降雨礦震疊加作用下?lián)犴樜髀短斓V邊坡穩(wěn)定性分析

劉向峰，郭子鈺，王來貴，高 晗

（遼寧工程技術大學力學與工程學院，遼寧 阜新 123000）

0 引言

滑坡作為一種地質災害，它的成因復雜且多變，降雨和礦震是誘發(fā)滑坡災害的主要因素[1?2]。撫順露天礦地區(qū)屬北中溫帶半濕潤大陸性季風氣候，夏季降雨頻發(fā)，年平均降雨量為773.6 mm，雨量集中在7—9月份，占年降雨量的55.2%[3]。南幫E1000～E1300 地面為劉山舊河道位置，滲透性良好，礦區(qū)西側約500m 處為古城河，沿西露天礦坑西側匯入渾河。礦區(qū)的水文條件復雜，再加上夏季降雨頻發(fā)，嚴重影響礦區(qū)邊坡的穩(wěn)定性。自1968年12月開始對礦震作監(jiān)測記錄，截至2002年12月31日，共記錄到ML>0 級的礦震81 522 次。其中ML>3.0 級64 次，最大震級為ML3.7 級[4]?？芍獡犴樜髀短斓V礦震頻發(fā)，如果雨季再發(fā)生礦震，邊坡就極易失穩(wěn)，因此通過數(shù)值計算分析雨季礦震疊加作用下?lián)犴樜髀短斓V邊坡的穩(wěn)定性。

侯龍[5]利用數(shù)學解析、室內試驗和數(shù)值模擬等手段，從宏觀現(xiàn)象和微觀結構，對非飽和土內的孔隙水作用機理以及相應的土體力學性質進行研究。孫必雄[6]對非飽和土的力學特性進行了系統(tǒng)性論述和對降雨入滲下的填方路基滲流場問題進行了數(shù)值模擬分析，模擬出填方路基在降雨滲流作用下位移的分布情況與發(fā)展規(guī)律，得出了相應情況下安全系數(shù)的變化規(guī)律。海龍等[7]以飽和—非飽和滲流數(shù)學模型為基礎，運用GEOSLOPE 計算軟件模擬了不同的降雨強度和降雨持時對邊坡穩(wěn)定性的影響，并探討各參數(shù)變化對邊坡穩(wěn)定性安全系數(shù)的影響。劉衛(wèi)濤等[8]基于改進的Green-Ampt 模型推導了考慮土體非飽和特性的斜坡降雨入滲模型，并將其引入到無限斜坡穩(wěn)定性分析當中，通過數(shù)值解和現(xiàn)有模型相比，證明了該方法的正確性和適用性。楊世豪等[9]為分析上覆第四紀殘坡積物的昔格達組粉砂土邊坡，在強降雨作用下滲流特性及穩(wěn)定性，結合石棉縣莫家崗滑坡，用數(shù)值模擬方法研究坡體滲流規(guī)律，結果表明雨水在坡體中逐層入滲，雨停后滲流過程將繼續(xù)發(fā)展，由于存在土層分界面，坡體滲流特性不同于均質坡體。向章波等[10]應用Slide 軟件，在飽和—非飽和滲流理論的基礎上模擬降雨強度和降雨歷時對某紅層路塹邊坡穩(wěn)定性的影響，結果表明隨著降雨時間的增加，坡體內孔隙水壓力不斷增大，非飽和區(qū)最大基質吸力不斷減小，穩(wěn)定性系數(shù)不斷下降。徐翔等[11]應用Geostudio軟件模擬不同降雨類型聯(lián)合庫水位驟降對邊坡穩(wěn)定性的影響，結果表明庫水位下降過程中孔壓變化有個“響應延遲”現(xiàn)象，后峰型降雨容易導致邊坡失穩(wěn)。前人們主要研究降雨入滲對邊坡穩(wěn)定性的影響，本文在前人的研究基礎上考慮加入礦震荷載，分析雨季礦震疊加作用對礦區(qū)邊坡孔隙水壓力和安全系數(shù)的變化規(guī)律。

1 工程地質概況

撫順西露天礦位于撫順市區(qū)南部，撫順煤田西南部，區(qū)內地貌類型為丘陵區(qū)，地形起伏較大，經過多年的開采，礦坑區(qū)域形成臺階地形，邊坡巖體由凝灰?guī)r和玄武巖構成。水文地質條件復雜，夏季降雨量大，礦震頻發(fā)。本文以E1200 剖面為研究對象，整體邊坡角27°。簡化計算模型自上而下依次為：雜填土、凝灰?guī)r、玄武巖。

2 數(shù)值模擬

2.1 數(shù)值計算模型

本文采用極限平衡法整合滲流場分析邊坡穩(wěn)定性，分析類型選用Morgenstern-Price，計算模型如圖1 所示，以左下角為原點，建立長為1 350 m，高為600 m（頂部標高+67 m）的模型，并劃分為1 018 個節(jié)點和960 個單元進行計算（圖1）。

圖1 計算模型Fig.1 Calculation model

2.1.1 模擬過程

（1）進行穩(wěn)態(tài)分析，模擬未降雨的狀態(tài)，計算時間設置1 h；

（2）穩(wěn)定后進行模擬不同雨強降雨情況，得到不同雨強的滲流場，計算時間設置24 h；

（3）穩(wěn)定后在滲流場的基礎上，選取最危險降雨情況，施加不同礦震載荷，得到疊加作用下邊坡的安全系數(shù)。

2.1.2 數(shù)值計算的邊界條件

（1）水頭邊界：模型左側和右側實測地下水位以下為定水頭邊界，左側水頭高為400 m，右側水頭高為150 m，左側水頭400 m 和右側水頭150 m 以上為0 流量邊界，模型底部為0 流量邊界，上部施加降雨邊界。

（2）降雨邊界：施加坡面降雨。

（3）礦震載荷邊界：在模型底部施加水平荷載。

2.1.3 數(shù)值計算的監(jiān)測點設置

為了更好的觀察三種不同雨強孔隙水壓力變化情況，在575 m 坡高位置設置水平監(jiān)測點。

由圖2 可知，無降雨時孔隙水壓力等值線在豎直方向層層分布。圖中箭頭矢量為計算水流滲透方向，按照圖中的矢量方向從高到低逐步向坡面滲透，最后形成水位線，由于凝灰?guī)r的滲透系數(shù)較大，圖中的矢量箭頭向凝灰?guī)r區(qū)域集中，而玄武巖層和凝灰?guī)r層得滲透系數(shù)差別大從而形成明顯的滲透界限，導致孔隙水壓力等值線沒有水平一致，呈現(xiàn)圖2 中所示狀態(tài)。水位線以上各類土層沒有達到飽和狀態(tài)，孔隙水壓力為負，表現(xiàn)為吸力狀態(tài)，水位線以下孔隙水壓力為正。

圖2 0 h 孔隙水壓力等值線云圖Fig.2 0 h pore water pressure contour cloud map

2.2 數(shù)值計算參數(shù)

根據(jù)試驗測得的各巖層基本物理參數(shù)（表1），繪制數(shù)值模擬采用的滲透系數(shù)函數(shù)（圖3）。

表1 巖層的基本物理參數(shù)Table 1 Basic physical parameters of rock formation

圖3 不同巖層滲透系數(shù)曲線Fig.3 Permeability coefficient curves of different rock formations

2.3 計算方案

先對邊坡進行不同雨強模擬驗證，得到了24 h 降雨量在100 mm 以下對邊坡的影響較小，故考慮暴雨級別（24 h 降雨量在100 mm 以上）工況對應降雨情況為A 型雨強、B 型雨強和C 型雨強（表2），再進行數(shù)值計算，得到不同雨強情況下的滲流場。再考慮最危險降雨情況A 型雨強，分析疊加礦震作用對邊坡的影響。

表2 降雨情況Table 2 Rainfall

一次礦震只有一個震級，而在不同的地方會表現(xiàn)出不同的烈度，離震源比較近，烈度較高，根據(jù)GB/T 17742—2008[12]規(guī)定Ⅵ度以下從無感到有感逐漸增加，對邊坡的影響都較小，Ⅵ度為簡陋棚舍損壞，陡坎滑坡，故考慮礦震烈度Ⅵ度以上，再根據(jù)GB 50330—2013[13]的規(guī)定加入不同礦震荷載系數(shù)（表3），研究不同礦震烈度對撫順西露天礦的影響。

表3 水平礦震系數(shù)Table 3 Horizontal mine seismic coefficient

本文考慮最危險工況對應設計7 種計算方案分析雨季礦震對撫順西露天礦穩(wěn)定性的影響（表4）。

表4 計算方案Table 4 Calculation scheme

3 計算結果分析

監(jiān)測孔隙水壓力隨時間變化，得到了不同雨強的不同時刻監(jiān)測點孔隙水壓力變化曲線圖（圖4）。圖中0～200 m 為玄武巖巖層，200～350 m 為凝灰?guī)r巖層，350～450 m 為雜填土，由于降雨條件的設置0～200 m沒有降雨條件，導致0～200 m 處的孔隙水壓力幾乎沒有變化。雨水對邊坡的影響主要依靠降雨入滲，不同雨強條件下，對應孔隙水壓力變化曲線走勢基本一致，對應的孔隙水壓力值不同而已。對比相同雨強，不同降雨時間情況下，隨著時間推移，各點孔隙水壓力增大。這是由于降雨時間的推移，水分不斷進入到巖層中，改變了巖層的孔隙水壓力，故孔隙水壓力逐漸增大。

從圖4 中可以看出，相同雨強，不同降雨時間，不同巖層處的孔隙水壓力變化不同，由于雜填土的滲透系數(shù)高于凝灰?guī)r高于玄武巖，滲透系數(shù)較大，雨水進入到巖層更快，導致雜填土區(qū)域的孔隙水壓力變化最快。

圖4 不同雨強的不同時刻孔隙水壓力變化曲線Fig.4 The change curve of pore water pressure at different times of different rain intensity

圖5 的（a）（b）（c）分別為A 型雨強24 h 孔隙水壓力變化云圖、B 型雨強24h 孔隙水壓力變化云圖、C 型雨強24 h 孔隙水壓力變化云圖。從圖5 中可知，A 型、B 型和C 型雨強孔隙水壓力等值線從底部向上層層分布，坡面和坡頂處的孔隙水壓力等值線逐漸出現(xiàn)閉合區(qū)域，這是由于A 型雨強的強度高于B 型高于C 型，坡面雨水比較充足，經過滲透作用，導致坡面和坡頂?shù)目紫端畨毫Ω淖冚^快，故閉合區(qū)域最多。

圖5 不同雨強24 h 孔隙水壓力變化云圖Fig.5 24 h pore water pressure cloud diagram of different rain intensities

其中A 型雨強24 h 時坡頂有部分積水，坡面的孔隙水壓力等值線由0 h 的水平稀疏狀態(tài)，變成與坡面平行緊密狀態(tài)，這是由于降雨的影響，雨水滲透到土層中，導致邊坡內部孔隙水壓力改變，形成新的孔隙水壓力等值線，水分逐漸滲透到土層之中，使得坡頂達到飽和狀態(tài)，孔隙水壓力等值線也就呈現(xiàn)閉合趨勢。而B 型和C 型降雨由于降雨強度較小，坡面處的孔隙水壓力等值線相對于A 型較為稀疏。

由圖6 可知，對比相同時間，不同雨強，可以看出雨強越大，孔隙水壓力變化越快，這是由于降雨強度高，雨水補給充足，巖層表層已形成了暫態(tài)飽和區(qū)域[7]，故雨強越大，孔隙水壓力變化越快。

圖6 不同雨強6 h 孔隙水壓力變化曲線Fig.6 6 h pore water pressure change curve of different rain intensities

如圖7 所示，當降雨量累積均為120 mm 時，降雨強度越高，相同位置的孔隙水壓力越小，雨水入滲的深度越淺，這是由于降雨強度高，坡面的雨水充足，但是入滲時間短，大部分沿著坡面流失，反而降雨強度小的，入

圖7 降雨量120 mm 時孔隙水壓力變化曲線Fig.7 The change curve of pore water pressure when the rainfall is 120 mm

滲時間長，有較多的水分進入邊坡內部，改變邊坡內部的吸力，改變孔隙水壓力等值線的分布，使得相同的降雨量，降雨強度越大，影響的范圍越小。

A 型雨強不施加礦震載荷條件下，邊坡進行穩(wěn)定性計算，產生的滑面范圍如圖8 所示，滑面范圍主要在凝灰?guī)r和雜填土層，由滲流計算可以知道，這兩層的孔隙水壓力等值線變化最快，通過持續(xù)降雨，雨水滲入對凝灰?guī)r層和雜填土層影響大，此處巖層經過降雨影響，力學參數(shù)降低，導致可能失穩(wěn)，所以滑移面在此處產生。

圖8 A 型無礦震荷載滑面范圍Fig.8 Range of A-type non-ore seismic load sliding surface

由圖9 所示，在未降雨0 h，邊坡的安全系數(shù)一樣，在不同雨強不同時間作用下對邊坡安全有一定的影響，持續(xù)降雨導致孔隙水壓力等值線變得越來越密集，坡面處巖層的力學參數(shù)降低，從而使安全系數(shù)下降。在相同的降雨時長，A 型降雨的安全系數(shù)低于B 型低于C 型，這是由于在相同降雨時長，A 型降雨強度大于B 型大于C 型，A 型的雨水足夠充分，導致孔隙水壓力變化最快，從而造成安全系數(shù)最低。其中A 型降雨的安全系數(shù)在14h 后迅速下降，這說明土層存在一個降雨臨界點

圖9 無礦震荷載安全系數(shù)曲線Fig.9 Load safety factor curve of non-ore earthquake

（降雨量為280 mm），即土層的吸力存在一個極限值，當降雨量越過這個界限時，土層會迅速被破壞，滑面的吸力下降或喪失，使得安全系數(shù)驟降。降雨量沒有達到280 mm 時，邊坡安全系數(shù)相差不大，B 型和C 型雨強較小，邊坡幾乎處于穩(wěn)定狀態(tài)，但隨著降雨量的增加，安全系數(shù)也在下降，也需要提前支護加固，防止滑坡產生，危害生命財產安全。

由表5 可知，有無降雨情況下，隨著礦震烈度逐級增加，邊坡安全系數(shù)都降低，烈度在增加到Ⅷ度時，邊坡的安全系數(shù)降至1 附近，增加到Ⅸ度時，安全系數(shù)低于1，此時的邊坡為不穩(wěn)定狀態(tài)。無降雨時礦震烈度Ⅵ度時，邊坡的安全系數(shù)下降僅為0.19%，當烈度由Ⅶ度增加到Ⅸ度時，安全系數(shù)下降的比例分別為0.57%、2.4%、8.6%，經過24 h 降雨，安全系數(shù)下降比例分別為0.1%、0.49%、2.14%、8.27%，可以明顯的看出，烈度增加，安全系數(shù)迅速下降。這是由于施加礦震載荷后，相當于模型整體施加水平作用力，隨著礦震荷載增加，使其作用到坡面的水平力增加，導致邊坡切向變形逐漸增大，安全系數(shù)下降。

表5 A 型雨強不同礦震載荷作用邊坡安全系數(shù)Table 5 Safety factors of slopes under different mine seismic loads of Type A rain intensities

由表5 可知，疊加降雨和礦震作用，使其邊坡安全系數(shù)降低更快，這是由于降雨雨水滲透到巖層中，使其力學參數(shù)降低，再加上水平方向的荷載，故使其安全系數(shù)降低更快。

4 結論

（1）降雨時長相同，雨強越大，邊坡的孔隙水壓力變化越快，安全系數(shù)越低，邊坡越危險。

（2）雨強一致時，降雨持續(xù)時間越長，邊坡的孔隙水壓力等值線由稀疏變得密集，逐漸呈現(xiàn)閉合趨勢，邊坡的安全系數(shù)低，邊坡越危險。

（3）降雨量相同，雨強越小，邊坡的孔隙水壓力等值線影響的范圍越大。

（4）邊坡降雨存在一個降雨閾值，當降雨量達到閾值后，邊坡安全系數(shù)迅速降低。

（5）隨著礦震烈度增加，邊坡的安全系數(shù)降低，降雨和礦震疊加作用后安全系數(shù)更低。