不同雨型下降雨入渗及其对排土场边坡稳定性影响研究

关晓锋，崔 旋，徐云富

(1.首钢集团有限公司矿业公司水厂铁矿，河北 迁安 064405；2.矿冶科技集团有限公司，北京 100160)

边坡发生滑坡失稳破坏是一种复杂的过程，由于滑坡内部结构的复杂性和组成滑坡岩土体物质的不同，其滑坡破坏模式亦有不同[1]。滑波是坡体因多种因素耦合变形，最终被某些诱发因素激发失稳、产生滑动的一种地质灾害现象。降雨与地下水是诱发滑坡发生的最常见、最主要的因素[2]。随着降雨入渗使得边坡体沿坡面线附近土体不断趋于饱和，非饱和区基质吸力降低，土体抗剪强度降低，指向坡外的渗流力加剧了边坡的下滑趋势，导致边坡失稳破坏[3]。降雨条件下影响边坡稳定性的因素有雨强、降雨雨型、降雨历时、降雨量等[4-5]。因此定量分析降雨情况下排土场边坡稳定性，对客观评价各类工程边坡具有重要意义。

有别于岩质边坡的排土场边坡，是露天矿山开采中必不可少的人造散粒体边坡，降雨入渗对其稳定性的影响较大。张亚宾等[6]以唐山某排土场为例研究了不同降雨强度对排土场稳定性的影响。朱君星等[7]通过实测统计资料提出排土场泥石流发生的暴雨临界线。本文以某大型矿山排土场边坡为研究对象，采用Geo-studio岩土工程软件建立降雨入渗引发边坡失稳的数值模拟模型，对其进行不同雨型降雨条件下的渗流场以及稳定性分析。

1 建立降雨渗流计算模型

1.1 饱和-非饱和土体渗流基本方程

饱和-非饱和土渗流理论[8]的基本方程为：

(1)

1.2 非饱和土体稳定性理论

非饱和土抗剪强度计算公式采用FREDLUND等[9]、CROSTA等[10]提出的改进的强度公式：

τf=c′+(σ-ua)tanφ′+(ua-uw)tanφb

(2)

式中：c′—有效黏聚力，kPa；φ′—与净法向应力有关的内摩擦角，(°)；φb—抗剪强度随基质吸力变化的内摩擦角，(°)；ua—孔隙空气压力，kPa；uw—孔隙水压力，kPa。

2 计算模型及参数

2.1 计算模型与边界条件

本文选取某矿山大型排土场典型剖面，对其进行降雨瞬态渗流场与稳定性分析。由工程勘察报告、现状地形图与原始地形图选取并建立计算模型如图1所示，共有单元3 402个，节点3 318个，排土场自下而上共分为三层，分别为基岩层、第四系残坡积土层和排土料层。

图1 计算模型网格划分Fig.1 Grid division of the computing model

根据排土场现场实际情况，对降雨入渗模型的边界条件设定如下：模型上部表面为流量边界或给定水头边界，具体为降雨强度小于顶层排土料饱和渗流系数时为降雨流量边界，反之，则为给定压力水头边界；模型两侧边界在地下水位以上为零流量边界，地下水位以下为给定水头边界，水头大小值为初始地下水位，下游为114 m，上游为138 m；模型底部为不透水边界。

模型左右两侧与底部均为固定边界，上部为自由边界。滑移面选择定义滑入/滑出点。

2.2 降雨工况设计

图2 设计降雨强度Fig.2 Design rainfall intensity

文献[5]提出在降雨总量相等的情况下，边坡受到后峰雨型影响时比其他雨型影响更为明显。因此降雨采用等强型、中锋型、后锋型三种不同降雨形式进行模拟，如图2所示。结合现场勘察与参考当地水文资料：降雨时长均设置为10 d，其中峰值降雨强度为8.46E-6 m/s，总降雨量设定为3 650 mm，将以这三种雨型来探讨其对边坡稳定的影响，雨型通过软件设置函数来实现。

2.3 材料参数

排土场各层物料物理力学性能参数由岩土工程勘察报告等相关资料确定，具体见表1。

表1 排土物料物理力学性能参数

3 成果分析

3.1 渗流结果分析

图3 初始条件下孔隙水压力云图(单位：kPa)Fig.3 Pore water pressure cloud diagram under initial conditions(Unit:kPa)

图4 等强型降雨末期孔隙水压力云图(单位：kPa)Fig.4 Cloud diagram of pore water pressure at the end of rainfall with the same intensity type(Unit:kPa)

降雨入渗会改变边坡体内的含水率，引起孔隙水压力的变化。图3～6是初始条件和不同雨型降雨情况下降雨各时段的孔隙水压力云图。为考虑基质吸力影响范围，正常运行情况下在排土场边坡上表面设置小降雨流量，使得饱和区基质吸力符合一般工程实际规律，即：在一定范围内，基质吸力随高程增加基本呈线性变化，超过一定的范围，基质吸力保持不变。具体为在潜水面以上约30 m范围内增幅较大，随着高程增加趋于稳定。由图3可知，初始条件下，排土场内部存在明显的饱和区与非饱和区，孔隙水压力自上而下逐渐增大。地下水位以下，排土料处于饱和状态，土体孔隙水压力为正，地下水位以下，排土料处于非饱和状态，土体孔隙水压力为负，即存在基质吸力。

由图4～6可知，三种雨型降雨条件下具有相似的渗流规律，随着降雨入渗，越靠近坡脚处孔隙水压力变化越明显。持续降雨后，排土场边坡非饱和区出现逸出点，附近孔隙水压力升高至正值，达到饱和，出现暂态饱和区。暂态饱和区随降雨时间持续增大，至降雨停止，等强型、中锋型、后峰型降雨暂态饱和区范围分别在坡面以下18、20、22 m左右。

图5 中锋型降雨末期孔隙水压力云图(单位：kPa)Fig.5 Cloud diagram of pore water pressure at the end of centre-type rainfall(Unit:kPa)

图6 后峰型降雨末期孔隙水压力云图(单位：kPa)Fig.6 Cloud diagram of pore water pressure at the end of posterior peak rainfall(Unit:kPa)

3.2 稳定性变化规律分析

考虑排土场边坡自身的特点以及滑坡的主要形式，采用极限平衡法对边坡稳定性进行计算，图7是多雨型降雨条件下不同降雨时长的稳定性安全系数变化曲线。

图7 安全系数随降雨时间变化曲线Fig.7 Curves of safety coefficient changing with rainfall time

由图7可知，对于等强型降雨，当降雨持时7 d时安全系数呈现出显著降低的趋势，到降雨模拟结束，安全系数降低了9.6%。对于中峰型降雨，当降雨持时8 d时安全系数呈现出显著降低的趋势，到降雨模拟结束，安全系数降低了9.8%。对于后峰型降雨，当降雨持时9 d时安全系数呈现出显著降低的趋势，到降雨模拟结束，安全系数降低了10.0%。

由该边坡在多雨型对稳定性安全系数下降趋势的影响，可以得出：

1)降雨工况下，边坡稳定性随降雨时间逐渐降低，安全系数最先降低的是等强型降雨，安全系数降低了20%。主要原因是边坡的含水量飞快上涨，从而后续的降雨难以渗入到边坡内，最终以地表径流形式流走。

2)中峰型与后峰型由于前期降雨量小，导致入渗的雨量较大，当降雨量达到峰值时还可以入渗，造成由降雨影响的边坡区域较大，安全系数降低的程度也较大，分别为25%和30%。

4 结论

1)降雨入渗导致边坡坡面与坡顶处孔隙水压力增大，土体非饱和区减小，形成暂态饱和区逐渐增大，降低边坡土体强度。不同雨型暂态饱和区大小亦不相同，等强型最小，后峰型最大。

2)通过不同雨型对边坡稳定性的分析，结果表明：当降雨总量一定时等强型降雨安全系数最先降低，之后是中峰型降雨，最后是后峰型降雨。雨强峰值出现的时间先后顺序影响着边坡稳定，降雨过程中越先出现雨强峰值的安全系数越早降低，对于中峰型与后峰型，虽然安全系数下降较晚，但降幅较大，即较晚出现雨强峰值的雨型对边坡更不利。