渗流作用下某露天矿排土场边坡稳定性及敏感因素分析

左晓欢，杨 溢 ，陈 峰 ，潘祎文 ，叶志程 ，历一帆

(1.昆明理工大学 公共安全与应急管理学院，云南 昆明650093；2.昆明有色冶金设计研究院股份公司，云南 昆明650500；3.昆明理工大学 国土资源工程学院，云南 昆明650093)

0 引言

矿山排土场是一种规模巨大的人工松散堆积体，排土场边坡的稳定性与矿山的安全生产密切相关，降雨是造成排土场边坡失稳的主要原因之一[1-3]，故很有必要对排土场边坡进行降雨入渗研究。本文以云南省安宁市某露天磷矿内排土场为研究对象，结合渗流基本理论及矿山提供的勘查资料，运用数值模拟手段，对该排土场边坡进行降雨入渗条件下的稳定性模拟分析。此外，为研究影响边坡稳定性的各因素的敏感性，采用数理统计软件SPSS进行了敏感性正交试验[4-6]。

1 影响内排土场边坡稳定性的主要因素

1)内排土场基底

该排土场基底由灯影组上段(Z2dn2)含磷白云岩和震旦系灯影组东龙潭段(Z2dn1)含藻类白云岩组成。岩层以中厚层为主，总体向东倾，倾角为15°～30°；岩性及岩溶发育不均一，岩溶形态以溶沟、溶隙、溶孔为主，溶隙宽度为0.1～10.0 cm，部分溶隙被泥质物充填，地表除较浅溶沟外偶见少量延伸短的不规则缝隙状洞穴。岩石坚硬-半坚硬，饱和抗压强度为38.1～67.9 MPa。

2)地下水

该排土场为基底灯影组、陡山沱组碳酸盐岩夹碎屑岩裂隙岩溶含水层，区域富水性中等-强，单泉流量0.2～10 L/s。初始地下水位为左侧上游水位标高(30 m)，右侧下游水位标高25 m。未揭露有岩溶空洞，基底含水层对矿床无充水影响。矿床主要充水来源于季节性大气降雨，有自流排泄条件。该矿床水文地质属以大气降雨充水为主的简单类型。

3)排弃物载荷

该排土场边坡稳定性与堆排体容重、堆排高度和排弃角度密切相关。边坡稳定性随着高度和排弃角度的增加而降低；排弃物容重越大，其对基底的压力就越大，稳定系数也随之降低。

2 内排土场边坡概况

2.1 基本概况

设计将该露天采场分为5个开采区域，本次模拟的内排土场位于露天采坑区域1、区域2、区域3。3个区域合计设计容积为3024.15 万m3，堆排废石量为2 520.13 万m3。北侧排土场废石堆置总高90 m(标高2 290～2 380 m)，东侧排土场废石堆置总高140 m(标高2 240～2 380 m)，堆置段高为10、20 m。分段安全平台宽20 m，设3%的反坡；坡面角35.0°，北侧边坡整体坡面角为21.50°，东侧边坡整体坡面角为17.69°。

2.2 边坡岩土体物理力学参数

参考该排土场场地岩土工程勘察报告中的建议值，选取的岩土体物理力学参数见表1。

表1 排土场岩土体物理力学参数

3 数值模拟分析

3.1 边坡验算剖面的选取

根据相关规范要求，为尽可能反映区域1、区域2、区域3内排土场边坡的稳定性，本次选择有代表性的Ⅰ-Ⅰ剖面(见图1)进行数值模拟分析。

图1 内排土场边坡稳定性验算剖面位置

3.2 计算模型网格划分及边界条件

3.2.1 网格划分

Ⅰ-Ⅰ剖面边坡截面高162 m，长555 m，台阶高20 m，分段安全平台宽20 m；边坡整体坡面角为21.5°；初始地下水位为左侧上游水位标高(30 m)，右侧下游水位标高25 m。综合考虑边界条件、步长等因素，将模型全局单元尺寸设为8 m，共划分为1 204个节点、1 136个单元(见图2)。

图2 边坡计算模型及网格划分

3.2.2 模型边界条件

a.模型两侧：地下水位以下边界按照定水头处理，地下水位以上边界按零流量边界处理。

b.模型表面：由于排土场堆排废弃物的透水性相对较好，所以在稳态渗流分析中将边坡表面设为自由边界，在降雨瞬态渗流分析中将边坡表面设为入渗边界。

c.模型底部：底部为基岩，渗透系数较低，故将其设为不透水边界。

3.3 计算参数的选取

3.3.1 模型的土-水特征曲线

土-水特征曲线和非饱和土的土体渗透系数是非饱和土体渗流模拟的2个关键参数，它们直接影响模拟结果的精确性[7]。土-水特征曲线能反映土体基质吸力与体积含水率之间的函数关系，一般情况下可通过实验获得；但实验过程复杂，所以有学者在大量实验研究的基础上，提出了各种土-水特征预测模型，如Fledlund Xing模型、Van Genuchten模型。本次模拟采用Geo-Studio自带的Fledlund Xing模型。模型土-水特征曲线如图3所示。

(a)堆排物料

(b)基底材料

3.3.2 模拟参数设定

本文主要模拟降雨渗流作用下排土场边坡内部的孔隙水压力、体积含水率及安全系数的动态变化过程。降雨强度以中国气象部门统计的全国降雨资料为依据，降雨工况设计见表2。

表2 降雨入渗工况设计

3.4 数值模拟边坡渗流分析

3.4.1 初始边坡稳态渗流分析

由于边坡基岩存在地下水，利用SEEP/W模块分析其初始孔隙水压力的分布状态，为边坡瞬态渗流分析奠定基础。分析结果如图4所示。

图4 初始边坡孔隙水压力分布

3.4.2 降雨条件下边坡瞬态渗流分析

降雨过程中边坡内部孔隙水压力和体积含水率会随着雨水入渗发生动态变化，选择坡面中部某一特征点进行观测，结果如图5、图6所示。

图5 不同降雨强度下孔隙水压力变化曲线

图6 不同降雨强度下体积含水率变化曲线

3.5 瞬态渗流模拟结果分析

a.在降雨初期，排土场边坡的孔隙水压力和体积含水率与降雨时间呈线性正相关；其主要原因是排土场边坡坡面的初始孔隙水压力较小，在降雨入渗初期属于无压(或压力较小)期，雨水入渗速度较快，所以在降雨初期(不同降雨强度下)边坡孔隙水压力和体积含水率上升较快。

b.由图5、图6可知：在降雨强度为46 mm/d、降雨持时为3 d时，体积含水率未达到饱和值，孔隙水压力未到达浸润线值，所以随降雨持时的增加相关值均增大；而在降雨强度为120 mm/d、降雨持时为3 d时，特征点的孔隙水压力在降雨2 d后即达到浸润线孔隙水压力值(0 kPa)，体积含水率也达到了饱和含水率，此时边坡出现暂态饱和区；但由于排土体的渗透系数较大，边坡达到暂态饱和后，雨水会随自重入渗到边坡内部，所以在降雨强度为120 mm/d、降雨2 d后，边坡的孔隙水压力和体积含水率均略有下降。

3.6 降雨入渗条件下边坡稳定性分析

由于降雨入渗过程中边坡的体积含水率会升高，土体抗剪强度随之下降，安全系数随之变化[8]。将上述瞬态渗流SEEP/W分析结果导入SLOPE/W进行极限平衡分析，观察边坡安全系数的变化情况(见图7)。极限平衡分析方法选择Morgenstern-Price法。

(a)降雨强度46 mm/d

(b)降雨强度120 mm/d

由图7可知：在不同降雨强度、相同降雨持时条件下，边坡安全系数均呈下降趋势；降雨强度越大，边坡安全系数降幅越大，且安全系数降低的持续时间越长。这是因为降雨强度越大，渗入边坡内部的雨水就越多，边坡抗剪强度降幅越大。所以在相同降雨持时下，降雨强度越大越容易引起边坡的失稳破坏。

4 边坡稳定性影响因素的正交试验

4.1 正交设计与分析

考虑排土场的土体容重、内摩擦角、内聚力、降雨强度4种因素对排土场边坡稳定性的影响，对排土场I-I剖面进行正交设计。根据边坡工程设计手册和矿山提供的勘查报告确定各参数的取值，每种参数选取4个水平(见表3)。

表3 各影响因素的正交设计

4.2 正交试验结果及分析

在该正交试验中假设各因素之间无交互作用，试验次数为16次，则正交表选择L16(44)。利用Geo-Studio中SEEP/W模块模拟排土场边坡在降雨入渗时的瞬态渗流分布，再将分析结果导入SLOPE/W 模块进行极限平衡分析。根据L16(44)正交试验表进行正交试验，结果见表4。

表4 正交试验结果

计算各指标的敏感性大小的方法一般有两种：极差分析和方差分析。极差分析较为简单，方差分析的计算过程较为复杂。为使敏感性因素分析的结果更为准确，借助数理统计SPSS数据分析软件进行因素的方差分析。将正交试验结果导入SPSS软件，由于因变量只有安全系数，所以选择单变量模型进行分析，模型类型选择主效应模型，单变量实测平均值事后多重比较方法选择S-N-K。SPSS方差分析结果见表5。

表5 方差分析结果

根据方差原理可知，当显著性P<0.05时，即认为该因素对因变量(安全系数)的影响是显著的,P越小说明影响越显著。由此判定排土场边坡稳定性影响因素敏感性排序为：内摩擦角>土体容重>内聚力>降雨强度。

5 结论

a.在不同降雨强度、相同降雨持时条件下，降雨强度越大对边坡稳定性的影响越大，边坡体积含水率和孔隙水压力上升越快；随着雨水入渗，边坡自重增大，安全系数降低。

b.当降雨强度为120 mm/d、连续降雨2 d后，边坡表面会出现暂态饱和区；而降雨强度为46 mm/d时，未出现暂态饱和区，说明降雨强度越大，暂态饱和区出现得越早。

c.排土场边坡稳定性影响因素敏感性排序为：内摩擦角>土体容重>内聚力>降雨强度。