降雨條件下超高單臺階排土邊坡穩(wěn)定性分析

郄永波，甘海闊

(北京礦冶科技集團(tuán)有限公司，北京 100160)

排土場是一種巨型人工松散堆墊體，礦山用于集中排放采礦排棄物的場所[1]。排土場邊坡一旦失穩(wěn)將會造成排土體垮塌、泥石流等災(zāi)害，使礦山遭受巨大人身安全及經(jīng)濟(jì)損失，嚴(yán)重影響礦山的正常運(yùn)行。

大氣降雨是排土場發(fā)生滑坡失穩(wěn)非常重要的觸發(fā)和誘導(dǎo)因素[2]。降雨條件下，排土場具有特殊的飽和-非飽和滲流特征，降雨形成的地表徑流會在細(xì)顆?；蝠ね梁枯^高區(qū)域的排土區(qū)形成暫時(shí)飽和帶[3]。大氣降水對排土體的影響通?？梢苑譃閮深悾旱谝活愂怯晁霛B后在滲流作用下邊坡的下滑力增加，第二類是隨著雨水入滲巖土體的抗剪強(qiáng)度降低或軟化[4]。因此，對于超高單臺階排土場，如何量化評估降雨條件下的邊坡穩(wěn)定性，成為礦山排土場安全運(yùn)行中的關(guān)鍵問題，對此已有科技及工程技術(shù)人員進(jìn)行了大量研究。如林鴻州等[5]通過降雨條件下土質(zhì)邊坡失穩(wěn)模型試驗(yàn)，探討了降雨入滲對邊坡失穩(wěn)的影響。戚國慶等[6]通過對巖質(zhì)邊坡降雨入滲下數(shù)學(xué)模型及模擬方法探討，闡述了邊坡降雨入滲過程中基質(zhì)吸力變化、暫態(tài)飽和區(qū)形成、發(fā)展以及暫態(tài)水壓力分布規(guī)律。徐晗等[7]針對降雨入滲土坡的穩(wěn)定問題，進(jìn)行雨水入滲下排土邊坡滲流-應(yīng)力耦合模擬，得到排土邊坡降雨條件下變形-應(yīng)力變化規(guī)律。但對于多雨地區(qū)，受長期降雨影響的超高單臺階排土場在降雨過程中的穩(wěn)定性變化規(guī)律，目前研究成果較少，具有重要研究意義。本文通過深入研究降雨對于排土場穩(wěn)定性的影響，了解了降雨作用規(guī)律以及排土體內(nèi)滲流運(yùn)動特性，分析降雨過程對超高單臺階排土場穩(wěn)定性的影響程度，對超高單臺階排土場穩(wěn)定性研究具有重要的指導(dǎo)意義。

1 飽和-非飽和降雨入滲理論

排土場降雨非飽和入滲也須符合達(dá)西定律[8]：

(1)

式中：Vi為達(dá)西流速；kij為飽和滲透張量；H為總水頭。

根據(jù)質(zhì)量守恒原理，飽和-非飽和滲流控制微分方程為：

(2)

降雨條件下飽和—非飽和滲流入滲邊界條件的設(shè)定參考文獻(xiàn)[9]。

2 地質(zhì)計(jì)算模型

2.1 工程概況

某排土場位于我國華北地區(qū)，為超大型平地排土場，排土過程中由于局部出現(xiàn)臺階超高問題，導(dǎo)致這些區(qū)域邊坡穩(wěn)定性相對較差，在降雨作用下增加了排土場安全運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)。目前排土最大單臺階高度84.1 m，臺階邊坡角為自然安息角37.5°。根據(jù)地質(zhì)資料，排土場地層為黑云混合片麻巖(Ars)、第四系坡積土(Qel+dl)及采場排棄的人工填土(Qr)。地質(zhì)剖面如圖1所示。

2.2 計(jì)算模型

為進(jìn)行降雨條件下的邊坡瞬態(tài)滲流場分析，對以上地質(zhì)模型進(jìn)行有限元劃分，如圖2所示。為研究降雨過程中超高單臺階坡面內(nèi)部的空隙水壓力變化，在邊坡上設(shè)置兩個(gè)監(jiān)測斷面A-A′、B-B′，并在表面附近設(shè)置1～4號測點(diǎn)，監(jiān)測點(diǎn)埋深2 m。

圖1 地質(zhì)剖面圖

圖2 計(jì)算域單元網(wǎng)格剖分

3 計(jì)算參數(shù)

3.1 排土料滲透系數(shù)和體積含水率

在飽和-非飽和滲流數(shù)值模擬中，材料的滲透系數(shù)是與單元的飽和度、孔隙水壓力有關(guān)的函數(shù)，在無現(xiàn)場試驗(yàn)資料時(shí)，通常利用Van Genuchten模型進(jìn)行擬合，獲得的排土料降雨滲流計(jì)算參數(shù)如圖3所示。

3.2 降雨邊界條件

排土場所在地區(qū)在夏季降水日數(shù)最多，約占全年總降水日數(shù)的一半左右，各月降水日數(shù)一般為10～15 d，一次最長連續(xù)降水日數(shù)可達(dá)8～12 d。本次計(jì)算按照10 d連續(xù)平均降雨考慮，計(jì)算降雨量為4.3×10-6m/s，考慮停雨10 d，計(jì)算總時(shí)間為20 d。

3.3 邊坡穩(wěn)定性計(jì)算參數(shù)

降雨條件下排土場邊坡穩(wěn)定性以不同降雨歷時(shí)瞬態(tài)滲流場為基礎(chǔ)，采用剛體極限平衡法對排土邊坡穩(wěn)定性安全系數(shù)進(jìn)行計(jì)算。排土料及地基土層物理力學(xué)參數(shù)見表1。

圖3 排土料滲透系數(shù)、體積含水率與基質(zhì)吸力關(guān)系曲線

表1 排土料及地基土層物理力學(xué)指標(biāo)

4 計(jì)算結(jié)果分析

4.1 降雨過程中滲流場變化規(guī)律分析

以穩(wěn)態(tài)滲流場為初始條件，不考慮水量蒸發(fā)，對10 d降雨過程中及降雨停止10 d后的排土場飽和—非飽和瞬態(tài)滲流場進(jìn)行計(jì)算，孔隙水壓力分布變化規(guī)律如圖4所示。

圖4 降雨1～10 d及停雨11～20 d排土場孔隙水壓力變化圖

從圖4排土場滲流場變化來看，降雨初期排土場邊坡為非飽和狀態(tài)。降雨歷時(shí)2 d后，首先在坡腳逸出點(diǎn)附近以上出現(xiàn)暫態(tài)飽和區(qū)。隨著降雨持續(xù)，逸出點(diǎn)附近的暫態(tài)飽和區(qū)沿坡面線附近區(qū)域不斷向上擴(kuò)展延伸。降雨歷時(shí)4 d后，在整個(gè)坡面線附近形成了一個(gè)由連續(xù)暫態(tài)飽和區(qū)構(gòu)成的“飽和殼”。降雨歷時(shí)10 d后，暫態(tài)飽和區(qū)范圍位于坡面以下15 m左右。停雨初期，由于入滲源消失，排土場表層逐漸回復(fù)非飽和狀態(tài)，暫態(tài)飽和區(qū)繼續(xù)向排土體內(nèi)部移動過程中迅速消散，且暫態(tài)飽和區(qū)移動速度遠(yuǎn)小于其消散速度，連續(xù)暫態(tài)飽和區(qū)逐漸消失。排土體內(nèi)部暫態(tài)飽和區(qū)，在停雨14 d后幾乎完全消散。停雨10 d后影響深度埋深約20 m。

降雨過程對排土體表層滲流場分布影響較大，1～4監(jiān)測點(diǎn)及監(jiān)測剖面A-A'、B-B'孔隙水壓力變化如圖5～7所示。

圖5 監(jiān)測點(diǎn)孔隙水壓力變化曲線

圖6 監(jiān)測斷面A-A′孔隙水壓力變化曲線

圖7 監(jiān)測斷面B-B′孔隙水壓力變化曲線

根據(jù)圖5中坡面監(jiān)測點(diǎn)孔隙水壓力增加及消散過程，在降雨過程中，雨水在重力作用下滲入坡面表層，在坡腳處最先形成暫態(tài)飽和區(qū)，并不斷沿著坡面向坡腳匯集，導(dǎo)致坡腳處1號監(jiān)測點(diǎn)孔壓增加最快。同樣，在降雨停止后，坡腳處1號監(jiān)測點(diǎn)受上部坡面滲水的補(bǔ)給作用，孔隙水壓力散速度較坡面2～4號監(jiān)測點(diǎn)相對要緩慢。

根據(jù)圖6、圖7監(jiān)測斷面上的孔隙水壓力增加及消散過程，坡面處縱向斷面(A-A′)排土物料堆積厚度較小，內(nèi)部基質(zhì)吸力受雨水入滲影響變化較大，而坡頂縱向斷面(B-B′)排土物料堆積厚度較小，內(nèi)部基質(zhì)吸力受雨水入滲影響變化相對較小。可見，降雨過程主要對表層土體影響較大，對內(nèi)部土體的影響則與堆積厚度有關(guān)，堆積厚度越大，影響越小。

4.2 降雨過程中穩(wěn)定性變化規(guī)律分析

降雨條件下排土場穩(wěn)定性以不同降雨歷時(shí)瞬態(tài)滲流場為基礎(chǔ)，基于剛體極限平衡法，采用Bishop法、Fellenius法、Janbu法及Morgenstern-Price法對邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行分析。

根據(jù)圖8超高單臺階排土場在降雨1～10 d及停雨11～20 d過程中，其邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)變化過程表現(xiàn)為：

1)降雨前期，雨水入滲導(dǎo)致土體含水率升高，首先在坡腳形成埋深較淺的飽和帶，在坡面并未立即形成連續(xù)貫通的暫態(tài)飽和區(qū)，抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)降幅相對較小。

2)降雨后期，隨入滲雨水持續(xù)補(bǔ)給，坡面表層土體飽和，在坡面形成連續(xù)貫通的暫態(tài)飽和區(qū)，出現(xiàn)正孔隙水壓力，抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)開始加速下降，10 d降雨后抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)降低至最低。

3)降雨停止后，入滲源消失，暫態(tài)飽和區(qū)內(nèi)雨水向排土體內(nèi)部下滲，暫態(tài)飽和區(qū)逐漸消散，土體表層孔隙水壓力逐漸轉(zhuǎn)負(fù)，基質(zhì)吸力回升。排土邊坡最危險(xiǎn)滑動面則緩慢向深層轉(zhuǎn)移，伴隨抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)緩慢回升，但回升速率遠(yuǎn)小于降雨過程中的下降速率。

圖8 邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)變化曲線

5 結(jié)論

本文基于非飽和滲流有限單元法，對超高單臺階排土邊坡隨著降雨歷時(shí)的滲流場變化規(guī)律進(jìn)行研究，并基于瞬態(tài)滲流場對排土場穩(wěn)定性變化規(guī)律進(jìn)行分析，結(jié)果表明：

1)對于超高單臺階排土邊坡，降雨過程主要對坡面以下一定范圍內(nèi)土體孔隙水壓力產(chǎn)生影響，極易造成表層排土體邊坡失穩(wěn)。降雨對內(nèi)部土體的影響較小且與堆積厚度有關(guān)。

2)在降雨過程中，由于坡面基質(zhì)吸力大幅度降低，安全系數(shù)逐漸減小，在坡面出現(xiàn)貫通暫態(tài)飽和區(qū)，最危險(xiǎn)滑動面為暫態(tài)飽和區(qū)內(nèi)的淺層滑動。降雨停止后，由于入滲源消失，暫態(tài)飽和區(qū)逐漸消散，基質(zhì)吸力回升，淺層滑動安全系數(shù)逐漸升高，隨停雨歷時(shí)增長，安全系數(shù)回升速率逐漸變慢。