抚顺西露天矿北帮“7·25”滑坡数值反演分析

樊赟赟，刘孝龙

（东北大学 资源与土木工程学院，辽宁 沈阳 110004）

露天矿边坡在地震、降雨等触发条件下，可能会发生边坡失稳问题，进而严重的威胁着矿山的生产和安全[1]。其中降雨是触发露天矿边坡失稳的1项重要因素。入渗的降雨通过改变边坡渗流场、岩土体的物理和力学性质等方式影响着边坡的稳定性[2]。在我国暴雨后露天矿边坡发生滑坡与泥石流的案例时有发生[3]，因而对露天矿边坡在降雨条件下进行系统的稳定性分析和评价十分必要。

学者们以不同的方式对降雨条件下的边坡稳定性进行了研究。徐全等采用饱和-非饱和渗流理论，对土体渗透性及降雨强度对边坡安全系数影响的分析研究[4]；张我华等运用现代非线性分析的突变论方法研究降雨裂缝渗透影响下山体边坡可能发生突发性失稳和渐进演化性失稳滑坡的机理、突发性滑坡灾变机理、以及灾变累积性演化机理的研究[5]；王一兆等对降雨和停雨期间孔隙水压力对浅层边坡滑动面影响的分析研究[6]；陈国国等对降雨引发孔隙水压力瞬态分布及基质吸力变化影响[7]进行了研究；翁新海等对降雨诱发滑坡机制[8]进行了研究。在试验研究方面，林鸿州等通过试验得到了降雨历时和雨强对孔隙水的影响，研究了与之对应边坡的破坏模式[9]；刘福明等通过相似模型试验分析边坡表面压实区对雨水入渗的影响[10]；潘皇宋等采用离心模型试验，研究降雨对特定形状破坏面边坡的影响[11]；范秋雁等通过连续降雨实验，研究边坡的响应特征[12]；李龙起等通过不同降雨类型及支护条件下顺层边坡的地质力学模型试验，分析雨水入渗对坡体位移、孔压以及支护结构受力的影响[13]。在数值模拟研究方面，张磊等从降雨入渗下颗粒运移的角度分析降雨潜蚀和入渗相互作用下边坡稳定性的变化情况[14]；王柳江等利用有限元法从降雨入渗和降雨引起应力变化的角度分析边坡在渗流场和应力场作用下的边坡稳定性[15]；王协群等从降雨条件下强度和变形参数变化的角度分析降雨入渗深度对非饱和路堤稳定性和滑动面变化特征的影响规律[16]；刘洋等从水分运移规律的角度，研究降雨强度、水分扩散率以及导水率变化对边坡水分运移的影响[17]；戚国庆等通过模拟边坡降雨入渗过程中基质吸力的变化、暂态饱和区的形成、发展以及暂态水压力的分布和变化[18]；Asano Y等进一步发展出降雨条件下边坡稳定性的优化模拟方法等[19]。近年来，多种方法相结合的方式成为研究降雨条件下边坡稳定的重要的方向[20]。

对抚顺西露天矿北帮“7·25”滑坡进行了反演计算，以分析滑坡特征和校准计算参数。在此基础上研究排水条件和岩石风化破碎带深度对边坡稳定性的影响，所得到的结果可为类似边坡在降雨条件下的稳定性分析提供参考与借鉴。

1 工程概况

西露天矿是抚顺矿业集团有限责任公司下属分公司，位于抚顺煤田西部、浑河南岸和千台山北麓。露天矿北帮地层条件较为复杂，冲积层沿北帮顶部台阶连续出露，出露标高为+58～+62m，最大厚度35 m，平均厚17m。冲积层下部为下白垩系龙凤坎组岩石，分布于F1至F1a断层之间，由玄武岩、白垩系砂岩、砂页岩组成；再往下为绿色泥岩、褐色页岩及油页岩层；最下部为煤层。除了地层复杂，北帮的地质构造表现也比较突出，主要是F1与F1a断层，F1断层走向NE80°，倾向北西，倾角47°～52°，上盘为白垩系龙凤坎组地层，下盘为第三系煤系地层；F1a断层走向NE80°～85°，倾向北西，倾角70°～75°，上盘为太古界鞍山群的花岗片麻岩，下盘为白垩系破碎砂岩；在F1与F1a之间还有次级断层F1-1、F1-2，断层走向倾向与F1大致相同。砂岩破碎带宽20～30m，发育有断层泥、角砾岩等。北帮的水文地质条件较为不利，北帮冲积层与浑河河床相邻，含水层连续分布，北帮冲积层底板低于浑河常年水位3～13m，矿坑距浑河最近距离1000m，与浑河水力联系密切，直接受浑河补给水源。另外，北帮上部的发电厂、石油一厂、水泥厂等企业和周边居民也以明沟暗渠将工业、生活污水排入冲积层中，沿基岩接触面渗出或越流补给下部F1a至F1断层之间基岩和断层破碎带[21]。

2016年7月25日晚，抚顺地区遭遇了降雨量近200mm的50年一遇的暴雨，次日早西露天矿北帮发生局部滑坡。滑坡后缘位置标高+75m，前缘剪出位置位于12段下部台阶，标高为-25m附近，高差约110m，南北方向水平距离300m，东西边界分别在E800和E1300附近，东西宽约500m，影响了东露天电铁内排和西露天矿东区上部排土，严重妨碍了采区正常生产[22]。

2 数值模型建立

根据西露天矿北帮东侧边坡实际工程地质条件和2016年滑坡相关信息，选取位于滑坡区域中间位置具有代表性的北帮东区E1000剖面进行数值建模分析，抚顺西露天矿北帮“7·25”滑坡剖面如图1。

图1 抚顺西露天矿北帮“7·25”滑坡剖面图Fig.1 Section of the“7·25”landslide in the north side of Fushun West Open-pit Mine

计算模型边坡高225m，高程为-150m至+75 m，水平距离655m，范围为N745到N1400。模型的选取长度包含了滑坡的发生区域及破坏后的堆积区域，考虑到岩石风化破碎对岩石的强度以及渗透性有着显著影响，所以划定50m的岩石风化破碎层[22]。

根据计算区域的地质情况，其中绿色泥岩和褐色页岩部分裸露在地表，岩石完整性较差且破坏较为严重。F1及F1a断层之间部分砂岩裸露在地表，风化破碎也较为严重，岩石完整性较差，透水性较好。岩土材料计算参数见表1[23-26]。

表1 岩土材料计算参数表Table1 Calculation parameters table of geomaterials

在渗流场的计算模拟中，为与现场监测水位相符，将边坡的表面设定为入渗流量边界，右侧为流量补给边界，底面为不透水边界。E1000剖面在标高-40m附近设置有排水管，用于控制地下水位，将排水设置为零压力排水边界。抚顺西露天矿北帮滑坡剖面模型如图2。

图2 抚顺西露天矿北帮滑坡剖面模型Fig.2 Section model of the landslide on the north side of Fushun West Open-pit Mine

3 计算结果分析

在已有资料中并未给出右侧边界的流量，但给出了地下初始水位[27]，应用软件Geo-Studio中Seep模块通过反演计算得到与实际初始水位线相符的流量作为边界，所得到的初始边坡渗流场计算结果如图3。

图3 初始边坡渗流场计算结果Fig.3 Numerical result of initial slope seepage field

由图3可以看出，计算的水位线与实际的水位线仅在排水管端存在一定的差异，这与排水管的工作状态及计算的简化有一定关系，但整体上水位线的模拟吻合情况良好，可以认为初始渗流场的计算是正确和有效的。

在初始渗流场计算的基础上，利用Seep模块模拟在降雨条件下的边坡渗流场，降雨强度设置为与实际相符的25mm/h，并用Slope模块计算在不同降雨历时条件下的安全系数。不同极限平衡方法计算结果见表2。

表2 不同极限平衡方法计算结果表Table2 Calculation results obtained by different limit equilibrium methods

由表2可见，各方法的计算结果存在一定的差异，其中Bishop法计算的安全系数偏高，Ordinary和Janbu法计算得到的安全系数则偏低，而M-P计算的结果则与实际的失稳时间（8h）相吻合。相比其他几种计算方法，M-P法考虑了力与力矩的平衡，适用于任意滑动面安全系数的计算，是一种在理论上更加严格的极限平衡计算方法。对于本项工程而言具有更强的适用性，基于M-P方法的计算结果不仅在边坡失稳时间上与实际情况相符，其得到的计算滑动面也与实际的滑动面吻合良好，边坡失稳滑动面计算结果如图4。

图4 边坡失稳滑动面计算结果Fig.4 Calculation result of the sliding surface

从反演结果来看，虽然由于模型简化和理论假定所限，计算条件不能完全与现实一致。但在计算中所得到的初始浸润面、边坡失稳时间和滑动面等重要信息均与实际吻合良好，从而说明了计算是正确而有效的。

虽然在大暴雨条件下抚顺西露天矿北帮发生了“7·25”滑坡，但前期的一些工程措施在一定程度上也对边坡稳定性起到了积极作用，例如边坡排水管的设置便有效的降低了地下水的水位线，若排水失效显然会对边坡稳定产生不利的影响。为探讨排水的作用，通过计算得到排水失效条件下的边坡渗流场，排水失效条件下的边坡渗流场如图5。

图5 排水失效条件下的边坡渗流场Fig.5 Slope seepage field under drainage failure condition

由图5可以看到，在排水失效的条件下，水位线有了显著的上升，从-42m附近上升到-25m附近，这对边坡的稳定性是极为不利的，在降雨的条件下水位线上升将会导致边坡快速失稳。基于M-P方法排水失效条件下边坡失稳滑动面计算结果如图6，边坡安全系数随降雨历时变化曲线分别如图7。

图6 排水失效条件下边坡失稳滑动面计算结果Fig.6 Calculation results of the sliding surface under drainage failure condition

图7 边坡安全系数随降雨历时变化曲线Fig.7 Curves of slope safety factor changing with rainfall duration

从计算结果可见，尽管与排水有效时的滑动面相比排水失效时的变化不大，但若排水失效，则边坡的初始安全系数便已经有所降低，随着降雨的发展，边坡将在降雨5h左右的时间失稳，相比排水有效的条件，失稳时间将提前3h。

由于滑坡区后缘沿F1断层破碎带出现数条东西走向拉裂缝[22]，控制边坡失稳的后缘位置基本确定，由风化和卸荷等作用产生的绿色泥岩和褐色页岩互层破碎带便成为控制边坡稳定性的另一重要因素。为分析风化破碎带深度对边坡稳定性产生的影响，在相同的初始渗流场条件下，利用M-P方法计算不同风化破碎深度条件下的边坡稳定性，风化破碎深度对边坡稳定性安全系数的影响曲线如图8。

图8 风化破碎深度对边坡稳定性安全系数的影响曲线Fig.8 Influence curves of the depth of weathering fracture zone on the safety factor of slope stability

由图8可以看到，随着风化破碎深度的增加，边坡的安全系数迅速下降，当风化破碎深度达到50m及以上时，风化破碎带深度对边坡稳定安全系数影响的敏感性降低。计算结果表明，受到多种因素影响与制约的风化破碎深度是决定边坡稳定性的关键因素，绝不能忽视其动态变化的特征，需要采用现代测量手段加强对其的动态监测。

4 结 语

抚顺西露天矿北帮“7·25”滑坡渗流及失稳的反演结果与实际相符，验证了计算的正确和有效；排水是降低水位的有效措施，一旦失效将降低边坡稳定性并加速边坡失稳，应重视对排水的定期检修；在露天开采过程中风化破碎带可能是动态变化的，应通过加强监测实现对边坡的动态安全评价。