干湿循环条件下含软弱夹层矿山边坡降雨渗流特性

曹恒亮 王光进 李耀基 李小双 敬小非

(1昆明理工大学 国土资源工程学院，昆明 650093；2.云南磷化集团有限公司，昆明650600；3.绍兴文理学院，浙江 绍兴 312000；4.重庆科技学院，重庆 401331)

在我国西南地区的石灰石矿山中分布有一种炭质泥岩软弱夹层。该炭质泥岩在经历降雨-蒸发循环作用后其渗透性发生显著变化[1]，而软弱夹层是一种与相邻岩层有着不同力学特性和渗透特性的层状岩体，在降雨过程中经常使边坡的渗流过程变得更为复杂[2]，因此研究软弱夹层在干湿循环条件下的渗透性变化对整体边坡的降雨渗流特性产生的影响具有重要工程意义。

近年来，许多学者对于含软弱夹层边坡在降雨条件下的渗流特性开展了一系列研究。刘杨等[3]建立含软弱夹层边坡降雨渗流模型，揭露了降雨和雨后两个阶段的孔隙水压力动态变化过程。李龙起等[4]开展了大型地质力学模型试验，揭示了顺层边坡典型降雨破坏模式。黄茂松等[5]基于转动-平动组合破坏机制，提出了一种用于含软弱夹层边坡降雨入渗稳定性分析上限法。王睿等[6]利用室内离心模型试验，研究降雨条件下坡体的犀利和变形规律，发现可以通过坡体内各点的应变发展反推出降雨入渗时刻和分布。杨欣[7]通过数值模拟开展不同降雨强度下含软弱夹层路堑高边坡不同坡体位置的渗流特性研究，发现坡体中孔隙水压力及含水率的变化顺序及软弱夹层的存在会加速滑坡进程。张社荣等[8]在进行饱和—非饱和边坡的瞬态渗流场与应力场的耦合分析之后，结合强度折减技术进行瞬态渗流作用下边坡稳定性计算，并从多角度研究强降雨特性对边坡稳定性的影响。

从上述研究可以发现，目前含软弱夹层边坡渗流分析研究大多将夹层的饱和渗透系数设为固定值，然后用VG、FX等模型推导出非饱和岩土体的渗透系数，而通过室内试验发现干湿循环对软弱夹层的饱和渗透系数影响很大，因此非饱和系数也会发生改变。本文在室内试验的基础上，结合现场实际，利用GeoStudio有限元软件建立概化模型，分析干湿循环后软弱夹层饱和渗透系数变化对边坡降雨渗流特性产生的影响。

1 饱和-非饱和渗流理论

边坡的降雨入渗过程可视为典型的饱和-非饱和渗流过程，且边坡的渗流本构模型在原则上符合Darcy渗流定律，化简后的偏微分方程[9]为：

(1)

式中：kx和ky为x、y方向的渗透系数；H为总水头；Q为边界降雨；mw为比水容量；yw为水的重度；t为渗流时间。

饱和-非饱和渗流方程的定解条件包含初始条件和边界条件，其中边界条件分为压力水头边界和流量边界，具体形式如下：

1)初始边界条件

H(x，y，0)=H0(x，y，t0)(x，y)∈Ω

(2)

2)压力水头边界

(3)

3)流量边界

(4)

在进行饱和-非饱和渗流分析时，岩土体的相对渗透系数与岩土体的基质吸力和饱和度有关，通常采用Van Genuchten模型进行预测，其模型表示如下：

[2]Myers-Scotton,C.Code Switching as Indexical of Social Negotiations.In Heller,M.(ed.).Code-switching.Berlin:Mouton de Gruyter,1988：151-186.

(5)

(6)

(7)

式中：θ为体积含水率；θs为饱和含水率；θr为残余含水率；Ks为饱和渗透系数；φ为基质吸力；a、m、n为V-G模型拟合参数。

2 工程概况及模型建立

2.1 模型建立

研究对象为中国云南地区某典型的石灰石露天矿山采场边坡，根据矿山地质概况，选取高程为650～785 m的边坡建立二维概化模型，其中边坡宽253.13 m、高135.00 m，如图1所示。边坡体上部为裂隙风化岩，下部基岩为结构完整的灰岩，坡体中间含有一层软弱夹层，主要成分为炭质泥岩，软弱夹层平均厚度为2.5 m、夹层倾角为13°，岩层具体物理及水力参数见表1。为了获得边坡体不同位置在降雨过程中渗流特性的变化，在模型内各位置设置了12个监测点，如图1所示，监测点分别位于坡体表面下2 m处、软弱夹层上2 m处、软弱夹层中心点以及软弱夹层下2 m处。

表1 岩层物理及水力参数

图1 露天采场边坡二维概化模型Fig.1 Two-dimensional generalization model of open stope slope

2.2 降雨条件及参数选择

根据矿区资料，区内属南亚热带季风气候，全年无霜，雨量充沛，干湿季节明显。降雨主要集中在5～10月，11月至次年4月为旱季，雨季降雨量约占全年降雨量的比例为85%～90%。设定极端年份日最大降雨量212.4 mm为计算降雨强度，降雨时长96 h。

对于岩土体非饱和参数，采用Van Genuchten模型拟合估算，不同岩层的土水特征和渗透系数曲线如图2所示。

图2 土水特征曲线Fig.2 Soil-water characteristic curves

图3 非饱和渗透系数曲线Fig.3 Unsaturated permeability coefficient curves

2.3 室内干湿循环模拟试验及变水头渗透试验

干湿循环过程，为模拟现场环境，将烘箱内温度设置为(60±2)℃。将重塑环刀试样表层附上一层透水滤纸后，置于水中浸泡24 h，取出试样，除去滤纸拍照、称重，然后放入烘干箱(60±2)℃中烘干，取出后拍照、称重。向完全风干的试样均匀喷水，并用防水膜密封后置于阴暗处12 h以便于样品内水分均匀分布，保持含水率为20%。以上过程为一次完整的干湿循环，干湿循环次数为1～10次。

将干湿循环过程中水中浸泡24 h渗透试验环刀试样取出，擦干表面，计算饱和度是否达到95%，达到后则按照《土工试验方法标准》(GB/T 50123-2019)渗透试验模块进行试样渗透试验。

2.4 边界条件设置及模拟方案设计

根据矿区降雨条件，在边坡模型上表面添加降雨入渗边界，根据降雨量入渗公式qa=q0cosα，α为坡脚角度，可以得到水平面流量为212.4 mm/d，斜面流量为162.7 mm/d。虽然在勘察深度范围内均未测到稳定地下水，但由于软件分析启动需要，因此在边坡左右两侧距离下部边界2 m处设定了水头边界作为地下水位。图4为模型边界条件和降雨前孔隙水压力分布。

图4 初始渗流场以及边界条件设置Fig.4 Initial seepage field and boundary condition setting

通过室内试验发现，软弱夹层在干湿循环条件下，饱和渗透系数与干湿循环次数呈正相关。为了研究干湿循环下软弱夹层饱和渗透系数变化对边坡渗流特性的影响，选取0、3、5、7次干湿循环后的软弱夹层饱和渗透系数如表2所示，利用Van Genuchten模型预测非饱和系数，结果如图5。根据已有参数进行不同干湿循环次数下的降雨渗流模拟。由于本文研究对象为软弱夹层，为了控制变量将裂隙风化岩和灰岩的渗透系数暂定为不随干湿循环变化。

表2 干湿循环条件下含炭质泥岩软弱夹层的饱和渗透系数

图5 不同干湿循环次数下软弱夹层非饱和系数预测Fig.5 Prediction of unsaturated coefficient of soft interlayer under different dry-wet cycles

3 模拟结果分析

通过数值模拟，得到了不同干湿循环次数后持续降雨对边坡渗流场影响，选取初始状态和干湿循环7次之后这两种情况，对边坡在降雨不同时间之后的孔隙水压力分布图进行对比，结果如图6、7所示。

图6 0次干湿循环边坡孔隙水压力分布Fig.6 Distribution of pore water pressure in slope with 0 dry wet cycles

图6为初始状态下的边坡孔隙水压力变化图。降雨1 d后，由于软弱夹层渗透系数相较于上下部岩体较低，雨水从坡顶入渗，在边坡体后缘软弱夹层上部形成积水区，使得雨水入侵位置的孔隙水压力急剧上升。降雨第二天和第三天的雨水入侵路径主要分为两条，一部分由边坡体后缘积水位置，沿着软弱夹层上表面向下；另一部分沿着坡体表层已贯通区域向下。降雨4 d后，上部岩层完全浸水，且孔隙水压力最大位置位于软弱夹层上表层标记处，雨水开始向软弱夹层入侵，下部基岩由于渗透系数小且上部有软弱夹层作为隔水层，孔隙水压力几乎没有发生变化。

图7为7次干湿循环以后的边坡孔隙水压力变化图。此时软弱夹层的饱和渗透系数大于下部基岩，不能作为隔水层，而1～4 d的主要渗流过程大体上与初始状态相似。降雨1 d后边坡体后缘和前端软弱夹层位置孔隙水压力开始增大，说明由于渗透系数的增大，雨水开始入侵软弱夹层；当降雨2 d后边坡体后缘下部灰岩处孔隙水压力发生变化，说明雨水从边坡体后缘积水位置开始向下部灰岩入侵；降雨3 d后软弱夹层孔隙水压力全部变为正值，软弱夹层出现孔隙水压力大于300 kPa的区域，且浸润线由边坡体后缘位置向前向下扩展，说明雨水对软弱夹层和下部灰岩的入侵是从边坡后缘开始的；降雨4 d后上部岩体和软弱夹层基本上被浸润，孔隙水压力大于300 kPa的区域变大，且与初始状态降雨4 d时相比区域更大，主要原因是由于软弱夹层和灰岩的雨水排出能力远小于上部区域，雨水无法及时排出，在边坡体后缘处积聚，孔压急剧上升。

图7 7次干湿循环边坡孔隙水压力分布Fig.7 Distribution of pore water pressure in slope with 7 dry wet cycles

综合上述分析可知：在初始状态下，由于软弱夹层的弱透水性，雨水很难侵入软弱夹层以及下部灰岩。雨水主要沿着表层已贯通区域和软弱夹层上表面向软弱夹层出口位置流出，但由于软弱夹层较缓的倾角和弱透水性，会在边坡体后缘软弱夹层上部形成积水区逐渐向外延伸。在7次循环以后，软弱夹层的饱和渗透系数大于下部灰岩，雨水开始缓慢侵入软弱夹层和下部灰岩。在4 d结束以后，孔隙水压力大于300 kPa的区域明显大于初始状态下，且软弱夹层基本完全被雨水浸透。说明雨水下渗到软弱夹层及下部灰岩之后，由于软弱夹层和灰岩的雨水排出能力远小于上部区域，在边坡后缘处形成高孔隙水压力区域，雨水对边坡整体稳定性的影响更大。

图8为不同次数干湿循环条件下各监测点孔隙水压力变化曲线。

图8 不同干湿循环次数下各监测点孔隙水压力变化曲线Fig.8 Pore water pressure change curve of each monitoring point under different dry and wet cycle times

坡面下2 m的三个监测点：在1～4 d孔隙水压力逐渐上升，几乎没有受到干湿循环的影响，其中监测点3变化幅度很小，其原因是该点上部岩层较薄，在降雨强度达到一定值时，坡面达到暂饱和，雨水入渗减缓且及时排出，在降雨第1天之后孔隙水压力就达到稳定值。

软弱夹层上2 m的三个监测点：初始状态下监测点4和5分别在第2 天和第4 天孔隙水压力值变为正值，且变化幅度较大，这是雨水接触到软弱夹层上表面后，沿着软弱夹层方向向软弱夹层出口处漫延，但无法及时排出，所以孔隙水压力会急剧增高。经过干湿循环之后监测点4的孔隙水压力到达正值的时间提前且在降雨4 d时的孔隙水压力明显大于初始状态。监测点6在第1 d之后便达到稳定值，几乎不随着时间变化而变化。

软弱夹层中心三个监测点：监测点7、8、9的孔隙水压力在初始状态下几乎不发生改变，说明在初始状态下渗流主要发生在上部岩层，由于软弱夹层的弱透水性，雨水未能浸润软弱夹层。在5次和7次循环之后，监测点7、8的孔隙水压力依次发生变化，且变化幅度较大，说明雨水向软弱夹层的入侵是从边坡体后缘开始逐渐向前漫延，监测点9的孔隙水压力随着干湿循环次数增加而增大，但在循环次数相同的条件下随降雨天数增加而变化的幅度较小。

软弱夹层下2 m的三个监测点：0次和 3次干湿循环之后各监测点孔隙水压力不变化，说明软弱夹层的渗透系数较小，依旧作为隔水层阻碍了雨水向下部岩体渗流，雨水入侵对下部灰岩没有产生影响。5次和7次干湿循环以后监测点10和监测点11的孔隙水压力随着降雨的增加逐渐增大，且变化幅度较大。监测点12的孔隙水压力变化幅度始终不大，但随着循环次数的增加而增大且始终不超过0。

综合上述分析可知：边坡体上部岩体的孔隙水压力几乎受干湿循环次数影响不大，干湿循环对边坡降雨渗流特性产生的主要影响部位是边坡体后缘软弱夹层及下部灰岩区域，在0次和3次循环时软弱夹层内及下部灰岩孔隙水压力不随降雨时间变化而改变，5次和7次干湿循环以后软弱夹层渗透系数变大，雨水入侵软弱夹层和下部岩体，且雨水的入侵是从边坡体后缘开始逐渐向前漫延。在相同干湿循环次数下边坡体内接近坡面位置孔隙水压力随着降雨天数增加变化幅度较小，主要原因是接近坡面位置在降雨后很快达到暂饱和状态，孔隙水压力趋于稳定。

4 结论

1)初始状态下，软弱夹层渗透系数小于上下部岩体，作为隔水层，雨水主要沿着表层已贯通区域和软弱夹层上表面向软弱夹层出口位置流出。由于软弱夹层较缓的坡度和弱透水性，雨水会在边坡体后缘软弱夹层上部形成滞水区，孔隙水压力急剧增大。软弱夹层内部及下部灰岩几乎不受雨水影响。

2)7次循环以后，软弱夹层渗透系数大于下部灰岩，雨水开始侵入软弱夹层和下部灰岩，由于软弱夹层和灰岩的雨水排出能力远小于上部区域，降雨结束后孔隙水压力在300 kPa以上的区域远大于0次干湿循环时的边坡体。

3)干湿循环后软弱夹层饱和渗透系数变化对边坡降雨渗流特性产生的影响，主要是由于干湿循环后软弱夹层渗透系数的变大导致不能作为隔水层阻碍雨水的向下入侵，随着循环次数的增加，软弱夹层和下部灰岩受到雨水的浸润，且由于软弱夹层和灰岩的雨水排出能力远小于上部区域，雨水无法及时排出，在边坡体后缘形成高孔隙水压力区对边坡安全产生了很大的影响。

4)本文模拟分析干湿循环后软弱夹层饱和渗透系数变化对边坡降雨渗流特性产生的影响，可供类似边坡的渗流分析借鉴。但室内试验所得出的饱和渗透系数变化无法真实反映软弱夹层在边坡体内经历干湿循环后的参数变化，需要进一步的研究。