长历时降雨入渗对多台阶排土场边坡稳定性影响研究

2014-03-04甘海阔周汉民郄永波

有色金属（矿山部分） 2014年5期

甘海阔，周汉民，崔旋，郄永波

（北京矿冶研究总院，北京102628）

降雨入渗是边坡失稳的主要诱发因素。在我国每年由于长历时降雨或短时暴雨所引发的各类岩土边坡失稳次数多达数万次［1］。大批学者就降雨条件下边坡稳定性展开研究工作［2－6］，普遍认为：降雨造成岩土体浅层饱和度及重度增加、基质吸力锐减，并最终导致物料综合抗剪强度降低，从而造成浅层滑坡失稳。露天矿排土场作为由矿山剥离岩土物料堆积所形成的大体积人工土石边坡，排土物料多由土夹砾石、块石、水、孔隙介质等组成；作为大型滞水蓄水体，其滑坡失稳的频发受降雨影响更为显著。但与自然岩土边坡另外明显不同的是：除受降雨、边坡堆积体性质等外在因素影响之外，人工排土场边坡稳定性还与具体的排土工艺密切相关；且通常按照堆置方式的不同，可将排土场划分为单台阶、覆盖式多台阶、压坡脚多台阶及组合式台阶排土场等几类［7］。

一方面，相对自然边坡而言，人工排土场边坡稳定性的影响因素多、堆置状况复杂；对于不同堆置方式下排土场边坡受降雨影响后的稳定性差异可能较大；另一方面，当前国内外学者针对降雨条件下的排土场边坡稳定性研究工作相对较少［8－10］，对由降雨所导致的各类排土场边坡的滑坡破坏方式、滑坡机理等的研究尚不明确。深入开展降雨工况下各类排土场边坡的稳定性分析研究对于保证排土场安全运行具有十分重要的意义［11］。本文以国内某多雨地区排土场为例，分析雨季情况下高陡台阶排土场边坡临界失稳的原因。重点以该排土场经优化设计后的多台阶边坡为例，开展长历时降雨条件下瞬态渗流场分析及稳定性演化规律研究。研究工作可为揭示降雨期间排土场多台阶坡面渗流变化规律及多台阶边坡滑坡机理提供基础，并可为相关类似工程的设计、施工等提供参考。

1 排土场高台阶临界滑坡分析

某铜矿排土场地处我国南方充沛雨量地区，场区年降雨量1 532．7～2 470．1mm，小时最大降雨量为53．2mm；雨季最大连续降雨天数达10d，最大连续降雨量为421．6mm。该排土场属单台阶山坡型排土场。由粗放高台阶快速推进式排土后形成的边坡平均高度达257m，平均坡度约38°，如图1所示。排土场排土堆积体由采场剥离的砾质粉土、含砾粉质黏土、块石等经自然混排堆积而成，结构松散度高，岩土分布不均，含泥量高。2011年雨季长历时降雨之后，排土场单台阶边坡处于临界滑坡失稳状态；具体表现如下：排土场坡顶前缘约20m处出现沿纵向基本完全贯通的裂缝，裂缝宽度在数厘米至十几厘米之间（见图2）；坡脚区域土体出现局部底鼓隆起（见图3）；边坡不时出现小范围的排土体坍塌现象。

图1 排土场高陡台阶边坡Fig．1 The high and steep dump slope

图2 排土场前缘裂缝发育情况Fig．2 The cracks in the dump slope leading edge

图3 排土场边坡临界滑移失稳示意Fig．3 The critical instability state of the dump slope

经现场充分调研，分析得出排土场临界滑坡原因如下：1）该排土场排土物料本身为砾质粉土、含砾粉质黏土、块石、孔隙介质等组成的多相土石混合料，由于排土推进速度过快，致使物料结构松散度高，并直接导致物料自身抗剪强度降低及渗透系数增大。2）采用“一坡到底”全段排土所形成单台阶边坡属高陡台阶边坡，自然状态下边坡安全系数较低。3）排土场坡面未设置任何截排水设施，导致雨水能够充分汇流、入渗，长历时降雨条件下造成物料重度增加、基质吸力锐减，并最终诱发了边坡浅层临界失稳现象。

2 排土场多台阶边坡渗流场分析

2．1 计算基本资料

为切实保证排土场的稳定性，对该排土场进行了专项设计治理工作。设计工况下排土场共分4个台阶进行堆排，各台阶标高分别为757m、681m、605m、529m。其中，第二、第三、第四台阶具有相同的台阶高度和坡比（台阶高度76m，台阶坡度27°）。第一台阶则为现状工况高陡单台阶经坡度优化后形成，台阶坡度27°，台阶高度保持不变，其典型剖面如图4所示。

为深入分析多台阶边坡受降雨的影响程度，选取当地10d最大连续降雨量421．6mm作为降雨边界条件，利用SEEP有限元软件对该多台阶排土场边坡进行10d降雨、10d停雨共计20d的长历时工况下瞬态渗流场分析。计算选取的排土土料的土水特征曲线和渗透系数曲线如图5～6所示。

图4 排土场多台阶典型剖面Fig．4 The typical profile of the multi－stage dump slope

图5 排土土料的土水特征曲线Fig．5 Curve of volatile water content and pore water pressure

图6 排土土料的渗透系数曲线Fig．6 Curve of conductivity and pore water pressure

2．2 渗流场计算结果分析

图7（a、b、c、d）分别对应降雨0d、5d、6d、10d工况下瞬态渗流场计算结果。综合分析可得：

1）降雨0～5d：各台阶表层小范围内土体孔隙水压力逐步升高；随着降雨的持续，受降雨影响的孔隙水压力变动深度也逐步增加。

2）降雨第6d：坡脚及各平台转折处表层土体的孔隙水压力首先由零增加为正值，形成了暂态饱和区。其原因为该区域具有较好的积水效应，雨水易在此处发生停滞与汇流。

3）降雨第7～10d：暂态饱和区不断增大，由线扩展成条带，由单个排土平台扩展成连通整个排土表层的条带，且分布范围随降雨不断向土体下部发展。同时受整个降雨所影响的土体基质吸力变化范围也不断增大。

4）整个降雨过程各台阶边坡渗流场呈现出一定的规律差异性，表现为：第四台阶受降雨影响的孔隙水压力变动范围最小，第一台阶受降雨影响的孔隙水压力变动范围最大。各台阶的降雨影响范围依次为第四台阶＜第三台阶＜第二台阶＜第一台阶。其原因为：长历时降雨时，多台阶坡面的渗水自然渗流方向为由高到低，造成少量高台阶渗水能够向低台阶补充，入渗水量增多造成对孔隙水压力的影响范围增大。其中，第一台阶还受到坡脚浸润线抬升的影响，因此该台阶边坡受长历时降雨影响最大。

图8（a、b、c、d）则分别为10d降雨之后，对应停雨1d、5d、8d、10d工况下的渗流场计算结果。综合分析可得：

1）停雨1～2d：各台阶边坡暂态饱和区迅速消散，由沿四个台阶表层连成一体的整体变为中断独立的小区域。同时，暂态饱和区与边坡表层土体发生“脱离”，即坡顶最表层土体孔隙水压力由正值恢复为负值。

2）停雨1～10d：各台阶边坡表层土体的孔隙水压力一直处于缓慢恢复的状态，且不断向稳态未降雨工况下的孔隙水压力分布规律趋近；但停雨期间孔隙水压力恢复周期较长，停雨10d后边坡表层孔隙水压力恢复至－80kPa左右。

3）整个长历时降雨结束并不代表降雨对边坡渗流场规律影响的结束，相反存在一场长历时降雨长期影响排土场内部孔隙水压力分布规律的现象。即水体在自重作用下不断下渗，含水量较高的土体仍在持续补给下部含水率较低的土体，边坡内部土体孔隙水压力仍处于不断升高的趋势。

3 排土场多台阶边坡瞬态稳定性研究

基于长历时降雨及停雨工况下渗流场计算结果，采用SLOPE软件中Bishop刚体极限平衡法，对该排土场多台阶边坡进行瞬态稳定性计算分析。排土场各材料分区力学参数如表1所示。图9则为计算结果中各台阶最危险滑移面示意图，图10为四个台阶在历时10d降雨及10d停雨工况下边坡安全系数演化曲线。从图中分析可得：

1）第一台阶由于为原高陡单台阶经坡度优化后形成，各阶段边坡安全系数明显低于其他台阶。正常工况下边坡安全系数为1．608。在降雨的第10 d，边坡安全系数突降至最低值1．370，且此时对应其最危险滑移面由深层滑动变为浅层滑动。

2）由于具有相同的单台阶高度及坡度，第二、三、四台阶的边坡安全系数演化规律近乎相同。以第二台阶为例，初始工况边坡安全系数为2．608。对应降雨历时的第7d，该边坡最危险滑移面由深层滑动转变为浅层滑动时，边坡安全系数突降至2．082，之后边坡安全系数进一步显著降低，在降雨第10d达到最低值1．605。

3）整个降雨及停雨时段中，各台阶边坡稳定性呈现出规律相似性，表现为：1）初期短历时降雨对排土场各台阶边坡稳定性影响较小，各台阶边坡安全系数降低幅度较小；2）随着降雨历时的增大，其最危险滑移面由深层滑动转变为浅层滑动时，边坡安全系数呈现出显著降低的趋势。3）整个停雨时段各台阶边坡稳定性安全系数回升速度较慢，仅表现为比降雨期间最低值略微增大。

分析其原因在于：长历时降雨期间，边坡表层土体的基质吸力降低最为明显，当降雨导致的表层土体基质吸力影响范围达到一定深度时，将会诱发浅层滑坡现象。在此之前，各台阶边坡最危险滑移面均表现为深层滑动。停雨期间，边坡表层基质吸力处于缓慢恢复状态，而边坡内部大部分土体的基质吸力则仍在逐步降低。因此，停雨时段各台阶边坡稳定性安全系数回升速度较慢。