某排土场边坡堆置全过程渗流稳定时变分析

罗阳华，简文彬，蔡泽宏，李宏达

（1.福州大学环境与资源学院，福州350108；2.福州大学岩土工程与工程地质研究所，福州350108）

某排土场边坡堆置全过程渗流稳定时变分析

罗阳华1，2，简文彬1，2，蔡泽宏1，2，李宏达1，2

（1.福州大学环境与资源学院，福州350108；2.福州大学岩土工程与工程地质研究所，福州350108）

目前对排土场边坡稳定性多以单一安全系数作为评价标准，难以全面反映排土场边坡堆置全过程稳定性演化的实际情况。对此，以福建地区某排土场边坡作为研究对象，在掌握其工程地质条件与气象资料的基础上，研究排土场边坡堆置全过程各阶段在降雨与蒸发作用下渗流稳定的时变规律。研究结果表明，在过程降雨量大时，排土场边坡基底会出现滞水，安全系数受其影响大；逆排工艺形成的排土场边坡，基底滑动安全系数随着堆置台阶增加呈阶段式大幅下降；排土场边坡安全系数具有滞后效应，最危险的时刻出现在降雨停止后的一段时间。研究成果对排土场边坡的稳定分析具有理论与实际意义。

排土场边坡；堆置过程；渗流；稳定性；时变分析

露天矿排土场边坡的失稳会对矿山造成严重危害，这不仅关系到矿山的生产安全，更会关系到人民的生命财产安全［1］。降雨、排废岩（土）性质、地下水、堆置工艺及参数、基底软弱层等因素都会对排土场边坡的稳定性产生影响，其中降雨是诱发排土场边坡失稳的最主要因素。目前，学者们［2-6］就降雨对于边坡的渗流与稳定性影响的研究主要基于Fredlund的非饱和土抗剪强度理论，一般是先将降雨入渗条件简化为流量边界，再对坡体渗流场变化进行模拟，最后利用极限平衡法或强度折减法等方法来计算边坡稳定性。在此基础上，相关学者就降雨诱发排土场边坡滑动失稳问题进行了相关研究，如：翟文龙等［7］开展了在降雨作用下某一坡到底的高台阶排土场边坡瞬态渗流场演化的规律与边坡稳定性的研究；田阳辉等［8］模拟了某排土场边坡降雨入渗过程中地下水运动的问题；Mohan Yellishetty等［9］基于季节性大雨的影响，对某矿区排土场边坡进行了稳定分析，并考虑了该区域特殊的地质环境；针对某一地形特殊的排土场，黄刚海［10］设计了百年一遇的强降雨类型，并分析了该类型降雨对排土场稳定性的影响。现有研究主要关注降雨历时阶段单台阶排土场边坡的渗流稳定分析，未考虑降雨后水体的滞后效应以及蒸发阶段坡体渗流场的持续变化对排土场边坡稳定性带来的不利影响。在此基础上，Yong-Chan Cho等［11］对比分析了某矿区排土场边坡与原始边坡的稳定性，计算了二者在降雨期和停雨期的安全系数，演化了地区强降雨作用对排土场边坡稳定性的不利影响；甘海阔等［12］对长历时降雨作用下多台阶排土场的渗流稳定进行了模拟分析，并演化了停雨阶段坡体渗流场的变化。两者的研究都关注了降雨与停雨期边坡的渗流变化，但是研究主要着眼于排土场边坡堆置结束后的工况，对于排土场边坡各台阶形成过程中渗流稳定规律的演化仍不够全面。

针对已有研究存在的不足，本文基于时变分析理论，以福建地区某多台阶倾斜基底排土场为例，进行降雨及蒸发阶段排土场边坡堆置全过程的渗流演化，并对排土场边坡可能发生的失稳模式进行时变稳定分析，研究结果对揭示排土场边坡的渗流稳定规律具有重要意义。

1 排土场地质模型

该排土场属于山坡型排土场，基底坡度为5°～25°。排土体自然坡度约为30°，设计台阶高度15 m，属于一级排土场。目前排土场已堆土方量约为500万m3，采用高土高排、低土低排的逆排工艺堆置，堆置顺序为①区到⑧区。台阶1为①②区，台阶2为③④区，台阶3为⑤⑥区，台阶4为⑦⑧区。排土场区域岩土体自上而下为：顶部废石土，成分以废弃矿渣、碎石为主；基底为粉质黏土；下卧基岩为中风化粉砂岩。其地质模型如图1所示。

图1 地质模型（单位：m）Fig.1 Geological model

根据排土场边坡堆置顺序，建立各台阶形成阶段的数值分析模型，如图2所示，各阶段边界已在图中标示，数值计算分析了各阶段4个断面共12个点（a～l）的孔隙水压力。

图2 数值模型Fig.2 Numerical model

2 排土场边坡稳定性时变分析模型

在降雨作用下，排土场边坡的渗流稳定分析属于饱和—非饱和非稳定渗流分析。根据质量守恒原理以及广义达西定律，饱和—非饱和渗流理论的控制微分方程为［13］：

式中：kij—介质饱和渗透张量；kr（hp）—介质的相对渗透系数，饱和区内值为1，非饱和区内介于0～1；hp—压力水头；z—位置水头；h—总水头，其关系为h＝hp＋z；Q—源汇项；C（hp）—容水度，饱和区内值为1，非饱和区为∂θ/∂hp，θ为体积含水率；β—选择参数，饱和区值为1，非饱和区为0；SS—饱和土单位贮水系数，非饱和区值为0，饱和区为常数；xi—坐标；t—时间变量。

2.2 边界条件的确立

为重现排土场边坡堆置过程中的边界条件，从当地水文站获得地区各月份累计降雨量、日最大降雨量与最长降雨天数变化曲线及月累计蒸发量变化曲线，如图3、4所示。

选取各台阶堆置期间最大过程降雨量为该区段降雨入渗边界，考虑雨型为时间连续的等雨强降雨；定性考虑地区月累计蒸发量为蒸发边界，蒸发天数为10d。各模型上部边界条件的选取如表1所示。模型两侧非饱和区设为零流量边界，饱和区设为定水头边界，由初始地下水位高程确定。模型底边设为不透水边界，只发生水平渗流。

2.3 计算参数的确定

2.3.1 岩土物理力学参数

二是加快完善流域水利规划体系。进一步完善流域综合规划体系，海河流域综合规划获得国务院批复，独流减河口综合整治规划治导线调整报告、拒马河流域综合规划通过水规总院审查，流域水中长期供求规划、滹沱河、蓟运河、滦河等工程规划取得阶段性成果。

根据土工试验成果与工程经验，综合确定该排土场边坡岩土体物理力学参数如表2所示。

图3 降雨量及降雨天数变化曲线Fig.3 Curves of rainfall capacity and rainfall days

图4 月累计蒸发量变化曲线Fig.4 Curve of month cumulative evaporation capacity

表1 模型边界条件参数表Table 1 Boundary condition parameters of numerical model

表2 岩土物理力学参数表Table 2 Physical-mechanical parameters of rock and soil materials

2.3.2 土水特征曲线、渗透系数曲线

模型中非饱和土层为废石土与粉质黏土。废石土土水特征曲线由已有工程咨询资料获得，粉质黏土土水特征曲线由压力板试验获得，如图5所示。二者渗透系数曲线由V-G模型拟合得到，如图6所示。计算假定土水特征曲线吸湿曲线与脱湿曲线重合。

图5 土水特征曲线Fig.5 Curves of soil-water characteristic

图6 渗透系数与基质吸力关系曲线Fig.6Curves of permeability coefficient and matric suction

3 排土场边坡渗流计算结果分析

根据确定的边界条件，对排土场边坡的4个堆置阶段进行降雨与蒸发作用的瞬态渗流场有限元数值分析。得到各阶段4个断面代表点的负孔隙水压力时程曲线，如图7（a～d）所示。

综合分析可得如下结果：

1）在降雨时，废石土由于其渗透系数大，入渗率大于雨强，水体入渗方式一般为无压入渗或自由入渗，坡体负孔隙水压力随着降雨的进行不断减小。在蒸发时，表层废石土先于内部废石土蒸发，这会在坡内产生水势差，图中可以看出坡内的蒸发作用要弱于坡表。又因为坡表水体不断下渗，在图中蒸发结束处，可以看出坡表出现过度蒸发，结束值大于初值，而坡内土体蒸发结束值小于初值。

图7 各阶段负孔隙水压力时程变化曲线Fig.7 Time-varying curves of negative pore water pressures in different stages

2）对于阶段1、2模型，堆置时间为冬天至早春，雨型属于大雨，蒸发量小。由于堆置时间不长，堆置的废石土层相对较薄，二者负孔隙水压力变化趋势相似，等值线分布曲线与坡面近似平行。阶段2中坡表的a与d点、基底的c与f点负孔隙水压力数值计算结果相同。表层废石土受降雨和蒸发作用的影响均大于深部土体。

3）对于阶段3、4模型，堆置时间为晚春至夏季，降水发生在梅雨与台风期，过程降雨量大，雨型属于暴雨，蒸发量大。雨水入渗坡体后，坡体负孔隙水压力变化幅度大，各点负孔隙水压力均出现陡降，并且，位于坡表的分析点与基底分析点负孔隙水压力数值计算结果相同。又由于粉质黏土层渗透系数小，随着降雨不断进行，入渗的水体会往土层交界面汇聚，水体无法及时排走，这导致了滞水的出现。而且，雨停后并不意味着降雨对于边坡内部渗流影响的结束，废石土内的水体在雨后继续下渗，与深部水体发生联系，这使得土层交界面仍有少量滞水残留，导致安全系数滞后效应的产生。

4 排土场边坡稳定性计算结果分析

结合现场工程地质调查结果与渗流分析结果，该排土场边坡可能发生的主要失稳模式有：1）由堆置台阶不断增加与基底滞水作用诱发的沿基底下卧层的整体滑动，滑动面基本呈折线或折线圆弧组合式。2）各台阶坡度较为陡峭，可能发生各台阶边坡的局部滑动，滑动面近似为圆弧。3）可能发生以底部台阶为剪出口，滑动面近似圆弧的沿废石土内部的整体圆弧滑动。对排土场边坡可能发生的失稳模式进行瞬态稳定性时程计算，得到各模式安全系数时程曲线如图8所示。

综合分析可得如下结果：

1）排土场边坡堆置全时程沿基底滑动安全系数计算结果表明：逆排工艺形成的排土场边坡，随着堆置台阶增加，排土场边坡沿着基底滑动的安全系数呈阶段式大幅下降。安全系数由初始的2.82降至1.27，可以推测现场若继续堆高，极可能发生沿基底的大规模失稳滑动。

图8 排土场边坡3种失稳模式安全系数时程曲线Fig.8 Time-varying curves of safety factors in 3kinds of failure modes

2）排土场边坡各台阶全时程安全系数计算结果表明：4个排土台阶中受降雨与蒸发作用影响作用大的是底部台阶。这是由于其高程低、易受地下水位抬升、水体从高往低处汇流与滞水作用等多方面因素的影响，而其他台阶由于高程高，受降雨与蒸发作用影响小。

3）排土场边坡底部台阶高程低，受降雨与蒸发作用影响强烈，易成为排土场边坡整体滑动的剪出口，对1～2、1～3、1～4台阶进行整体滑动安全系数计算，结果表明：各整体台阶滑动安全系数均在1.20以上，随着台阶增加，整体坡率变缓，各台阶安全系数逐渐变大。

4）在雨量大的阶段3、4，除了高程高的2、3、4台阶局部滑动计算，其余失稳模式均出现安全系数变化的滞后效应，最低安全系数不出现在降雨时，而是出现在降雨结束后。

5 结论

1）排土场边坡废石土渗透系数大，入渗率高。当过程降雨量较大时，入渗的水体会在土层交界面汇聚，产生滞水现象，对排土场边坡整体稳定产生不利影响。

2）在蒸发阶段，降雨对于排土场边坡的影响仍在继续，废石土内的水体在雨后仍在不断下渗，水势差的存在导致废石土表层与深部蒸发速率不均，下渗水体与深部水体发生水力联系，导致土层交界面仍有滞水残留，为排土场边坡的稳定埋下不良隐患。

3）排土场边坡可能发生沿基底滑动、整体台阶滑动、局部台阶滑动三种失稳模式。全时程安全系数计算结果表明，逆排工艺形成的排土场边坡，随着堆置台阶增加，排土场边坡沿着基底滑动的安全系数阶段式大幅下降；底部台阶易受滞水以及水体汇流的影响，安全系数变化大；在过程降雨量大时，排土场边坡安全系数具有滞后效应，最低安全系数不出现在降雨时，而是出现在雨后一段时间。

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Time-varying analysis on seepage and stability in the stacking process of a waste-dump slope

LUO Yanghua1，2，JIAN Wenbin1，2，CAI Zehong1，2，LI Hongda1，2
（1.College of Environment and Resources，Fuzhou University，Fuzhou 350108，China；2.Institute of Geotechnics and Engineering Geology，Fuzhou University，Fuzhou 350108，China）

At present，single safety factor is used for the stability assessment of waste-dump slopes，which is difficult to completely reflect the actual situation of evolving stability in the stacking process of waste-dump slopes.Concerning this problem，taking a waste-dump slope in Fujian as an object，on the basis of engineering geological conditions and meteorological data，the time-varying law of seepage and stability in different stages of whole stacking process under rainfall and evaporation are studied.The results show that waste-dump slope will appear a phenomenon of stagnant water under rainfall when the precipitation is larger，which can take a negative effect on security.As for a waste-dump processed inversely，the basal sliding safety factor is staged fell sharply with the increasing of piled up stairs.The safety factors of the waste-dump slopes possess hysteresis effect，and the most dangerous moment appears after the rain stops for a period of time.The results on stability have a theoretical and practical significance in the waste-dump slope.

waste-dump slope；stacking process；seepage；stability；time-varying analysis

TD854＋.6

Α

1671-4172（2015）06-0099-05

国土资源部丘陵山地地质灾害防治重点实验室开放基金（FJKLGP2012K001）

罗阳华（1990-），男，硕士研究生，岩土工程专业，主要研究方向为边坡工程。

简文彬（1963-），男，教授，博士，主要从事岩土工程的教学与科研工作。

10.3969/j.issn.1671-4172.2015.06.021