降雨條件下老嶺排土場(chǎng)邊坡滲流及穩(wěn)定性分析

韓連生，夏 強(qiáng)，趙會(huì)德

（1.鞍鋼集團(tuán)礦業(yè)公司 弓長(zhǎng)嶺有限公司露采分公司，遼寧 遼陽(yáng) 111008；2.遼寧科技大學(xué) 土木工程學(xué)院，遼寧 鞍山 114051）

鎢礦及各類金屬礦產(chǎn)資源的開發(fā)利用為國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展提供血液的背后，也給人類生存環(huán)境帶來了重大影響和各類災(zāi)害，如滑坡、泥石流、地表沉陷、地表植被破壞、粉塵、酸性水重污染等一系列地質(zhì)、環(huán)境災(zāi)害，其中鎢礦及各類金屬礦山排土場(chǎng)邊坡的穩(wěn)定性問題日益突出。鎢礦及各類金屬礦山的排土場(chǎng)又稱廢石場(chǎng)，是礦山采礦排棄物集中排放的場(chǎng)所，排土場(chǎng)受自身特征和外部條件的綜合影響，不但會(huì)發(fā)生滑坡，而且會(huì)產(chǎn)生泥石流和其他嚴(yán)重的排土場(chǎng)安全與環(huán)境問題。排土場(chǎng)失穩(wěn)滑坡作為一種常見的工程災(zāi)害類型，對(duì)鎢礦及各類金屬礦產(chǎn)資源的高效開采與安全運(yùn)營(yíng)會(huì)造成巨大威脅。在研究金屬礦排土場(chǎng)失穩(wěn)破壞原因時(shí)發(fā)現(xiàn)，降雨和事故總是相伴而生，由此可知，金屬礦排土場(chǎng)失穩(wěn)破壞和降雨一定有著非常緊密的聯(lián)系。相關(guān)工程技術(shù)人員以及學(xué)者通過實(shí)地勘測(cè)和大量試驗(yàn)，從不同角度論證了降雨對(duì)滑坡的重要影響[1-4]。因此，深入分析降雨對(duì)金屬礦排土場(chǎng)邊坡安全性的影響及規(guī)律，對(duì)于鎢礦及各類金屬礦產(chǎn)資源的安全開發(fā)有著重要意義。

1 概況

某露天金屬礦位于遼陽(yáng)市弓長(zhǎng)嶺區(qū)，目前已進(jìn)入深凹開采狀態(tài)。老嶺金屬礦排土場(chǎng)坐落在老嶺采區(qū)西北部，大砬子采區(qū)南端，北臨老嶺采場(chǎng)，西側(cè)為中茨礦地界[5]。經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)勘察，該金屬礦排土場(chǎng)應(yīng)為低山山間谷地地貌。弓長(zhǎng)嶺地區(qū)屬于寒溫氣候帶，降雨量適中，年均降雨量通常在700～900 mm之間，以7月份（平均為156.9 mm）最多，1月份最少，僅為7.1 mm，多年日均降雨量為90 mm。由于雨量集中，降雨對(duì)金屬礦排土場(chǎng)邊坡沖刷產(chǎn)生重要影響，且地下水位隨季節(jié)變化明顯，夏季較高，冬季很低，弓長(zhǎng)嶺地區(qū)降雨資料見表1[6]。

表1 弓長(zhǎng)嶺地區(qū)降雨資料統(tǒng)計(jì) mmTab.1 Statistics on rainfall data in Gongchangling areas

2 數(shù)值模型的建立

2.1 模型選取及網(wǎng)格劃分

通過實(shí)地勘察和金屬礦排土場(chǎng)資料分析，發(fā)現(xiàn)老嶺金屬礦排土場(chǎng)西南側(cè)排土堆高最大，在正常工況下，金屬礦西南側(cè)排土場(chǎng)坡體下部已有地下水滲出，雨季滲出量更大，且該處地表以上堆積物主要為礦物廢石，極易受雨水沖刷形成滑坡。故研究選取金屬礦西南側(cè)排土場(chǎng)為工程案例，分析降雨條件下其邊坡滲流場(chǎng)變化。

西南側(cè)剖面模型長(zhǎng)380 m，高190 m。模型網(wǎng)格單元?jiǎng)澐掷碚撋鲜窃叫≡胶肹7-9]，但這樣會(huì)帶來巨大的工作量，降低研究效率。研究根據(jù)邊界條件和精度要求來劃分網(wǎng)格單元，飽和區(qū)劃分相對(duì)疏點(diǎn)，而非飽和區(qū)劃分較密，共劃分為10 829個(gè)節(jié)點(diǎn)，4 097個(gè)單元。參照前人研究方式，將堆積體按照巖土體特性劃分為松散部分、壓實(shí)部分和基巖部分，其分析計(jì)算模型如圖1。

圖1 分析計(jì)算網(wǎng)格模型Fig.1 Analytical computational grid model

2.2 邊界條件

（1）模型兩側(cè)：地下水位以下邊界按給定水頭邊界處理，地下水位以上邊界按零流量邊界處理。

（2）邊坡表面：在初始靜態(tài)水位計(jì)算中，邊坡表面為自由邊界；降雨期間，邊坡表面則為入滲邊界，且當(dāng)降雨強(qiáng)度小于排土體滲透系數(shù)時(shí)，按流量為降雨強(qiáng)度的流量邊界處理；反之，則會(huì)產(chǎn)生邊坡地表徑流，這時(shí)則按定水頭邊界處理，通常取地表高程為定水頭值。由于老嶺金屬礦排土場(chǎng)降雨量不大，且排土體飽和滲透系數(shù)較大，所以降雨期間采用流量邊界即可。

（3）模型底面：模型底部為基巖，其滲透系數(shù)極小，故按零流量邊界處理即可。

2.3 參數(shù)選取

土水特征曲線和非飽和土滲透系數(shù)是巖土體非飽和滲流模擬的兩個(gè)關(guān)鍵參數(shù)，它們直接影響滲流模擬結(jié)果。排土體物料力學(xué)參數(shù)結(jié)合相關(guān)工程實(shí)際確定，如表2所示。由于土水特征曲線獲取困難，有限元模擬采用GeoStudio軟件，其自帶的Fredlund Xing模型適用于全吸力范圍內(nèi)的任何土體[10]，故采用該模型來預(yù)測(cè)巖土體土水特征曲線，并得到滲透系數(shù)函數(shù)曲線。土水特征曲線如圖2所示，滲透系數(shù)函數(shù)曲線如圖3所示，基巖以飽和狀態(tài)進(jìn)行模擬分析。

表2 排土體物料力學(xué)參數(shù)Tab.2 Mechanical parameters for the dumping field

圖2 土水特征曲線Fig.2 Characteristic curve for soil and water

圖3 滲透系數(shù)函數(shù)曲線Fig.3 The function curve of permeability coefficient

2.4 計(jì)算降雨過程

由表1可知，該地區(qū)多年日均降雨量為90 mm，而連續(xù)3天持續(xù)降雨時(shí)，日均降雨量不超過120mm。為了充分考慮最大降雨強(qiáng)度對(duì)邊坡滲流及邊坡穩(wěn)定性的影響，故將此指標(biāo)適當(dāng)增大。設(shè)置單日最大降雨量為120mm，并設(shè)計(jì)40mm/d、80mm/d和120mm/d三種降雨強(qiáng)度，考察邊坡孔隙水壓力，分析不同降雨強(qiáng)度與降雨時(shí)長(zhǎng)對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響規(guī)律。

3 結(jié)果分析

3.1 滲流結(jié)果分析

運(yùn)用SEEP/W有限元程序計(jì)算排土場(chǎng)在正常工況下的滲流場(chǎng)，確定了模型的初始孔隙水壓力分布，模擬降雨強(qiáng)度80 mm/d，降雨持續(xù)時(shí)間為3 d，停雨6 d，總計(jì)算時(shí)長(zhǎng)9 d的過程，孔隙水壓力隨降雨持續(xù)時(shí)間的動(dòng)態(tài)變化過程，如圖4～圖7所示。由圖4～圖7可知：

（1）在初始條件下，邊坡在地下水位以上各部分的孔隙水壓力均為負(fù)值，其大小呈由下向上逐漸變大的規(guī)律；在地下水位以下部分孔隙水壓力均大于零，且呈明顯由下至上逐漸減小的規(guī)律。

圖4 初始條件下孔隙水壓力分布Fig.4 Distribution of pore water pressure under initial conditions

圖5 降雨1 d時(shí)孔隙水壓力等值線Fig.5 Isoline map of pore water pressure at 1 day of rainfall

圖6 降雨3 d時(shí)孔隙水壓力等值線Fig.6 Isoline map of pore water pressure at 3 days of rainfall

圖7 停雨6 d時(shí)孔隙水壓力等值線Fig.7 Contour map of pore water pressure at 6 days after stopping rain

（2）在降雨入滲過程中，邊坡表面土體最先受到雨水影響，土體孔隙水壓力迅速增大。在第3天降雨停止時(shí)，邊坡頂部的孔隙水壓力值接近-300 kPa，坡腳處孔隙水壓力值接近-100 kPa，且基巖處坡腳的地下水位已上升到坡面。降雨停止之后，坡面孔隙水壓力開始逐漸減小，隨時(shí)間持續(xù)，雨水逐漸入滲和排出，邊坡孔隙水壓力將慢慢下降到開始時(shí)的孔隙水壓力值，但這個(gè)過程一般需要很長(zhǎng)時(shí)間。

3.2 邊坡穩(wěn)定性分析

在穩(wěn)定性分析中，將SEEP/W模塊計(jì)算得到的邊坡瞬態(tài)滲流場(chǎng)直接導(dǎo)入SLOPE/W模塊，分析排土場(chǎng)的邊坡穩(wěn)定性受降雨影響的變化規(guī)律。

為了分析邊坡穩(wěn)定性受不同降雨強(qiáng)度的影響[11]，選取一個(gè)較大降雨強(qiáng)度（q=120 mm/d）和一個(gè)較小降雨強(qiáng)度（q=40 mm/d）作為降雨方案，降雨過程均為降雨3 d，停雨6 d，對(duì)比分析邊坡安全系數(shù)的變化規(guī)律，SLOPE/W 模塊自帶 Bishop、M-P、Janbu、Ordinary四種經(jīng)典的安全系數(shù)計(jì)算功能，分別使用四種計(jì)算方法求該邊坡在不同時(shí)刻的安全系數(shù)，結(jié)果如圖8、圖9所示。

對(duì)比圖8和圖9可分析得出，兩種降雨強(qiáng)度情況中，不同方法求得的邊坡安全系數(shù)的變化規(guī)律基本一致，邊坡安全系都隨降雨時(shí)間的推移而逐漸減小，停雨后不久安全系數(shù)便會(huì)緩慢上升。同時(shí)，對(duì)比任意相同時(shí)刻邊坡安全系數(shù)可以得出，降雨強(qiáng)度越大，邊坡安全系數(shù)降低越快，降幅也越大。以降雨3天末Bishop算法得出的安全系數(shù)為例，降雨強(qiáng)度為120 mm/d之時(shí)，邊坡安全系數(shù)為1.219。降雨強(qiáng)度為40 mm/d之時(shí)，邊坡安全系數(shù)為1.285，較初始邊坡安全系數(shù)分別降低了0.11和0.044。在降雨結(jié)束后，兩種降雨強(qiáng)度條件下安全系數(shù)并不是立即回升，而是會(huì)繼續(xù)小幅度的下降，且降雨強(qiáng)度越大，邊坡安全系數(shù)在雨停后繼續(xù)下降的時(shí)間越長(zhǎng)。這是由于停雨后，邊坡內(nèi)部雨水會(huì)繼續(xù)入滲，巖土體基質(zhì)吸力會(huì)繼續(xù)減弱，進(jìn)而減弱巖土體的抗剪強(qiáng)度，導(dǎo)致邊坡安全系數(shù)持續(xù)減??；正常情況下，降雨強(qiáng)度越大，邊坡內(nèi)部雨水滲入量就越大，其消散所需時(shí)間也就越長(zhǎng)，即邊坡安全系數(shù)在降雨終止之后繼續(xù)下降的時(shí)間也就越長(zhǎng)。此外，降雨的強(qiáng)度對(duì)邊坡安全系數(shù)的影響不只是通過減弱巖土體的基質(zhì)吸力，降雨入滲導(dǎo)致增加土體自重以及降雨對(duì)排土體的軟化作用都是降低邊坡安全系數(shù)的重要因素。

圖8 安全系數(shù)隨時(shí)間變化（降雨強(qiáng)度40 mm/d，歷時(shí)3 d）Fig.8 Safety factor variation with time（rainfall intensity 40mm/d，rainfall3days）

圖9 安全系數(shù)隨時(shí)間變化（降雨強(qiáng)度120 mm/d，歷時(shí)3 d）Fig.9 Safety factor variation with time(rainfall intensity120mm/d，rainfall3days)

降雨時(shí)長(zhǎng)同樣影響邊坡穩(wěn)定性[12]，為了分析不同時(shí)長(zhǎng)對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響，選取恒定降雨強(qiáng)度80 mm/d，設(shè)置降雨時(shí)長(zhǎng)分別為3 d和6 d，各停雨6 d的兩種模擬降雨方案，比較分析降雨時(shí)長(zhǎng)對(duì)邊坡安全系數(shù)的影響規(guī)律，邊坡安全系數(shù)隨時(shí)間變化如圖10、圖 11所示。

圖10 安全系數(shù)隨時(shí)間變化圖（降雨強(qiáng)度80mm/d，歷時(shí)3 d）Fig.10 Safety factor variation with time（rainfall intensity80mm/d，rainfall3days）

圖11 安全系數(shù)隨時(shí)間變化圖（降雨強(qiáng)度80mm/d，歷時(shí)6 d）Fig.11 Safety factor variation with time（rainfall intensity80mm/d，rainfall6days）

如圖10和圖11所示，邊坡安全系數(shù)隨降雨時(shí)間的推移在不斷下降，降雨時(shí)長(zhǎng)與邊坡安全系數(shù)的減小成正相關(guān)[13]，這可以理解為：降雨時(shí)間越長(zhǎng)，雨水入滲量就越大，受影響的邊坡范圍就越廣，降雨3 d末的Bishop算法得出安全系數(shù)為1.25，而降雨6 d末的安全系數(shù)僅為1.214。由圖11可以看出，降雨前3 d，Bishop算法得出安全系數(shù)由1.33降低到1.25，降低幅度為0.08，而降雨后3d（第4d～第6d），Bishop算法得出安全系數(shù)由1.25降低到1.214，降低幅度僅為0.036。說明降雨前3 d邊坡安全系數(shù)下降速率快于降雨后3 d，出現(xiàn)這種現(xiàn)象是因?yàn)榻涤昵捌谟晁聺B使邊坡土體孔隙水壓力迅速提高，基質(zhì)吸力大幅降低，從而引起邊坡安全系數(shù)快速減小。但是隨著降雨持續(xù)，降雨強(qiáng)度與土體滲透容量接近相同，巖土體逐漸處于平衡狀態(tài)，且仍然擁有一定強(qiáng)度的基質(zhì)吸力，所以安全系數(shù)基本保持不變。降雨停止1 d后，隨著雨水消逝，邊坡巖土體孔隙水壓力不斷降低，基質(zhì)吸力增加，邊坡安全系數(shù)開始緩慢上升，但是上升速率和幅度都較小。

4 結(jié)論

通過對(duì)老嶺排土場(chǎng)西南側(cè)廢石堆在不同降雨條件下滲流場(chǎng)的分析以及對(duì)比分析不同降雨時(shí)長(zhǎng)和降雨強(qiáng)度下的邊坡安全系數(shù)的變化規(guī)律，可以得出如下結(jié)論：

（1）在整個(gè)降雨過程中，邊坡孔隙水壓力均為負(fù)值，說明金屬礦排土場(chǎng)邊坡在降雨過程中沒有出現(xiàn)暫態(tài)飽和區(qū)，一方面是由于該排土場(chǎng)巖土體飽和滲透系數(shù)較大，邊坡難以賦存雨水，另一方面由于該地區(qū)降雨強(qiáng)度較小，很難短時(shí)間積聚大量雨水。

（2）金屬礦排土場(chǎng)邊坡穩(wěn)定性受降雨影響很大。降雨的強(qiáng)度越強(qiáng)，金屬礦排土場(chǎng)邊坡的安全系數(shù)下降越快，下降幅度越大；隨著降雨時(shí)間的加長(zhǎng)，金屬礦排土場(chǎng)邊坡安全系數(shù)減小幅度不斷變大，且降雨前期的安全系數(shù)下降速率明顯快于后期。