某排土場邊坡堆置全過程滲流穩(wěn)定時變分析

羅陽華，簡文彬，蔡澤宏，李宏達

（1.福州大學環(huán)境與資源學院，福州350108；2.福州大學巖土工程與工程地質(zhì)研究所，福州350108）

某排土場邊坡堆置全過程滲流穩(wěn)定時變分析

羅陽華1，2，簡文彬1，2，蔡澤宏1，2，李宏達1，2

（1.福州大學環(huán)境與資源學院，福州350108；2.福州大學巖土工程與工程地質(zhì)研究所，福州350108）

目前對排土場邊坡穩(wěn)定性多以單一安全系數(shù)作為評價標準，難以全面反映排土場邊坡堆置全過程穩(wěn)定性演化的實際情況。對此，以福建地區(qū)某排土場邊坡作為研究對象，在掌握其工程地質(zhì)條件與氣象資料的基礎上，研究排土場邊坡堆置全過程各階段在降雨與蒸發(fā)作用下滲流穩(wěn)定的時變規(guī)律。研究結果表明，在過程降雨量大時，排土場邊坡基底會出現(xiàn)滯水，安全系數(shù)受其影響大；逆排工藝形成的排土場邊坡，基底滑動安全系數(shù)隨著堆置臺階增加呈階段式大幅下降；排土場邊坡安全系數(shù)具有滯后效應，最危險的時刻出現(xiàn)在降雨停止后的一段時間。研究成果對排土場邊坡的穩(wěn)定分析具有理論與實際意義。

排土場邊坡；堆置過程；滲流；穩(wěn)定性；時變分析

露天礦排土場邊坡的失穩(wěn)會對礦山造成嚴重危害，這不僅關系到礦山的生產(chǎn)安全，更會關系到人民的生命財產(chǎn)安全［1］。降雨、排廢巖（土）性質(zhì)、地下水、堆置工藝及參數(shù)、基底軟弱層等因素都會對排土場邊坡的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響，其中降雨是誘發(fā)排土場邊坡失穩(wěn)的最主要因素。目前，學者們［2-6］就降雨對于邊坡的滲流與穩(wěn)定性影響的研究主要基于Fredlund的非飽和土抗剪強度理論，一般是先將降雨入滲條件簡化為流量邊界，再對坡體滲流場變化進行模擬，最后利用極限平衡法或強度折減法等方法來計算邊坡穩(wěn)定性。在此基礎上，相關學者就降雨誘發(fā)排土場邊坡滑動失穩(wěn)問題進行了相關研究，如：翟文龍等［7］開展了在降雨作用下某一坡到底的高臺階排土場邊坡瞬態(tài)滲流場演化的規(guī)律與邊坡穩(wěn)定性的研究；田陽輝等［8］模擬了某排土場邊坡降雨入滲過程中地下水運動的問題；Mohan Yellishetty等［9］基于季節(jié)性大雨的影響，對某礦區(qū)排土場邊坡進行了穩(wěn)定分析，并考慮了該區(qū)域特殊的地質(zhì)環(huán)境；針對某一地形特殊的排土場，黃剛海［10］設計了百年一遇的強降雨類型，并分析了該類型降雨對排土場穩(wěn)定性的影響?，F(xiàn)有研究主要關注降雨歷時階段單臺階排土場邊坡的滲流穩(wěn)定分析，未考慮降雨后水體的滯后效應以及蒸發(fā)階段坡體滲流場的持續(xù)變化對排土場邊坡穩(wěn)定性帶來的不利影響。在此基礎上，Yong-Chan Cho等［11］對比分析了某礦區(qū)排土場邊坡與原始邊坡的穩(wěn)定性，計算了二者在降雨期和停雨期的安全系數(shù)，演化了地區(qū)強降雨作用對排土場邊坡穩(wěn)定性的不利影響；甘海闊等［12］對長歷時降雨作用下多臺階排土場的滲流穩(wěn)定進行了模擬分析，并演化了停雨階段坡體滲流場的變化。兩者的研究都關注了降雨與停雨期邊坡的滲流變化，但是研究主要著眼于排土場邊坡堆置結束后的工況，對于排土場邊坡各臺階形成過程中滲流穩(wěn)定規(guī)律的演化仍不夠全面。

針對已有研究存在的不足，本文基于時變分析理論，以福建地區(qū)某多臺階傾斜基底排土場為例，進行降雨及蒸發(fā)階段排土場邊坡堆置全過程的滲流演化，并對排土場邊坡可能發(fā)生的失穩(wěn)模式進行時變穩(wěn)定分析，研究結果對揭示排土場邊坡的滲流穩(wěn)定規(guī)律具有重要意義。

1 排土場地質(zhì)模型

該排土場屬于山坡型排土場，基底坡度為5°～25°。排土體自然坡度約為30°，設計臺階高度15 m，屬于一級排土場。目前排土場已堆土方量約為500萬m3，采用高土高排、低土低排的逆排工藝堆置，堆置順序為①區(qū)到⑧區(qū)。臺階1為①②區(qū)，臺階2為③④區(qū)，臺階3為⑤⑥區(qū)，臺階4為⑦⑧區(qū)。排土場區(qū)域巖土體自上而下為：頂部廢石土，成分以廢棄礦渣、碎石為主；基底為粉質(zhì)黏土；下臥基巖為中風化粉砂巖。其地質(zhì)模型如圖1所示。

圖1 地質(zhì)模型（單位：m）Fig.1 Geological model

根據(jù)排土場邊坡堆置順序，建立各臺階形成階段的數(shù)值分析模型，如圖2所示，各階段邊界已在圖中標示，數(shù)值計算分析了各階段4個斷面共12個點（a～l）的孔隙水壓力。

圖2 數(shù)值模型Fig.2 Numerical model

2 排土場邊坡穩(wěn)定性時變分析模型

在降雨作用下，排土場邊坡的滲流穩(wěn)定分析屬于飽和—非飽和非穩(wěn)定滲流分析。根據(jù)質(zhì)量守恒原理以及廣義達西定律，飽和—非飽和滲流理論的控制微分方程為［13］：

式中：kij—介質(zhì)飽和滲透張量；kr（hp）—介質(zhì)的相對滲透系數(shù)，飽和區(qū)內(nèi)值為1，非飽和區(qū)內(nèi)介于0～1；hp—壓力水頭；z—位置水頭；h—總水頭，其關系為h＝hp＋z；Q—源匯項；C（hp）—容水度，飽和區(qū)內(nèi)值為1，非飽和區(qū)為?θ/?hp，θ為體積含水率；β—選擇參數(shù)，飽和區(qū)值為1，非飽和區(qū)為0；SS—飽和土單位貯水系數(shù)，非飽和區(qū)值為0，飽和區(qū)為常數(shù)；xi—坐標；t—時間變量。

2.2 邊界條件的確立

為重現(xiàn)排土場邊坡堆置過程中的邊界條件，從當?shù)厮恼精@得地區(qū)各月份累計降雨量、日最大降雨量與最長降雨天數(shù)變化曲線及月累計蒸發(fā)量變化曲線，如圖3、4所示。

選取各臺階堆置期間最大過程降雨量為該區(qū)段降雨入滲邊界，考慮雨型為時間連續(xù)的等雨強降雨；定性考慮地區(qū)月累計蒸發(fā)量為蒸發(fā)邊界，蒸發(fā)天數(shù)為10d。各模型上部邊界條件的選取如表1所示。模型兩側非飽和區(qū)設為零流量邊界，飽和區(qū)設為定水頭邊界，由初始地下水位高程確定。模型底邊設為不透水邊界，只發(fā)生水平滲流。

2.3 計算參數(shù)的確定

2.3.1 巖土物理力學參數(shù)

二是加快完善流域水利規(guī)劃體系。進一步完善流域綜合規(guī)劃體系，海河流域綜合規(guī)劃獲得國務院批復，獨流減河口綜合整治規(guī)劃治導線調(diào)整報告、拒馬河流域綜合規(guī)劃通過水規(guī)總院審查，流域水中長期供求規(guī)劃、滹沱河、薊運河、灤河等工程規(guī)劃取得階段性成果。

根據(jù)土工試驗成果與工程經(jīng)驗，綜合確定該排土場邊坡巖土體物理力學參數(shù)如表2所示。

圖3 降雨量及降雨天數(shù)變化曲線Fig.3 Curves of rainfall capacity and rainfall days

圖4 月累計蒸發(fā)量變化曲線Fig.4 Curve of month cumulative evaporation capacity

表1 模型邊界條件參數(shù)表Table 1 Boundary condition parameters of numerical model

表2 巖土物理力學參數(shù)表Table 2 Physical-mechanical parameters of rock and soil materials

2.3.2 土水特征曲線、滲透系數(shù)曲線

模型中非飽和土層為廢石土與粉質(zhì)黏土。廢石土土水特征曲線由已有工程咨詢資料獲得，粉質(zhì)黏土土水特征曲線由壓力板試驗獲得，如圖5所示。二者滲透系數(shù)曲線由V-G模型擬合得到，如圖6所示。計算假定土水特征曲線吸濕曲線與脫濕曲線重合。

圖5 土水特征曲線Fig.5 Curves of soil-water characteristic

圖6 滲透系數(shù)與基質(zhì)吸力關系曲線Fig.6Curves of permeability coefficient and matric suction

3 排土場邊坡滲流計算結果分析

根據(jù)確定的邊界條件，對排土場邊坡的4個堆置階段進行降雨與蒸發(fā)作用的瞬態(tài)滲流場有限元數(shù)值分析。得到各階段4個斷面代表點的負孔隙水壓力時程曲線，如圖7（a～d）所示。

綜合分析可得如下結果：

1）在降雨時，廢石土由于其滲透系數(shù)大，入滲率大于雨強，水體入滲方式一般為無壓入滲或自由入滲，坡體負孔隙水壓力隨著降雨的進行不斷減小。在蒸發(fā)時，表層廢石土先于內(nèi)部廢石土蒸發(fā)，這會在坡內(nèi)產(chǎn)生水勢差，圖中可以看出坡內(nèi)的蒸發(fā)作用要弱于坡表。又因為坡表水體不斷下滲，在圖中蒸發(fā)結束處，可以看出坡表出現(xiàn)過度蒸發(fā)，結束值大于初值，而坡內(nèi)土體蒸發(fā)結束值小于初值。

圖7 各階段負孔隙水壓力時程變化曲線Fig.7 Time-varying curves of negative pore water pressures in different stages

2）對于階段1、2模型，堆置時間為冬天至早春，雨型屬于大雨，蒸發(fā)量小。由于堆置時間不長，堆置的廢石土層相對較薄，二者負孔隙水壓力變化趨勢相似，等值線分布曲線與坡面近似平行。階段2中坡表的a與d點、基底的c與f點負孔隙水壓力數(shù)值計算結果相同。表層廢石土受降雨和蒸發(fā)作用的影響均大于深部土體。

3）對于階段3、4模型，堆置時間為晚春至夏季，降水發(fā)生在梅雨與臺風期，過程降雨量大，雨型屬于暴雨，蒸發(fā)量大。雨水入滲坡體后，坡體負孔隙水壓力變化幅度大，各點負孔隙水壓力均出現(xiàn)陡降，并且，位于坡表的分析點與基底分析點負孔隙水壓力數(shù)值計算結果相同。又由于粉質(zhì)黏土層滲透系數(shù)小，隨著降雨不斷進行，入滲的水體會往土層交界面匯聚，水體無法及時排走，這導致了滯水的出現(xiàn)。而且，雨停后并不意味著降雨對于邊坡內(nèi)部滲流影響的結束，廢石土內(nèi)的水體在雨后繼續(xù)下滲，與深部水體發(fā)生聯(lián)系，這使得土層交界面仍有少量滯水殘留，導致安全系數(shù)滯后效應的產(chǎn)生。

4 排土場邊坡穩(wěn)定性計算結果分析

結合現(xiàn)場工程地質(zhì)調(diào)查結果與滲流分析結果，該排土場邊坡可能發(fā)生的主要失穩(wěn)模式有：1）由堆置臺階不斷增加與基底滯水作用誘發(fā)的沿基底下臥層的整體滑動，滑動面基本呈折線或折線圓弧組合式。2）各臺階坡度較為陡峭，可能發(fā)生各臺階邊坡的局部滑動，滑動面近似為圓弧。3）可能發(fā)生以底部臺階為剪出口，滑動面近似圓弧的沿廢石土內(nèi)部的整體圓弧滑動。對排土場邊坡可能發(fā)生的失穩(wěn)模式進行瞬態(tài)穩(wěn)定性時程計算，得到各模式安全系數(shù)時程曲線如圖8所示。

綜合分析可得如下結果：

1）排土場邊坡堆置全時程沿基底滑動安全系數(shù)計算結果表明：逆排工藝形成的排土場邊坡，隨著堆置臺階增加，排土場邊坡沿著基底滑動的安全系數(shù)呈階段式大幅下降。安全系數(shù)由初始的2.82降至1.27，可以推測現(xiàn)場若繼續(xù)堆高，極可能發(fā)生沿基底的大規(guī)模失穩(wěn)滑動。

圖8 排土場邊坡3種失穩(wěn)模式安全系數(shù)時程曲線Fig.8 Time-varying curves of safety factors in 3kinds of failure modes

2）排土場邊坡各臺階全時程安全系數(shù)計算結果表明：4個排土臺階中受降雨與蒸發(fā)作用影響作用大的是底部臺階。這是由于其高程低、易受地下水位抬升、水體從高往低處匯流與滯水作用等多方面因素的影響，而其他臺階由于高程高，受降雨與蒸發(fā)作用影響小。

3）排土場邊坡底部臺階高程低，受降雨與蒸發(fā)作用影響強烈，易成為排土場邊坡整體滑動的剪出口，對1～2、1～3、1～4臺階進行整體滑動安全系數(shù)計算，結果表明：各整體臺階滑動安全系數(shù)均在1.20以上，隨著臺階增加，整體坡率變緩，各臺階安全系數(shù)逐漸變大。

4）在雨量大的階段3、4，除了高程高的2、3、4臺階局部滑動計算，其余失穩(wěn)模式均出現(xiàn)安全系數(shù)變化的滯后效應，最低安全系數(shù)不出現(xiàn)在降雨時，而是出現(xiàn)在降雨結束后。

5 結論

1）排土場邊坡廢石土滲透系數(shù)大，入滲率高。當過程降雨量較大時，入滲的水體會在土層交界面匯聚，產(chǎn)生滯水現(xiàn)象，對排土場邊坡整體穩(wěn)定產(chǎn)生不利影響。

2）在蒸發(fā)階段，降雨對于排土場邊坡的影響仍在繼續(xù)，廢石土內(nèi)的水體在雨后仍在不斷下滲，水勢差的存在導致廢石土表層與深部蒸發(fā)速率不均，下滲水體與深部水體發(fā)生水力聯(lián)系，導致土層交界面仍有滯水殘留，為排土場邊坡的穩(wěn)定埋下不良隱患。

3）排土場邊坡可能發(fā)生沿基底滑動、整體臺階滑動、局部臺階滑動三種失穩(wěn)模式。全時程安全系數(shù)計算結果表明，逆排工藝形成的排土場邊坡，隨著堆置臺階增加，排土場邊坡沿著基底滑動的安全系數(shù)階段式大幅下降；底部臺階易受滯水以及水體匯流的影響，安全系數(shù)變化大；在過程降雨量大時，排土場邊坡安全系數(shù)具有滯后效應，最低安全系數(shù)不出現(xiàn)在降雨時，而是出現(xiàn)在雨后一段時間。

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Time-varying analysis on seepage and stability in the stacking process of a waste-dump slope

LUO Yanghua1，2，JIAN Wenbin1，2，CAI Zehong1，2，LI Hongda1，2
（1.College of Environment and Resources，F(xiàn)uzhou University，F(xiàn)uzhou 350108，China；2.Institute of Geotechnics and Engineering Geology，F(xiàn)uzhou University，F(xiàn)uzhou 350108，China）

At present，single safety factor is used for the stability assessment of waste-dump slopes，which is difficult to completely reflect the actual situation of evolving stability in the stacking process of waste-dump slopes.Concerning this problem，taking a waste-dump slope in Fujian as an object，on the basis of engineering geological conditions and meteorological data，the time-varying law of seepage and stability in different stages of whole stacking process under rainfall and evaporation are studied.The results show that waste-dump slope will appear a phenomenon of stagnant water under rainfall when the precipitation is larger，which can take a negative effect on security.As for a waste-dump processed inversely，the basal sliding safety factor is staged fell sharply with the increasing of piled up stairs.The safety factors of the waste-dump slopes possess hysteresis effect，and the most dangerous moment appears after the rain stops for a period of time.The results on stability have a theoretical and practical significance in the waste-dump slope.

waste-dump slope；stacking process；seepage；stability；time-varying analysis

TD854＋.6

Α

1671-4172（2015）06-0099-05

國土資源部丘陵山地地質(zhì)災害防治重點實驗室開放基金（FJKLGP2012K001）

羅陽華（1990-），男，碩士研究生，巖土工程專業(yè)，主要研究方向為邊坡工程。

簡文彬（1963-），男，教授，博士，主要從事巖土工程的教學與科研工作。

10.3969/j.issn.1671-4172.2015.06.021