长历时降雨对高陡边坡排土场渗流影响分析及稳定性研究*

韩亚兵 崔 旋 甘海阔 刘欣欣

(1.北京矿冶科技集团有限公司；2.金属矿山智能开采技术北京市重点实验室)

排土场是一种人工建造形成的高陡堆积边坡，用于集中堆存矿山排弃物。作为矿山重要的控制性工程，不仅关系到企业经济效益，而且影响到排土场下游居民生命财产安全及周边生态环境质量。魏丽等[1]通过对全国290个县市地质灾害调查结果显示,暴雨诱发的滑坡约占滑坡总数的90%。《中国典型滑坡》[2]中列举的90多个滑坡实例，其中95%以上都与降雨有密切关系[3]。高陡边坡排土场在受到大气降雨作用下，稳定状态将迅速恶化。如海南铁矿6号排土场东部于1973年8月连续2 d降雨之后产生了数十万立方米的大滑坡；朱家包包铁矿1号排土场因雨水浸润作用造成1978年4月—1979年1月先后发生了3次发生滑坡，体积达36万m3。可见，降雨已成为诱发排土场滑坡的一个非常重要的因素。

目前，对于降雨条件下的边坡稳定性分析主要集中在岩质和土质边坡中，对降雨条件下排土场(尤其是对于多雨地区的高陡边坡排土场)边坡稳定性的研究成果较少[4-9]。本研究通过开展长历时降雨对排土场渗流演化规律分析及稳定性研究，有助于进一步分析降雨过程中雨水作用规律以及排土体内部渗流运动特性，并定量分析其对排土场稳定性的影响程度，指导排土场现场堆排施工。

1 降雨入渗基本理论

符合达西定律的非均质各向异性可压缩土体的三维空间非稳定渗流的水头函数方程可表示为[10]

(1)

式中，h=h(x,y,z,t)为待求水头函数，t为时间坐标；kx，ky，kz为以x，y，z轴为主轴方向的渗透系数；Ss为单位贮存水量或贮存率[11]。

若不考虑土体压缩或单位贮存率(Ss=0)，上式变可变为Laplace方程形式的特殊情形[11]：

(2)

式(1)、式(2)所对应的定解条件为[12]：

(1)初始条件。可表示为

h|t=0=h0(x,y,z,0) .

(3)

(2)边界条件。假设边界Γ =Γ1+Γ2+Γ3(Γ1为第一类边界条件，如上下游水位边界面和自由渗出面等已知水头边界；Γ2为不透水边界面和潜流边界面等第二类边界；Γ3为自由边界，也属第二类边界，但作为流量补给边界，其补给量随着时间和位置而变化)，则有边界条件[11]：

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h|t=h(x,y,z,t) ,

(4)

(5)

(6)

式中，n为边界面外法向；kn为法向上的渗透系数；q为潜流面的已知单位面积流量，q=0为不透水边界；μ为给水度。

正常工况下，排土场的稳态渗流分析是降雨条件下瞬态渗流分析的初始条件，可以通过给定沿着地表面的1个小入渗流量来实现[13]。当降雨强度小于土壤表面的入渗能力时，计算入渗速率作为降雨强度，边界条件为第二类边界条件；当降雨强度大于土壤表面的入渗能力时，入渗强度等于土壤的入渗能力，边界条件转换为第一类边界条件[14-15]。

2 高陡边坡排土场瞬态渗流场分析

2.1 排土场概况

某排土场位于我国南方多雨地区，属于山坡型单台阶排土场。排土高度约257 m，由于该区域原始地形坡度陡，排土体自然坡度达38°。场区年降雨分配不均匀，主要集中于夏季，最大降雨量为53.2 mm/h，连续降雨天数可达10 d左右。为充分评估该排土场在降雨条件下的稳定状况，本研究开展了降雨过程中的饱和—非饱和排土场渗流运动规律研究，为多雨条件下排土场稳定性研究提供依据。

本研究计算中，典型剖面采用4节点二维等参数单元，网格共计6 019个单元，5 994个节点。为深入研究孔隙水压力随坡面和不同埋深的变化规律，在坡面以下0.5 m深处设置了1#～5#测点作为辅助特征点，设置了A-A′、B-B′ 2个断面作为辅助监测断面，如图1所示。计算选取当地连续10 d最大降雨量1.4×10-5m/s为降雨边界条件，采用GEO-studio/seep软件对连续10 d降雨与停雨10 d共20 d进行渗流场分析。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2、图3所示。

图2 排土料渗透系数关系曲线

图3 排土料土水特征关系曲线

2.2 渗流场计算结果分析

分析图4可知：

图4 不同工况下瞬态渗流场计算结果(单位：m)

(1)降雨1 d后，排土场在坡面表层出现了暂态饱和区；随着降雨历时的增加，暂态饱和区范围沿坡面线不断扩展、延伸；至降雨5 d后，整个坡面附近区域形成了1个由暂态饱和区构成的“饱和壳”[16]，并随着降雨过程的延续向边坡内部扩展，降雨10 d后暂态饱和区范围位于坡面以下15 m左右。

(2)降雨停止1～2 d后，连续暂态饱和区逐渐消失，暂态饱和区仅在雨水容易汇集的坡顶及坡脚局部小范围存在；随着降雨停止时间的延长，暂态饱和区完全消失，雨水在重力作用继续向坡脚及坡体内部流动，逐渐影响坡体内部基质吸力的分布及变化。

降雨过程中及停雨后，1#～5#监测点的孔隙水压力变化如图5所示。分析图5可知：

(2)降雨停止后(1～10 d)，随着历时的增长，暂态饱和区迅速消散，孔隙水压力逐渐回落，坡面重新恢复至非饱和状态。从孔隙水压力增加及消散速度来看，位于坡脚5#点处的孔隙水压力增加最快，是由于降雨过程中，雨水在边坡表面入渗后在重力作用下逐渐向边坡坡脚汇集所致；降雨停止后，坡脚处受到较高位置水体补充，5#点处的孔隙水压力消散速度相对缓慢。

图5 1#～5#监测点孔隙水压力变化特征

A-A′、B-B′监测断面上的孔隙水压力分布如图6所示。分析图6可知：

(1)降雨过程中及降雨停止后，坝顶纵向断面(A-A′断面)和坝坡纵向断面(B-B′断面)沿高程方向的孔隙水压力变化规律基本相同，对于同一截面均表现为：降雨前(0 d)排土场表面至潜水面以上50 m范围内的孔隙水压力基本维持在-380 kPa左右，沿深度方向变化不大，距离潜水面约50 m范围内的孔隙水压力由负值迅速升高为正值。

(2)降雨过程中(1～10 d)，坝坡以下30 m范围内的孔隙水压力变化较大，30 m以下的孔隙水压力变化较小；且随着降雨历时增加，降雨对坡面孔隙水压力的影响范围逐渐加大，表层孔隙水压力出现正值，即暂态饱和区。

(3)降雨停止后(11～20 d)，在重力作用下，降雨入渗水量继续向坡体内部及坡脚汇集，表层孔隙水压力由正值减小为负值，暂态饱和区逐渐消散；坡体内部的孔隙水压力随着停雨时间的延长继续下降，从而影响了坡体内部孔隙水压力分布，进而影响了排土场深层稳定性。

图6 不同工况对应的孔隙水压力分布特征

从孔隙水压力变化来看，降雨停止后(11～20 d)，坝顶纵向断面(A-A′断面)的最小孔隙水压力减小量小于坝坡纵向断面(B-B′断面)，主要是由于坝顶纵剖面处排土物料覆盖厚度较大，坝坡处排土物料覆盖厚度较小所致。可见，降雨对排土场内部孔隙水压力的分布与排土物料堆积高度有关，堆积高度越大，降雨对内部孔隙水压力分布的影响越小。

3 高陡边坡排土场稳定性分析

通过分析高陡边坡排土场在多雨条件下的稳定性演化规律，可为多雨地区高陡边坡排土场日常管理及灾害预警提供依据。本研究排土场稳定性分析在降雨10 d及停雨10 d瞬态渗流场计算结果的基础上，利用GEO-studio/slope软件中的Bishop刚体极限平衡法模块[17]，对该高陡边坡排土场开展稳定性计算分析。排土场各材料分区的力学参数取值如表1所示。图7为降雨10 d(最危险)工况下边坡深层和浅层滑动的安全系数演化曲线。

表1 各分区材料力学参数

由图7可知：

(1)正常工况下，排土场抗滑稳定安全系数为1.263，最危险滑动面表现为深层滑动。

(2)降雨初期(0～5 d)，随着降雨持续，雨水渗入排土体，坡面土体含水率升高，基质吸力降低，但整个坡面未形成连续贯通的暂态饱和区，抗滑稳定安全系数降低至1.219，最危险滑动面仍以深层滑动为主。

图7 降雨10 d工况下不同滑动模式安全系数随时间的变化曲线

(3)降雨后期(5～10 d)，坡面大部分区域达到饱和状态，出现正孔隙水压力(即暂态饱和水压力)，连续贯通的暂态饱和区形成，抗滑稳定安全系数大幅下降，最危险滑动面同时出现于暂态饱和区内，表现为浅层滑动。10 d降雨后,抗滑稳定安全系数降低至0.999，排土场处于临界破坏状态。

(4)降雨停止后，随着雨水向排土体内部下渗，暂态饱和区消散，深层排土体内部基质吸力降低，危险滑动面由浅层滑动转化为深层滑动。停雨10 d后，排土场安全系数升高至1.155。降雨停止后的边坡抗滑稳定安全系数的回升速率远小于降雨时抗滑稳定安全系数的下降速率。

4 结 论

(1)降雨过程中，主要对坡面以下30 m范围内土体基质吸力产生影响并形成暂态饱和区，对排土体内部基质吸力的影响不大。降雨停止后，在重力作用下水体继续下渗，排土体内部土体基质吸力逐渐降低，暂态饱和逐渐区消失，从而影响土体深层抗滑稳定性。降雨对排土场内部孔隙水压力分布的影响与排土物料堆积高度有关，堆积高度越高，降雨对内部孔隙水压力分布的影响越小。

(2)纵观整个过程，降雨初期，排土场安全性主要受深层滑动破坏方式控制。随着降雨历时的增长，滑动面逐渐由深层滑动向浅层滑动转化，在坡面形成连续贯通饱和区后，排土场安全性受浅层滑动破坏方式控制。降雨停止后，随着雨水下渗及暂态饱和区消散，排土场安全性恢复为由深层滑动破坏方式控制。

(3)从整体安全性来看，持续降雨10 d后，排土场安全系数降低约 0.264，停雨10 d后，排土场安全系数升高约0.156，降雨引起抗滑稳定系数的降低速率大于停雨后抗滑稳定安全系数的升高速率。因此，多雨地区应避免排土场高陡边坡出现，强化排土段高及坡度的优化控制。