滲流作用下某露天礦排土場邊坡穩(wěn)定性及敏感因素分析

左曉歡，楊 溢 ，陳 峰 ，潘祎文 ，葉志程 ，歷一帆

(1.昆明理工大學 公共安全與應急管理學院，云南 昆明650093；2.昆明有色冶金設計研究院股份公司，云南 昆明650500；3.昆明理工大學 國土資源工程學院，云南 昆明650093)

0 引言

礦山排土場是一種規(guī)模巨大的人工松散堆積體，排土場邊坡的穩(wěn)定性與礦山的安全生產(chǎn)密切相關，降雨是造成排土場邊坡失穩(wěn)的主要原因之一[1-3]，故很有必要對排土場邊坡進行降雨入滲研究。本文以云南省安寧市某露天磷礦內(nèi)排土場為研究對象，結(jié)合滲流基本理論及礦山提供的勘查資料，運用數(shù)值模擬手段，對該排土場邊坡進行降雨入滲條件下的穩(wěn)定性模擬分析。此外，為研究影響邊坡穩(wěn)定性的各因素的敏感性，采用數(shù)理統(tǒng)計軟件SPSS進行了敏感性正交試驗[4-6]。

1 影響內(nèi)排土場邊坡穩(wěn)定性的主要因素

1)內(nèi)排土場基底

該排土場基底由燈影組上段(Z2dn2)含磷白云巖和震旦系燈影組東龍?zhí)抖?Z2dn1)含藻類白云巖組成。巖層以中厚層為主，總體向東傾，傾角為15°～30°；巖性及巖溶發(fā)育不均一，巖溶形態(tài)以溶溝、溶隙、溶孔為主，溶隙寬度為0.1～10.0 cm，部分溶隙被泥質(zhì)物充填，地表除較淺溶溝外偶見少量延伸短的不規(guī)則縫隙狀洞穴。巖石堅硬-半堅硬，飽和抗壓強度為38.1～67.9 MPa。

2)地下水

該排土場為基底燈影組、陡山沱組碳酸鹽巖夾碎屑巖裂隙巖溶含水層，區(qū)域富水性中等-強，單泉流量0.2～10 L/s。初始地下水位為左側(cè)上游水位標高(30 m)，右側(cè)下游水位標高25 m。未揭露有巖溶空洞，基底含水層對礦床無充水影響。礦床主要充水來源于季節(jié)性大氣降雨，有自流排泄條件。該礦床水文地質(zhì)屬以大氣降雨充水為主的簡單類型。

3)排棄物載荷

該排土場邊坡穩(wěn)定性與堆排體容重、堆排高度和排棄角度密切相關。邊坡穩(wěn)定性隨著高度和排棄角度的增加而降低；排棄物容重越大，其對基底的壓力就越大，穩(wěn)定系數(shù)也隨之降低。

2 內(nèi)排土場邊坡概況

2.1 基本概況

設計將該露天采場分為5個開采區(qū)域，本次模擬的內(nèi)排土場位于露天采坑區(qū)域1、區(qū)域2、區(qū)域3。3個區(qū)域合計設計容積為3024.15 萬m3，堆排廢石量為2 520.13 萬m3。北側(cè)排土場廢石堆置總高90 m(標高2 290～2 380 m)，東側(cè)排土場廢石堆置總高140 m(標高2 240～2 380 m)，堆置段高為10、20 m。分段安全平臺寬20 m，設3%的反坡；坡面角35.0°，北側(cè)邊坡整體坡面角為21.50°，東側(cè)邊坡整體坡面角為17.69°。

2.2 邊坡巖土體物理力學參數(shù)

參考該排土場場地巖土工程勘察報告中的建議值，選取的巖土體物理力學參數(shù)見表1。

表1 排土場巖土體物理力學參數(shù)

3 數(shù)值模擬分析

3.1 邊坡驗算剖面的選取

根據(jù)相關規(guī)范要求，為盡可能反映區(qū)域1、區(qū)域2、區(qū)域3內(nèi)排土場邊坡的穩(wěn)定性，本次選擇有代表性的Ⅰ-Ⅰ剖面(見圖1)進行數(shù)值模擬分析。

圖1 內(nèi)排土場邊坡穩(wěn)定性驗算剖面位置

3.2 計算模型網(wǎng)格劃分及邊界條件

3.2.1 網(wǎng)格劃分

Ⅰ-Ⅰ剖面邊坡截面高162 m，長555 m，臺階高20 m，分段安全平臺寬20 m；邊坡整體坡面角為21.5°；初始地下水位為左側(cè)上游水位標高(30 m)，右側(cè)下游水位標高25 m。綜合考慮邊界條件、步長等因素，將模型全局單元尺寸設為8 m，共劃分為1 204個節(jié)點、1 136個單元(見圖2)。

圖2 邊坡計算模型及網(wǎng)格劃分

3.2.2 模型邊界條件

a.模型兩側(cè)：地下水位以下邊界按照定水頭處理，地下水位以上邊界按零流量邊界處理。

b.模型表面：由于排土場堆排廢棄物的透水性相對較好，所以在穩(wěn)態(tài)滲流分析中將邊坡表面設為自由邊界，在降雨瞬態(tài)滲流分析中將邊坡表面設為入滲邊界。

c.模型底部：底部為基巖，滲透系數(shù)較低，故將其設為不透水邊界。

3.3 計算參數(shù)的選取

3.3.1 模型的土-水特征曲線

土-水特征曲線和非飽和土的土體滲透系數(shù)是非飽和土體滲流模擬的2個關鍵參數(shù)，它們直接影響模擬結(jié)果的精確性[7]。土-水特征曲線能反映土體基質(zhì)吸力與體積含水率之間的函數(shù)關系，一般情況下可通過實驗獲得；但實驗過程復雜，所以有學者在大量實驗研究的基礎上，提出了各種土-水特征預測模型，如Fledlund Xing模型、Van Genuchten模型。本次模擬采用Geo-Studio自帶的Fledlund Xing模型。模型土-水特征曲線如圖3所示。

(a)堆排物料

(b)基底材料

3.3.2 模擬參數(shù)設定

本文主要模擬降雨滲流作用下排土場邊坡內(nèi)部的孔隙水壓力、體積含水率及安全系數(shù)的動態(tài)變化過程。降雨強度以中國氣象部門統(tǒng)計的全國降雨資料為依據(jù)，降雨工況設計見表2。

表2 降雨入滲工況設計

3.4 數(shù)值模擬邊坡滲流分析

3.4.1 初始邊坡穩(wěn)態(tài)滲流分析

由于邊坡基巖存在地下水，利用SEEP/W模塊分析其初始孔隙水壓力的分布狀態(tài)，為邊坡瞬態(tài)滲流分析奠定基礎。分析結(jié)果如圖4所示。

圖4 初始邊坡孔隙水壓力分布

3.4.2 降雨條件下邊坡瞬態(tài)滲流分析

降雨過程中邊坡內(nèi)部孔隙水壓力和體積含水率會隨著雨水入滲發(fā)生動態(tài)變化，選擇坡面中部某一特征點進行觀測，結(jié)果如圖5、圖6所示。

圖5 不同降雨強度下孔隙水壓力變化曲線

圖6 不同降雨強度下體積含水率變化曲線

3.5 瞬態(tài)滲流模擬結(jié)果分析

a.在降雨初期，排土場邊坡的孔隙水壓力和體積含水率與降雨時間呈線性正相關；其主要原因是排土場邊坡坡面的初始孔隙水壓力較小，在降雨入滲初期屬于無壓(或壓力較小)期，雨水入滲速度較快，所以在降雨初期(不同降雨強度下)邊坡孔隙水壓力和體積含水率上升較快。

b.由圖5、圖6可知：在降雨強度為46 mm/d、降雨持時為3 d時，體積含水率未達到飽和值，孔隙水壓力未到達浸潤線值，所以隨降雨持時的增加相關值均增大；而在降雨強度為120 mm/d、降雨持時為3 d時，特征點的孔隙水壓力在降雨2 d后即達到浸潤線孔隙水壓力值(0 kPa)，體積含水率也達到了飽和含水率，此時邊坡出現(xiàn)暫態(tài)飽和區(qū)；但由于排土體的滲透系數(shù)較大，邊坡達到暫態(tài)飽和后，雨水會隨自重入滲到邊坡內(nèi)部，所以在降雨強度為120 mm/d、降雨2 d后，邊坡的孔隙水壓力和體積含水率均略有下降。

3.6 降雨入滲條件下邊坡穩(wěn)定性分析

由于降雨入滲過程中邊坡的體積含水率會升高，土體抗剪強度隨之下降，安全系數(shù)隨之變化[8]。將上述瞬態(tài)滲流SEEP/W分析結(jié)果導入SLOPE/W進行極限平衡分析，觀察邊坡安全系數(shù)的變化情況(見圖7)。極限平衡分析方法選擇Morgenstern-Price法。

(a)降雨強度46 mm/d

(b)降雨強度120 mm/d

由圖7可知：在不同降雨強度、相同降雨持時條件下，邊坡安全系數(shù)均呈下降趨勢；降雨強度越大，邊坡安全系數(shù)降幅越大，且安全系數(shù)降低的持續(xù)時間越長。這是因為降雨強度越大，滲入邊坡內(nèi)部的雨水就越多，邊坡抗剪強度降幅越大。所以在相同降雨持時下，降雨強度越大越容易引起邊坡的失穩(wěn)破壞。

4 邊坡穩(wěn)定性影響因素的正交試驗

4.1 正交設計與分析

考慮排土場的土體容重、內(nèi)摩擦角、內(nèi)聚力、降雨強度4種因素對排土場邊坡穩(wěn)定性的影響，對排土場I-I剖面進行正交設計。根據(jù)邊坡工程設計手冊和礦山提供的勘查報告確定各參數(shù)的取值，每種參數(shù)選取4個水平(見表3)。

表3 各影響因素的正交設計

4.2 正交試驗結(jié)果及分析

在該正交試驗中假設各因素之間無交互作用，試驗次數(shù)為16次，則正交表選擇L16(44)。利用Geo-Studio中SEEP/W模塊模擬排土場邊坡在降雨入滲時的瞬態(tài)滲流分布，再將分析結(jié)果導入SLOPE/W 模塊進行極限平衡分析。根據(jù)L16(44)正交試驗表進行正交試驗，結(jié)果見表4。

表4 正交試驗結(jié)果

計算各指標的敏感性大小的方法一般有兩種：極差分析和方差分析。極差分析較為簡單，方差分析的計算過程較為復雜。為使敏感性因素分析的結(jié)果更為準確，借助數(shù)理統(tǒng)計SPSS數(shù)據(jù)分析軟件進行因素的方差分析。將正交試驗結(jié)果導入SPSS軟件，由于因變量只有安全系數(shù)，所以選擇單變量模型進行分析，模型類型選擇主效應模型，單變量實測平均值事后多重比較方法選擇S-N-K。SPSS方差分析結(jié)果見表5。

表5 方差分析結(jié)果

根據(jù)方差原理可知，當顯著性P<0.05時，即認為該因素對因變量(安全系數(shù))的影響是顯著的,P越小說明影響越顯著。由此判定排土場邊坡穩(wěn)定性影響因素敏感性排序為：內(nèi)摩擦角>土體容重>內(nèi)聚力>降雨強度。

5 結(jié)論

a.在不同降雨強度、相同降雨持時條件下，降雨強度越大對邊坡穩(wěn)定性的影響越大，邊坡體積含水率和孔隙水壓力上升越快；隨著雨水入滲，邊坡自重增大，安全系數(shù)降低。

b.當降雨強度為120 mm/d、連續(xù)降雨2 d后，邊坡表面會出現(xiàn)暫態(tài)飽和區(qū)；而降雨強度為46 mm/d時，未出現(xiàn)暫態(tài)飽和區(qū)，說明降雨強度越大，暫態(tài)飽和區(qū)出現(xiàn)得越早。

c.排土場邊坡穩(wěn)定性影響因素敏感性排序為：內(nèi)摩擦角>土體容重>內(nèi)聚力>降雨強度。