哈爾烏素露天煤礦內(nèi)排土場高臺階滲流穩(wěn)定性分析

柴茂庭，劉東琿，齊 翔，劉籽鈺

（1.國能準(zhǔn)能集團有限責(zé)任公司 哈爾烏素露天煤礦，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 010300；2.準(zhǔn)格爾旗工信和科技局，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 010300；3.中國礦業(yè)大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，江蘇 徐州 221116）

我國每年發(fā)生新老滑坡事故約30 萬起，其中降雨型滑坡占總滑坡次數(shù)的90%以上[1-2]。許多研究表明，降雨是誘發(fā)滑坡的重要直接因素，降雨型滑坡也成為眾多地質(zhì)災(zāi)害的防治重點[3]。內(nèi)排土場是人工堆積的松散土石體，強降雨會使排土場土體含水率增大、基質(zhì)吸力減小，降雨入滲也會使孔隙壓力增大，在降低入滲速率的同時，增加了排土場邊坡沖刷度，極易導(dǎo)致排土場滑坡[4-6]。因此，為了保證露天煤礦的安全生產(chǎn)，探究降雨影響下的排土場滲流對邊坡穩(wěn)定性具有重要意義[7]。

在降雨對邊坡穩(wěn)定性的影響規(guī)律方面許多學(xué)者已經(jīng)有了不少研究成果，但對于露天煤礦排土場的研究較少。王悅等[8]以安太堡露天煤礦南排土場為例，采用描述性統(tǒng)計分析和方差分析法，討論了降雨強度和微地形塑造方式對土壤水分的變化影響；陳飛宇[9]根據(jù)石圪圖露天煤礦實際條件，模擬降雨條件，并采用多種計算方法對孔隙水壓和邊坡穩(wěn)定性系數(shù)進行嚴(yán)密計算，得到孔隙水壓隨降雨時間增加而明顯變化的結(jié)論；陳光木[10]考慮露天礦軟弱基底條件，采用物種極限平衡條分法進行自然工況和降雨工況的模擬研究，得到了李屋排土場邊坡穩(wěn)定性安全系數(shù)隨雨量增加而減小的成果；郭雁斌等[11]通過對東部某露天礦近自然修復(fù)模式下的滲流和孔隙水壓力分析，得到了內(nèi)排土場邊坡形態(tài)重塑后抗侵蝕特性明顯提升的結(jié)論；劉胤等[12]針對廢石堆場在降雨作用下可能失穩(wěn)滑坡的問題，對比分析了多種工況下的邊坡穩(wěn)定性，驗證了降雨會明顯增加邊坡失穩(wěn)風(fēng)險的結(jié)論，并給出了考慮降雨條件下的安全設(shè)計方案。為此，在總結(jié)了其他學(xué)者研究的基礎(chǔ)上，以哈爾烏素露天煤礦內(nèi)排土場為研究對象，收集現(xiàn)實地質(zhì)信息和歷年降雨情況，通過多種工況模擬真實降雨條件下內(nèi)排土場松散體邊坡的孔隙壓力變化和邊坡穩(wěn)定性變化，探討降雨量對露天煤礦排土場邊坡滲流穩(wěn)定性的影響。

1 礦區(qū)概況

1）水文條件。哈爾烏素礦田位于準(zhǔn)格爾煤田中部，與黑岱溝露天煤礦毗鄰，該地區(qū)屬于典型大陸性氣候，四季氣溫分明，晝夜溫差比較大，冬季寒冷多風(fēng)，夏季炎熱多雨，雨量集中主要在7—9 月份。近50 年以來年最高降水量為518.5 mm，年最低降水量為273.7 mm，平均年降水量為396.1 mm，月最大降水量為401.6 mm，日最大降水量為86.5 mm，小時最大降水量為44 mm，最長連續(xù)降水日數(shù)為7 d 和8 d的降水量分別為74 mm 和37.1 mm。最冷月平均相對濕度54.5%，最熱月平均相對濕度60.4%。

2）內(nèi)排土場現(xiàn)狀。哈爾烏素露天煤礦降雨主要集中在夏季，雨后礦區(qū)地表受到很大影響：①地表形態(tài)發(fā)生了破壞；②大雨過后礦坑多處地點產(chǎn)生了大量積水，③內(nèi)排土場坡頂、礦區(qū)坑底以及內(nèi)排土場道路表面出現(xiàn)多個水坑，緩慢向下滲流，影響內(nèi)排土場的邊坡穩(wěn)定性。

2 邊坡模型及數(shù)值模擬

2.1 模擬模型和物理力學(xué)參數(shù)

通過對邊坡穩(wěn)定性影響因素的分析，參考內(nèi)蒙古自治區(qū)哈爾烏素露天煤礦計劃補充勘探報告鉆孔布置情況和哈爾烏素露天煤礦2023 年生產(chǎn)推進計劃，在保證資料齊全、地表典型的原則下，于首采區(qū)內(nèi)排土場北側(cè)選取了1 個典型剖面，查閱勘探鉆孔得到計算模型的地層信息，建立剖面模型，典型剖面地層信息示意圖如圖1。該邊坡體長約1 500 m，最高臺階為1 120 m 水平，整體邊坡角度為11°，臺階高度自上而下依次為20、45、30、30、30、30 m，其中單臺階最大邊坡角度為38°。

圖1 典型剖面地層信息示意圖

由于該剖面整體邊坡角度較為平緩，總體上較為穩(wěn)定，但單臺階角度較大，因此選取最下部臺階局部構(gòu)建邊坡體模型。網(wǎng)格劃分及監(jiān)測點位置如圖2。

圖2 網(wǎng)格劃分及監(jiān)測點位置

該模型全局單元尺寸約為3 m，上部排棄物料部分及黏土部分單元尺寸為1 m，初始水位線沿黏土層底板貫穿整個邊坡體。為實時監(jiān)測滑坡豎直方向和沿地表方向不同部位孔壓變化，在滑坡體不同位置設(shè)置5 個監(jiān)測點：監(jiān)測點1、監(jiān)測點2、監(jiān)測點3可監(jiān)測邊坡體豎直方向特定降雨條件下不同時間的孔隙水壓力變化；監(jiān)測點1、監(jiān)測點4、監(jiān)測點5 可監(jiān)測降雨影響下不同時間的近地表孔隙水壓力變化。

參照已有地質(zhì)資料巖土體力學(xué)參數(shù)并結(jié)合現(xiàn)場實際情況，本次邊坡穩(wěn)定性驗算的巖土體力學(xué)參數(shù)具體取值情況見表1。

其中，降雨主要影響的部分為上部堆積壓實的排棄物料。非飽和土中的滲透系數(shù)與基質(zhì)吸力有關(guān)，該部分參數(shù)參考了GeoStudio 中的SEEP/W 模塊自帶的樣本函數(shù)[13]。

2.2 降雨條件

主要研究不同降雨時長條件下，降雨入滲對露天礦山排土場邊坡穩(wěn)定性的影響，為排除降雨總量對邊坡穩(wěn)定性的影響，建立了1 d 降雨、3 d 降雨、5 d降雨、7 d 降雨4 種情況，其總降水量均為105 mm。其中，降雨時長7 d 是考慮到當(dāng)?shù)亟?0 年最長持續(xù)降雨時間為7 d（74 mm）和8 d（37.1 mm），總降水量是考慮到近50 年單日最大降水量86.5mm，認為這4 種情況基本能模擬當(dāng)?shù)爻Ｒ娊涤觐愋秃蜆O限情況。4 種條件對應(yīng)的降雨強度為105、35、21、15 mm/d，根據(jù)中國氣象局頒布的降水強度等級劃分標(biāo)準(zhǔn)[14]，對應(yīng)的降雨強度分別為暴雨、大雨-暴雨、中雨-大雨、中雨。

在GeoStudio 模擬軟件中的SEEP/W 模塊中，采用瞬態(tài)滲流的分析方法，將總監(jiān)測時長設(shè)定為15 d，每隔0.5 d 監(jiān)測1 次孔隙壓力和邊坡穩(wěn)定性變化，邊坡穩(wěn)定性分析采用為Morgenstern-Price 法。

3 模擬結(jié)果

3.1 孔隙壓力

邊坡內(nèi)孔隙水壓力分布及變化可以很好地展示降雨及本身地層含水對邊坡穩(wěn)定性的影響，由降雨時孔隙水壓力變化集中的區(qū)域，可以初步推斷潛在滑移面的范圍。

邊坡初始孔隙水壓力分布如圖3。

圖3 邊坡初始孔隙水壓力分布

由圖3 可知：在降雨之前邊坡孔隙水壓力呈現(xiàn)均勻?qū)訝罘植?，水位線位于黏土層底板位置，邊坡初始孔隙水壓力分布上部排棄物料總體孔隙水壓力位于-80～-100 kPa，下部受水位線影響呈現(xiàn)-40～-80 kPa 的均勻?qū)訝罘植迹痪€之上的孔隙水壓力區(qū)，對邊坡穩(wěn)定性有著積極作用，而水位線之下的正孔隙水壓力區(qū)，對邊坡穩(wěn)定性有著消極作用[15]。

使用模擬軟件分別分析了持續(xù)降雨時長為1、3、5、7 d 條件下的孔隙水壓力變化，通過預(yù)設(shè)的5個監(jiān)測點研究相同雨量條件下持續(xù)不同降雨時間對孔隙水壓力變化的影響。不同降雨持續(xù)時間下孔隙水壓力變化如圖4～圖7。

圖4 降雨1 d 孔隙水壓力變化

由圖4～圖7 可知：監(jiān)測點3 和監(jiān)測點5 位置的負隙水壓力在降雨持續(xù)期間及停雨期間變化波動不大；而監(jiān)測點1、監(jiān)測點2、監(jiān)測點4 的孔隙水壓力變化呈現(xiàn)一定的規(guī)律。如圖4，在降雨強度105 mm/d的1 d 暴雨影響下，監(jiān)測點1、監(jiān)測點2、監(jiān)測點4 的孔隙水壓力迅速上升達到峰值-40 kPa，停雨之后以不同速率逐漸下降，在總模擬時間15 d 結(jié)束時，仍處于下降趨勢。圖5、圖6、圖7 呈現(xiàn)的規(guī)律與圖4 相似，監(jiān)測點1、監(jiān)測點2、監(jiān)測點4 均在降雨期間孔隙水壓力增大，停雨之后以不同速率降低，最終孔隙水壓力分布較初始孔隙水壓力降低了許多。值得注意的是降雨時長為3 d 的孔隙水壓力峰值為-50 kPa，降雨時長5 d 和7 d 的峰值均為-60 kPa 左右。其中，監(jiān)測點2 的孔隙水壓力上升與下降速率均最慢，監(jiān)測點1 和監(jiān)測點4 孔隙水壓力上升速率接近，孔隙壓力下降速率監(jiān)測點1 較快。

圖5 降雨3 d 孔隙水壓力變化

圖7 降雨7 d 孔隙水壓力變化

4 種降雨時長下監(jiān)測點3 與監(jiān)測點5 位置孔隙水壓力變化不大的原因，是因為上部堆積的排棄物料滲透系數(shù)較大，而黏土層與泥巖層滲透系數(shù)較小，降雨主要改變排棄物料層的含水量，而對水位線及黏土層含水量的改變較小，因此位于黏土層的2 個監(jiān)測點孔隙水壓力變化微乎其微。4 種降雨時長下監(jiān)測點1、監(jiān)測點2、監(jiān)測點4 的峰值孔隙水壓力的不同是由于降雨強度的不同，相同時間內(nèi)降雨強度越高，降雨量越大，雨水向邊坡體內(nèi)入滲速度越快，非飽和土吸收的雨水越多。在達到峰值之后降雨強度與入滲速度達到平衡，將維持穩(wěn)定直至停雨。最終孔隙水壓力分布無法恢復(fù)甚至降低許多，是因為停雨后邊坡體內(nèi)含水量無法在短時間內(nèi)恢復(fù)，因此受此影響邊坡穩(wěn)定性也會在短時間內(nèi)無法恢復(fù)。

3.2 邊坡穩(wěn)定性

1）初始邊坡穩(wěn)定性。排土場臺階高度30 m，該邊坡角度為38°，邊坡體由上部堆積的排棄物料、中部粉質(zhì)黏土層和下部強度較高的泥巖層構(gòu)成。潛在滑坡模式為圓弧式滑動，沿結(jié)構(gòu)面平行被拉長滑動，根據(jù)GB/T 37573—2019《露天煤礦邊坡穩(wěn)定性年度評價技術(shù)規(guī)范》對于邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)的限值，內(nèi)排土場對于服務(wù)年限小于10 年的邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)限值應(yīng)大于1.2。該邊坡穩(wěn)定性系數(shù)大于1.2，符合安全生產(chǎn)需求。

2）降雨后邊坡穩(wěn)定性。對于4 種降雨時長條件，將SEEP/W 模塊得出的降雨模擬孔隙水變化導(dǎo)入SLOPE/W 模塊，可以得到邊坡穩(wěn)定性系數(shù)的變化，將4 種條件各30 次的安全穩(wěn)定系數(shù)匯總，各條件下邊坡穩(wěn)定性對比圖如圖8。從圖8 可以看出：受降雨持續(xù)時間及強度影響，邊坡安全穩(wěn)定性系數(shù)均呈現(xiàn)快速降低后漸漸平穩(wěn)的趨勢，最終邊坡穩(wěn)定性系數(shù)也十分接近，處于1.326 6～1.327 2 區(qū)間內(nèi)。在誤差允許范圍內(nèi)，認為最終邊坡穩(wěn)定系數(shù)一致。這與邊坡孔隙水壓力變化的最終結(jié)果十分接近。根據(jù)圖像得知，相同雨量條件下，受4 種降雨時間影響的哈爾烏素露天煤礦內(nèi)排土場臺階邊坡體邊坡穩(wěn)定性系數(shù)變化較小。

圖8 各條件下邊坡穩(wěn)定性對比圖

降雨前后穩(wěn)定性系數(shù)變化見表2。

表2 穩(wěn)定性系數(shù)變化表

由模擬結(jié)果推斷對于該露天煤礦內(nèi)排土場最下部臺階而言，短時間內(nèi)降雨滲流對最終邊坡穩(wěn)定性的影響僅與降雨總量有關(guān)，即影響短時間內(nèi)最終邊坡穩(wěn)定性的因素為降雨總量。

為印證該猜想，額外補充驗算了2 種工況下的滲流邊坡：以52.5 mm/d 降雨強度分別在0～1 d 與7～8 d 各降雨1 d，最終邊坡安全穩(wěn)定性系數(shù)為1.327 0；以10.5 mm/d 的條件持續(xù)降雨10 d，最終邊坡安全穩(wěn)定性系數(shù)為1.327 7。由此認為對于該排土場臺階短時內(nèi)滲流邊坡穩(wěn)定性影響的主要因素為降雨總量。

4 結(jié)語

1）哈爾烏素露天煤礦內(nèi)排土場邊坡的設(shè)計方案安全系數(shù)較大，邊坡的安全儲備較高。在未降雨工況下，邊坡安全穩(wěn)定性系數(shù)為1.362，潛在滑坡模式為圓弧式滑動，沿結(jié)構(gòu)面平行被拉長滑動。

2）該排土場臺階在降雨入滲初期，排棄物料層位孔隙水壓力迅速增大，基質(zhì)吸力隨之減小；降雨入滲中期，該層位孔隙水壓力保持恒定；停雨后，該層位孔隙水壓力根據(jù)位置不同呈現(xiàn)不同的下降速率。短時間內(nèi)邊坡孔隙水壓力分布恢復(fù)不到初始狀態(tài)。

3）邊坡安全穩(wěn)定性系數(shù)變化與降雨入滲孔隙壓力分布有著較為直接的關(guān)系，含水率的增高、孔隙壓力的增強導(dǎo)致排土場臺階穩(wěn)定性系數(shù)降低，4 種降雨工況下，臺階邊坡穩(wěn)定性系數(shù)下降了0.035 左右，仍處于穩(wěn)定狀態(tài)。初步認為在正常降雨條件下該邊坡體不易滑坡。

4）相同雨量條件下，不同的降雨工況在模擬結(jié)束后最終得到的邊坡穩(wěn)定性系數(shù)相似，驗證之后仍然得到該結(jié)論，因為該排土場臺階受降雨影響下短時間的邊坡穩(wěn)定性變化僅與雨量大小有關(guān)。