降雨对厚冲积层边坡稳定性影响

周靖人 杨天鸿 于庆磊 刘洪磊 李凤柱 南世卿

(1.深部金属矿山安全开采教育部重点实验室，辽宁 沈阳 110819；2.东北大学资源与土木工程学院，辽宁 沈阳 110819；3.秦皇岛燕胜岩土公司，河北 秦皇岛 066000；4.河北钢铁集团矿山设计有限公司，河北 唐山 063701)

降雨对厚冲积层边坡稳定性影响

周靖人1，2杨天鸿1,2于庆磊1,2刘洪磊1,2李凤柱3南世卿4

(1.深部金属矿山安全开采教育部重点实验室，辽宁 沈阳 110819；2.东北大学资源与土木工程学院，辽宁 沈阳 110819；3.秦皇岛燕胜岩土公司，河北 秦皇岛 066000；4.河北钢铁集团矿山设计有限公司，河北 唐山 063701)

边坡稳定是露天矿山安全生产的前提，降雨是影响边坡稳定性的重要因素之一，特别是对于第四系冲积层厚大的露天边坡，研究降雨的影响更加重要。结合研山露天矿东帮水文地质信息，对不同降雨强度下，地下水位埋深的变化及埋深变化之后对厚冲积层边坡的安全系数和地下渗流场分布的影响进行研究。模拟计算结果显示，矿山早期施工的堵水帷幕降低地下水位的作用不明显，地下水位埋深持续偏低，边坡细砂层和砾石层中含水丰富，形成了连贯的地下水运输通道，坡面出现漏水现象，在大降雨时，边坡涌水量急剧增加，边坡安全系数明显降低，有可能会出现滑坡等灾害。根据这一情况并结合现场现状，提出了边坡疏干排水措施，提高了边坡的稳定性，保证了矿山的安全稳定生产。

渗流 安全系数 边坡计算 数值模拟

近年来，降雨作为诱发边坡灾害的一个重要因素，可以引发诸如泥石流，滑坡等地质灾害，对我国的经济和人员设备安全带来的巨大的威胁。在降雨条件下，随着降雨量的增加，边坡地下潜水面逐渐升高，边坡土体内部抗剪强度和基质吸力发生变化[1-3]，当达到一定的限度时可能引起边坡失稳，且随着地下水位的升高，露天坑涌水量急剧增加，会严重影响矿山安全高效生产，增大排水压力。研山铁矿二期露天矿东帮边坡坡体为厚大的冲积土层，粉土、沙土、卵石、粉质黏性土层互层特征明显，水文地质条件复杂，边坡渗透性好，地下土层孔隙发育，对降雨更加敏感[3-4]，加上矿坑附近有滦河提供定水头，增加了坑内涌水量，原来修筑的挡水帷幕没有预想的效果，在露天开采过程中，各方位边坡都已经发生了不同程度的开裂、滑坡和垮塌。本研究针对唐钢研山露天矿东帮厚冲积层的现状，分析了地下水位变化对边坡稳定性的影响，并结合矿山实际提出了有效治理措施。

1 地质概况

根据前期勘察资料，研山铁矿二期露天采场东帮临近滦河，其中新河是人工开挖的输水渠道，最近处距离露天采场最终境界线61 m，流量受人为控制，多年平均流量31 m3/s(1963—2003年)，近5 a流量变化在0.24～155.05 m3/s。东帮第四系表土边坡地下水涌出量1 200～1 300 m3/h。经统计，2011年矿坑排水能力为5 000 m3/h，雨季到来时由于排水能力跟不上涌水量造成坑底局部淹没，险些影响生产，其中东帮该区域第四系边坡涌水量占较大比例(非雨季水量1 200～1 300 m3/h，坑内基岩边坡涌水量还有700～800 m3/h)。由此可知，研山边坡矿坑雨季地下水涌水量加上短历时的地表汇水量跟非雨季比较，可增大3倍左右。矿区全年的降水量700～1 000 mm，主要集中在5—9月份，仅7月和8月的降水量就占全年平均降水量的58.9%。60 a一遇的24 h的暴雨强度510 mm/d，1 h最大暴雨强度119 mm/h。

地层由上至下为杂填土层、粉质黏土、粉砂层、砾石层及基岩层。其中，冲洪积砂、砂砾卵石层孔隙潜水含水层透水性、富水性极强，新河将作为定水水头补给水源，并以东段为涌水通道，向采场内大量涌水，对矿山生产造成了极大的影响，急需采取相应的措施，采场平面图如图1所示。

图1 研山铁矿东帮边坡平面

砾石层界线与新河河床相交，位于河床基地底，向坑内顺倾，新河为直接补给源，地下水位较高。砾石层与细砂层底板倾向由东北向西南倾，东帮边坡基岩顶板存在滦河旧河道。图2中边坡为图1中N-N′位置剖面图，可以看到透水层形成了比较集中的渗流通道，以新河、滦河为主要补给源，通过砾石层涌入露天坑内，从而造成较大的涌水量和较高的地下水水位。若东边帮继续采剥，随着开采深度的增加，上层第四系土层和岩层被剥离，边帮两侧水力梯度进一步加大，而细砂层和砾石层透水性和富水性极强，向采场内补给水量将进一步增大，若不及时治理，雨季到来时，该区40～50 m厚的冲积层表土边坡在高水位强径流作用下可能诱发边坡失稳和泥石流灾害[5-8]。

图2 边坡剖面

2 边坡数值模拟

边坡稳定性计算方法可分为极限平衡法、有限元、边界元法以及可靠性分析方法[9]。极限平衡法因其计算模型简单、计算方法简便，计算结果能满足工程需要等优点，被认为是边坡工程分析与设计中最主要的且最有效的实用分析方法[10-11]。结合Geo-Slope软件，可以根据不同的降雨条件，分析东帮边坡地下水位变化，得到不同的边坡安全系数。

2.1 数据选取

根据研山地质勘探资料选取各地层的力学参数和渗透系数见表1和表2。模拟以N-N′处边坡剖面作为计算模型。

表1 边坡稳定性计算各土层力学参数取值

表2 边坡渗透系数

其中，粉土的黏聚力在不同降雨条件下变化较大，未降雨时为12.77 kPa，暴雨时，降低为6 kPa，饱和状态下值为3.1 kPa，帷幕在各个局部的渗透系数不相同，取平均参数1.1×10-5m/s。

计算中采用流速来模拟降雨，降雨量为每小时渗入地表的水量，总降雨数值所取的是研山铁矿历年降雨量的平均值，根据当地地质勘探报告，在总降雨量中，约只有40%的降水通过渗流流入地下，即入渗系数为0.4。

2.2 地下渗流场

经过软件模拟之后，得到不同降雨条件下边坡地层中渗流场的分布情况，如图3所示。

图3 不同降雨条件下地下渗流场分布

从图3可以看到，在帷幕的作用下，潜水面下降了0.6 m，边坡帷幕堵水效果较差，在相应的台阶底部都出现了漏水点，地下水主要集中在导水性良好的砾石层和细砂层中。如图4(a)所示，随着降雨量的增加，地下水埋藏深度减小，地下涌水量急剧加大。可以看出，在研山铁矿东帮边坡中，地下水水位过高，在边坡上会出现局部漏水的现象，降雨后，漏水点更加密集，帷幕堵水效果不明显，在遇到大暴雨时，边坡安全系数降低至1左右，会影响边坡稳定从而造成滑坡等安全事故，应当在此处采取相应的疏干排水措施，以保证矿山的安全生产。

图4 埋藏深度和安全系数、降雨量的关系

2.3 安全系数计算

根据上一步计算得到的地下潜水面分别用M-P方法和Bishop方法计算边坡的安全系数[12-13]，得到的结果如图5所示。

从图5中可以看到边坡的滑坡范围主要集中在边坡最上的2个台阶，与矿山实际情况吻合，如图6所示。

地下水面经过了边坡滑坡范围，对边坡的安全系数计算有很大的影响，如图4(b)可知，随着降雨量的增加，地下水埋藏深度逐步减小，最终达到饱和状态。

从表3可以看到，没有降雨时，边坡安全系数为1.111，相对较稳定，降雨后安全系数降低到1.022，特别是在饱和状态下，安全系数降低到1以下，没有达到国家安全规程工作帮要求的安全系数，在雨水的冲刷下，边坡会发生滑坡等地质灾害。

2.4 防治措施

图5 不同降雨条件下的边坡安全系数

图6 东帮边坡图片

表3 降雨量与边坡安全系数

>对于东帮露天坑境界外的地表汇水，采取截流、排水的方法，形成良好的行水通道，将这部分汇水直接排入新河，防止其流入露天坑内冲刷表土边坡。具体方案为：在东帮坡顶地表境界位置沿东帮利用装有黏土的编织袋堆筑挡水坝，境界外5 m的位置设置南北纵向排水沟(见图7)，将地表汇水直接沿沟排入滦河。

图7 防汛措施布置

对于东帮已开挖的+10 m水平台阶，基本维持现状，整平地表，夯实松动表土，防止暴雨条件下的径流冲刷坡面松散覆土淤积到排水沟内。将排水沟北端沉淀池的容积扩大1倍，同时增加2台与已有水泵同型号的排水泵，使得暴雨条件下水泵抽水能力和水池容量增大1倍。临时水沟两侧夯实表土，定期清理内部淤积物，在沉淀池中设置多层过滤网，保证水泵的正常工作。在水池内设置2条溢流管(每条排水能力1 500 m3/h)，以备将暴雨条件下沉淀池中不能及时排出的积水溢流到-12 m水平的水坑，防止地下水在+10 m水平台阶漫溢。

3 结 论

(1)研山铁矿东帮第四系表土层边坡中砂层和砾石层含水丰富，根据模拟结果，在降雨的情况下，坡面出现漏水，和实际情况吻合较好。

(2)注浆帷幕对于地下水位的控制没有明显的效果，降雨对边坡的稳定性影响十分明显，在暴雨情况下，边坡可能出现滑坡等地质灾害。

(3)采取防治措施之后，边坡漏水现象得到缓解，对于研山铁矿的安全生产有重要的意义。

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(责任编辑 徐志宏)

Impact of Rainfall on Stability of Thick Alluvium Slope

Zhou Jingren1，2Yang Tianhong1，2Yu Qinglei1，2Liu Honglei1，2Li Fengzhu3Nan Shiqing4

(1.KeyLaboratoryofMinistryofEducationonSafeMiningofDeepMetalMines，Shenyang110819，China;2.SchoolofResource&CivilEngineering，NortheasternUniversity，Shenyang110819，China; 3.YanshengRock&SoilCo.，Ltd.，Qinhuangdao066000，China；4.HebeiIron&SteelGroupMineDesignCo.，Ltd.，Tangshan063701，China)

Slope stability is the pre-condition of safety and production in open-pit mine and rainfall is one of the most important factors that affect slope stability.Especially for thick alluvium open-pit slope，it is more important to study the effect of rainfall.Combining with the hydrological and geological data at eastern slope of Yanshan Iron Mine，The changes of groundwater depth，and its impact on safety factors of the slope and the distribution of the seepage field under different rainfall conditions were studied.The simulation results showed that the existed water shutoff curtain at the early construction does not work well in lowering the groundwater level and the groundwater depth is constantly low.The fine sand layer and gravel layer in the slope are rich in water，forming a coherent groundwater transport corridor，and water leakage appears in the slope.In heavy raining，slope water inflow is increased dramatically，slope safety factor decreased obviously，and Landslide may occur.Based on this and the status quo，a method for drainage was proposed in order to improve the safety factor and ensure the safety and stable production of the mine.

Seepage，Safety factor，Slope calculation，Numerical simulation

2014-05-04

国家重点基础研究发展计划项目(编号：2013CB227902)，国家自然科学基金项目(编号：51174045)，国家自然科学基金重点项目(编号：51034001)。

周靖人(1990—)，男，博士研究生。

TD 824.7

A

1001-1250(2014)-09-011-05