降雨条件下某排土边坡的渗流场及稳定性时变分析

林兴旺，简文彬，3，董岩松，陈 玮

（1.福州大学环境与资源学院，福建福州350108；2.福州大学岩土工程与工程地质研究所，福建福州350108；3.福建省地质灾害重点实验室，福建福州350002）

降雨条件下某排土边坡的渗流场及稳定性时变分析

林兴旺1，2，简文彬1，2，3，董岩松1，2，陈 玮1，2

（1.福州大学环境与资源学院，福建福州350108；
2.福州大学岩土工程与工程地质研究所，福建福州350108；3.福建省地质灾害重点实验室，福建福州350002）

摘要:现阶段对排土边坡稳定性评价多以单因素等雨强为主，较难全面反映实际情况。针对此问题，以福建某排土边坡为例，通过Geo-studio软件对排土边坡进行不同雨强以及不同雨型条件下安全系数的时变分析，得出安全系数随时间变化曲线，并对排土坡稳定性产生较明显影响的雨强进行渗流场特性分析。时变分析结果表明 ，持续长时间的降雨会对边坡稳定性产生影响。降雨强度超过一定数值时 ，降雨的初始时刻安全系数下降速率主要取决于边坡自身渗透速率，在降雨中后期随着入渗速率的稳定 ，雨强又变成影响安全系数下降速率的主导因素。渗流特性分析结果表明，长时间的强降雨会引起坡脚处渗流方向的改变并在坡脚处出现溢出面，加上排土坡表层废石土较大渗透性的特点有可能形成管涌，应当引起重视。最后提出在废石土表层覆土压实以降低废石土的渗透性从而提高排土坡体稳定性的建议 。关键词:排土边坡；降雨入渗；渗流场；稳定性；时变分析

随着国家经济的快速发展，我国对于各种矿产资源的需求量随之增大，露天采矿的大型化也使得排土场的容积越来越大，排土场边坡失稳将造成严重的危害。由于排土场排弃的废石土没有经过压实，表层植被也未完全恢复，遇到降雨时，雨水会以较快的速度由坡表入渗，造成弃土石抗剪强度降低，因此，排土场边坡的失稳大都与降雨有关。现阶段国内外研究降雨对边坡稳定性的影响主要都是考虑等强雨型，如:Pulat等研究了等强雨型下降雨对滑坡的影响［1］，但是在实际的降雨过程中等强雨型是非常少的 ，刘俊新等［2］基于非饱和土水-气两相的流固耦合方程进行了降雨强度与历时对边坡稳定性影响的数值分析，指出了降雨强度和历时是影响边坡稳定的两个重要因素，但是其考虑的雨型还不够全面。本文针对已有研究中存在的不足，采用Geo -studio软件对排土边坡进行不同雨强以及不同雨型条件下安全系数的时变分析，并对排土边坡稳定性产生较明显影响的雨强进行了渗流场分析。揭示出降雨对排土边坡稳定性的影响机理。

1　排土场边坡工程地质条件

研究区排土边坡建在凹陷露天采场的西侧山沟内，废土石采用汽车运输直排和推土机推排工艺，排土场共有19个台阶，外坡比控制在1∶2，总高约100 m，纵长约280 m，排土场已堆存废石土约6.774× 105m3。

根据现场勘察报告，该排土边坡自上而下主要为:弃土石，其物质成分主要以块石为主，夹杂少量的粉土、粘土，粒径一般上部小、下部大，从2 mm～300 mm不等 ，表层松散；粉砂岩残坡积砂质粘性土，其母岩为砂岩，含高岭土、氧化铁、云母、石英砂粒等，砂粒大小与含量不均匀 ，遇水容易软化、崩解；强-中风化粉砂岩，其组织结构大部分破坏 ，风化裂隙很发育，岩体极破碎，呈散体状结构。该排土边坡典型工程地质剖面图如图1所示。

图1　工程地质剖面图

2　不同雨强和雨型条件下排土坡稳定性时变分析

2.1排土边坡饱和-非饱和渗流计算基本理论

在边坡内，存在着饱和区和非饱和区，为了使分析的结果更贴近实际情况，在进行降雨入渗分析时应考虑非饱和区的作用。达西定律早期只适用于饱和土 ，随着非饱和土研究的进展，人们逐渐形成共识，认为达西定律同样适用于描述非饱和土中水的流动。因此，匀质各向同性介质的饱和非饱和渗流微分方程如下［3-6］:式中:ku为非饱和土渗透系数；kr（hp）为介质的相对渗透率，其在饱和区为1，在非饱和区内为0～1之间；ks为饱和渗透系数；hp为压力水头；c（hp）为容水度；θ为体积含水率，含水率与压力水头之间存在函数关系 θ=θ（hp）；β为选择参数，在饱和区为1，在非饱和区为0；Ss为饱和土单位贮水系数，对非饱和土Ss=0，对饱和土 Ss为常数。求解时需知道材料的土水特征曲线（即含水率 θ与基质吸力ψ的关系曲线）以及非饱和土渗透系数曲线（即基质吸力 ψ与非饱和土渗透系数ku的关系曲线）。含水率θ与基质吸力ψ的关系曲线可以通过实验获得，而对于基质吸力 ψ与非饱和土渗透系数ku的关系曲线的求取，由式（2）可知欲求得 ψ与ku的关系曲线，只需建立起ψ与kr（hp）的关系式即可，而ψ又能从含水率θ与基质吸力ψ的关系中求得，所以欲求得基质吸力 ψ与非饱和土渗透系数ku的关系只需测定出含水率θ与kr（hp）关系即可。θ与kr（hp）关系的测定较常见的是采用基于实测土水特征曲线的数值模型推算法。

2.2排土边坡计算模型建立与参数选取

根据排土边坡工程地质条件建立排土边坡计算模型如图2所示，该模型共有8 884个单元，9 052个节点。

在饱和-非饱和渗流分析中所需用到的各土层的土-水特征曲线及渗透系数曲线，本论文通过室内体积压力板仪测定有限个数据点，然后通过Van Genuchten模型进行拟合的方法获得，实验用土为相似土，体积压力板仪为英国GDS公司生产的Geoexperts应力相关的土水特征曲线压力板仪系统，不同于残坡积土层，由于废石土中夹杂有较大块石无法用压力板仪进行测定，所以本论文根据废石土的特殊性质参考了前人已有的实验数据［7-8］，并同样运用Van Genuchten模型拟合绘出 ，所获得图形如图3所示，排土边坡稳定性分析计算参数指标如表1所示。

图2　排土坡计算模型

图3　弃石土、残坡积土渗透系数曲线与土水特征曲线

表1　各土层主要物理力学参数

2.3边界条件的设定

为研究降雨入渗条件下排土边坡安全系数随时间的变化情况，对降雨入渗边界进行了细分 ，分别设定了不同雨型与雨强两种边界条件。其中不同雨强工况的设定其详细数值如表2所示。

表2　不同降雨强度计算工况表

除了考虑不同降雨强度的降雨入渗边界外，为研究不同雨型对排土边坡的稳定性影响，根据前人已有的相关研究结论［9-10］综合定出如图4所示的简化雨型，五种雨型总雨量都定位日降雨量120 mm，其中雨型Ⅰ为恒定雨强，Ⅱ、Ⅲ分别为雨强单调递增与递减型，雨型Ⅳ为单峰雨型，其峰值强度根据已有研究［11-13］定为降雨总历时的0.6倍 ，雨型Ⅴ为双峰雨型，其峰值强度均定位前后12个小时总降雨历时的0.6倍。

2.4计算结果及分析

2.4.1 稳定性系数随降雨雨强变化结果分析

由Slope/w模块所计算的不同降雨强度下排土边坡稳定性随时间变化情况如图5所示。由图5可知，持续8 h的降雨过后，在1 mm/h的降雨强度作用下排土边坡的安全系数降低速率出现明显的提高。由此可见，即便是小雨强但是在长时间的持续降雨过后也会对边坡稳定性产生较为明显的影响。降雨强度处于5 mm/h～10 mm/h时，安全系数在持续6 h的降雨过后下降速率加快。降雨强度大于20 mm/h时，安全系数下降速率进一步加快，2 h的降雨过后安全系数就出现了大速率的降低并在降雨前2 h安全系数下降速率出现重叠，两者基本一致，这是由于排土坡表层废石土渗透性较大，在降雨初始时刻只要降雨强度超过排土坡的饱和渗透系数，雨量的入渗速率就主要取决于边坡自身的渗透速率而并非雨强，雨量的入渗速率又会直接影响着边坡安全系数下降的快慢。随着降雨的持续，入渗速率趋于稳定，对安全系数下降速率进一步提高的主要诱发因素变为强降雨对排土坡表层的冲刷 ，所以在降雨中后期雨强又变成影响安全系数下降速率的主导因素。

图4　降雨雨型

图5　不同雨强下边坡安全系数随时间变化曲线

2.4.2 稳定性系数随降雨雨型变化结果分析

不同雨型下排土坡安全系数降雨时间变化曲线如图6所示，由图6可以看出不同雨型作用下排土坡安全系数随时间变化曲线是不同的 ，其中雨型Ⅱ对排土坡的稳定性影响最为明显，这主要是因为初始状态的高强度降雨再加上排土坡表层弃石土的强渗透性会使得排土坡的地下水位在短时间内快速的提升，降低排土坡的抗滑能力。除了雨型Ⅱ，其余4种雨型在持续24 h的降雨后安全系数都基本一致，说明排土边坡自身对外部雨型的变化有一定的适应性。对雨型Ⅳ单峰降雨曲线与雨型Ⅴ双峰降雨曲线进行比较分析可知，在降雨的前半段，雨型Ⅴ对边坡的稳定性影响高于雨型Ⅳ，但是在降雨过程的后半阶段雨型Ⅳ对边坡的稳定性影响高于雨型Ⅴ，且在结束24 h降雨过后雨型Ⅴ双峰降雨安全系数略高于雨型Ⅳ单峰降雨。所以对于排土边坡若是短时间降雨则单峰雨型对边坡整体稳定性影响小于双峰雨型，若是长时间降雨则是双峰雨型对边坡的整体稳定性影响小于单峰雨型。

图6　不同雨型下边坡安全系数随时间变化曲线

3　强降雨作用下排土坡渗流场分析

由2.4.1节分析可知，小时雨强大于20 mm时排土坡的整体稳定性变化对降雨的敏感性最强。为进一步分析在该雨强下排土坡具体的渗流特性及影响排土坡整体稳定性的内部机理 ，本文以小时雨强20 mm，连续降雨24 h作为渗流场分析边界条件导入到Seep/w模块中分析在整个降雨过程中地下水位与压力水头的分布特征，由于篇幅限制，只列出初始时刻以及持续降雨6 h、12 h、18 h、24 h后的软件分析结果图，如图7所示。

由图7中各降雨历时的地下水位与压力水头等势线对比可以看出 ，降雨对地下水位线出现了明显的影响。排土边坡地下水位线高程在第一个降雨历时后即发生了明显的变化，而在之后的降雨过程中甚至直到降雨结束除了坡脚处出现了地下水位高程的变化之外，其余各处几乎没有出现明显的地下水位高程变化。

此现象说明了排土边坡废石土层的强渗透性对渗流场的显著影响 ，正是由于废石土的强渗透性让降雨能够在短时间内通过废石土层渗入到排土场边坡内部，导致排土坡内地下水位线的抬高，地下水位线的上升引起渗流场的变化，渗流场特征又决定着坡体内基质吸力的分布，基质吸力的变化又会导致非饱和土抗剪强度的变化，从而影响着坡体的整体稳定性。这对于排土边坡会带来不利的影响。另外，由于坡脚位置处地下水面距离地面较近 ，初始含水率较高，其在接受长时间的降雨之后很容易达到饱和导致下滑力增加，土体抗剪强度的组成部分中基质吸力的作用也会因为土体达到饱和而丧失，从而引起抗剪能力的降低。在这种情况下，下滑力增加，抗滑力减少，这将很容易导致坡脚处出现牵引式滑坡，坡脚处的滑坡对于排土边坡整体而言就相当于坡脚卸载，这将不利于整个排土坡的抗滑稳定性。与此同时，由各时步渗流场分布图可以观察出，在坡脚处渗流场出现了小范围的渗流方向的变化，渗流方向由平行于残坡积土层向坡体内部流动变为向坡体表面至坡体外渗出，出现了逸出面，由于排土坡表层废石土具有大孔隙性，坡面渗水的出现可能会将坡体内细小砂石带走，时间长了可能出现管涌 ，将会危及到整个排土场边坡的稳定性。为减轻由于排土坡表层废石土的强渗透性对于坡体稳定性的影响，可在废石土表层进行覆土并进行压实，这可降低降雨的入渗速率，从而增强坡体的整体稳定性。

图7　20 mm/h降雨强度下渗流场分析结果图

4　结 论

（1）持续长时间的降雨即便是小雨强也会对排土坡稳定性产生影响，降雨强度大于20 mm/h时，不同降雨强度条件下安全系数下降速率出现重叠现象，说明降雨强度超过一定的数值时在某个时间段内排土坡的安全系数下降速率主要取决于边坡自身渗透速率而并非雨强。

（2）降雨雨型的不同会导致排土坡安全系数变化曲线的不同，长时间降雨时双峰雨型对排土坡稳定性影响小于单峰雨型，短时间降雨时单峰雨型对排土坡稳定性影响小于双峰雨型 ，不同的雨型在降雨结束后最终安全系数都接近一致，说明排土边坡自身对外界雨型的变化具有一定的适应性。

（3）矿山排土场边坡由于废石土料具有较大的渗透系数，较难存储地下水，在发生降雨时地下水位会在短时间内抬升，不利于边坡的整体稳定。

（4）坡脚处地下水面由于距离地面较近，在降雨发生时更容易饱和而形成坡脚处的牵引式滑坡，坡脚处的渗流方向随着降雨的进行会出现变化，由平行于残积土层渗入坡内变为向坡体表面渗出，坡面渗水可能带走细小砂粒 ，长时间可能会引起管涌，应当引起重视。

（5）为降低排土坡表层废石土的强渗透性对排土坡稳定性的影响，可在排土场边坡的废石土表层覆土并进行压实处理，这种方式可降低降雨入渗速率，从而提高排土坡的稳定性。

参考文献:

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中图分类号:TU413.6+2

文献标识码:A

文章编号:1672—1144（2015）01—0036—06

DOI:10.3969/j.issn.1672-1144.2015.01.008

收稿日期 :2014-08-26修稿日期:2014-09-30

基金项目 :福建省地质灾害重点实验室开放基金（FJKLGP2012K001）

作者简介 :林兴旺（1989—），男，福建福州人，硕士研究生，研究方向为边坡与滑坡治理。E-mail:master lxw@sina.com

通讯作者 :简文彬（1963—），男，福建永定人，博士 ，教授 ，主要从事岩土工程方面的教学与科研工作。E-mail:jwb@fzu.edu.cn

Time-varying Analysis on Seepage Field and Stability of the Waste Accumulation Slope on the Condition of Rain

LIN Xing-wang1，2，JIAN Wen-bin1，2，3，DONG Yan-song1，2，CHEN Wei1，2
（1.College of Environment and Resources，Fuzhou University，Fuzhou，Fujian 350108，China；2.Institute of Geotechnics and Engineering Geology，Fuzhou University，Fuzhou，Fujian 350108，China；
3.Fujian Key Laboratory of Geohazard Prevention，Fuzhou，Fujian 350002，China）

Abstract:Nowadays，the analysis on waste accumulation slope is mainly based on single factors such as constant rain intensity，which hardly reflects the actual situation.To solve this problem，a waste accumulation slope in Fujian was chosen to be the test subject，based on which the time-varying analysis of safety coefficient under different rain intensity and different types of rain was studied by using Geo-studio.And then the curves of the safety coefficient that changed with time were obtained，as well as the analysis of the seepage characteristics of rainfall intensity that obviously affected the stability of the slope.The result of the time-varying analysis indicate that prolonged raining even the light rain will affect the stability of the slope；when the rainfall intensity exceeds a certain value，the descending rate of the safety coefficient depends on the permeation rate of the slope in the initial time of the rainfall，but the raininess becomes the main factor that causes the coefficient to descend as the permeation rate stables at the middle and late period of the rainfall.The result of the seepage characteristic analysis suggest that prolonged strong rainfalls will result in the alteration of seepage directions and the occurrence of the overflow area at the heel of the slope，which might turn into piping due to the strong permeation of the waste rocks and soil on the surface of the slope.So it is suggested to cover the waste rocks and soil with compacted earth in order to reduce the permeation and hence improve the stability of the slope.

Keywords:waste accumulation slope；rainfall infiltration；seepage field；stability；time-varying analysis