長(zhǎng)歷時(shí)降雨對(duì)高陡邊坡排土場(chǎng)滲流影響分析及穩(wěn)定性研究*

韓亞兵 崔 旋 甘海闊 劉欣欣

(1.北京礦冶科技集團(tuán)有限公司；2.金屬礦山智能開(kāi)采技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室)

排土場(chǎng)是一種人工建造形成的高陡堆積邊坡，用于集中堆存礦山排棄物。作為礦山重要的控制性工程，不僅關(guān)系到企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益，而且影響到排土場(chǎng)下游居民生命財(cái)產(chǎn)安全及周邊生態(tài)環(huán)境質(zhì)量。魏麗等[1]通過(guò)對(duì)全國(guó)290個(gè)縣市地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查結(jié)果顯示,暴雨誘發(fā)的滑坡約占滑坡總數(shù)的90%?！吨袊?guó)典型滑坡》[2]中列舉的90多個(gè)滑坡實(shí)例，其中95%以上都與降雨有密切關(guān)系[3]。高陡邊坡排土場(chǎng)在受到大氣降雨作用下，穩(wěn)定狀態(tài)將迅速惡化。如海南鐵礦6號(hào)排土場(chǎng)東部于1973年8月連續(xù)2 d降雨之后產(chǎn)生了數(shù)十萬(wàn)立方米的大滑坡；朱家包包鐵礦1號(hào)排土場(chǎng)因雨水浸潤(rùn)作用造成1978年4月—1979年1月先后發(fā)生了3次發(fā)生滑坡，體積達(dá)36萬(wàn)m3。可見(jiàn)，降雨已成為誘發(fā)排土場(chǎng)滑坡的一個(gè)非常重要的因素。

目前，對(duì)于降雨條件下的邊坡穩(wěn)定性分析主要集中在巖質(zhì)和土質(zhì)邊坡中，對(duì)降雨條件下排土場(chǎng)(尤其是對(duì)于多雨地區(qū)的高陡邊坡排土場(chǎng))邊坡穩(wěn)定性的研究成果較少[4-9]。本研究通過(guò)開(kāi)展長(zhǎng)歷時(shí)降雨對(duì)排土場(chǎng)滲流演化規(guī)律分析及穩(wěn)定性研究，有助于進(jìn)一步分析降雨過(guò)程中雨水作用規(guī)律以及排土體內(nèi)部滲流運(yùn)動(dòng)特性，并定量分析其對(duì)排土場(chǎng)穩(wěn)定性的影響程度，指導(dǎo)排土場(chǎng)現(xiàn)場(chǎng)堆排施工。

1 降雨入滲基本理論

符合達(dá)西定律的非均質(zhì)各向異性可壓縮土體的三維空間非穩(wěn)定滲流的水頭函數(shù)方程可表示為[10]

(1)

式中，h=h(x,y,z,t)為待求水頭函數(shù)，t為時(shí)間坐標(biāo)；kx，ky，kz為以x，y，z軸為主軸方向的滲透系數(shù)；Ss為單位貯存水量或貯存率[11]。

若不考慮土體壓縮或單位貯存率(Ss=0)，上式變可變?yōu)長(zhǎng)aplace方程形式的特殊情形[11]：

(2)

式(1)、式(2)所對(duì)應(yīng)的定解條件為[12]：

(1)初始條件?？杀硎緸?/p>

h|t=0=h0(x,y,z,0) .

(3)

(2)邊界條件。假設(shè)邊界Γ =Γ1+Γ2+Γ3(Γ1為第一類邊界條件，如上下游水位邊界面和自由滲出面等已知水頭邊界；Γ2為不透水邊界面和潛流邊界面等第二類邊界；Γ3為自由邊界，也屬第二類邊界，但作為流量補(bǔ)給邊界，其補(bǔ)給量隨著時(shí)間和位置而變化)，則有邊界條件[11]：

在小學(xué)語(yǔ)文閱讀的實(shí)際教學(xué)中，很多教師并沒(méi)有將針對(duì)性教學(xué)放在心上，他們?cè)谡麄€(gè)教學(xué)階段都采用同一種教學(xué)方式和差不多的教學(xué)內(nèi)容。這種不具有針對(duì)性的教學(xué)無(wú)法讓學(xué)生更好地掌握教學(xué)知識(shí)，理解能力強(qiáng)的人不能學(xué)到更深入的知識(shí)，而理解能力較差的學(xué)生又無(wú)法跟上學(xué)習(xí)進(jìn)程，導(dǎo)致課堂效率大大降低了。

h|t=h(x,y,z,t) ,

(4)

(5)

(6)

式中，n為邊界面外法向；kn為法向上的滲透系數(shù)；q為潛流面的已知單位面積流量，q=0為不透水邊界；μ為給水度。

正常工況下，排土場(chǎng)的穩(wěn)態(tài)滲流分析是降雨條件下瞬態(tài)滲流分析的初始條件，可以通過(guò)給定沿著地表面的1個(gè)小入滲流量來(lái)實(shí)現(xiàn)[13]。當(dāng)降雨強(qiáng)度小于土壤表面的入滲能力時(shí)，計(jì)算入滲速率作為降雨強(qiáng)度，邊界條件為第二類邊界條件；當(dāng)降雨強(qiáng)度大于土壤表面的入滲能力時(shí)，入滲強(qiáng)度等于土壤的入滲能力，邊界條件轉(zhuǎn)換為第一類邊界條件[14-15]。

2 高陡邊坡排土場(chǎng)瞬態(tài)滲流場(chǎng)分析

2.1 排土場(chǎng)概況

某排土場(chǎng)位于我國(guó)南方多雨地區(qū)，屬于山坡型單臺(tái)階排土場(chǎng)。排土高度約257 m，由于該區(qū)域原始地形坡度陡，排土體自然坡度達(dá)38°。場(chǎng)區(qū)年降雨分配不均勻，主要集中于夏季，最大降雨量為53.2 mm/h，連續(xù)降雨天數(shù)可達(dá)10 d左右。為充分評(píng)估該排土場(chǎng)在降雨條件下的穩(wěn)定狀況，本研究開(kāi)展了降雨過(guò)程中的飽和—非飽和排土場(chǎng)滲流運(yùn)動(dòng)規(guī)律研究，為多雨條件下排土場(chǎng)穩(wěn)定性研究提供依據(jù)。

本研究計(jì)算中，典型剖面采用4節(jié)點(diǎn)二維等參數(shù)單元，網(wǎng)格共計(jì)6 019個(gè)單元，5 994個(gè)節(jié)點(diǎn)。為深入研究孔隙水壓力隨坡面和不同埋深的變化規(guī)律，在坡面以下0.5 m深處設(shè)置了1#～5#測(cè)點(diǎn)作為輔助特征點(diǎn)，設(shè)置了A-A′、B-B′ 2個(gè)斷面作為輔助監(jiān)測(cè)斷面，如圖1所示。計(jì)算選取當(dāng)?shù)剡B續(xù)10 d最大降雨量1.4×10-5m/s為降雨邊界條件，采用GEO-studio/seep軟件對(duì)連續(xù)10 d降雨與停雨10 d共20 d進(jìn)行滲流場(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2、圖3所示。

圖2 排土料滲透系數(shù)關(guān)系曲線

圖3 排土料土水特征關(guān)系曲線

2.2 滲流場(chǎng)計(jì)算結(jié)果分析

分析圖4可知：

圖4 不同工況下瞬態(tài)滲流場(chǎng)計(jì)算結(jié)果(單位：m)

(1)降雨1 d后，排土場(chǎng)在坡面表層出現(xiàn)了暫態(tài)飽和區(qū)；隨著降雨歷時(shí)的增加，暫態(tài)飽和區(qū)范圍沿坡面線不斷擴(kuò)展、延伸；至降雨5 d后，整個(gè)坡面附近區(qū)域形成了1個(gè)由暫態(tài)飽和區(qū)構(gòu)成的“飽和殼”[16]，并隨著降雨過(guò)程的延續(xù)向邊坡內(nèi)部擴(kuò)展，降雨10 d后暫態(tài)飽和區(qū)范圍位于坡面以下15 m左右。

(2)降雨停止1～2 d后，連續(xù)暫態(tài)飽和區(qū)逐漸消失，暫態(tài)飽和區(qū)僅在雨水容易匯集的坡頂及坡腳局部小范圍存在；隨著降雨停止時(shí)間的延長(zhǎng)，暫態(tài)飽和區(qū)完全消失，雨水在重力作用繼續(xù)向坡腳及坡體內(nèi)部流動(dòng)，逐漸影響坡體內(nèi)部基質(zhì)吸力的分布及變化。

降雨過(guò)程中及停雨后，1#～5#監(jiān)測(cè)點(diǎn)的孔隙水壓力變化如圖5所示。分析圖5可知：

(2)降雨停止后(1～10 d)，隨著歷時(shí)的增長(zhǎng)，暫態(tài)飽和區(qū)迅速消散，孔隙水壓力逐漸回落，坡面重新恢復(fù)至非飽和狀態(tài)。從孔隙水壓力增加及消散速度來(lái)看，位于坡腳5#點(diǎn)處的孔隙水壓力增加最快，是由于降雨過(guò)程中，雨水在邊坡表面入滲后在重力作用下逐漸向邊坡坡腳匯集所致；降雨停止后，坡腳處受到較高位置水體補(bǔ)充，5#點(diǎn)處的孔隙水壓力消散速度相對(duì)緩慢。

圖5 1#～5#監(jiān)測(cè)點(diǎn)孔隙水壓力變化特征

A-A′、B-B′監(jiān)測(cè)斷面上的孔隙水壓力分布如圖6所示。分析圖6可知：

(1)降雨過(guò)程中及降雨停止后，壩頂縱向斷面(A-A′斷面)和壩坡縱向斷面(B-B′斷面)沿高程方向的孔隙水壓力變化規(guī)律基本相同，對(duì)于同一截面均表現(xiàn)為：降雨前(0 d)排土場(chǎng)表面至潛水面以上50 m范圍內(nèi)的孔隙水壓力基本維持在-380 kPa左右，沿深度方向變化不大，距離潛水面約50 m范圍內(nèi)的孔隙水壓力由負(fù)值迅速升高為正值。

(2)降雨過(guò)程中(1～10 d)，壩坡以下30 m范圍內(nèi)的孔隙水壓力變化較大，30 m以下的孔隙水壓力變化較?。磺译S著降雨歷時(shí)增加，降雨對(duì)坡面孔隙水壓力的影響范圍逐漸加大，表層孔隙水壓力出現(xiàn)正值，即暫態(tài)飽和區(qū)。

(3)降雨停止后(11～20 d)，在重力作用下，降雨入滲水量繼續(xù)向坡體內(nèi)部及坡腳匯集，表層孔隙水壓力由正值減小為負(fù)值，暫態(tài)飽和區(qū)逐漸消散；坡體內(nèi)部的孔隙水壓力隨著停雨時(shí)間的延長(zhǎng)繼續(xù)下降，從而影響了坡體內(nèi)部孔隙水壓力分布，進(jìn)而影響了排土場(chǎng)深層穩(wěn)定性。

圖6 不同工況對(duì)應(yīng)的孔隙水壓力分布特征

從孔隙水壓力變化來(lái)看，降雨停止后(11～20 d)，壩頂縱向斷面(A-A′斷面)的最小孔隙水壓力減小量小于壩坡縱向斷面(B-B′斷面)，主要是由于壩頂縱剖面處排土物料覆蓋厚度較大，壩坡處排土物料覆蓋厚度較小所致?？梢?jiàn)，降雨對(duì)排土場(chǎng)內(nèi)部孔隙水壓力的分布與排土物料堆積高度有關(guān)，堆積高度越大，降雨對(duì)內(nèi)部孔隙水壓力分布的影響越小。

3 高陡邊坡排土場(chǎng)穩(wěn)定性分析

通過(guò)分析高陡邊坡排土場(chǎng)在多雨條件下的穩(wěn)定性演化規(guī)律，可為多雨地區(qū)高陡邊坡排土場(chǎng)日常管理及災(zāi)害預(yù)警提供依據(jù)。本研究排土場(chǎng)穩(wěn)定性分析在降雨10 d及停雨10 d瞬態(tài)滲流場(chǎng)計(jì)算結(jié)果的基礎(chǔ)上，利用GEO-studio/slope軟件中的Bishop剛體極限平衡法模塊[17]，對(duì)該高陡邊坡排土場(chǎng)開(kāi)展穩(wěn)定性計(jì)算分析。排土場(chǎng)各材料分區(qū)的力學(xué)參數(shù)取值如表1所示。圖7為降雨10 d(最危險(xiǎn))工況下邊坡深層和淺層滑動(dòng)的安全系數(shù)演化曲線。

表1 各分區(qū)材料力學(xué)參數(shù)

由圖7可知：

(1)正常工況下，排土場(chǎng)抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)為1.263，最危險(xiǎn)滑動(dòng)面表現(xiàn)為深層滑動(dòng)。

(2)降雨初期(0～5 d)，隨著降雨持續(xù)，雨水滲入排土體，坡面土體含水率升高，基質(zhì)吸力降低，但整個(gè)坡面未形成連續(xù)貫通的暫態(tài)飽和區(qū)，抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)降低至1.219，最危險(xiǎn)滑動(dòng)面仍以深層滑動(dòng)為主。

圖7 降雨10 d工況下不同滑動(dòng)模式安全系數(shù)隨時(shí)間的變化曲線

(3)降雨后期(5～10 d)，坡面大部分區(qū)域達(dá)到飽和狀態(tài)，出現(xiàn)正孔隙水壓力(即暫態(tài)飽和水壓力)，連續(xù)貫通的暫態(tài)飽和區(qū)形成，抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)大幅下降，最危險(xiǎn)滑動(dòng)面同時(shí)出現(xiàn)于暫態(tài)飽和區(qū)內(nèi)，表現(xiàn)為淺層滑動(dòng)。10 d降雨后,抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)降低至0.999，排土場(chǎng)處于臨界破壞狀態(tài)。

(4)降雨停止后，隨著雨水向排土體內(nèi)部下滲，暫態(tài)飽和區(qū)消散，深層排土體內(nèi)部基質(zhì)吸力降低，危險(xiǎn)滑動(dòng)面由淺層滑動(dòng)轉(zhuǎn)化為深層滑動(dòng)。停雨10 d后，排土場(chǎng)安全系數(shù)升高至1.155。降雨停止后的邊坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)的回升速率遠(yuǎn)小于降雨時(shí)抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)的下降速率。

4 結(jié) 論

(1)降雨過(guò)程中，主要對(duì)坡面以下30 m范圍內(nèi)土體基質(zhì)吸力產(chǎn)生影響并形成暫態(tài)飽和區(qū)，對(duì)排土體內(nèi)部基質(zhì)吸力的影響不大。降雨停止后，在重力作用下水體繼續(xù)下滲，排土體內(nèi)部土體基質(zhì)吸力逐漸降低，暫態(tài)飽和逐漸區(qū)消失，從而影響土體深層抗滑穩(wěn)定性。降雨對(duì)排土場(chǎng)內(nèi)部孔隙水壓力分布的影響與排土物料堆積高度有關(guān)，堆積高度越高，降雨對(duì)內(nèi)部孔隙水壓力分布的影響越小。

(2)縱觀整個(gè)過(guò)程，降雨初期，排土場(chǎng)安全性主要受深層滑動(dòng)破壞方式控制。隨著降雨歷時(shí)的增長(zhǎng)，滑動(dòng)面逐漸由深層滑動(dòng)向淺層滑動(dòng)轉(zhuǎn)化，在坡面形成連續(xù)貫通飽和區(qū)后，排土場(chǎng)安全性受淺層滑動(dòng)破壞方式控制。降雨停止后，隨著雨水下滲及暫態(tài)飽和區(qū)消散，排土場(chǎng)安全性恢復(fù)為由深層滑動(dòng)破壞方式控制。

(3)從整體安全性來(lái)看，持續(xù)降雨10 d后，排土場(chǎng)安全系數(shù)降低約 0.264，停雨10 d后，排土場(chǎng)安全系數(shù)升高約0.156，降雨引起抗滑穩(wěn)定系數(shù)的降低速率大于停雨后抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)的升高速率。因此，多雨地區(qū)應(yīng)避免排土場(chǎng)高陡邊坡出現(xiàn)，強(qiáng)化排土段高及坡度的優(yōu)化控制。