降雨作用下矸石山边坡稳定性弱化成因研究

赵新涛 孙文标

(河南工程学院安全工程学院，河南省郑州市，451191)

★ 节能与环保 ★

降雨作用下矸石山边坡稳定性弱化成因研究

赵新涛 孙文标

(河南工程学院安全工程学院，河南省郑州市，451191)

将矸石散体归属为非饱和土，基于非饱和土抗剪理论研究了降雨作用下边坡抗剪强度变化过程及弱化机理，采用FLAC对降雨前后工况下矸石山边坡的稳定性进行了数值模拟分析。分析结果表明，在雨季随着持续降雨，矸石山边坡基质吸力明显降低，抗剪强度显著弱化，在非雨季边坡则具有一定的抗剪强度；降雨后矸石山边坡的变形速度、位移以及剪应力增量均明显增加，滑动趋势的范围有所增大，边坡稳定性及安全储备明显降低，易发生滑坡事故。进行了实际降雨作用下的矸石山稳定性的现场监测试验，试验得出的结论与理论分析及数值模拟基本一致。

矸石山 降雨作用 边坡稳定性

煤矿矸石山为典型的人工堆积散体结构物，其结构疏松且稳定性较差，受到外界扰动后易打破原有的平衡体系。在扰动外力中，以暴雨侵蚀影响最为严重，根据相关数据统计，矸石山不管是局部小范围垮塌还是整体大范围滑坡，基本上都是在雨季雨水入渗的作用下发生的。基于此，本文首先研究了矸石山边坡抗剪强度变化过程及降雨入渗削弱抗剪强度的机理，就降雨入渗对矸石山边坡稳定性的影响进行了FLAC数值模拟分析，然后在现场进行监测试验，通过监测数据研究矸石山滑坡趋势，并验证理论分析与数值模拟的正确性。

1 矸石山边坡抗剪强度变化过程及雨水入渗弱化抗剪强度机理

雨水入渗对矸石山边坡抗剪强度起到弱化作用，而相对于表层，深层的矸石散体已基本泥化固结，随着深度的增加，矸石散体泥化固结程度增加。在天然含水量下，泥化固结的矸石散体可近似归属为非饱和无粘性土体，可以采用Fredlund非饱和土抗剪理论来描述其抗剪强度，矸石散体的抗剪强度见式(1)：

τf=c′+(σ-ua)tanφ′+(ua-uw)tanφb

(1)

式中：τf——矸石散体的抗剪强度，Pa；

c′——有效粘聚力，Pa；

σ——矸石散体的总应力，Pa；

ua——孔隙气压力，Pa；

(σ-ua)——法向净应力，Pa；

φ′——与法向净应力(σ-ua)相关的内摩擦角，(°)；

uw——孔隙水压力，Pa；

(ua-uw)——矸石散体基质吸力，Pa；

tanφb——抗剪强度随基质吸力的变化速率。

由式(1)分析可知，抗剪强度受多个因素影响，对于非饱和无粘性土体的某一潜在滑动面，依据相关专家的研究，对潜在滑动面抗剪强度影响明显的是基质吸力及抗剪强度随基质吸力的变化速率，而该变化速率随着基质吸力的变化而变化，因此应分析抗剪强度随基质吸力的变化规律。经专家研究得到了非饱和无粘性土的抗剪强度参数与基质吸力的关系，并将抗剪强度与土-水特征曲线进行关联，土-水特征曲线如图1所示，抗剪强度随基质吸力变化规律如图2所示。

图1 土-水特征曲线

由图1可以看出，基质吸力随着饱和度的减小而逐渐增大，依据变化规律可分为4个区域，分别是边界效应区、主要过渡区、次要过渡区以及非饱残余区。边界效应区的土体接近完全饱和，土体中的气体处于封闭状态，随着基质吸力的增加饱和度略微减小。主要过渡区和次要过渡区为过渡区，在过渡区内土体中的气体和水是连通的，为双敞开体系。在主要过渡区，随着基质吸力的增加饱和度迅速减小，为变化敏感区域，次要过渡区和非饱残余区的饱和度随基质吸力的变化速率较为接近，变化速率适中。

图2 抗剪强度随基质吸力变化规律

图2中的曲线变化规律可以分为3个区域，分别是I区、II区和III区，其中I区对应边界效应区，II区对应主要过渡区，III区对应次要过渡区和非饱残余区。在I区随着基质吸力的增加抗剪强度基本不变；在II区随着基质吸力的增加抗剪强度迅速增加；在III区随着基质吸力的增加抗剪强度缓慢减小，但抗剪强度值明显大于I区。

雨季期间，天气潮湿降雨较多，矸石山边坡饱和度较大，一般处于II区。随着降雨量的加大，雨水入渗造成边坡饱和度逐渐增加，基质吸力随之逐渐减小，则抗剪强度迅速减小，若降雨时间持续且强度较大，则边坡接近饱和进入I区，随着饱和度略微增加基质吸力继续逐渐减小，而抗剪强度基本保持不变，此时的抗剪强度较小，有实验表明饱和状态下矸石散体抗剪强度可减小20%以上。处于I区边坡的稳定性及安全储备被极大地削弱，在自重作用下，矸石山易发生滑坡，若再有爆破震动、人工破坏坡脚、自燃以及喷爆等外界能量的扰动作用，发生滑坡事故的概率会更高。由于边坡浅层的压实度与低孔隙率相比较大，雨水易渗入深层，并且浅层水分易蒸发，基于以上缘故可知深层的饱和度大于浅层的饱和度。依据图2中的变化规律，深层的抗剪强度削弱程度大于浅层，故在雨季持续降雨条件下，矸石山易发生深层大滑坡，这类事故已出现过多起。由此可见，矸石山在雨季易发生滑坡灾害事故，持续降雨是主要诱因。

在非雨季期间，由于天气较干燥降雨少的缘故，矸石散体的饱和度较小，一般情况下边坡处于稍湿状态，基质吸力较大，处于III区，边坡具有一定的抗剪强度，明显大于I区即雨季持续降雨状况下的抗剪强度。因此，在非雨季期间矸石山边坡具有一定的稳定性和安全储备，不易发生滑坡灾害事故。

2 数值计算

2.1 模型建立

选取重庆南桐煤矿一处矸石山进行数值模拟，根据矸石山的形状及受力特点，矸石山可近似为平面应变问题，故选取该矸石山典型剖面，采用FLAC对降雨前、后两种工况下的二维数值进行模拟。选取剖面的底边长为210 m，高为66 m，一级矸石山边坡角为21°，高为21 m，二级矸石山边坡角为35°，高为45 m，矸石山剖面如图3所示。以坡脚为原点，以底边为x轴，正方向为坡面反向，y轴正方向竖直向上，建立坐标系，剖面的底边和右边为固定边界，其余边界自由，采用实体单元对剖面进行网格划分如图4所示，计算模型的物理力学参数见表1。

图3 矸石山剖面

图4 矸石山剖面网格划分

表1 计算模型物理力学参数

2.2 数值模拟结果及分析

本文对降雨前和降雨后两种工况下边坡的速度、位移、剪应变进行数值模拟，对模拟结果进行对比分析。根据矸石山所在地气象站多年的统计资料，以雨季期间最大日降雨量123.8 mm为计算雨强，降雨持续时间为24 h。降雨前和降雨后边坡速度矢量图如图5和图6所示。

图5 降雨前边坡速度矢量图

降雨前和降雨后边坡位移矢量图如图7和图8所示，降雨前和降雨后边坡剪应变增量等值线如图9和图10所示。

图6 降雨后边坡速度矢量图

速度可以表征边坡产生位移、导致变形的快慢程度。由图5和图6可以看出，降雨前边坡的最大速度矢量值为1.283E-7，降雨后为1.811E-7，降雨后较降雨前增加了41.2%，降雨后边坡变形加快，矸石散体向坡脚的运动趋势更明显，且有运动趋势的范围要大一些。根据速度的变化趋势，可推断由于降雨导致边坡产生滑坡的可能性将极大增加。

图7 降雨前边坡位移矢量图

图8 降雨后边坡位移矢量图

由图7和图8可以看出，深色区域为边坡产生位移的区域，边坡的潜在滑体位于深色区域，降雨后边坡产生位移的区域范围增加。降雨前边坡的最大位移矢量值为6.222E-3，降雨后为1.043E-2，降雨后较降雨前增加了67.6%，最大位移矢量值明显增大，这说明降雨降低了边坡的稳定性，增加了边坡潜在滑体的位移量及规模，提高了滑坡和泥石流等地质灾害事故的发生概率。

图9 降雨前边坡剪应变增量等值线图

由图9和图10可以看出，降雨前边坡的最大剪应变增量为5.50E-4，降雨后为6.50E-4，降雨后较降雨前增加了18.2%，增幅较明显。降雨后边坡剪应变数值增加，区域范围扩大，更为密集且贯穿矸石山，并且堆积体下部与原地质界面出现剪切变形。这说明了降雨削弱了边坡的稳定性和安全储备，弱化了矸石散体的力学性能，增加了边坡发生剪切破坏的可能性。

图10 降雨后边坡剪应变增量等值线图

由数值模拟结果可以看出，降雨后有下滑趋势的滑坡体与未受影响部分的分界线即潜在滑动面大致为一条弧线，这与实际情况比较吻合，通过对几起滑坡事故现场的勘察，均发现滑坡面近似弧形。

3 现场监测试验

为验证理论分析与数值模拟的正确性，在一处矸石山上选择了5个监测点进行了矸石山稳定性现场监测试验。按照数值模拟建立的坐标系，监测点1、2、3、4、5距坡脚的水平距离依次为30 m、60 m、90 m、120 m、150 m，为方便埋置测试仪器，在竖直方向上，5个监测点均为沿矸石山边坡表面竖直向下2 m，监测点布置示意图如图11所示。

图11 监测点布置示意图

位移和剪应变是反应矸石山稳定性的重要参数，所以需要对这两个参数进行监测。以当地气象部门的天气预报数据为依据，在强降雨前15 d将位移计和应变计埋置在5个监测点，通过仪器测试强降雨前、后监测点处的位移与剪应变，通过这些参数的数值变化情况反映矸石山稳定性的变化规律。埋置好测试仪器后的第14 d发生了强降雨，强降雨过后，从气象部门获得降雨数据，降雨强度为120 mm，持续时间为22 h，略小于数值模拟采用的降雨数据。降雨前和降雨后5个监测点处的位移及剪应变见表2、表3、图12和图13。

表2 监测点位移

图12 降雨前和降雨后监测点位移

图13 降雨前和降雨后监测点剪应变

由表2、表3、图12和13可以看出，降雨后监测点处的位移明显增大，降雨后为降雨前的1.4～1.5倍，降雨后监测点处的剪应变明显增加，降雨后为降雨前的1.15～1.18倍，监测结果与数值模拟结果较为接近。监测点处的位移及剪应变明显增加，表明矸石山稳定性降低，在降雨作用下易发生滑坡等地质灾害，这与理论分析及数值模拟得到的结论一致，说明了理论分析及数值模拟的正确性。

4 结论

(1)在雨季期间，矸石山边坡饱和度不断增加，基质吸力逐渐减小，抗剪强度迅速减小，当边坡接近完全饱和时，抗剪强度减小到较小值，并基本保持恒定。在雨季持续降雨条件下，矸石山边坡抗剪强度明显减小，稳定性及安全储备显著降低，易发生滑坡灾害事故，且大多为深层滑坡。

(2)在非雨季期间，矸石散体的基质吸力较大，边坡具有一定的抗剪强度、稳定性和安全储备，不易发生滑坡灾害事故。

(3)数值模拟结果表明，降雨后边坡的最大速度矢量值增加了41.2%，最大位移矢量值增加了67.6%，最大剪应变增量增加了18.2%，不仅数值明显增加，而且有滑动趋势的范围扩大，降雨明显削弱了边坡的稳定性及安全储备。

(4)现场监测试验结果表明，降雨后位移为降雨前的1.4～1.5倍，降雨后剪应变为降雨前的1.15～1.18倍，降雨明显弱化矸石山稳定性，在降雨作用下易发生地质灾害，与理论分析及数值模拟得到的结论一致。

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(责任编辑 王雅琴)

Researchonweakeningcausesofwastedumpslopestabilityundertheeffectofrainfall

Zhao Xintao, Sun Wenbiao

(School of Safety Engineering, Henan University of Engineering, Zhengzhou, Henan 451191, China)

Regarding gangue bulk solid as unsaturated soil, the shear strength change process and weakening mechanism of slope under the effect of rainfall were studied base on unsaturated soils shear strength theory, the stability of waste dump slope before and after the condition of rainfall were analysed by using FLAC. The study results showed that the matric suction of waste dump slope decreased obviously and the shear strength weakened significantly with the continuous rainfall during the rainy season, while the slope had a certain shear strength during the dry season; the deformation velocity, displacement, shear stress increment increased significantly after rainfall, and range of sliding trend enlarged, slope stability and emergency capacity decreased obviously, so landslide accident was easy to happen. The field monitoring experiment of waste dump stability under the action of rainfall was carried out, and its conclusions were basically the same with that of theoretical analysis and numerical simulation.

waste dump, rainfall effect, slope stability

河南省科技发展计划(162102210288)，河南省高等学校重点科研项目计划(13B620924)，河南工程学院博士基金项目(D2013020)

赵新涛，孙文标. 降雨作用下矸石山边坡稳定性弱化成因研究[J].中国煤炭，2017，43(8)：158-162. Zhao Xintao，Sun Wenbiao. Research on weakening causes of waste dump slope stability under the effect of rainfall [J].China Coal，2017，43(8)：158-162.

TD997.3

A

赵新涛(1980-)，男，河北石家庄人，博士，讲师，主要从事岩土力学与地下工程的教学科研工作。