大批學(xué)者就降雨條件下邊坡穩(wěn)定性展開研究工作［2－6］，普遍認(rèn)為：降雨造成巖土體淺層飽和度及重度增加、基質(zhì)吸力銳減，并最終導(dǎo)致物料綜合抗剪強(qiáng)度降低，從而造成淺層滑坡失穩(wěn)。露天礦排土場(chǎng)作為由礦山剝離巖土物料堆積所形成的大體積人工土石邊坡，排土物料多由土夾礫石、塊石、水、孔隙介質(zhì)等組成；作為大型滯水蓄水體，其滑坡失穩(wěn)的頻發(fā)受降雨影響更為顯著。但與自然巖土邊坡另外明顯不同的是：除受降雨、邊坡堆積體性質(zhì)等外在因素影響之外，人工排土場(chǎng)邊坡穩(wěn)定性還與具體的排土工藝密切相關(guān)；且通常按照堆置方式的不同，可將排土場(chǎng)劃分為單臺(tái)階、覆蓋式多臺(tái)階、壓坡腳多臺(tái)階及組合式臺(tái)階排土場(chǎng)等幾類［7］。

一方面，相對(duì)自然邊坡而言，人工排土場(chǎng)邊坡穩(wěn)定性的影響因素多、堆置狀況復(fù)雜；對(duì)于不同堆置方式下排土場(chǎng)邊坡受降雨影響后的穩(wěn)定性差異可能較大；另一方面，當(dāng)前國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)降雨條件下的排土場(chǎng)邊坡穩(wěn)定性研究工作相對(duì)較少［8－10］，對(duì)由降雨所導(dǎo)致的各類排土場(chǎng)邊坡的滑坡破壞方式、滑坡機(jī)理等的研究尚不明確。深入開展降雨工況下各類排土場(chǎng)邊坡的穩(wěn)定性分析研究對(duì)于保證排土場(chǎng)安全運(yùn)行具有十分重要的意義［11］。本文以國(guó)內(nèi)某多雨地區(qū)排土場(chǎng)為例，分析雨季情況下高陡臺(tái)階排土場(chǎng)邊坡臨界失穩(wěn)的原因。重點(diǎn)以該排土場(chǎng)經(jīng)優(yōu)化設(shè)計(jì)后的多臺(tái)階邊坡為例，開展長(zhǎng)歷時(shí)降雨條件下瞬態(tài)滲流場(chǎng)分析及穩(wěn)定性演化規(guī)律研究。研究工作可為揭示降雨期間排土場(chǎng)多臺(tái)階坡面滲流變化規(guī)律及多臺(tái)階邊坡滑坡機(jī)理提供基礎(chǔ)，并可為相關(guān)類似工程的設(shè)計(jì)、施工等提供參考。

1 排土場(chǎng)高臺(tái)階臨界滑坡分析

某銅礦排土場(chǎng)地處我國(guó)南方充沛雨量地區(qū)，場(chǎng)區(qū)年降雨量1 532．7～2 470．1mm，小時(shí)最大降雨量為53．2mm；雨季最大連續(xù)降雨天數(shù)達(dá)10d，最大連續(xù)降雨量為421．6mm。該排土場(chǎng)屬單臺(tái)階山坡型排土場(chǎng)。由粗放高臺(tái)階快速推進(jìn)式排土后形成的邊坡平均高度達(dá)257m，平均坡度約38°，如圖1所示。排土場(chǎng)排土堆積體由采場(chǎng)剝離的礫質(zhì)粉土、含礫粉質(zhì)黏土、塊石等經(jīng)自然混排堆積而成，結(jié)構(gòu)松散度高，巖土分布不均，含泥量高。2011年雨季長(zhǎng)歷時(shí)降雨之后，排土場(chǎng)單臺(tái)階邊坡處于臨界滑坡失穩(wěn)狀態(tài)；具體表現(xiàn)如下：排土場(chǎng)坡頂前緣約20m處出現(xiàn)沿縱向基本完全貫通的裂縫，裂縫寬度在數(shù)厘米至十幾厘米之間（見圖2）；坡腳區(qū)域土體出現(xiàn)局部底鼓隆起（見圖3）；邊坡不時(shí)出現(xiàn)小范圍的排土體坍塌現(xiàn)象。

圖1 排土場(chǎng)高陡臺(tái)階邊坡Fig．1 The high and steep dump slope

圖2 排土場(chǎng)前緣裂縫發(fā)育情況Fig．2 The cracks in the dump slope leading edge

圖3 排土場(chǎng)邊坡臨界滑移失穩(wěn)示意Fig．3 The critical instability state of the dump slope

經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)充分調(diào)研，分析得出排土場(chǎng)臨界滑坡原因如下：1）該排土場(chǎng)排土物料本身為礫質(zhì)粉土、含礫粉質(zhì)黏土、塊石、孔隙介質(zhì)等組成的多相土石混合料，由于排土推進(jìn)速度過快，致使物料結(jié)構(gòu)松散度高，并直接導(dǎo)致物料自身抗剪強(qiáng)度降低及滲透系數(shù)增大。2）采用“一坡到底”全段排土所形成單臺(tái)階邊坡屬高陡臺(tái)階邊坡，自然狀態(tài)下邊坡安全系數(shù)較低。3）排土場(chǎng)坡面未設(shè)置任何截排水設(shè)施，導(dǎo)致雨水能夠充分匯流、入滲，長(zhǎng)歷時(shí)降雨條件下造成物料重度增加、基質(zhì)吸力銳減，并最終誘發(fā)了邊坡淺層臨界失穩(wěn)現(xiàn)象。

2 排土場(chǎng)多臺(tái)階邊坡滲流場(chǎng)分析

2．1 計(jì)算基本資料

為切實(shí)保證排土場(chǎng)的穩(wěn)定性，對(duì)該排土場(chǎng)進(jìn)行了專項(xiàng)設(shè)計(jì)治理工作。設(shè)計(jì)工況下排土場(chǎng)共分4個(gè)臺(tái)階進(jìn)行堆排，各臺(tái)階標(biāo)高分別為757m、681m、605m、529m。其中，第二、第三、第四臺(tái)階具有相同的臺(tái)階高度和坡比（臺(tái)階高度76m，臺(tái)階坡度27°）。第一臺(tái)階則為現(xiàn)狀工況高陡單臺(tái)階經(jīng)坡度優(yōu)化后形成，臺(tái)階坡度27°，臺(tái)階高度保持不變，其典型剖面如圖4所示。

為深入分析多臺(tái)階邊坡受降雨的影響程度，選取當(dāng)?shù)?0d最大連續(xù)降雨量421．6mm作為降雨邊界條件，利用SEEP有限元軟件對(duì)該多臺(tái)階排土場(chǎng)邊坡進(jìn)行10d降雨、10d停雨共計(jì)20d的長(zhǎng)歷時(shí)工況下瞬態(tài)滲流場(chǎng)分析。計(jì)算選取的排土土料的土水特征曲線和滲透系數(shù)曲線如圖5～6所示。

圖4 排土場(chǎng)多臺(tái)階典型剖面Fig．4 The typical profile of the multi－stage dump slope

圖5 排土土料的土水特征曲線Fig．5 Curve of volatile water content and pore water pressure

圖6 排土土料的滲透系數(shù)曲線Fig．6 Curve of conductivity and pore water pressure

2．2 滲流場(chǎng)計(jì)算結(jié)果分析

圖7（a、b、c、d）分別對(duì)應(yīng)降雨0d、5d、6d、10d工況下瞬態(tài)滲流場(chǎng)計(jì)算結(jié)果。綜合分析可得：

1）降雨0～5d：各臺(tái)階表層小范圍內(nèi)土體孔隙水壓力逐步升高；隨著降雨的持續(xù)，受降雨影響的孔隙水壓力變動(dòng)深度也逐步增加。

2）降雨第6d：坡腳及各平臺(tái)轉(zhuǎn)折處表層土體的孔隙水壓力首先由零增加為正值，形成了暫態(tài)飽和區(qū)。其原因?yàn)樵搮^(qū)域具有較好的積水效應(yīng)，雨水易在此處發(fā)生停滯與匯流。

3）降雨第7～10d：暫態(tài)飽和區(qū)不斷增大，由線擴(kuò)展成條帶，由單個(gè)排土平臺(tái)擴(kuò)展成連通整個(gè)排土表層的條帶，且分布范圍隨降雨不斷向土體下部發(fā)展。同時(shí)受整個(gè)降雨所影響的土體基質(zhì)吸力變化范圍也不斷增大。

4）整個(gè)降雨過程各臺(tái)階邊坡滲流場(chǎng)呈現(xiàn)出一定的規(guī)律差異性，表現(xiàn)為：第四臺(tái)階受降雨影響的孔隙水壓力變動(dòng)范圍最小，第一臺(tái)階受降雨影響的孔隙水壓力變動(dòng)范圍最大。各臺(tái)階的降雨影響范圍依次為第四臺(tái)階＜第三臺(tái)階＜第二臺(tái)階＜第一臺(tái)階。其原因?yàn)椋洪L(zhǎng)歷時(shí)降雨時(shí)，多臺(tái)階坡面的滲水自然滲流方向?yàn)橛筛叩降?，造成少量高臺(tái)階滲水能夠向低臺(tái)階補(bǔ)充，入滲水量增多造成對(duì)孔隙水壓力的影響范圍增大。其中，第一臺(tái)階還受到坡腳浸潤(rùn)線抬升的影響，因此該臺(tái)階邊坡受長(zhǎng)歷時(shí)降雨影響最大。

圖8（a、b、c、d）則分別為10d降雨之后，對(duì)應(yīng)停雨1d、5d、8d、10d工況下的滲流場(chǎng)計(jì)算結(jié)果。綜合分析可得：

1）停雨1～2d：各臺(tái)階邊坡暫態(tài)飽和區(qū)迅速消散，由沿四個(gè)臺(tái)階表層連成一體的整體變?yōu)橹袛嗒?dú)立的小區(qū)域。同時(shí)，暫態(tài)飽和區(qū)與邊坡表層土體發(fā)生“脫離”，即坡頂最表層土體孔隙水壓力由正值恢復(fù)為負(fù)值。

2）停雨1～10d：各臺(tái)階邊坡表層土體的孔隙水壓力一直處于緩慢恢復(fù)的狀態(tài)，且不斷向穩(wěn)態(tài)未降雨工況下的孔隙水壓力分布規(guī)律趨近；但停雨期間孔隙水壓力恢復(fù)周期較長(zhǎng)，停雨10d后邊坡表層孔隙水壓力恢復(fù)至－80kPa左右。

3）整個(gè)長(zhǎng)歷時(shí)降雨結(jié)束并不代表降雨對(duì)邊坡滲流場(chǎng)規(guī)律影響的結(jié)束，相反存在一場(chǎng)長(zhǎng)歷時(shí)降雨長(zhǎng)期影響排土場(chǎng)內(nèi)部孔隙水壓力分布規(guī)律的現(xiàn)象。即水體在自重作用下不斷下滲，含水量較高的土體仍在持續(xù)補(bǔ)給下部含水率較低的土體，邊坡內(nèi)部土體孔隙水壓力仍處于不斷升高的趨勢(shì)。

3 排土場(chǎng)多臺(tái)階邊坡瞬態(tài)穩(wěn)定性研究

基于長(zhǎng)歷時(shí)降雨及停雨工況下滲流場(chǎng)計(jì)算結(jié)果，采用SLOPE軟件中Bishop剛體極限平衡法，對(duì)該排土場(chǎng)多臺(tái)階邊坡進(jìn)行瞬態(tài)穩(wěn)定性計(jì)算分析。排土場(chǎng)各材料分區(qū)力學(xué)參數(shù)如表1所示。圖9則為計(jì)算結(jié)果中各臺(tái)階最危險(xiǎn)滑移面示意圖，圖10為四個(gè)臺(tái)階在歷時(shí)10d降雨及10d停雨工況下邊坡安全系數(shù)演化曲線。從圖中分析可得：

1）第一臺(tái)階由于為原高陡單臺(tái)階經(jīng)坡度優(yōu)化后形成，各階段邊坡安全系數(shù)明顯低于其他臺(tái)階。正常工況下邊坡安全系數(shù)為1．608。在降雨的第10 d，邊坡安全系數(shù)突降至最低值1．370，且此時(shí)對(duì)應(yīng)其最危險(xiǎn)滑移面由深層滑動(dòng)變?yōu)闇\層滑動(dòng)。

2）由于具有相同的單臺(tái)階高度及坡度，第二、三、四臺(tái)階的邊坡安全系數(shù)演化規(guī)律近乎相同。以第二臺(tái)階為例，初始工況邊坡安全系數(shù)為2．608。對(duì)應(yīng)降雨歷時(shí)的第7d，該邊坡最危險(xiǎn)滑移面由深層滑動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)闇\層滑動(dòng)時(shí)，邊坡安全系數(shù)突降至2．082，之后邊坡安全系數(shù)進(jìn)一步顯著降低，在降雨第10d達(dá)到最低值1．605。

3）整個(gè)降雨及停雨時(shí)段中，各臺(tái)階邊坡穩(wěn)定性呈現(xiàn)出規(guī)律相似性，表現(xiàn)為：1）初期短歷時(shí)降雨對(duì)排土場(chǎng)各臺(tái)階邊坡穩(wěn)定性影響較小，各臺(tái)階邊坡安全系數(shù)降低幅度較??；2）隨著降雨歷時(shí)的增大，其最危險(xiǎn)滑移面由深層滑動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)闇\層滑動(dòng)時(shí)，邊坡安全系數(shù)呈現(xiàn)出顯著降低的趨勢(shì)。3）整個(gè)停雨時(shí)段各臺(tái)階邊坡穩(wěn)定性安全系數(shù)回升速度較慢，僅表現(xiàn)為比降雨期間最低值略微增大。

分析其原因在于：長(zhǎng)歷時(shí)降雨期間，邊坡表層土體的基質(zhì)吸力降低最為明顯，當(dāng)降雨導(dǎo)致的表層土體基質(zhì)吸力影響范圍達(dá)到一定深度時(shí)，將會(huì)誘發(fā)淺層滑坡現(xiàn)象。在此之前，各臺(tái)階邊坡最危險(xiǎn)滑移面均表現(xiàn)為深層滑動(dòng)。停雨期間，邊坡表層基質(zhì)吸力處于緩慢恢復(fù)狀態(tài)，而邊坡內(nèi)部大部分土體的基質(zhì)吸力則仍在逐步降低。因此，停雨時(shí)段各臺(tái)階邊坡穩(wěn)定性安全系數(shù)回升速度較慢。

圖7 10天連續(xù)降雨工況下瞬態(tài)滲流場(chǎng)計(jì)算結(jié)果Fig．7 The results of transient seepage field in the 10days of continuous rainfall condition

圖8 10d停雨工況瞬態(tài)滲流場(chǎng)計(jì)算結(jié)果Fig．8 The results of transient seepage field in the 10days of continuous no－rainfall condition

表1 各材料分區(qū)力學(xué)參數(shù)Table 1 Mechanical parameters of each materials

4 結(jié)論

1）排土場(chǎng)是大氣降水的滯水蓄水體，在降雨條件下具有特殊的飽和—非飽和滲流特征。降雨期間，排土場(chǎng)表層土體單元孔隙水壓力顯著升高，并形成暫態(tài)飽和區(qū)；停雨期間，表層滲水繼續(xù)向排土場(chǎng)內(nèi)部下滲，表現(xiàn)為表層土體暫態(tài)飽和區(qū)逐漸消散，基質(zhì)吸力緩慢恢復(fù)，但排土體內(nèi)部基質(zhì)吸力仍處于逐漸減小的趨勢(shì)中。

圖9 各臺(tái)階最危險(xiǎn)滑移面示意Fig．9 The most dangerous sliding surface of each stage slope

2）多臺(tái)階排土場(chǎng)邊坡中，由于自然臺(tái)階差造成少量滲水自高臺(tái)階向低臺(tái)階匯流，低臺(tái)階邊坡受長(zhǎng)歷時(shí)降雨的影響程度更大。

圖10 各臺(tái)階邊坡安全系數(shù)隨時(shí)間變化曲線Fig．10 Variation of the safety factor for each step slope with the duration of rainfall

3）降雨是排土場(chǎng)發(fā)生滑坡失穩(wěn)的重要觸發(fā)和誘導(dǎo)因素，在長(zhǎng)歷時(shí)降雨作用下，排土場(chǎng)安全系數(shù)下降幅度為15%～38%，且多為單臺(tái)階淺層滑動(dòng)。隨著降雨的停止，安全系數(shù)逐步回升，但速度較慢。

4）對(duì)于多雨地區(qū)排土場(chǎng)，為切實(shí)保證排土場(chǎng)各臺(tái)階邊坡的穩(wěn)定性，應(yīng)加強(qiáng)排土段高與坡度等的優(yōu)化控制，以預(yù)留較高的邊坡穩(wěn)定性安全余量。同時(shí)注重各類截排水設(shè)施的修建，以減小過量雨水入滲對(duì)邊坡穩(wěn)定性的降低作用。

［1］ 王曉峰 ．降雨入滲對(duì)非飽和土邊坡穩(wěn)定性的影響研究［D］．西安：西安科技大學(xué)，2003．

［2］ 周家文，徐衛(wèi)亞，鄧俊曄，等 ．降雨入滲條件下邊坡的穩(wěn)定性分析［J］．水利學(xué)報(bào)，2008，39（9）：1066－1073．

［3］ 榮 冠，王思敬，王恩志，等 ．強(qiáng)降雨下元磨公路典型工程邊坡穩(wěn)定性研究［J］．巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2008，27（4）：704－711．

［4］ 許建聰，尚岳全．降雨作用下碎石土滑坡解體變形破壞機(jī)制研究［J］．巖土力學(xué)，2008，29（1）：106－112，118．

［5］ 婁一青 ．降雨條件下邊坡滲流及穩(wěn)定性有限元分析［J］．水利學(xué)報(bào)，2007，38（增刊1）：346－351．

［6］ 徐 晗，朱以文，蔡元奇，等 ．降雨入滲條件下非飽和土邊坡穩(wěn)定性分析［J］．巖土力學(xué)，2005，26（12）：1957．

［7］ 王運(yùn)敏，項(xiàng)宏海 ．排土場(chǎng)穩(wěn)定性及災(zāi)害防治［M］．北京：冶金工業(yè)出版社，2011．

［8］ 楊占軍，呂俊偉，朱建新 ．撫順西露天礦內(nèi)排土場(chǎng)穩(wěn)定與降雨的關(guān)系［J］．露天采礦技術(shù)，2003（4）：11－13．

［9］ 婁一青，曹良珍，王志軍，等 ．降雨入滲對(duì)邊坡穩(wěn)定性影響分析［J］．水力發(fā)電，2008，34（5）：19－22．

［10］ 孫世國(guó)，楊 宏，冉啟發(fā)，等 ．典型排土場(chǎng)邊坡穩(wěn)定性控制技術(shù)［M］．北京：冶金工業(yè)出版社，2011．

［11］ 翟文龍，周漢民，陳 斌，等 ．降雨對(duì)某山坡型高臺(tái)階排土場(chǎng)的影響［J］．有色金屬（礦山部分），2013，65（4）：87－90．