降雨條件下某礦山排土場邊坡穩(wěn)定性分析

劉泉 王晨

摘要：降雨入滲會引起排土場邊坡巖土體強度降低，增加上部巖土體容重，導致邊坡穩(wěn)定性降低。以某露天礦山排土場邊坡為例，采用GeoStudio軟件模擬分析了不同降雨時長下邊坡孔隙水壓力特征與安全系數(shù)。結果表明：隨著降雨時長的增加，孔隙水壓力極值不斷增大，且孔隙水壓力朝向邊坡頂部不斷增大，安全系數(shù)則不斷降低。研究結果為該礦山排土場邊坡穩(wěn)定提供參考。

關鍵詞：降雨入滲；排土場；數(shù)值模擬；孔隙水壓力；安全系數(shù)

中圖分類號：TD804文章編號：1001-1277（2024）04-0096-03

文獻標志碼：Adoi：10.11792/hj20240419

引 言

排土場滑坡是影響露天礦山安全生產的重要災害，給礦山及礦區(qū)周邊居民的安全帶來了嚴重威脅［1-2］。降雨是自然界一種常見自然現(xiàn)象，對排土場邊坡而言，降雨入滲會增加上部巖土體容重，導致排土場邊坡穩(wěn)定性降低，進而影響露天礦山安全生產作業(yè)與開采進度［3］。因此，研究降雨條件下排土場邊坡穩(wěn)定性對于礦山的安全生產與經(jīng)濟效益有重要工程現(xiàn)實意義。

近年來，國內學者對邊坡滲流與穩(wěn)定性關系做了大量研究。周忠良等［4］采用數(shù)值模擬與極限平衡法分析了不同降雨工況下排土場應力應變特征，得出了降雨條件下排土場整體穩(wěn)定性大于局部穩(wěn)定性規(guī)律?？姾Ｙe等［5］利用GeoStudio軟件研究了降雨條件下排土場邊坡位移特征，明確了排土場邊坡變形破壞規(guī)律。郭雁斌等［6］利用GEO軟件中SEEP/W模塊研究了某礦山排土場在降雨條件下滲流及孔隙水壓力特征。陳光木［7］采用數(shù)值模擬方法研究了李屋排土場邊坡穩(wěn)定性，結果表明，降雨對排土場邊坡影響顯著，安全系數(shù)隨著降雨量的增加而不斷降低。劉向峰等［8］研究了降雨條件下?lián)犴樜髀短斓V邊坡穩(wěn)定性，發(fā)現(xiàn)降雨對排土場邊坡穩(wěn)定性影響顯著，應采用加固手段提前治理。

研究表明，降雨入滲作用對排土場邊坡穩(wěn)定性有較為顯著的影響，降雨使得排土場巖土體自重增加，改變其原有滲流場，并削弱自身抗滑能力，造成穩(wěn)定性不斷降低?；诖耍疚囊阅陈短斓V山排土場為研究對象，采用GeoStudio軟件進行降雨條件下的飽和-非飽和滲流模擬分析，最終得到降雨入滲條件下排土場邊坡的安全系數(shù)。

1 排土場概況

該排土場原始地形為空曠斜坡，南高北低，坡度10°～20°。現(xiàn)堆積體四周界線較明顯，排土場規(guī)模較小，屬于小型排土場，其潛在傾滑方向約為340°。排土場現(xiàn)處于生產狀態(tài)，已經(jīng)形成了4 335 m平臺和4 341 m平臺。堆積物包括覆蓋土和夾石，位于露天采場東北側，排土區(qū)域占地面積約0.12 km2，地形呈斜坡狀，包含2個臺階，前緣坡腳高程為4 315 m，后緣平臺高程約為4 341 m，相對高差26 m左右。排土場設計容量978.5萬m3，目前已排放159.15萬m3，其中，4 315～4 335 m平臺已排剝巖量為112.9萬m3，4 335～4 341 m平臺已排剝巖量為46.25萬m3。排土場平面圖與剖面圖分別見圖1與圖2。

2 巖體力學參數(shù)

礦巖物理力學參數(shù)是計算結果可靠性的主要影響因素。根據(jù)礦山提供的資料，確定最終巖體物理力學參數(shù)，結果見表1。

3 模型構建與邊界條件

排土場邊坡降雨入滲有限元單元網(wǎng)格計算模型見圖3。模型兩側和底部設置為不透水邊界，模型上部邊界施加正單元流量q模擬降雨。根據(jù)資料，礦區(qū)年平均降雨量為996 mm，蒸發(fā)量1 421 mm，其中5—9月為雨季，月降雨量133～256 mm，最大暴雨強度41 mm/d。本次模擬降雨強度為50 mm/d，降雨時長分別為6 h、12 h、18 h和24 h。

4 數(shù)值模擬結果分析

4.1 孔隙水壓力特征

通過GeoStudio軟件的SEEP/W模塊分析計算出各降雨時段下邊坡孔隙水壓力，結果見圖4。由圖4可知：隨著降雨時長增加，孔隙水壓力極值不斷增大，且孔隙水壓力朝向邊坡頂部不斷增大。由此表明，降雨入滲改變了排土場滲流特征，導致非飽和帶土體基質吸力降低，進而對邊坡穩(wěn)定性造成不利影響。

4.2 安全系數(shù)變化特征

通過GeoStudio軟件的SEEP/W模塊分析計算出各降雨時段下邊坡安全系數(shù)，結果見圖5。由圖5可知：隨著降雨時長增加，安全系數(shù)不斷降低，表明排土場邊坡穩(wěn)定性變差。由此表明，一方面，降雨入滲增加了排土場巖土體自重，增大了其下滑力；另一方面，降雨入滲使排土場非飽和帶土體基質吸力降低，抗剪強度下降，進而導致邊坡穩(wěn)定性降低。

5 結 論

為研究降雨入滲作用對排土場穩(wěn)定性的影響，以某露天礦山排土場為研究對象，采用GeoStudio軟件進行降雨條件下的飽和-非飽和滲流模擬分析，得到了不同降雨時長下排土場邊坡孔隙水壓力特征及安全系數(shù)變化情況。

1）降雨入滲改變了排土場內部滲流特征，隨著降雨時長的增加，孔隙水壓力極值不斷增大，且孔隙水壓力朝向邊坡頂部不斷增大。

2）降雨入滲一方面增加了排土場自重，增大了其下滑力；另一方面使排土場非飽和帶土體基質吸力降低，抗剪強度下降，進而導致排土場邊坡穩(wěn)定性降低。

［參 考 文 獻］

［1］ 李文超，張波，李偉.伊敏露天礦生態(tài)修復技術［J］.露天采礦技術，2022，37（5）：82-85．

［2］ 王振偉，李斌，王智濤，等.伊敏露天礦弱層與正斷層復合作用下順傾邊坡變形規(guī)律［J］.露天采礦技術，2022，37（5）：24-27．

［3］ 陳芳芳.雨水滲透對土質邊坡穩(wěn)定性的影響分析［J］.河南科技，2022，41（6）：57-60.

［4］ 周忠良，連民杰，孫世國.不同降雨工況對排土場安全性影響規(guī)律研究［J］.金屬礦山，2023（8）：278-282.

［5］ 繆海賓，馬明康.滲流條件下內排土場邊坡變形破壞機理及力學特性［J］.露天采礦技術，2023，38（2）：5-7，2.

［6］ 郭雁斌，張傳偉，田光，等.內排土場邊坡近自然重塑滲流及孔隙水壓力特征研究［J］.煤礦安全，2023，54（2）：161-165.

［7］ 陳光木.降雨對露天礦軟弱基底排土場邊坡穩(wěn)定性的弱化效應［J］.礦業(yè)研究與開發(fā)，2022，42（12）：56-62.

［8］ 劉向峰，郭子鈺，王來貴，等．降雨礦震疊加作用下?lián)犴樜髀短斓V邊坡穩(wěn)定性分析［J］．中國地質災害與防治學報，2021，32（4）：40-46.

Analysis of slope stability of a mine dump under rainfall conditions

Abstract：Rainfall infiltration can cause a decrease in the strength of the rock and soil mass on the dump slope，increase the bulk density of the upper rock and soil mass，and reduce the stability of the slope.This paper takes a mine dump slope as the background，and uses GeoStudio software to simulate and analyze the pore water pressure characteris-tics and safety factors under different rainfall durations.The simulation results indicate that as the duration of rainfall increases，the limit value of pore water pressure continuously increases，and the pore water pressure increases towards the top of the slope，while the corresponding safety factor decreases.The study provides references for the stability of the dump slope in the mine.

Keywords：rainfall infiltration;dump;numerical simulation;pore water pressure;safety factor