降雨對某露天礦風(fēng)化砂質(zhì)邊坡穩(wěn)定性影響規(guī)律研究

李雪梅，陳玉明，袁利偉，毛肖杰

（昆明理工大學(xué) 國土資源工程學(xué)院，云南 昆明 650093）

降雨對某露天礦風(fēng)化砂質(zhì)邊坡穩(wěn)定性影響規(guī)律研究

李雪梅，陳玉明，袁利偉，毛肖杰

（昆明理工大學(xué) 國土資源工程學(xué)院，云南 昆明 650093）

邊坡穩(wěn)定性對礦山安全生產(chǎn)具有重要意義。文章結(jié)合云南某露天鎢礦工程概況，應(yīng)用邊坡分析軟件GEO-Studio，選擇合理的參數(shù)及邊界條件，建立邊坡穩(wěn)定性分析數(shù)值模型，模擬在不同降雨量、不同降雨持續(xù)時間條件下邊坡的降雨入滲情況以及邊坡滑移面、滑移線分布情況，得到在不同工況條件下邊坡的安全系數(shù)及降雨滲流對邊坡穩(wěn)定性影響的規(guī)律，了解邊坡失穩(wěn)破壞的過程，為邊坡穩(wěn)定性分析提供理論依據(jù)。同時對比分析采用不同的邊坡穩(wěn)定性分析方法計算安全系數(shù)的結(jié)果，得出結(jié)果基本一致。

降雨；風(fēng)化砂質(zhì)邊坡；邊坡穩(wěn)定性；GEO-Studio

0 引言

邊坡工程一直是巖土工程中的重要研究領(lǐng)域，而邊坡穩(wěn)定性分析又是邊坡工程的核心問題。對于邊坡穩(wěn)定性分析，早期大多都以實踐經(jīng)驗為基礎(chǔ)，運用工程類比法進(jìn)行主觀判斷。就目前的工程應(yīng)用而言，主要有極限平衡法和有限元分析法。邊坡穩(wěn)定性具有復(fù)雜多樣、不確定等特性，邊坡失穩(wěn)也是多種因素綜合影響的結(jié)果，因此各種邊坡穩(wěn)定性分析方法都有其局限性[1]。例如極限平衡法沒有考慮土體本身的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系，在邊坡破壞過程中無法得到坡內(nèi)的應(yīng)力與應(yīng)變的空間分布。另一方面，在計算過程中，對于滑動面的確定需要一定的經(jīng)驗，邊坡的最危險滑動面在計算過程中無法進(jìn)行搜索并得到相應(yīng)的安全系數(shù)，因此極限平衡法的應(yīng)用受到了一定的限制。有限元強度折減法則能解決彈塑性方面的工程難題，其不需要做出任何假定，不僅滿足力的平衡條件，而且考慮了土體應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系和支擋結(jié)構(gòu)的作用，能夠計算出滑體內(nèi)的應(yīng)力狀態(tài)、變形關(guān)系，模擬出邊坡的實際滑移面。但在利用有限元強度折減法確定安全系數(shù)時，若采用的屈服準(zhǔn)則不同，則會得到不同的安全系數(shù)，即在確定安全系數(shù)時存在異議[2]。

楊青潮[3]以東明露天礦高邊坡工程為工程實例，運用GEO-Studio巖土工程分析軟件，將降雨入滲作為巖石邊坡穩(wěn)定性分析的一個重要因素，探求降雨強度、降雨持時、前期降雨因素對高邊坡穩(wěn)定性影響和對邊坡穩(wěn)定性安全系數(shù)的影響，從而為邊坡的合理設(shè)計、有效的防護(hù)提供了有效的依據(jù)。施炳軍[4]以飽和-非飽和滲流理論為基礎(chǔ)，運用GEO-Studio軟件分析降雨條件下邊坡滲流場的變化規(guī)律，并對降雨條件和邊坡自身特性對邊坡滲流場的變化規(guī)律進(jìn)行了分析，最后對影響因子進(jìn)行敏感性分析，得出降雨耦合作用下邊坡的變形破壞機理，為邊坡穩(wěn)定性分析提供了一定的基礎(chǔ)。

本文運用基于極限平衡法與數(shù)值模擬法為一體的GEO-Studio數(shù)值模擬軟件，該軟件的部分模塊之間能進(jìn)行耦合計算，如在SEEP/W滲流模塊的分析基礎(chǔ)上再運用SLOPE/W穩(wěn)定性模塊分析，求出滲流狀態(tài)下邊坡的安全系數(shù)。結(jié)合云南某露天鎢礦風(fēng)化砂質(zhì)邊坡地質(zhì)條件，模擬在不同降雨強度、降雨持續(xù)時間的條件下探究降雨滲流對邊坡穩(wěn)定性的影響規(guī)律及邊坡穩(wěn)定性安全系數(shù)的變化。

1 工程概況

云南某露天鎢礦是以高山和中等高度的山為主的侵蝕地[5]，總體地勢北西高、南東低，海拔標(biāo)高600～2 000 m，最高達(dá)3 000 m。該露天鎢礦地面標(biāo)高為837～982 m，邊坡高度145 m左右。邊坡角度在不同的巖層選擇不同，土質(zhì)類型邊坡角為：45°～60°，巖質(zhì)類型邊坡角為：51°～75°。該邊坡風(fēng)化程度嚴(yán)重，可分為中風(fēng)化（臺階標(biāo)高約877～942 m）和全風(fēng)化（臺階標(biāo)高約942～978 m）區(qū)域。中風(fēng)化巖體表面粗糙、起伏不平，沿裂隙巖石風(fēng)化成顆粒狀，裂隙面多風(fēng)化變色，呈淺灰色；全風(fēng)化巖體呈粉質(zhì)黏土、粉砂或粗砂，呈灰黃色，原巖結(jié)構(gòu)及礦物成分已破壞，土層天然孔隙比大，結(jié)構(gòu)較松散。該露天鎢礦整個區(qū)域年平均降雨量1 289.0 mm，其中干濕季節(jié)分明，頭年11月至翌年4月為干季，5～10月為雨季，雨季降雨量可占全年降雨量的80%以上。

2 建立GEO-Studio模型

2.1 模型建立

根據(jù)該露天鎢礦邊坡特點，以邊坡高程837～982 m區(qū)域作為有限元數(shù)值模擬的計算剖面，結(jié)合實際情況及邊坡剖面形狀對邊坡計算模型做適當(dāng)?shù)暮喕蠼㈡u礦數(shù)值模型。模型范圍內(nèi)主要巖層結(jié)構(gòu)自上而下主要分為全風(fēng)化片麻巖、中風(fēng)化片麻巖、角閃斜長輝石巖、雜性基巖等巖層。整個邊坡模型共有2766節(jié)點，2824單元，具體邊坡模型如圖1所示。

圖1 露天鎢礦邊坡GEO-Studio模型Fig.1 Geo-studiomodelofanopen-pittungstenmineslope

2.2 參數(shù)選取

在研究邊坡降雨滲流對邊坡穩(wěn)定性影響時，主要考慮降雨的瞬態(tài)問題，因此需要定義滲透系數(shù)和體積含水量兩個函數(shù)，相關(guān)參數(shù)如表1所示。

表1 材料模型參數(shù)Tab.1 Material model parameters

2.3 邊界條件

圖2 邊坡降雨滲流模擬邊界條件Fig.2 Simulated boundary conditions of rainfall infiltration

該露天鎢礦邊坡模型降雨滲流模擬邊界條件如圖2所示。由于露天礦采礦活動破壞了巖體的自然平衡狀態(tài)，不平衡狀態(tài)將引起巖體變形以及巖石中應(yīng)力場的調(diào)整和重新分布。因此，在模擬前先做應(yīng)力重分布模擬。在分析時只考慮模型的重力作用，在設(shè)置邊界條件時通常只需要約束研究對象的底邊和左右兩側(cè)邊。之后再設(shè)定降雨滲流邊界條件：單位流量和單件與節(jié)點流量邊界條件。單位流量邊界條件必須沿元邊界設(shè)置，而節(jié)點流量邊界條件可以直接設(shè)置在邊界節(jié)點上。

3 降雨對邊坡穩(wěn)定性影響模擬及分析

3.1 降雨滲流模擬

為了更好地探索降雨量對邊坡穩(wěn)定性影響的規(guī)律，結(jié)合該鎢礦年平均降雨量（1 289.0 mm），分別模擬單位降雨量0.005m/h、0.01m/h、0.02m/h、0.03m/h的情況。

本模擬研究以單位降雨量0.03 m/h為例進(jìn)行降雨滲流模擬，探究降雨滲流規(guī)律及邊坡破壞過程。選擇單位降雨量為0.03 m/h主要考慮到年平均降雨量為1289.0mm，模擬24h總降雨量為1440.0mm，與年平均降雨總量相近。雖然短期降雨量偏大，但在此選擇極限值是為了考慮各種可能發(fā)生的情況以及為了使得到的規(guī)律更加明顯。因此，為了能更好地結(jié)合實際研究邊坡降雨滲流過程與邊坡失穩(wěn)破壞過程，選擇降雨量為0.03 m/h。模擬得到的孔隙水壓力分布如圖3，邊坡內(nèi)水流矢量如圖4所示。

圖3 持續(xù)1 h孔隙水壓力分布Fig.3 Pressure distribution pore water for the duration of 1 h

圖4 持續(xù)1 h邊坡內(nèi)水流矢量圖Fig.4 Vector flow with slope for the duration of 1 h

在此基礎(chǔ)上建立新的SLOPE/W模塊進(jìn)行計算模擬，滑移面和滑移線模擬結(jié)果如圖5所示，模擬得到在此工況條件下邊坡的安全系數(shù)為1.366。

圖5 持續(xù)1 h邊坡滑移面及滑移線Fig.5 Slope slip plane and slip line for the duration of 1 h

3.2 降雨模擬過程分析

同理，按照上述步驟繼續(xù)增加模擬持續(xù)時間（共24 h），輸入相同的材料及邊界條件，分別模擬單位降雨強度0.03 m/h下不同降雨時間滲流情況。

3.2.1 孔隙水壓力分布

圖6是降雨強度0.03m/h條件下邊坡在持續(xù)6h、12 h、18 h、24 h降雨后的孔隙水壓力分布特征圖。

降雨入滲滲流場的變化主要從孔隙水壓力和水流矢量變化分析[6-7]。根據(jù)上述孔隙水壓力分布情況，對邊坡的降雨入滲情況可得出以下基本認(rèn)識。

圖6 持續(xù)不同降雨時間的孔隙水壓力分布Fig.6 Pressure distribution pore water for different durations

（1）在整個降雨滲流的過程中，雨水首先滲流到邊坡表層達(dá)到飽和，其中飽和區(qū)域零散分布，主要集中在完全風(fēng)化巖層區(qū)域和坡體低洼處。

（2）在無地下水位的情況下，坡體飽和區(qū)域主要分布在距離邊坡表面深度約3 m以內(nèi)，并且在邊坡風(fēng)化巖層區(qū)域位置以及邊坡下部低洼平臺處飽和深度較大。

（3）降雨過程中邊坡深度越深，滲流場變化受降雨的影響越小。

（4）隨著降雨時間的持續(xù)，邊坡飽和區(qū)域不斷增加，增加面積主要沿坡面橫向擴展，縱向擴展范圍較小，并最終在邊坡表面一定范圍內(nèi)形成貫通的飽和區(qū)。

（5）在邊坡下部最底平臺處飽和區(qū)域最大，且易積水。并在此區(qū)域形成向坡內(nèi)逐漸降低的飽和含水層。

綜上所述，根據(jù)孔隙水壓力分布圖的變化規(guī)律發(fā)現(xiàn)，在降雨滲流條件下云南某露天鎢礦邊坡的飽和區(qū)域的形成、發(fā)展過程主要分為以下5個階段：

邊坡表層局部飽和階段：降雨入滲情況下，邊坡風(fēng)化巖層區(qū)域及坡底易積平臺附近首先出現(xiàn)飽和區(qū)，但飽和區(qū)域深度較淺。

邊坡表層飽和區(qū)貫通階段：隨著持續(xù)的降雨過程，邊坡表層零星飽和區(qū)域不斷增加且范圍逐漸變大，在邊坡表層區(qū)域內(nèi)飽和區(qū)域逐漸貫通，形成范圍較大的飽和區(qū)域。

邊坡坡腳飽和區(qū)擴展階段：在降雨持續(xù)進(jìn)行下，隨著邊坡表層飽和區(qū)域的逐漸貫通，在邊坡飽和區(qū)域內(nèi)逐漸形成沿坡面向下的飽和滲流區(qū)，水體逐漸向下滲流到邊坡下部，進(jìn)一步使邊坡底部飽和區(qū)域面積擴大，甚至有積水出現(xiàn)。

邊坡坡腳飽和區(qū)推移階段：邊坡下部排水受阻或者無排水系統(tǒng)時，持續(xù)的降雨使邊坡下部積水面積持續(xù)快速增大，積水開始逐漸向坡內(nèi)滲流，并導(dǎo)致飽和區(qū)向坡內(nèi)的推移擴展。

邊坡底層飽和區(qū)抬升階段：當(dāng)持續(xù)的降雨使積水進(jìn)一步增加，積水滲流持續(xù)發(fā)生，使邊坡內(nèi)部底層飽和區(qū)域?qū)⑾蛏咸?，并根?jù)地表徑流及坡體內(nèi)水的排泄情況，使地下水位最終維持在一穩(wěn)定值。

3.2.2 邊坡穩(wěn)定性安全系數(shù)結(jié)果分析

在單位降雨強度0.03 m/h時對邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行分析，不同的降雨時間下邊坡滑移面、滑移線模擬結(jié)果如圖7所示。

從不同降雨持續(xù)時間下邊坡滑移面及滑移線分布，可以得出，隨著降雨持續(xù)時間的增加，邊坡的安全系數(shù)逐漸降低，發(fā)生失穩(wěn)的可能性增加。

單位降雨強度為0.03 m/h時在不同時間、不同邊坡穩(wěn)定性分析方法下對應(yīng)的邊坡安全系數(shù)及其關(guān)系如表2，圖8所示。

圖7 持續(xù)不同降雨時間的邊坡滑移面及滑移線Fig.7 Slope slip plane and slip line for different durations

表2 持續(xù)不同時間對應(yīng)邊坡的安全系數(shù)Tab.2 Corresponding slope safety factors for different durations

圖8 降雨時間與邊坡安全系數(shù)的關(guān)系Fig.8 Relationship between the rainfall time and slope safety factor

由圖8可以得出，在降雨強度0.03 m/h條件下，隨著持續(xù)降雨時間的增加，采用不同邊坡穩(wěn)定性安全系數(shù)計算方法得到的穩(wěn)定安全系數(shù)都逐漸降低，說明降雨滲流量持續(xù)時間影響了邊坡的穩(wěn)定性。

同理，按照上述參數(shù)設(shè)置可得到單位降雨強度分別為0.005 m/h、0.01 m/h、0.02 m/h時，在不同降雨持續(xù)時間、不同的計算方法對應(yīng)邊坡的安全系數(shù)。不同單位降雨量持續(xù)降雨24 h四種計算邊坡方法的安全系數(shù)對比如圖9所示。

圖9 不同降雨強度下各計算方法的安全系數(shù)Fig.9 Safety factor of different calculation methods under different rainfalls

根據(jù)上述不同降雨強度、不同降雨持續(xù)時間模擬結(jié)果分析，可以得到以下結(jié)論：

（1）在相同的條件下各種邊坡穩(wěn)定性分析方法得到的結(jié)果基本一致，但隨著降雨持續(xù)時間的增加，Ordinary方法得到的計算結(jié)果相比其他方法得到的安全系數(shù)結(jié)果略有偏低。

（2）在相同的單位降雨強度下，隨著降雨時間的持續(xù)，邊坡的穩(wěn)定性安全系數(shù)基本上呈逐漸減小的趨勢，降雨滲流量持續(xù)時間影響了邊坡的穩(wěn)定性。

（3）在不同的單位降雨強度下，持續(xù)相同的降雨時間，單位降雨量越大，邊坡的穩(wěn)定性安全系數(shù)越小，邊坡越不穩(wěn)定。

（4）單位降雨強度越大，其邊坡安全系數(shù)變化越明顯，邊坡發(fā)生危險的可能性越高，單位降雨強度是影響邊坡穩(wěn)定性的重要參數(shù)。

4 結(jié)論

（1）基于有限元軟件GEO-Studio建立的數(shù)值計算模型能模擬邊坡發(fā)生失穩(wěn)時的動態(tài)變化過程，不僅可以得到邊坡的安全系數(shù)，還可以確定滑體的潛在滑動面，這與實際情況相符。

（2）建立云南某露天礦風(fēng)化砂質(zhì)邊坡GEOStudio模型對降雨情況模擬得出：在相同的單位降雨強度下，降雨滲流量持續(xù)時間影響了邊坡的穩(wěn)定性；在不同的單位降雨強度下，單位降雨量也會影響邊坡的穩(wěn)定性，隨著降雨強度的增強，坡體上部加大了局部滑塌的危險，同時也對下部土體產(chǎn)生推動作用，導(dǎo)致邊坡容易發(fā)生整體滑動。為了防止邊坡在降雨等條件下發(fā)生滑坡，必須采取有效的排水措施，以提高邊坡的穩(wěn)定性。

（3）在相同的降雨強度、持續(xù)時間條件下，利用各種邊坡穩(wěn)定性分析方法計算安全系數(shù)，得出各個方法得到的安全系數(shù)基本一致，但隨著降雨持續(xù)時間的增加，Ordinary方法得到的計算結(jié)果相比其他方法得到的安全系數(shù)結(jié)果略有偏低。

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Effect of Rainfall on the Stability of an Open-pit Mine's Weathered Sandy Slope

LI Xuemei,CHEN Yuming,YUAN Liwei,MAO Xiaojie
(Faculty of Land Resource Engineering,Kunming University of Science&Technology,Yunnan 650093,Kunming,China)

Slope stability is of great significance to the mine safety production.Upon choosing reasonable parameters and boundary conditions,a slope stability numerical model is established to simulate the slope rainfall infiltrations, the distribution of slip plane and slip line of an open-pit tungsten mine under different the conditions of different rainfalls and durations by applying slope stability analysis software Geo-studio.The safety factor of slope under different working conditions and influencing rule of rainfall infiltration on slope stability are obtained,which provides theoretical basis for the slope stability analysis.The safety factor results worked out from different slope stability analysis methods are compared,which showed the identical tendency.

rainfall;strongly weathered sandy slope;slope stability;GEO-Studio

10.3969/j.issn.1009－0622.2016.02.003

TD854；TD164

A

2015-11-30

國家安監(jiān)總局安全生產(chǎn)重大事故防治關(guān)鍵技術(shù)重點科技計劃項目（10-101）

李雪梅（1991-），女，白族，云南麗江人，碩士研究生，主要研究方向為安全技術(shù)及工程。

陳玉明（1963-），男，四川眉山人，教授，主要從事礦山安全技術(shù)工程、礦山開采理論與技術(shù)研究。