降雨条件下超高单台阶排土边坡稳定性分析

郄永波，甘海阔

(北京矿冶科技集团有限公司，北京 100160)

排土场是一种巨型人工松散堆垫体，矿山用于集中排放采矿排弃物的场所[1]。排土场边坡一旦失稳将会造成排土体垮塌、泥石流等灾害，使矿山遭受巨大人身安全及经济损失，严重影响矿山的正常运行。

大气降雨是排土场发生滑坡失稳非常重要的触发和诱导因素[2]。降雨条件下，排土场具有特殊的饱和-非饱和渗流特征，降雨形成的地表径流会在细颗粒或黏土含量较高区域的排土区形成暂时饱和带[3]。大气降水对排土体的影响通常可以分为两类：第一类是雨水入渗后在渗流作用下边坡的下滑力增加，第二类是随着雨水入渗岩土体的抗剪强度降低或软化[4]。因此，对于超高单台阶排土场，如何量化评估降雨条件下的边坡稳定性，成为矿山排土场安全运行中的关键问题，对此已有科技及工程技术人员进行了大量研究。如林鸿州等[5]通过降雨条件下土质边坡失稳模型试验，探讨了降雨入渗对边坡失稳的影响。戚国庆等[6]通过对岩质边坡降雨入渗下数学模型及模拟方法探讨，阐述了边坡降雨入渗过程中基质吸力变化、暂态饱和区形成、发展以及暂态水压力分布规律。徐晗等[7]针对降雨入渗土坡的稳定问题，进行雨水入渗下排土边坡渗流-应力耦合模拟，得到排土边坡降雨条件下变形-应力变化规律。但对于多雨地区，受长期降雨影响的超高单台阶排土场在降雨过程中的稳定性变化规律，目前研究成果较少，具有重要研究意义。本文通过深入研究降雨对于排土场稳定性的影响，了解了降雨作用规律以及排土体内渗流运动特性，分析降雨过程对超高单台阶排土场稳定性的影响程度，对超高单台阶排土场稳定性研究具有重要的指导意义。

1 饱和-非饱和降雨入渗理论

排土场降雨非饱和入渗也须符合达西定律[8]：

(1)

式中：Vi为达西流速；kij为饱和渗透张量；H为总水头。

根据质量守恒原理，饱和-非饱和渗流控制微分方程为：

(2)

降雨条件下饱和—非饱和渗流入渗边界条件的设定参考文献[9]。

2 地质计算模型

2.1 工程概况

某排土场位于我国华北地区，为超大型平地排土场，排土过程中由于局部出现台阶超高问题，导致这些区域边坡稳定性相对较差，在降雨作用下增加了排土场安全运行风险。目前排土最大单台阶高度84.1 m，台阶边坡角为自然安息角37.5°。根据地质资料，排土场地层为黑云混合片麻岩(Ars)、第四系坡积土(Qel+dl)及采场排弃的人工填土(Qr)。地质剖面如图1所示。

2.2 计算模型

为进行降雨条件下的边坡瞬态渗流场分析，对以上地质模型进行有限元划分，如图2所示。为研究降雨过程中超高单台阶坡面内部的空隙水压力变化，在边坡上设置两个监测断面A-A′、B-B′，并在表面附近设置1～4号测点，监测点埋深2 m。

图1 地质剖面图

图2 计算域单元网格剖分

3 计算参数

3.1 排土料渗透系数和体积含水率

在饱和-非饱和渗流数值模拟中，材料的渗透系数是与单元的饱和度、孔隙水压力有关的函数，在无现场试验资料时，通常利用Van Genuchten模型进行拟合，获得的排土料降雨渗流计算参数如图3所示。

3.2 降雨边界条件

排土场所在地区在夏季降水日数最多，约占全年总降水日数的一半左右，各月降水日数一般为10～15 d，一次最长连续降水日数可达8～12 d。本次计算按照10 d连续平均降雨考虑，计算降雨量为4.3×10-6m/s，考虑停雨10 d，计算总时间为20 d。

3.3 边坡稳定性计算参数

降雨条件下排土场边坡稳定性以不同降雨历时瞬态渗流场为基础，采用刚体极限平衡法对排土边坡稳定性安全系数进行计算。排土料及地基土层物理力学参数见表1。

图3 排土料渗透系数、体积含水率与基质吸力关系曲线

表1 排土料及地基土层物理力学指标

4 计算结果分析

4.1 降雨过程中渗流场变化规律分析

以稳态渗流场为初始条件，不考虑水量蒸发，对10 d降雨过程中及降雨停止10 d后的排土场饱和—非饱和瞬态渗流场进行计算，孔隙水压力分布变化规律如图4所示。

图4 降雨1～10 d及停雨11～20 d排土场孔隙水压力变化图

从图4排土场渗流场变化来看，降雨初期排土场边坡为非饱和状态。降雨历时2 d后，首先在坡脚逸出点附近以上出现暂态饱和区。随着降雨持续，逸出点附近的暂态饱和区沿坡面线附近区域不断向上扩展延伸。降雨历时4 d后，在整个坡面线附近形成了一个由连续暂态饱和区构成的“饱和壳”。降雨历时10 d后，暂态饱和区范围位于坡面以下15 m左右。停雨初期，由于入渗源消失，排土场表层逐渐回复非饱和状态，暂态饱和区继续向排土体内部移动过程中迅速消散，且暂态饱和区移动速度远小于其消散速度，连续暂态饱和区逐渐消失。排土体内部暂态饱和区，在停雨14 d后几乎完全消散。停雨10 d后影响深度埋深约20 m。

降雨过程对排土体表层渗流场分布影响较大，1～4监测点及监测剖面A-A'、B-B'孔隙水压力变化如图5～7所示。

图5 监测点孔隙水压力变化曲线

图6 监测断面A-A′孔隙水压力变化曲线

图7 监测断面B-B′孔隙水压力变化曲线

根据图5中坡面监测点孔隙水压力增加及消散过程，在降雨过程中，雨水在重力作用下渗入坡面表层，在坡脚处最先形成暂态饱和区，并不断沿着坡面向坡脚汇集，导致坡脚处1号监测点孔压增加最快。同样，在降雨停止后，坡脚处1号监测点受上部坡面渗水的补给作用，孔隙水压力散速度较坡面2～4号监测点相对要缓慢。

根据图6、图7监测断面上的孔隙水压力增加及消散过程，坡面处纵向断面(A-A′)排土物料堆积厚度较小，内部基质吸力受雨水入渗影响变化较大，而坡顶纵向断面(B-B′)排土物料堆积厚度较小，内部基质吸力受雨水入渗影响变化相对较小。可见，降雨过程主要对表层土体影响较大，对内部土体的影响则与堆积厚度有关，堆积厚度越大，影响越小。

4.2 降雨过程中稳定性变化规律分析

降雨条件下排土场稳定性以不同降雨历时瞬态渗流场为基础，基于刚体极限平衡法，采用Bishop法、Fellenius法、Janbu法及Morgenstern-Price法对边坡稳定性进行分析。

根据图8超高单台阶排土场在降雨1～10 d及停雨11～20 d过程中，其边坡稳定安全系数变化过程表现为：

1)降雨前期，雨水入渗导致土体含水率升高，首先在坡脚形成埋深较浅的饱和带，在坡面并未立即形成连续贯通的暂态饱和区，抗滑稳定安全系数降幅相对较小。

2)降雨后期，随入渗雨水持续补给，坡面表层土体饱和，在坡面形成连续贯通的暂态饱和区，出现正孔隙水压力，抗滑稳定安全系数开始加速下降，10 d降雨后抗滑稳定安全系数降低至最低。

3)降雨停止后，入渗源消失，暂态饱和区内雨水向排土体内部下渗，暂态饱和区逐渐消散，土体表层孔隙水压力逐渐转负，基质吸力回升。排土边坡最危险滑动面则缓慢向深层转移，伴随抗滑稳定安全系数缓慢回升，但回升速率远小于降雨过程中的下降速率。

图8 边坡稳定安全系数变化曲线

5 结论

本文基于非饱和渗流有限单元法，对超高单台阶排土边坡随着降雨历时的渗流场变化规律进行研究，并基于瞬态渗流场对排土场稳定性变化规律进行分析，结果表明：

1)对于超高单台阶排土边坡，降雨过程主要对坡面以下一定范围内土体孔隙水压力产生影响，极易造成表层排土体边坡失稳。降雨对内部土体的影响较小且与堆积厚度有关。

2)在降雨过程中，由于坡面基质吸力大幅度降低，安全系数逐渐减小，在坡面出现贯通暂态饱和区，最危险滑动面为暂态饱和区内的浅层滑动。降雨停止后，由于入渗源消失，暂态饱和区逐渐消散，基质吸力回升，浅层滑动安全系数逐渐升高，随停雨历时增长，安全系数回升速率逐渐变慢。