大型露天铁矿边坡三维渗流分析研究
2013-11-20隋智力李庆文
高 稳，乔 兰，隋智力，李庆文
（1.北京科技大学土木与环境工程学院土木工程系，北京100083；2.北京科技大学金属矿山高效开采与安全教育部重点实验室，北京100083；3.北京城市学院，北京100083）
岩质边坡的稳定性是保证大型露天铁矿采掘作业安全的关键，采场边坡内部水力特性和渗流场的分布，对边坡稳定性有着重要的影响。坡体内部的渗流特性，受岩体结构面发育程度、岩石类别、水头高度等多方因素影响。土体中水力传递主要依靠的是土颗粒中的达西渗流作用，而岩体中的水力传递则由岩体节理发育程度决定。岩体内存在的大量节理裂隙网络，成为岩体中水力传递的主要通道［1］。在数值模拟分析中，常采用多孔连续介质模型，将裂隙中的水等效平均到整个岩体中，再将其视为具有对称渗透张量的各向异性连续介质体［2］。
水厂铁矿是一座大型变质岩型磁铁矿床，矿区位于河北省迁安市境内，西至北京200km，西南至唐山80km，东南至迁安市20km。矿区西帮与滦河河道紧邻，滦河水系与此段边坡内地下水间的水力联系密切。此外，矿区地下水还能接受大气降水补给，西帮局部地段人工堆积废石，透水性好，大气降水就地入渗补给地下水，故对矿区西帮边坡进行渗流稳定性分析是十分必要的。
1 水文地质条件
北采场西帮有六组最优势节理裂隙，倾向分别为 NE60°～70°、SE120°～130°、SE160°～170°、SW200°～210°、NW340°～350°、NW270°～280°。其主要结构面的粗糙度以平直光滑为主，结构面的间距较大，其充填物主要是绿泥石化方解石，偶见轻微蚀变、局部氧化膜，岩体结构性较好。且结构面发育程度各个方向较为均匀，未体现出很强的方向性。由此可知，这样产生的渗流场不会有很大的方向上的差异，对边坡的力学特性的影响也比较均匀。根据Hoek－Brown提出的岩石力学理论，这种节理组合不会让坡体呈现很明显的各向异性，故其水力分析可以按照均质体考虑。
根据地质勘查报告可知，水厂铁矿含水层特征如下所述：
1）第四系洪坡积弱～中等富水性孔隙潜水层：含水层不甚发育，厚度一般约10m左右，地下水埋深0.21～3.80m。
2）侏罗系中统后城组微弱富水性裂隙潜水含水岩层：岩石比较致密，节理不发育，含水微弱。
3）长城系常州沟组弱～中等富水性裂隙潜水含水层：岩石坚硬致密，形成陡峻的山脊。
4）太古界三屯营组二段Ⅳ及Ⅵ层弱～中等富水性裂隙潜水承压含水岩系：Ⅵ层含水层厚度19.67～79.00m，Ⅳ层含水层厚度20～62m。
5）太古界三屯营组二段Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和Ⅴ层微弱～弱富水性裂隙潜水含水岩系：含水层厚度一般约80m左右。
2 采场边坡三维渗流场分析
2.1 渗流数学模型
三维多孔连续介质模型的数学表达式为［3］：
式中：Ss为岩体的单位储存量，单位m3；kij为渗透系数，其双脚标的物理意义为两次投影量。
对于三维稳定渗流问题，式（1）可以改写为［4］：
且在域Ω中：式（3）在S1上。
式（4）在S1上。
式（5）在S3和S4上。
式中：Ki（i＝x，y，z）为渗透系数；H为渗透水头；Ω为渗流域；Z（X，Y）为浸润曲面或者溢出段曲面上相应点（X，Y）上的位置水头；q为边界上单位面积流的流量空间渗流区域；S1为已知水头值的边界曲面；S2为给定流量曲面；S3为浸润面；S4为溢出段。
2.2 渗透系数的确定
2.2.1 通过单孔压水试验确定渗透系数
压水试验是以单位吸水量ω来表示的。在实验规程中，建议等效渗透系数按下式计算［5］：
式中：l为压水试验段长，一般为5m；r为压水钻孔半径，单位m；ω为单位吸水量，单位为L／（min·m2）。
2.2.2 通过注水试验确定渗透系数
当钻孔中地下水埋藏很深或者试验层为透水不含水层时，采用注水试验代替抽水试验，近似地测定岩层的渗透系数［6］，公式见式（7）。
式中：l为注水试验段长，单位为m；r为注水钻孔半径，单位m；Q为注水量，单位为m3；S为水位变化量，单位m。
2.2.3 计算选用的渗透系数
现场部分压水试验成果及注水试验成果曲线，分别如表1和图1所示［7］。
三维渗流数值计算中所涉及到的渗透系数，如表2所示［8］。
表1 KE钻孔压水试验成果表
图1 KE钻孔159.60m深度注水试验综合成果图
表2 数值计算中涉及岩石的渗透系数表
2.3 数值模型的建立
根据工程岩组特征、岩体结构特征、岩体不连续面特征、采矿设计及边坡方位特征，水厂铁矿北采场研究区共被划分为Ⅰ～Ⅴ五个工程地质区。本文对采场西帮边坡的局部坡体进行了三维渗流场计算和分析，采用FLAC3D有限差分软件进行建模计算。选取1剖面到7剖面之间的坡体建立计算模型，模型长为2000m，宽和高均为900m，模型的开挖底板标高与开挖设计深度一致，分别为－440m、－410m、－335m和－180m，模型及其在矿区的位置详见图2。
图2 渗流计算模型及其在矿区中的位置
现场勘查资料表明，矿区岩体在渗透性上未显示出各向异性的特点，故此次渗流计算采用各向同性的渗流模型进行计算。计算中，取滦河水位按一般水位取值，为67m。
2.4 渗流模拟结果及分析
图3给出了模型达到计算平衡后，西帮边坡整体的三维渗流情况分布。分析图3可知，边坡出水点的平均标高为－120m，出水点标高随坡高、坡角的减小而增高；坡体渗流场在远离坡面的坡体内部受坡面状况影响较小，基本稳定，但在近坡面的坡体内部影响大，变化剧烈。
分析图4可知，剖面1的出水点标高在－150m左右，水位线陡峭，与坡面呈小角度相交。
分析图5可知，剖面3的出水点标高在－110左右，水位线相对于剖面1来说平缓了一些，与坡面呈小角度相交。
分析图6可知，剖面5的出水点标高在－100m左右，水位线相对于剖面1和剖面3来说平缓了许多，已经快接近水平。
图3 西帮边坡三维渗流分布图
图4 剖面1三维渗流分布图
图5 剖面3三维渗流分布图
图6 剖面5三维渗流分布图
分析图7可知，剖面7的出水点标高在－80m左右，水位线几乎接近水平。另外，还对剖面7丰水位时的渗流场进行了计算，结果显示此时的出水点标高在－50m左右。
图7 剖面7三维渗流分布图
3 结论
本文在对水厂铁矿西帮边坡三维渗流场分析的基础上，得出如下结论：
1）边坡渗流场受边坡高度影响较大，坡度越高，水位线越陡峭，出水点也越低。
2）此次计算并未考虑地表蒸发量变化对水位产生的影响，故整体计算结果相对保守，且未考虑断层裂隙水的影响，不能代表局部裂隙渗水的情况。
3）剖面7相对滦河距离较近，而且丰水期出水点高程较高，虽然整体不会出现动水破坏的情况，但是高水位对边坡稳定性有一定影响。建议在丰水期加强现场观测，必要时可采取降排水措施。
4）开挖对边坡坡面附近一定范围内的渗流场影响较大，在评估边坡稳定时不能忽视其影响。
［1］王鹏，乔兰，李长洪，等.岩质边坡渗流场中等效连续介质模型的应用［J］.北京科技大学学报，2003，25（2）：99－130.
［2］张有天，周维垣.岩石高边坡的变形与稳定［M］.北京：中国水利水电出版社，1999.
［3］周维垣.高等岩石力学［M］.北京：水力电力出版社，1990.
［4］孙讷正.地下水流的数学模型和数值方法［M］.北京：地质出版社，1981.
［5］东北勘测设计院修订.SL25－92水利水电工程钻孔压水试验规程［S］.北京：中华人民共和国水利部、能源部，1992.
［6］蔡美峰，何满潮，刘东燕.岩石力学与工程［M］.北京：科学出版社，2002.
［7］北京科技大学，首钢矿业公司.露天矿深部安全强化开采综合技术研究专题研究报告［R］.2004.
［8］首钢地质勘查院地质研究所.水厂铁矿修改设计边坡稳定性研究补充地质勘查钻孔压水试验整理成果表图册［R］.2010.
