不同降雨条件下台阶边坡稳定性研究

曹 丽 黄 曼 邢恩达 卢斌强 任番泉 黄永亮

(1. 绍兴文理学院 土木工程学院，浙江 绍兴 312000；2. 浙江省岩石力学与地质灾害重点实验室，浙江 绍兴 312000；3. 浙江省水利水电勘测设计院，浙江 杭州 310000；4. 浙江省有色金属地质勘查局，浙江 绍兴 312000)

0 引言

露天矿台阶边坡的稳定性受多种因素控制，强降雨和台阶几何参数是影响边坡稳定的直接因素[1-4]．降雨入渗增大岩体重度，减小基质吸力、 弱化岩体抗剪强度， 极易引起矿山边坡发生

滑坡灾害．台阶几何参数与边坡稳定息息相关，强降雨作用下，恰当的台阶几何参数可以避免边坡发生滑坡，减小经济损失和人员伤亡，因此，对沿海地区受强降雨影响的露天矿边坡进行台阶几何参数优化具有十分重要的意义．

目前对于强降雨对边坡稳定性的影响，已有许多学者[5-11]从不同方面(降雨历时、降雨强度、降雨类型、坡面形态)进行了广泛而有益的探索．涂国祥[12]分析降雨影响边坡稳定性的时间效应研究工作，认为稳定性系数随着降雨历时的进行，存在滞后效应．张立博[13]针对露天矿高陡岩质边坡降雨入渗问题，分析了安全系数随降雨历时的变化，认为安全系数随降雨历时的变化曲线呈“V”形．高华喜[14]对深圳市滑坡与降雨强度关系进行相关性分析，认为大暴雨或者特大暴雨直接导致滑坡的发生，相关系数达到0.8以上．Liu[15]认为降雨入渗主要出现在地表坡面处，在相同降雨量下，边坡安全系数随着降雨强度的增加而降低．蔡欣育[16]、詹良通等[17]利用Geo-Studio软件探讨了不同降雨类型下边坡渗流稳定性和安全系数的变化，提出了较大雨强和前锋型降雨模式下，边坡更易发生失稳的观点．研究结果均显示了边坡稳定性与降雨有着直接的关联．

台阶边坡形态与岩石局部渗透率有关，对边坡失稳机制有所影响．虽然有许多学者如宋维胜[18]、和大钊等[19]、Xie等[20]研究边坡角等几何参数和内摩擦角等强度参数对边坡稳定性的影响，认为几何参数对边坡变形影响大于力学参数的影响，但该研究均未考虑降雨作用．王叶娇[21]、朱丽娟[22]研究了降雨和边坡几何参数对饱和土质边坡的影响，但该研究针对土质边坡，对岩质台阶边坡针对性不强，王茜[23]考虑降雨的因素对力学参数作相应的折减，分析了坡高、坡脚对单台阶边坡的影响，但该研究仅针对单台阶岩质边坡，组合台阶边坡受降雨影响可能与此不同．

基于此，本文在前人研究基础上，进一步探讨降雨对岩质组合台阶边坡失稳的影响．以温州霓屿料场台阶边坡为背景，探讨边坡在降雨条件下的变形破坏特性，并对台阶边坡的几何参数进行对比研究和优化设计，该优化分析考虑了不同降雨条件，可为沿海地区凝灰岩露天矿山边坡开采提供科学的工程指导．

1 工程背景简况

露天矿山普遍较高，高度范围自几十米至几百米不等，边坡越高，暴露在外的岩体面积越大，该岩体经长期风化腐蚀，强度较低，稳定性较差，易发生滑坡灾害，因此，边坡多采用台阶式开采．露天矿台阶式开采是根据设计的几何参数，对矿山进行自上而下以台阶形式逐步开采的过程．多个台阶组合成的斜坡便是露天矿台阶边坡，台阶的几何参数决定了露天矿边坡的最终形态[24]．台阶边坡的几何参数主要为平台宽度、台阶高度、台阶边坡角．平台宽度的大小决定着下部边坡承受上部边坡滑阻力的大小，当边坡角固定时，台阶高度大小决定着坡长大小和自重力大小，台阶边坡角决定着边坡的陡峭程度．一般而言，平台宽度越大，台阶高度越小，边坡角越小，边坡越稳定，但随之也将造成资源损失，对台阶几何参数进行优化研究，保证边坡安全生产的同时，也减少不必要的浪费．

以温州市霓屿料场露天矿山为研究对象，该矿山位于洞头霓屿岛南侧．目前矿场已开采区东西长500 m左右，南北宽360 m左右，出露地层主要为上侏罗统高坞组(J3g)，上侏罗统高坞组岩性主要为深灰色流纹质晶屑凝灰岩，具晶屑凝灰结构，块状构造．矿体厚度较大，无非矿夹层，延伸稳定．区内水文地质条件、工程地质条件和环境地质条件均为简单类型，在坡中下部多处见基岩出露．矿区濒临东海，雨水丰富，多年平均降雨量1 846.9 mm，年均相对湿度79.3%，汛期降水量一般占全年的2/3左右，夏季受台风暴雨影响较大，强降雨入渗极易造成边坡发生滑塌(矿区现场及滑坡如图1所示)．而恰当的台阶参数可以弱化滑坡发生的可能，因此，需采用科学的手段对降雨条件下台阶边坡稳定性进行分析及台阶边坡几何参数进行优化．

2 不同降雨条件下台阶边坡变形特性研究

受台风暴雨的影响，温州市洞头区2019年8月8号开始发生强降雨，降雨持续4天，在此期间，矿场边坡受降雨影响产生位移，为了解边坡变形的情况，利用数值计算和位移监测进行强降雨作用下的边坡位移研究(见图1)．

图1 矿区现场及滑坡现象

2.1 基于数值模拟的变形特性研究

2.1.1 数值模型

本文选取边坡设有监测点的A区域和B区域建立数值模型，利用MIDAS GTS NX有限元软件，对边坡进行稳定性分析．其中A区域共10个台阶，B区域7个台阶，平台宽度W坡中(EL190平台)为8 m，其余为5 m，台阶高度H为15 m，台阶边坡角α为57 °，坡顶宽W1为70 m，坡底宽W2为30 m，台阶坡顶线L为100 m，模型如图2所示．

图2 模型示意图

为提高精度和加快运算速度，边坡台阶处网格划分得较细，X轴和Y轴处划分较粗．边坡整体受自重作用，四周施加自动约束，模型坡顶，斜坡和坡脚受强降雨影响，定义为降雨边界，其中，降雨强度q为10 mm/h，降雨时间t分为降雨期t1(24 h、48 h、72 h、96 h)和停雨期t2(120 h、144 h)，渗流面为边坡表面，岩土层采用软件内置修正摩尔库伦本构模型．岩石力学参数根据工程地质勘查资料，结合室内岩石物理力学性能试验综合取值，如表1所示．

表1 岩石力学参数选取

依据相关规范[25-26]，结合背景工程边坡类型以及边坡的地质环境，综合确定了本次安全系数评价范围．其中，自重和暴雨工况下，安全系数大于1.1为稳定状态，处于1.05至1.1之间为基本稳定状态，处于1.0至1.05之间为欠稳定状态，小于1.0为不稳定状态．

2.1.2 台阶边坡变形破坏失稳模式分析

由于A区域和B区域的变形破坏失稳模式相似，因此选取贯通整个边坡的A区域进行分析．图3为边坡A区域在不同降雨条件下的塑性应变云图及其安全系数．从塑性区数值来看，降雨72 h时，塑性应变值最大，之后，塑性应变值逐渐减小，但均比降雨24 h时数值大，表明了降雨前期， 岩质台阶边坡稳定性下降较快． 从塑性区范围来看，降雨24 h时，塑性区范围较宽泛，之后逐渐变得贯通和细窄，且塑性区呈现圆弧形状，滑出区顺着台阶向坡脚移动，与实际情况相符合．从安全系数来看，边坡安全系数随着降雨历时的增长，呈减小趋势，降雨前期，衰减趋势较快，降雨后期，衰减趋势较缓慢，停雨后安全系数趋于平缓且有回升趋势，但不明显．

(a)降雨24 h (b)降雨48 h (c)降雨72 h

露天矿台阶边坡滑坡的形成过程大致为：随着开挖高度的增加，在自重的作用下，上部边坡对下部边坡存在一定的作用力，下部边坡会逐渐向临空面移动，且由于下部边坡的台阶平台宽度较窄，对上部边坡的抗阻力较弱，下部边坡易发生局部滑坡．强降雨加快了滑坡的形成，当降雨量达到一定值之后，雨水渐渐从岩石表面渗入岩石内部，导致岩石自重增大，基质吸力减小，抗剪强度降低，且坡体内形成较贯通雨水入渗裂隙带，即边坡滑动带．随着降雨持续浸润，边坡自重作用下，滑动带不断拓展贯通，直至边坡发生滑坡．

2.2 基于现场监测的变形特性研究

采用索佳NET05AXII全自动全站仪对边坡表面位移进行实时监测．边坡表面位移监测点在高程上按30 m高差布置，在平面上按200 m间距，局部适当加密布置．监测点布置如图2所示，其中A区域布置四点，监测点ET3-01至ET3-04自上而下高程依次为250 m、235 m、205 m、175 m，B区域布置三点，监测点ET2-01至ET2-03自上而下高程依次为220 m、205 m、175 m．

图4为边坡表面变形累计位移图，由图4可知，整体上，边坡表面累计位移呈上升趋势，最大位移发生在A区ET3-01(250 m高程)监测点处，最大位移值为3.8 mm；最小位移发生在B区ET2-03(175 m高程)监测点处，最小位移值为2.6 mm．位移变化值由大至小为ET3-01>ET3-03>ET2-01>ET2-02>ET3-02>ET3-04>ET2-03，可见，大致上位移随着高程的增大而增大．

图4 边坡表面变形累计位移图

2.3 数值模拟结果与监测结果对比分析

图5为边坡监测值与模拟值对比图，由图5可知，监测值与模拟值的位移变化趋势相近，说明了数值模拟的可靠性．其中，A区域监测值和模拟值最大位移均发生在ET3-01(250 m高程)处，最大值分别为3.8 mm和4.2 mm，最小值发生在ET3-04(175 m高程)处，最小位移值分别为3.1 mm和2.6 mm；B区域监测值和模拟值最大位移均发生在ET2-01(220 m高程)处，最大值分别为3.6 mm和3.8 mm，最小值发生在ET2-03(175 m高程)处，最小位移值分别为2.6 mm和2.8 mm．两者的位移值均小于安全警戒值，边坡整体变形较小，整体处于稳定状态，局部仍可能发生滑坡．

图5 边坡监测值与模拟值对比图

3 不同降雨条件下台阶边坡几何参数优化

3.1 不同降雨条件下台阶宽度优化

在对降雨作用下台阶宽度参数进行优化选择时，保证其他参数不变(H=13 m，α=60 °，t1=96 h、t2=48 h)，台阶宽度分别为3 m、4 m、5 m、6 m、7 m．当降雨强度为10 mm/h时，定义为持续弱降雨，当降雨强度为100 mm/h时，定义为持续强降雨．

持续弱降雨时，降雨强度q=10 mm/h，得到的安全系数变化情况如图6(a)所示．由图可知，整体上，安全系数下降趋势较平缓，边坡受持续弱降雨影响不大，平台宽度7 m时安全系数下降趋势较明显，可能是由于当平台宽度超过一定的数值后，雨水汇集在平台上不易散开，过量的雨水缓慢渗入平台内部，加深渗透范围，因此平台宽度超过某一值后，安全系数随着降雨量的增加降低较明显．降雨144 h后，安全系数除平台宽度3 m降低为1.097以外，其余均大于1.1，可见，岩质台阶边坡受持续弱降雨影响不大，边坡依旧处于稳定状态．

持续强降雨时，降雨强度q=100 mm/h，得到的安全系数变化情况如图6(b)所示．由图可知，安全系数下降趋势较明显，降雨时间为同一天时，平台宽度与安全系数呈正相关，降雨期内，安全系数随着降雨历时的增加而降低，停雨期内，安全系数先是持续降低，继而增大，这是由于降雨入渗具有滞后特性，安全系数变化趋势和降雨时间不吻合，且强降雨滞后特性比弱降雨明显．降雨144 h后，安全系数均小于1.1，大于1.05，边坡由稳定变为基本稳定，可见，边坡受持续强降雨影响较大．

(a)降雨强度10 mm/h (b)降雨强度100 mm/h

3.2 不同降雨条件下台阶高度优化

在对降雨作用下台阶高度参数进行优化选择时，保证其他参数不变(W=5 m，α=60 °，t1=96 h、t2=48 h)， 台阶高度分别为9 m、11 m、13 m、15 m、17 m．

持续弱降雨时，降雨强度q=10 mm/h，得到的安全系数变化情况如图7(a)所示．由图可知，不同高度下，安全系数变化趋势较为平缓，受弱降雨影响较小，降雨144 h后，安全系数均大于1.1，边坡依旧处于稳定状态．

(a)降雨强度10 mm/h

持续强降雨时，降雨强度q=100 mm/h，得到的安全系数变化情况如图7(b)所示．由图可知，不同高度下，安全系数下降趋势较为明显，受强降雨影响较大．随着降雨的进行，不同台阶高度安全系数变化趋势出现分化，以台阶高度13 m为阈值，前三个台阶高度(9 m、11 m、13 m)变化趋势一致，后两个台阶高度(15 m、17 m)变化趋势相近．同一降雨历时下，台阶高度13 m与15 m的安全系数相差较大，表明了降雨强度较大时，台阶边坡达到一定的高度后，安全系数下降趋势出现分化，可能是由于边坡越高，承受强降雨冲刷和浸润的面积越大．降雨144 h后，台阶高度17 m安全系数为1.051 6，临近欠稳定状态，其余高度下，边坡处于基本稳定状态．

3.3 不同降雨条件下台阶坡度优化

在对降雨作用下台阶坡度参数进行优化选择时， 保证其他参数不变(H=13，W=5 m，t1=96 h、t2=48 h)，台阶坡度分别为50 °、60 °、70 °．

持续弱降雨时，降雨强度q=10 mm/h，得到的安全系数变化情况如图8(a)所示．由图可知，台阶坡度为50 °时安全系数下降趋势较快，而坡度为60 °和70 °时安全系数下降趋势很平缓， 这可能是由于坡度越小，边坡越平缓，雨水越容易滞留汇集在坡面，因此入渗深度较深，当坡度为60 °和70 °时，坡体较陡，雨水大多随着坡面向下径流，安全系数下降趋势反而越小．降雨144 h后，各坡脚的安全系数均大于1.1，边坡依旧处于稳定状态．

持续强降雨时，降雨强度q=100 mm/h，得到的安全系数变化情况如图8(b)所示．由图可知，整体上，安全系数下降趋势较明显，坡度50 °受强降雨影响较小，坡度为60 °和70 °受降雨影响较大，变化趋势相贴近，不同坡度的安全系数变化差值随着降雨的进行逐渐增大．这表明了强降雨时，坡度越低，抵抗强降雨作用的能力越大，坡度越高，抵抗降雨的能力越弱．对比连续弱降雨(t=96 h、q=10 mm/h)和短时强降雨(t=48 h、q=100 mm/h)的安全系数下降幅度，可以发现短时强降雨幅度更大，表明降雨强度对安全边坡稳定性影响比降雨历时更大．降雨144 h后，各台阶坡度安全系数均大于1.05，边坡处于基本稳定状态．

(a)降雨强度10 mm/h

3.4 不同降雨条件下台阶边坡破坏机理分析

降雨过程中，水流从边坡表面逐渐渗入边坡内部，导致岩质边坡发生软化效应，岩体容重增加，基质吸力下降，且抗剪强度降低，不利于边坡稳定．边坡台阶参数直接影响着稳定性变化，若边坡台阶宽度较窄，则下部平台承受上部边坡重力能力较弱，若边坡台阶高度较高，则坡面承受强降雨冲刷和入渗的面积较大，若边坡台阶坡度较大时，则边坡整体较陡，岩体受重力分量较大，几何参数设置不恰当，可能会加速滑坡的产生．降雨的强度与历时与边坡稳定息息相关，持续弱降雨对各边坡形态的稳定性影响较小，安全系数变化趋势较平缓，持续强降雨对各边坡形态的稳定性影响较大，安全系数变化趋势较明显．

降雨作用下台阶边坡破坏大致可分为以下3个阶段：

(1)在降雨入渗的作用下，岩体容重增加，基质吸力降低，抗剪强度降低，在边坡自重作用下，经降雨入渗的岩体向下蠕动．

(2)当降雨持续进行或者降雨强度较大，边坡表面经过雨水冲刷，蠕动的范围逐渐加大，在坡体内形成裂隙带，若台阶高度、坡度适中，岩体容重增加量较少，则可减缓岩体裂隙带形成的速度．

(3)随着蠕动范围的增大，裂隙带逐渐贯通，软化岩体与上部岩体逐渐分离，最终发生局部滑坡，产生危岩体块石，若台阶宽度适中，可承接上部压力，减轻滑坡的规模．

4 结论

以温州霓屿料场工程矿山为背景，综合考虑降雨因素，通过数值计算和现场监测手段探究台阶边坡的变形规律，并对不同降雨条件下的台阶参数进行了优化研究，得出如下结论：

(1)通过工程实例数值模拟和监测数据对比分析可知，矿山边坡的模拟值和监测值位移变化趋势大致相同，边坡稳定性较差范围主要位于坡中区域，塑性区从坡中区域贯穿至坡顶，建议在强降雨天气时，对坡中区域进行加强防护．两者位移值均未超过警戒值，边坡处于整体稳定状态，坡中区域局部可能会发生滑坡．

(2)边坡安全系数与降雨强度、降雨历时呈负相关，降雨强度对边坡稳定性影响大于降雨历时，降雨入渗具有滞后特性，安全系数变化趋势和降雨时间不吻合，强降雨的滞后特性比弱降雨明显，台阶宽度越窄，台阶高度越高，台阶坡脚越陡，矿山边坡抵抗强降雨影响的能力越弱．

(3)通过对霓屿料场凝灰岩边坡降雨入渗下台阶参数进行优化研究可知，弱降雨时，当平台宽度达到7 m后，边坡安全系数下降趋势反而较快，坡度50 °的安全系数降低趋势比坡度70 °更明显；台阶高度比宽度和坡度受强降雨影响更明显，且台阶高度13 m是安全系数下降趋势的阈值，综上，考虑安全和经济效益，建议霓屿料场开采设计为：平台宽度6 m，台阶高度13 m，台阶坡度60 °．