某露天矿大型排土场降雨入渗条件下的稳定性分析*

解　芮　谭卓英,2　王　莉

(1.北京科技大学土木与环境工程学院;2.金属矿山高效开采与安全教育部重点实验室)



某露天矿大型排土场降雨入渗条件下的稳定性分析*

解芮1谭卓英1,2王莉1

(1.北京科技大学土木与环境工程学院;2.金属矿山高效开采与安全教育部重点实验室)

通过对传统极限平衡公式进行修正，采用流-固耦合方法,对某铜矿排土场在持续强降雨和短时暴雨等不同降雨入渗条件下的稳定性进行了研究。结果表明：排土场边坡的安全系数在持续强降雨时平稳下降，在短时大暴雨前期下降幅度较大。边坡东部在未考虑降雨时的安全系数为1.193，经历了降雨入渗后安全系数最小为1.013，不能满足相关规范要求,终了时仅有一个特征部位的安全系数处于1.30以上，最小安全系数已降至0.867,应采取边坡加固及防排水措施，以防止降雨可能导致的排土场边坡失稳。

降雨排土场土石混合体稳定性分析

排土场作为一种特殊的人工边坡，具有结构松散、颗粒级配较差、无粘聚力等特点[1]。大气降水和地表水系对于排土场稳定性的影响很大，降雨入渗使得边坡体非饱和区的含水量增大，基质吸力降低，边坡土体非饱和区抗剪强度降低，导致土体水压力升高、强度降低，排土场稳定性受到影响[2]。持续强降雨及短时特大暴雨是导致边坡失稳的主要因素之一，目前许多学者已对此展开了相应的研究，包括对排土场地表岩土的径流特征进行分析[3-5]，研究松散岩土体主要失稳诱导因素、破坏机理[6-7]以及通过建立相应排土场渗流数学模型进行数值分析[8-10]等。

本文将在现有工程资料的基础上，对传统极限平衡公式进行修正，对某铜矿二期排土场持续强降雨和短时暴雨等不同入渗条件下边坡渗流场进行模拟计算，分析相应情况下排土场边坡的稳定性，研究降雨对排土场稳定性的影响规律。

1　工程概况

该铜矿是以铜、硫为主的多金属露天矿山，距离江西省九江市约18km。根据九江气象局资料记载，排土场区域内雨量充沛,年最大降雨量2 165.7mm，年最小降雨量868.3mm，年均降雨量1 420mm。在近期遭遇的一次罕见特大暴雨袭击中，24h内降雨量约422mm。排土场为废石松散体，属强风化岩土，强度较低，存在潜在滑坡、泥石流等问题。

2　排土场边坡模型建立及岩土参数定义

2.1非饱和土边坡稳定分析理论改进和优化

饱和土边坡稳定分析一般采用有效抗剪强度参数，可以将地下水位以上、由负孔隙水压力提供的部分抗剪强度忽略不计。然而降雨对边坡稳定性的影响主要是通过增加滑坡体的孔隙水压力，使滑体的下滑力增大、滑面上的法向应力减小，降低滑面带岩土体的等效抗剪强度[11]，最终使边坡发生滑动。所以对地下水位很深或主要考虑可能出现浅层滑动的情况，就不能再忽略负孔隙水压力的影响。

考虑非饱和土体抗剪强度，传统的极限平衡方法不再适用，通过对其进行修改，使之适用于饱和-非饱和土体的抗滑分析。Janbu普遍条分法假设了条间合力作用点的位置，适用于任意滑面[12]。一般条间作用力的作用点位于离滑面(1/3～1/2)h(h为该处滑体厚度)处。在满足合理性要求的前提下，调整作用点位置可以获得比较精确的安全系数。改进后的Janbu条分法求安全系数的公式为：

(1)

式中，c′为土体有效粘聚力；φ′为与净法向应力分量(σ-ua)有关的内摩擦角；φb为抗剪强度随基质吸力(ua-uw)而变化的内摩擦角；Wi为条分土体重量；ua为破坏面上的孔隙气压力；uw为条分土体的孔隙水压力；αi为条分土体底边与水平面的夹角。

2.2排土场典型剖面模型建立

本次研究利用SEEP/W软件求解降雨入渗条件下非饱和土坡中孔隙水压力的分布。以排土场过渡性边坡东部典型剖面为例，模型建立时需注意以下几点：①网格划分比可以影响单元性质，纵横比越大单元性质越差，需要的积分阶数越高,因此采用了纵横比为1的最佳选择；②当在不同区域使用不同类型的单元时，转换区域需要考虑两种单元的相容性，即保证相邻边结点的插值函数为同一阶数，相邻两个单元内皆为线性或非线性；③选择小的坐标值为原点，最佳为(0, 0)点。本次东部特征剖面模型网格共划分为16 909个节点，6 332个单元。参考相关工程研究经验，材料属性简化为前期排土、后期排土和基岩3个部分。其中，将排土场混合散体近似看作非饱和土。见图1。

图1　排土场现状边坡东部剖面模型

2.3材料参数选取及入渗条件界定

2.3.1材料参数

边坡渗流场的有限元模拟主要考虑的是渗透系数函数曲线和土水特征曲线，包含渗透系数、体积含水率和基质吸力等参数。土水特征曲线反应了土体的持水能力，而非饱和渗透系数函数则反应土体在非饱和区导水的快慢。本次研究利用Fredlund&Xing模型预测岩土渗透系数和体积含水率与基质吸力的关系。排土场边坡所涉及到的相关材料参数见表1，不同阶段排弃的土石混合散体的土-水特征曲线与渗透系数曲线如图2、图3所示。

表1　岩土材料参数

图2　土-水特征曲线

图3　渗透系数函数曲线

2.3.2入渗边界条件的处理

降雨入渗条件下，雨水的入渗量与岩土的渗透性、吸力状况及降雨强度、降雨持续时间等因素有关。由达西定律可得，地表各个方向上的最大入渗能力为：

(2)

式中,kij为介质饱和渗透张量；h为总水头；xi为坐标；ni为外法线方向余弦。

当降雨强度qr小于岩土的入渗能力时，降雨完全入渗，未形成地表径流，此时属于第二类边界，可表示为：

(3)

式中,r5为降雨入渗面边界。

当降雨强度大于岩土的入渗能力时，部分降雨入渗，部分降雨形成地表径流。此时，边界条件可作为第一类边界，表示为：

(4)

式中,r1为已知水头边界；z0为入渗点的相对高程。

在初始静态水位计算中，选取模型底部为不透水边界，剖面两侧边界设定为总水头h=z0，边坡表面为自由边界。降雨期间，边坡表面为降雨边界,边坡底部及两侧按不透水边界处理。

3　计算结果分析

3.1渗流场模拟结果

通过SEEP/W模拟计算,得到该矿二期排土场边坡东部典型特征剖面,在持续强降雨和短时暴雨作用下的瞬态渗流场水位线和水头分布及以下相关结果。

(1)对有限元渗流模型的初始稳态渗流场进行计算，得到初始稳态时渗流场总水头等势线的变化范围为35 ～80m，稳态水位线总体上处于排土体下方基岩内；压力水头等势线的变化范围为-15 ～60m，水位线以下部分压力水头由下至上呈逐渐变小的规律。

(2)以初始稳态渗流场模拟计算获得的稳态水位线为初始条件，模拟在持续强降雨条件下的瞬态渗流场情况。取0.017 6m/h的降雨强度，降雨24h，每4h作为一个时间步长，各步长大小相等，降雨强度不变。渗流场的水位线起点从稳态时的72m随着降雨持时的不断增加而升高，最终上升到最大值约80m。通过在各时步的总水头压力等势线分布对比分析，可得持续降雨情况下，降雨入渗主要对边坡上部后期排弃的土石混合体部分的总水头分布有所影响，对前期排弃土石混合体影响并不明显。

(3)以初始稳态渗流场模拟计算获得的稳态水位线为初始条件，模拟在短时特大暴雨条件瞬态渗流场情况。在0.105 5m/h的降雨强度下，降雨持时4h，每小时作为一个时间步长，步长、降雨强度均保持不变。通过短时特大暴雨情况下各时步的总水头压力等势线分布的对比，可得降雨在开始阶段就对边坡上部排土料部分的总水头分布有所影响，但随着降雨持时推进变化并不明显。这说明短时间内降雨量过大，大部分降雨随坡面流失，并未渗透深入坡体。另外压力水头等势线变化主要集中在边坡上部土石混合体区域，边坡水位线变化不明显。

3.2排土场边坡稳定性分析结果

分别模拟计算得到该矿二期排土场边坡各典型特征剖面在持续强降雨和短时暴雨作用下的瞬态渗流场水位线和水头分布。典型特征剖面包括过渡性边坡东部剖面、中部剖面和西部剖面，以及排土终了边坡A-A～F-F剖面(其中A-A～E-E剖面位于二期南坡排土场范围内，剖面F-F位于城门沟排土场范围内)。部分典型特征剖面安全系数与降雨关系如图4和图5所示。基于各剖面的渗流计算结果，在SLOPE/W中求出不同降雨条件下直观反映边坡稳定性的安全系数，进而分析得出边坡稳定性随降雨时间、持续类型的变化规律。不同降雨条件下排土场边坡稳定性安全系数见表2。

图4　排土场当前边坡特征剖面安全系数与降雨关系曲线

根据以上数据结果分析得出：排土场各个特征边坡稳定性随降雨持续时间增加呈明显单调下降趋势。在持续强降雨条件下，每个时间步长边坡的安全系数下降幅度较为平均，但在降雨结束时最终安全系数偏小；在短时大暴雨条件下的首个步长内，边坡安全系数出现了大幅度下降，此后的每个时间步长里，安全系数的变化幅度逐渐变小。尽管两种降雨情况的总降雨量相同，但单位降雨强度和降雨持时不同，直接导致了其对边坡稳定性的影响程度不同。

现状边坡的东部在未考虑降雨时安全系数为1.193，在经历降雨入渗的影响后安全系数最小降至1.013，不能满足相关规范要求。终了时经历降雨入渗的影响后，仅有一个特征部位的安全系数处于1.30以上，其中最小安全系数已降至0.867。显然，将出现不稳定状态，应引起重视。

图5　排土场终了边坡特征剖面安全系数与降雨关系曲线

排土场边坡状态剖面降雨状态STEP0STEP1STEP2STEP3STEP4STEP5STEP6边坡现状西部中部东部持1.6851.6531.6311.6221.6041.5881.571短1.6851.6171.6021.5841.582持1.6091.5671.5441.5291.5151.5031.489短1.6091.5511.5371.5191.505持1.1931.1751.1521.1181.0991.0481.013短1.1931.1241.1111.0551.039边坡终了A-AB-BC-CD-DE-EF-F持1.3911.3681.3501.3331.3121.2891.274短1.3911.3491.3141.3011.288持1.4731.4551.4291.4171.3921.3561.338短1.4731.4291.3841.3611.350持1.1931.1701.1491.1231.0891.0581.023短1.1931.1341.1011.0751.041持1.1031.0871.0491.0281.0090.9780.953短1.1031.0451.0210.9920.981持1.1001.0821.0551.0301.0070.9690.942短1.1001.0531.0170.9980.989持1.0231.0120.9650.9480.9210.8940.867短1.0230.9770.9320.9170.901

持为持续强降雨；短为短时大暴雨。

4　结　论

(1)传统的极限平衡方法不再适用于非饱和土体抗剪强度计算，应对其有关方法及公式进行修改，使之适用于饱和-非饱和土体的抗滑分析。Janbu普遍条分法适用于任意滑面，在满足合理性要求的前提下，调整作用点位置可以获得比较精确的安全系数。

(2)持续降雨情况下，降雨入渗主要对边坡上部后期排弃的土石混合体部分的总水头分布有影响，对前期排弃土石混合体影响并不明显；短时特大暴雨条件下，降雨在开始阶段就对边坡上部排土料部分的总水头分布有影响，但随着降雨持时推进变化并不明显。

(3)在降雨入渗条件下该矿二期排土场边坡稳定性明显降低，最终结果显示西部边坡安全系数仍大于1，但下降较明显，中东部边坡安全系数大部分已小于1，安全系数低于规范要求，应引起足够重视。

(4)现状边坡的东部在未考虑降雨时安全系数为1.193，在经历降雨入渗的影响后最小已降至1.013，最终低至0.867，安全隐患较大。为尽可能减小降雨对排土场边坡稳定性影响，应考虑地表径流量、排土场边坡集雨面积等，尽量沿坡体上部与原山地坡体的际线，合理设置排水沟，采取一定的加固措施。如发现边坡附近有泉水等地下水时，应通过管道或封闭沟将水流直接引出排土场区域。

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StabilityAnalysisoftheLargeDumpundertheConditionsofRainfallInfiltrationinaOpen-pitMine

XieRui1TanZhuoying1,2WangLi1

(1.CivilandEnvironmentalEngineeringSchool,UniversityofScienceandTechnologyBeijing,2.KeyStateLaboratoryofHigh-efficientMiningandSafetyofMetalMines(MinistryofEducation))

Thestabilityofacopperminedumpisanalyzedunderthedifferentconditionssuchascontinuallyheavyrainandshortrainstormbycorrectingthetraditionallimitequilibriumequationandusingfluid-solidcouplingmethod.Theresultsshowthatthesafetyfactorofdumpslopedeclinessteadyduringthecontinuousheavyrainfall,whileitdroppedsignificantlyinearlierperiodofshortrainstorm.Thesafetyfactorofeasternpartofsituationslopeis1.193withoutconsideringrainfall,andithasbeenreducedto1.013minimumafterexperiencingtherainfallinfiltration,whichdosenotmeettherelevantregulatoryreguirements.Attheendoftheperiod,onlyonecharacteristicspart'ssafetyfactorisstillabove1.30,theminimumsafetyfactorisreducedto0.867.Itisnecessarytotakemeasuresofslopestrengtheningandwaterproofinganddrainagetopreventinstabilityofdumpslopeprobablycausedbyrainfall.

Rainfall,Dump,Rock-soilmixture,Stabilityanalysis

2016-03-09)

*国家自然科学基金项目(编号：51174013)。

解芮(1992—)，女，硕士研究生,100083 北京市海淀区学院路30号。