基于灰色關(guān)聯(lián)度分析的某礦山排土場(chǎng)邊坡穩(wěn)定性數(shù)值模擬研究

潘祎文，張世濤，左曉歡

(1.昆明理工大學(xué) 國土資源工程學(xué)院，云南 昆明 650093；2.昆明理工大學(xué) 公共安全與應(yīng)急管理學(xué)院，云南 昆明 650093)

0 引言

降雨對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響是近年來的研究熱點(diǎn)[1-2]。在降雨入滲過程中，邊坡內(nèi)部的基質(zhì)吸力(負(fù)孔隙水壓力)會(huì)不斷減小，導(dǎo)致邊坡的抗剪強(qiáng)度降低；土體自重增加，邊坡的下滑力隨之增大，從而導(dǎo)致邊坡的穩(wěn)定性下降。

排土場(chǎng)是礦山的重要組成部分，研究排土場(chǎng)邊坡穩(wěn)定性對(duì)礦山安全生產(chǎn)具有重要意義[3-4]。本文以云南思茅山某露天礦山排土場(chǎng)為研究對(duì)象，研究不同降雨類型對(duì)該邊坡穩(wěn)定性的影響。為明確各影響因素對(duì)邊坡穩(wěn)定性的關(guān)聯(lián)度，本文采用灰色關(guān)聯(lián)度分析法分析各影響因素的關(guān)聯(lián)度?；疑到y(tǒng)理論是由鄧聚龍于 20 世紀(jì) 80 年代提出的，灰色關(guān)聯(lián)分析是其中的重要部分[5-7]。

1 邊坡概況

該露天礦采場(chǎng)東部邊坡最高標(biāo)高為1 360 m，最低標(biāo)高為1 090 m，垂直高差達(dá)270 m。 1 270～1 360 m臺(tái)階高10 m，平臺(tái)寬10 m，臺(tái)階坡面角為53°，最終幫坡角為26°； 1 160～1 270 m臺(tái)階高10 m，平臺(tái)寬8 m，臺(tái)階坡面角為65°，開采幫坡角為31°；1 090～1 160 m臺(tái)階高10 m，平臺(tái)寬10 m，臺(tái)階坡面角為53°，開采幫坡角為25°。東部排土場(chǎng)邊坡總幫坡角為23°，安全平臺(tái)寬15～20 m。在1 380、1 360、1 350、1 340、1 320 m中段均設(shè)有排水溝。運(yùn)輸?shù)缆穼?0 m，坡度為10%。本文選擇東部排土場(chǎng)邊坡為分析對(duì)象。

礦區(qū)水系屬瀾滄江水系小黑江支流，侵蝕基準(zhǔn)面高程為654 m。礦體分布于侵蝕基準(zhǔn)面之上的次火山巖中，礦體出露標(biāo)高980～1 250 m，埋深0～300 m。上伏地層為英安巖，巖石節(jié)理裂隙發(fā)育，孔隙度小，為不含水或弱含水層。下部凝灰?guī)r為隔水層，遇水易泥化，裂隙水常順此層滲出。地表水的補(bǔ)給靠大氣降水和少量裂隙水，水文地質(zhì)條件屬裂隙充水的簡單類型。

2 數(shù)值模擬參數(shù)確定

2.1 巖土體物理力學(xué)參數(shù)

根據(jù)礦山提供的勘察報(bào)告及室內(nèi)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，獲得的巖土體物理力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 巖土體物理力學(xué)參數(shù)

2.2 降雨模擬參數(shù)選擇

降雨參數(shù)以中國氣象部門統(tǒng)計(jì)的全國降雨資料為準(zhǔn)，降雨類型的確定基于參考文獻(xiàn)[8]。一般而言，降雨類型主要分為4類：均勻型、中峰型、后峰型、前峰型。本文選擇的總降雨量為300 mm，降雨天數(shù)為5 d，雨停后觀察10 d。降雨類型參數(shù)見表2。

表2 降雨類型參數(shù)

3 數(shù)值模擬分析

3.1 模型的建立

3.1.1 計(jì)算模型

根據(jù)礦山提供的相關(guān)資料，該排土場(chǎng)的堆置段高為90 m，共有5個(gè)堆置臺(tái)階，除第一臺(tái)階堆置段高為10 m外，其余堆置段高均為20 m。分段安全平臺(tái)寬20 m，臺(tái)階角為35°，邊坡整體坡面角為23°。邊坡截面總高135.44 m，長467.73 m。地下水位較深，初始水位左側(cè)上游水位標(biāo)高為6 m，右側(cè)上游水位標(biāo)高為30 m。為使計(jì)算更加精確，模型網(wǎng)格剖分單元尺寸設(shè)為5 m，共劃分為2 256個(gè)節(jié)點(diǎn)、2 171個(gè)單元(見圖1)。

圖1 計(jì)算模型

3.1.2 邊界條件設(shè)置

a.模型底部。模型底部主要為中風(fēng)化泥巖，滲透系數(shù)小，透水性較差，故將模型底部設(shè)置為不透水邊界[9-10]。

b.模型兩側(cè)。由于邊坡存在地下水，故地下水位以下按地下水定水頭邊界處理，地下水位以上按照零流量邊界處理。

c.模型表面。在邊坡穩(wěn)態(tài)滲流分析中將邊坡表面設(shè)置為自由邊界，在降雨入滲瞬態(tài)分析中將邊坡表面設(shè)置為降雨入滲邊界。

3.2 不同降雨類型滲流計(jì)算分析

3.2.1 邊坡初始狀態(tài)

由于邊坡存在地下水，所以要對(duì)邊坡進(jìn)行穩(wěn)態(tài)滲流分析，觀察其初始孔隙水壓力分布情況(見圖2)，為后續(xù)瞬態(tài)滲流分析提供依據(jù)。由圖2可知：地下水位以下基巖部分處于飽和狀態(tài)，孔隙水壓力大于0 kPa；地下水位以上巖土體為非飽和土，孔隙水壓力為負(fù)值，基質(zhì)吸力較大。初始邊坡的安全系數(shù)為1.272 3，安全系數(shù)大于邊坡工程相關(guān)規(guī)范要求的臨界值，故初始邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)。

圖2 初始孔隙水壓力分布

3.2.2 不同類型降雨條件下邊坡的滲流變化

利用SEEP/W模塊模擬不同降雨類型對(duì)邊坡內(nèi)部滲流特征的影響，選取表2中4種降雨類型進(jìn)行瞬態(tài)滲流分析。分析時(shí)長為15 d，步數(shù)為45步。選擇邊坡中部某一觀測(cè)點(diǎn)進(jìn)行觀察，根據(jù)孔隙水壓力和體積含水率變化分析不同降雨類型對(duì)邊坡內(nèi)部滲流的影響(見圖3、圖4)。

圖3 邊坡中部觀測(cè)點(diǎn)孔隙水壓力變化曲線

圖4 邊坡中部觀測(cè)點(diǎn)體積含水率變化曲線

由圖3、圖4可知：在不同降雨類型條件下，降雨過程中邊坡的內(nèi)部孔隙水壓力和體積含水率均隨降雨持時(shí)的增加而上升；這是由于邊坡初始基質(zhì)吸力較大，而排土場(chǎng)邊坡的滲透系數(shù)較大，邊坡高程較高，松散堆積物體積較大，導(dǎo)致雨水入滲速度較快。邊坡的體積含水率和孔隙水壓力上升趨勢(shì)相似，但是不同類型上升幅度不同，前峰型上升幅度最大；在降雨初期，不同類型滲流變化特征排序?yàn)榍胺逍?均勻型>中峰型>后峰型；均勻型和中峰型在降雨2.3 d后位置發(fā)生了交換，滲流變化特征排序也發(fā)生了變化(前峰型>中峰型>均勻型>后峰型)；這是由于中峰型降雨在前期降雨量較小，第3天降雨量最大，所以滲流變化在第3天前后變化明顯。在降雨第5天時(shí)，相關(guān)值均達(dá)到最大，但孔隙水壓力未到達(dá)浸潤線值(0 kPa)，體積含水率也未達(dá)到飽和含水率。在降雨5 d后的10 d內(nèi)為雨停觀察期；雨停后，邊坡的孔隙水壓力緩慢下降，并逐漸趨于穩(wěn)定，而體積含水率出現(xiàn)了明顯的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，且隨時(shí)間的延續(xù)仍在下降；這是因?yàn)橛晖：笥晁疂B到了土體更深處，入滲雨水隨時(shí)間不斷消散，所以坡表觀測(cè)點(diǎn)的體積含水率呈下降趨勢(shì)。

在4種降雨類型條件下，邊坡表面均未出現(xiàn)暫態(tài)飽和區(qū)，這是由于邊坡的排土體體積較大，入滲的雨水總量未達(dá)到邊坡飽和入滲值。

3.3 不同降雨類型對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響

為進(jìn)一步分析不同降雨類型對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響，將上述SEEP/W的滲流分析結(jié)果分別導(dǎo)入SLOPE/W模塊進(jìn)行極限平衡分析，分別觀察4種降雨類型對(duì)邊坡安全系數(shù)的影響。極限平衡分析采用Morgenstern-Price法，邊坡安全系數(shù)變化曲線如圖5所示。

圖5 邊坡安全系數(shù)變化曲線

由圖5可知，隨著雨水入滲，邊坡安全系數(shù)均降低。在持續(xù)降雨5 d內(nèi)，4種降雨類型的邊坡安全系數(shù)均降幅較大；雨停后的10 d觀察期內(nèi)，初期邊坡安全系數(shù)有小幅下降，后逐漸趨于穩(wěn)定。對(duì)于4種降雨類型而言，孔隙水壓力變化幅度越大，安全系數(shù)的降幅就越大。在降雨第5天時(shí)，安全系數(shù)排序?yàn)榍胺逍?中峰型<均勻型<后峰型。雨停后，隨著坡體內(nèi)部雨水的消散，邊坡安全系數(shù)逐漸趨于穩(wěn)定；在第15天時(shí)，4種類型的安全系數(shù)幾乎相同。

4 灰色關(guān)聯(lián)度敏感因素分析

影響邊坡穩(wěn)定性的因素眾多，為明確各因素的影響程度，本文采用灰色關(guān)聯(lián)度分析方法對(duì)各因素進(jìn)行敏感度分析。為保證結(jié)果更加合理準(zhǔn)確，采用正交試驗(yàn)對(duì)方案進(jìn)行設(shè)計(jì)。

4.1 分析因素的設(shè)計(jì)

選擇土體容重、內(nèi)摩擦角、內(nèi)聚力、降雨強(qiáng)度及排土體的滲透系數(shù)等5個(gè)因素進(jìn)行分析；每種因素選擇5個(gè)水平。參數(shù)水平的取值參考相關(guān)的設(shè)計(jì)手冊(cè)和礦山提供的土工試驗(yàn)數(shù)據(jù)。正交試驗(yàn)參數(shù)見表3。

表3 正交試驗(yàn)參數(shù)

4.2 正交試驗(yàn)

為了使分析結(jié)果更加合理，選擇L25(55)正交設(shè)計(jì)表(實(shí)驗(yàn)次數(shù)為25次)進(jìn)行分析。利用Geo-Studio軟件中的SEEP/W和SLOPE/W模塊計(jì)算邊坡安全系數(shù)，結(jié)果見表4。

表4 正交試驗(yàn)計(jì)算結(jié)果

4.3 灰色關(guān)聯(lián)度分析

本文利用數(shù)據(jù)在線分析軟件SPSSAU中的綜合評(píng)價(jià)模塊進(jìn)行灰色關(guān)聯(lián)度分析。一般而言，灰色關(guān)聯(lián)分析主要分為5個(gè)步驟：①確定分析母序列和特征序列；②對(duì)分析數(shù)據(jù)進(jìn)行量綱化處理，主要有初值法和均值法；③求解特征序列和目序列之間的灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)；④求解關(guān)聯(lián)度；⑤對(duì)關(guān)聯(lián)度進(jìn)行排序，得出結(jié)論。

將表4中的數(shù)據(jù)作為源數(shù)據(jù)導(dǎo)入灰色關(guān)聯(lián)度分析中，以安全系數(shù)為母序列、5個(gè)影響因素為特征序列，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行均值化處理。分辨系數(shù)取0.5，關(guān)聯(lián)系數(shù)計(jì)算結(jié)果見表5。

表5 關(guān)聯(lián)系數(shù)計(jì)算結(jié)果

關(guān)聯(lián)度為敏感度評(píng)價(jià)的判據(jù)，根據(jù)表5可計(jì)算出關(guān)聯(lián)度，結(jié)果見表6。

表6 關(guān)聯(lián)度計(jì)算結(jié)果

利用關(guān)聯(lián)度對(duì)25個(gè)評(píng)價(jià)對(duì)象進(jìn)行排序，關(guān)聯(lián)度范圍為0～1，該值越大代表其與“參考值”(母序列)之間的相關(guān)性越強(qiáng)，也就意味著其評(píng)價(jià)越高。由表6可知，內(nèi)摩擦角的綜合評(píng)價(jià)最高，其次是內(nèi)聚力。根據(jù)關(guān)聯(lián)度分析方法可知，影響因素的敏感度排序?yàn)閮?nèi)摩擦角>內(nèi)聚力>土體容重>降雨強(qiáng)度>排土體滲透系數(shù)。

5 結(jié)論

通過對(duì)某礦山排土場(chǎng)邊坡在4種降雨類型條件下進(jìn)行滲流模擬和極限平衡分析，并利用灰色關(guān)聯(lián)度分析影響安全系數(shù)的各敏感因素，得出以下主要結(jié)論：

a.不同降雨類型對(duì)邊坡的滲流特征影響不同，前峰型降雨的滲流特征變化幅度最大。在降雨初期，不同類型滲流變化特征排序?yàn)榍胺逍?均勻型>中峰型>后峰型；均勻型和中峰型在降雨2.3 d后位置發(fā)生了交換，排序變?yōu)榍胺逍?中峰型>均勻型>后峰型。

b.邊坡安全系數(shù)的變化與滲流特征變化趨勢(shì)相同，滲流特征變化幅度越大，邊坡安全系數(shù)下降越快。雨停后，邊坡安全系數(shù)均逐漸趨于穩(wěn)定。

c.通過灰色關(guān)聯(lián)度分析可知，影響因素的敏感度排序?yàn)閮?nèi)摩擦角>內(nèi)聚力>土體容重>降雨強(qiáng)度>排土體滲透系數(shù)，其中土體容重和內(nèi)聚力的關(guān)聯(lián)度相差不大。