孔隙水压力重分布对排土场边坡稳定性影响规律研究

田 光，韩 流，舒继森，杨 日

（中国矿业大学 矿业工程学院，江苏 徐州 221116）

随着我国经济发展进入形势转变关键期，资源消耗量提升同时伴随剥离物的迅速增加，对煤炭企业安全、高质量生产提出了更大的要求和挑战[1-2]。受全球极端气候变化等因素影响，近些年滑坡等地质灾害发生频率逐步提高，且根据降雨强度不同呈现季节性分布[3-4]。所以，降雨对我国大型露天矿排土场边坡稳定性及生态环境均有重要影响[5-7]。全年降雨量较为丰富的矿区，水对边坡稳定性影响程度往往较其他因素更为突出[8-9]。

目前国内外针对坡体内孔隙水压力分布特性已经进行了较多研究，包括不同影响因素影响下孔隙水压力变化情况[10-13]；分析降雨入渗规律及破坏机理[14-16]以及通过极限分析等方法研究孔隙水压力对边坡稳定性影响作用[17-20]。

以某矿排土场为例进行研究，模拟分析矿区不同地下水位孔隙水压力重分布情况及稳定性系数变化情况以确保矿区人员及设备安全，对其边坡稳定性进行研究与分析具有重要的理论和实践意义。

1 岩土体物理力学参数

1.1 排土场地质条件

该矿主要排弃物为表土及泥灰岩等剥离物，排土场坡顶计划高程1 525 m水平，坡脚高程1 220 m水平。土层为第四系残坡积层黏性土，抗水性能较差，堆填后易形成软弱结构面，对排土场边坡稳定性产生不利影响。基底地层岩性以灰岩为主，无明显软弱夹层，整体强度不影响排土场稳定性。

矿区内全年降水量较多，水位线分布相对较高，排土场边坡受入渗作用影响坡体赋存松散层孔隙水，排弃物料分布区富水性强，土体含水率高。坡体内部孔隙水压力分布变化时，土体软化易形成软弱结构面[21]，暴雨时水流富集，更易形成坡面侵蚀沟并产生侧向孔隙水压力，进一步降低排土场稳定性。

1.2 排土场岩体力学参数

通过现场实际岩土勘察工作及原位试验方法选取该矿8—9月不同排弃高度排土场岩性测定混合排弃物料的岩体力学参数，并参照《岩土工程勘察规范》、《土工试验方法技术标准》、《原状土样技术标准》等相关技术规范要求进行参数选取。排弃物料地质参数根据排弃时间段不同主要由3部分组成。混合排弃物料力学参数表见表1。

表1 混合排弃物料力学参数表Table 1 Mechanical parameters of mixed waste materials

其中基底岩性主要由灰岩及泥质粉砂岩等岩性构成。其中：内摩擦角39.3°，黏聚力3.1×103kPa，密度2.67 t/m3。整体基岩自身强度基本满足稳定性要求，不对排土场边坡稳定性产生影响。

2 水压力重分布对边坡稳定性影响机理

露天矿边坡内地下水运移规律遵循达西定律，岩体孔隙渗流路径图如图1，不同岩性岩体颗粒中有着类似图1的入渗规律。随着开采过程中降雨作用的不断影响，坡体孔隙水压力进行重新分布，岩体内部孔隙空间也随之改变，形成入渗通道，渗流路径改变，加速入渗作用。因为不同排弃高度土层渗透系数差异较大，易形成上部饱和区，饱和区域范围逐渐扩大并下移至与地下水相连。地下水位的逐渐升高往往会对边坡造成不同程度的侵蚀和弱化，在台阶表面形成冲沟并诱发滑坡事故。

图1 岩体孔隙渗流路径图Fig.1 Pore seepage path diagram of rock mass

由于排土场岩土不断堆积和压实等作用，坡体内部孔隙度会呈现出近似成层土的空间分布和渗透特性。水流渗入不同土层时交界处孔隙水压力增大,形成局部积水现象，土体抗剪强度下降，边坡安全系数降低。

受降雨作用影响时水流较多情况为垂直土层渗入，在边坡内形成垂直层理渗透。根据土力学知识，垂直渗透时，各岩层渗流量相等，总水头等于各层水头损失之和，坡体等效渗透系数ky的计算公式为：

式中：ky为垂直方向等效渗透系数，m/s；H为排土高度，m；Hn为第n层岩体厚度，m；kn为第n层岩体垂直方向渗透系数，m/s。

3 不同孔隙水压力分布下边坡稳定性

依据极限平衡理论通过SLOPE/W模块进行模拟分析。SLOPE/W可对复杂边坡岩土体属性、滑移面变化、地下水分布及孔隙水压力等各项情况建模分析，还可从有限元应力方法等角度切入进行边坡稳定性综合分析计算与对比，满足不同情况下的边坡稳定性评价工作。

3.1 模拟参数

模拟分析模型如图2。边坡高度为现排土高度220 m，边坡角度15°。顶部排弃高程1 422～1 467 m水平，台阶高度10 m，坡面角30°，平台宽度20 m。排土场不同区域混合物料渗透系数经现场钻孔抽水试验测得为1.82×10-6～7.92×10-6cm/s，透水性等级为微透水性,模型参照式（1）选取采用排土场等效渗透系数为k=ky。

图2 模拟分析模型Fig.2 Simulation analysis model

3.2 孔隙水压力重分布数值模拟

针对该矿每年8—9月份排土场实际降雨情况及地下水位分布情况进行数值模拟，对不同岩层进行参数赋值，分别分析有无地下水影响时排土场边坡安全系数变化及地下水位升高5 m和降低10、20、30 m等不同高度时孔隙水压力重分布情况并进行边坡稳定性评价。边坡稳定性分析图如图3，孔隙水压力重分布图如图4，边坡稳定系数变化情况如图5。

图3 边坡稳定性分析图Fig.3 Slope stability analysis

图4 孔隙水压力重分布图Fig.4 Pore water pressure redistribution

图5 边坡稳定系数变化情况Fig.5 Variation of slope stability coefficient

受地下水位变化影响，边坡内部孔隙水压力实现重新分布，图4（a）中水位升高5 m时，负孔隙水压力分布范围减少，边坡基质吸力降低，整体安全系数呈下降趋势；图4（b）、图4（c）、图4（d）分别为水位降低10、20、30 m时水压力变化，负孔隙水压力分布范围变大，边坡基质吸力增加，安全系数逐渐上升。当地下水下降30 m时到达边坡滑移面以下，此时随着地下水位下降不再影响滑移面范围内边坡稳定性，安全系数变化趋于平缓。

4 结 语

1）孔隙水压力重新分布改变边坡内部孔隙空间及地下水渗流路径。随着影响范围不断变化，边坡呈现不同程度的弱化和侵蚀，不同土层交界处土体抗剪强度降低，排土场边坡稳定性下降。

2）地下水升高和降低不同高度时，边坡安全系数先减小后增加，孔隙水压力变化较为集中区域，边坡安全系数波动较为明显。

3）地下水分别降低10、20、30 m时，边坡安全系数由1.359逐渐升高至1.421。地下水高度降低30 m后水位线靠近基底，整体降至滑移面以下，随着高度的进一步降低边坡安全系数变化趋于稳定。