雨水反復(fù)浸蝕對(duì)露天礦邊坡穩(wěn)定性影響分析

羅曉章

摘要：露天采礦作為基本采礦方式之一，占中國(guó)各種非能源固體礦床的很大比例，其中鐵礦石占80%。露天開(kāi)采成本低，生產(chǎn)效率高，資源回收率高。在露天開(kāi)采過(guò)程中，邊坡的穩(wěn)定性不僅影響礦山的生產(chǎn)效率，還影響礦山的安全生產(chǎn)和可持續(xù)發(fā)展。研究表明，在長(zhǎng)期雨水侵蝕和黃土坡面滲透的條件下，坡面侵蝕引起并促進(jìn)了土壤層滑坡面黃土坡面的漸進(jìn)破壞。

關(guān)鍵詞：雨水；反復(fù)浸蝕；露天礦；邊坡穩(wěn)定性

1、礦區(qū)水文地質(zhì)情況簡(jiǎn)析

礦區(qū)地處青藏高原高山峽谷區(qū)，屬大陸性的溫帶半干旱高寒山地氣候，具有四季不分、氣象多變、日照時(shí)間長(zhǎng)、紫外線輻射強(qiáng)、氣壓和氧氣濃度低、氣候垂直變化明顯等高原山地氣候特點(diǎn)。據(jù)昌都縣氣象站（海拔3300m）氣象資料顯示，多年平均年降水量513.6mm，最大年降水量704.3mm（1998年），最小年降水量287.7mm（1994年），每年降水多集中在6月至9月，占全年降水量的75%以上。多年平均年蒸發(fā)量1519.0mm。年溫差小而日溫差大，年平均氣溫7.5℃。年最高氣溫25℃，最低氣溫-19.3℃，月平均氣溫6月至8月最高，11月至次年4月較低，氣溫日變幅最大達(dá)18.5℃。10月至次年4月為凍土期，多降雪，最大凍土深度32cm。11月至次年4月有3級(jí)～4級(jí)西風(fēng)，其余月份多為靜風(fēng)或2級(jí)左右東風(fēng)。

2、邊坡穩(wěn)定性的影響因素分析

露天采礦影響因素很多，但是邊坡穩(wěn)定性影響因素大體上有兩種，一種是內(nèi)部因素，另外一種是外部因素。內(nèi)部因素在于邊坡土地和巖土的性質(zhì)和內(nèi)部構(gòu)造。而外部因素主要來(lái)自于自然環(huán)境的因素和人為的因素，其中雨水沖刷屬于自然因素影響最重要的因素。邊皮穩(wěn)定性的問(wèn)題不只是一種因素影響的結(jié)果而是多種因素共同作用下的綜合反映，每個(gè)因素都相互關(guān)聯(lián)。

2.1內(nèi)部因素

2.1.1巖土體的類型和性質(zhì)

邊坡巖土的力學(xué)特性對(duì)邊坡的穩(wěn)定性影響很大，決定了邊坡的穩(wěn)定性和變形破壞的類型。由于坡面巖石和土壤的基本特性，當(dāng)有淤泥質(zhì)土、易風(fēng)化的夾層或巖性砂巖、頁(yè)巖、泥巖等時(shí)，數(shù)十米的平緩坡面沒(méi)有幾百米的高陡坡穩(wěn)定性容易出現(xiàn)坡度不穩(wěn)定。

2.1.2邊坡地質(zhì)構(gòu)造

由于斜坡內(nèi)部存在斷層、節(jié)理、層面不同的結(jié)構(gòu)面，結(jié)構(gòu)面的輸出狀態(tài)和巖體中不連續(xù)面的傾角變化會(huì)影響邊坡的穩(wěn)定性，斜坡結(jié)構(gòu)的平面穿過(guò)巖石和土壤出現(xiàn)不均勻性和不連續(xù)性影響斜坡的應(yīng)力場(chǎng)，引起應(yīng)力集中和不連續(xù)表面周圍的延遲，導(dǎo)致不同的變形和破壞模式。結(jié)構(gòu)平面和斜面的組合將導(dǎo)致不同的邊坡?tīng)顟B(tài)。

2.2降雨條件下裂縫對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響

豐富的的地下水和它所存在周圍的環(huán)境和互動(dòng)程度有關(guān)系。降雨能直接增加原圖和含水量，雨水的降落使得地表水土通過(guò)裂縫滲入到邊皮內(nèi)部。雨水帶有的腐蝕性降低了土的質(zhì)量還能增加邊坡下滑的動(dòng)力。地表水的大量滲透導(dǎo)致地基滲水能力降低。降雨主要通過(guò)地表水滲透改變地下水，導(dǎo)致地下水應(yīng)力場(chǎng)和坡面滲流場(chǎng)發(fā)生變化。在斜坡蠕變的初始階段，滑動(dòng)表面很小并且主要發(fā)生在斜坡內(nèi)。隨著滑動(dòng)面的不斷膨脹和發(fā)展，弱滑動(dòng)面將穿透連續(xù)滑動(dòng)床，整個(gè)斜坡將發(fā)生很大變形。變形主要發(fā)生在斜坡的后部。這部分會(huì)產(chǎn)生大量的拉伸裂縫。裂縫的產(chǎn)生增加了土壤的滲透性并對(duì)斜坡的穩(wěn)定性產(chǎn)生不利影響。

3、邊坡穩(wěn)定性影響的計(jì)算分析

3.1有限元法邊坡穩(wěn)定性評(píng)判依據(jù)

在分析邊坡穩(wěn)定性時(shí)，使用不同的屈服準(zhǔn)則，這將導(dǎo)致很大的差異。具有外接圓的Duncker-Prager模型比通過(guò)極限平衡法獲得的安全系數(shù)大約25%。通過(guò)強(qiáng)度折減有限元法分析邊坡穩(wěn)定性的關(guān)鍵是確定邊坡是否處于臨界失效狀態(tài)。目前，有三種認(rèn)可的斜坡不穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)：斜坡是否產(chǎn)生塑性滲透區(qū)；數(shù)值計(jì)算是否可以進(jìn)行，即計(jì)算的收斂；特征部分的位移是突然的。

3.2土體強(qiáng)度參數(shù)的選取

土工試驗(yàn)是在從現(xiàn)場(chǎng)采集的土壤上進(jìn)行的，主要采用凝固和快速剪切的方法。為了模擬土層開(kāi)挖暴露后幾次降雨飽和度和干飽和度的剪切強(qiáng)度變化，即雨水反復(fù)侵蝕對(duì)強(qiáng)度參數(shù)的影響，在自然條件下對(duì)土樣進(jìn)行了試驗(yàn)。在飽和干燥下再次飽和5次和10次后的土壤樣品測(cè)試給出了在三種不同工作條件下的淤泥的內(nèi)摩擦角和內(nèi)聚力。在淤泥飽和并干燥10次后，材料的強(qiáng)度降低太多，這表明高強(qiáng)度雨水的反復(fù)侵蝕已經(jīng)對(duì)淤泥土造成損害。在這項(xiàng)研究中，淤泥主要選自天然、干燥和飽和狀態(tài)。通過(guò)第二次直剪試驗(yàn)得到的強(qiáng)度參數(shù)作為邊坡數(shù)值模擬的強(qiáng)度參數(shù)，并根據(jù)選定的邊坡失穩(wěn)準(zhǔn)則計(jì)算出所需的土體強(qiáng)度參數(shù)。

3.3數(shù)值計(jì)算結(jié)果分析

從圖1可以看出，當(dāng)斜坡的入滲深度為0.4m時(shí)，斜坡的主要破壞模式發(fā)生變化，但在斜坡完全破壞之前，斜坡底部發(fā)生塑性變形，塑料區(qū)的面積很大。當(dāng)坡面的入滲深度為0.8m時(shí)，在坡腳處仍然產(chǎn)生塑性區(qū)，但塑性區(qū)較小。當(dāng)邊坡入滲深度達(dá)到1m時(shí)，坡腳處不形成塑性帶，在2階坡的入滲帶產(chǎn)生滲透帶范圍相同的塑性帶，表明坡度已經(jīng)損壞了。在計(jì)算結(jié)束時(shí)，雖然斜坡內(nèi)部大部分滿足強(qiáng)度要求，但斜坡的小滑動(dòng)面已經(jīng)產(chǎn)生，斜坡的安全系數(shù)大大降低。劃分坡面滲透區(qū)后，坡度強(qiáng)度降低，塑性區(qū)首先形成在下臺(tái)階坡的入滲區(qū)，然后沿坡向滲透區(qū)向上延伸。

3.4結(jié)果分析

隨著降雨的持續(xù)性，排土場(chǎng)內(nèi)的孔隙水壓力小，滲水能力增加，臺(tái)階坡度和下層平板恢復(fù)到不飽和狀態(tài)。邊坡下部隨著雨水量的增加沿著邊皮壓實(shí)區(qū)域很快滲入到邊坡內(nèi)部，導(dǎo)致了壓實(shí)區(qū)域的孔隙率增加，孔隙壓力也增加，從而使邊坡壓實(shí)區(qū)域?qū)吰聺B流的影響逐漸增大。滲流區(qū)域受壓實(shí)區(qū)域的影響保留在了地表層以內(nèi)，并且臺(tái)階內(nèi)部的大部分孔隙水壓力保持不受干擾。

在雨水停止降落時(shí)，在壓實(shí)區(qū)的周圍排土場(chǎng)會(huì)有一部分滲透區(qū)處于飽和狀態(tài)，并且下部邊坡的壓實(shí)區(qū)被雨水完全滲透到了排水邊坡地段。在排土場(chǎng)地仍有一些區(qū)域孔隙水壓不受干擾，滲水能力增加使臺(tái)階飽和區(qū)域的水?dāng)U散到周圍未受干擾的區(qū)域，從飽和過(guò)渡到不飽和區(qū)域，并且在臺(tái)階內(nèi)的大部分區(qū)域中孔隙水壓力逐漸增加。

坡內(nèi)雨水的遷移方向一般為斜坡到坡內(nèi)的扇形；由于壓實(shí)區(qū)的影響，堆場(chǎng)內(nèi)部的孔隙水壓力受到顯著影響。傾倒坡降水滲流規(guī)律的數(shù)值模擬與類似模擬結(jié)果完全一致。兩種研究方法取得了相同的結(jié)果，研究結(jié)論的可靠性得到了一定程度的保證。

結(jié)束語(yǔ)：

露天采礦是采礦行業(yè)中技術(shù)要求非常高的采礦方式，對(duì)專業(yè)方面、安全方面、環(huán)境穩(wěn)定性的要求都非常嚴(yán)格。一旦雨水影響到了邊坡的穩(wěn)定性，就會(huì)給露天采礦埋下安全隱患，影響采礦正常進(jìn)行下去，也威脅到人們的生命安全。在不同的地質(zhì)環(huán)境中，采取不同的措施對(duì)礦區(qū)邊坡進(jìn)行支護(hù)，才能保證邊坡的穩(wěn)定性，從而促進(jìn)采礦效率的提高，提高采礦企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。

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[2]李長(zhǎng)生.基于做好礦山水文地質(zhì)設(shè)計(jì)工作的分析[J].黑龍江水利科技，2012，40（10）：185-187.

（作者單位：中鐵十九局集團(tuán)礦業(yè)投資有限公司江達(dá)縣玉龍銅礦）