内排土场边坡近自然重塑渗流及孔隙水压力特征研究

郭雁斌，张传伟，田 光，刘 宇，何以剑，李兆霖，4

（1.国家能源集团 神华哈尔乌素露天煤矿，内蒙古 鄂尔多斯 010300；2.昆明煤炭设计研究院有限公司，云南 昆明 650000；3.中国矿业大学 矿业工程学院，江苏 徐州 221116；4.中国矿业大学煤炭资源与安全开采国家重点实验室，江苏 徐州 221116）

矿山生态修复作为我国生态保护修复的重要领域之一，在“双碳目标”的新背景下，对相关煤炭生产企业的高质量、高标准的企业快速转型提供了全新的理论依据和及指导方案[1-2]。如何实好转型期企业发展与生态修复并行策略成为矿山可持续发展的关键所在。露天开采作为我国草原区域的重要煤炭开采方式，多分布于新疆、内蒙古等生态较为脆弱区域[3]，植被覆盖率较低，其排土场边坡受自然环境及人为扰动影响，受侵蚀程度较大，水土流失现象较为严重[4]。

目前国内外学者针对矿山边坡生态修复方面已经进行了诸多研究，主要包括：不同影响因素下的土壤侵蚀特征[5-7]；煤岩渗流特征[8-10]；土壤理化性质重构技术研究[11-13]；水土流失评价模型[14]等方面。但是传统阶梯式排弃方案下的生态修复措施相较于矿区周边自然环境仍存在一定差异性，难以从根本上解决边坡水土流失情况。因此，在此基础上有学者提出仿自然地貌重塑技术[15-17]，通过“引导型生态修复技术”，结合不同矿区实际自然边坡分布情况布置排土场，能有效减缓边坡的水土流失状况，降低坡面受侵蚀程度。为此，基于反S 型近自然边坡修复模型[18]，以我国东部草原区某大型露天矿内排土场为例，对不同高度台阶重塑后边坡表面的侵蚀特征变化情况、渗流路径变化情况以及孔隙水压力重分布情况进行模拟分析。

1 排土场边坡侵蚀机理

1.1 降雨侵蚀机理

我国东部草原区年平均降雨量较少，且多为短时强降雨，因此排土场边坡坡面受水力侵蚀现象较为严重，其中水力侵蚀过程主要分为溅蚀、地表径流及水流下渗3 个过程。通过不同影响方式造成坡面及坡体内部土壤等物质发生不同程度的搬运、剥蚀以及破坏[19-20]。由于露天矿排土场通常呈现阶梯式布置，因此台阶坡面相较于水平面倾斜程度较大，受重力作用以及降雨冲刷作用影响，大量土壤沉积在台阶坡顶线与上级台阶坡底线交界处。且因为降雨强度较大，在坡面各处形成大小不同的侵蚀沟，使得坡面降水难以充分入渗，坡顶部水土大量流失，通常在坡面呈现出台阶底部植被生长旺盛而上部植被较为稀少的生长情况，整体复垦程度较低。

1.2 土体抗蚀性特征

边坡抗侵蚀特征分析如图1。

图1 边坡抗侵蚀特征分析Fig.1 Analysis of anti-erosion characteristics of slope

除降雨所产生水力侵蚀外，边坡土体自身抗蚀性特征也很大程度上决定了矿山土体复垦效果以及最终水土流失程度。对图1 反S 型复合重塑边坡坡体不同位置土体分布情况进行理论分析，选取边坡不同高度范围内的3 个区域作为样本进行比较，其中区域Ⅰ及区域Ⅲ范围内的台阶坡面角β 与传统单一平直坡面相比较为平缓，重力及降雨冲击力所产生的下滑力分支受表层土壤阻水性影响较大；区域Ⅱ为坡顶部下降至坡底部的过渡阶段，其区域内的台阶坡面角β 较传统单一平直坡面相对较陡，但因其范围内土壤下降高度与区域Ⅰ相比较为有限，因此仅有少部分土壤随降雨滑落至区域Ⅲ内以及坡底与下级台阶交界处。

其中，受边坡土体理化性质、降雨强度以及坡度等因素影响，坡面不同高度径流流速的计算公式为：

式中：V 为流速，m/s；q 为单宽流量，m2/s；J 为台阶坡度；V0为径流启动速度，m/s；D 为土体颗粒直径，mm；ρs为土体颗粒密度，g/cm3；a、K 为系数；m、n为指数。

随着边坡自身抗侵蚀能力增强，坡面流速降低，径流通路形成时间增加，雨水在坡面上部区域滞留时间增加，表面降雨有更充足时间下渗至坡体内部，从而有效地减缓了因入渗时间不足而导致的顶部区域内的水土流失。

2 边坡岩体参数

1）自然边帮岩体参数。根据现场实际边坡勘察研究，结合当地地质勘探报告及滑坡防治技术研究报告进行岩体物理力学试验，确定的边帮岩体自然状态下主要力学指标见表1。其中可采煤层以5#、6#煤层为主，6#煤层底板多为泥岩、砂岩，整体强度较低。内排土场基底无明显弱层存在，其产状特征对内排土场稳定性影响较小。

表1 自然边坡岩体力学参数Table 1 Mechanical parameters of natural slope rock mass

2）内排土场岩体参数。通过试验发现，矿区排土物料整体黏聚力较大，受排弃方法影响：台阶上部5 m 范围内岩体受车辆动载荷，压实效果明显，5 m 范围内岩体整体密实度较高。对其进行重新取样测量后得到的内排土场岩体物理力学参数见表2。

表2 内排土场岩体力学参数Table 2 Rock mechanics parameters of inner dump

3 重塑边坡降雨模拟分析

3.1 理论计算模型

结合该矿区实际生产情况，设计模拟所选理论模型参数为内排土场边坡高度180 m，边坡角度约10°。分析分别选取单台阶高度为15 m 及20 m 时的内排土场边坡分布情况进行数值模拟计算。其中台阶坡面角18°，平台宽度32 m。经计算确定单台阶高度为20 m 时，凸面曲率为7.46×10-3，凹面曲率为3.39×10-3；单台阶高度为15 m 时，凸面曲率为7.91×10-3，凹面曲率为3.72×10-3。凸面水平占比约46.8%，凸面竖直占比约38%。

3.2 重塑边坡渗流及孔隙水压力特征

我国东部草原区整体降雨较少，且多集中在6—8 月，因此模拟选用降雨较为集中的雨季进行特征计算，选取降雨强度最大的30 min 进行计算，其所产生的侵蚀力R 可通过式（3）计算得出。由于该地区地震烈度较低，因此根据规范，不考虑地震对边坡稳定性的影响。

式中：E 为单次降雨动能，J/（m2·mm）；I30为30 min 的最大降雨强度，mm。

选用GEO 软件中的SLOPE/W 模块以及SEEP/W 模块进行拟合分析，结合实际情况对15 m 及20 m 2 种不同形况下的排土场边坡台阶进行重塑，通过对比分析重塑前后内排土场边坡内部的渗流路径变化以及孔隙水压力重分布情况。渗流路径分布图如图2，孔隙水压力分布图如图3。

图2 渗流路径分布图Fig.2 Diagrams of seepage path distribution

图3 孔隙水压力分布图Fig.3 Pore water pressure distribution

由图2 可知：在相同降雨条件下，图2（a）中渗入坡体内部的降雨量整体较小，且下渗的降雨量均有向排土场坡面方向的运动趋势，不同高度台阶坡面均出现不同程度的水流渗出现象，渗入坡体内部的降雨量较少。受我国东部草原区域气候较为干旱，蒸发量较高等因素影响，留在边坡内部的降雨量十分有限，因此复垦效果通常会受到影响；与原内排土场边坡相比，图2（b）、图2（c）重塑后的边坡渗入坡体内部的降雨量明显增加，其中20 m 台阶重塑后的渗流密集程度更大，且整个内排土场坡面没有出现明显的水流渗出情况；这主要是因为经过重塑后的边坡，坡面抗蚀性提高，降雨难以快速形成径流通路，从而无法沿通路快速运移至边坡底部，降雨在坡面停留时间增加，整体入渗程度较高。

由图3 可知：图3（b）、图3（c）中的排土场边坡在重塑后靠近边坡上部区域均出现孔隙水压力重分布现象，负孔隙水压力分布范围扩大，局部土壤基质吸力增加；过渡区域面积较为均匀，上部边坡未出现明显的因岩层下渗速度不同而导致的积水现象，从而减缓了坡面渗水情况的出现；靠近边坡底部以及基底等深度较深区域受下渗作用影响较小，其孔隙水压力分布与重塑前的内排土场相比没有表现出明显的差异性。

4 结 语

1）降雨过程中，受水力侵蚀作用影响，原内排土场边坡易在坡面处形成大小不一的侵蚀沟道，进而形成径流通路，导致大量坡面土壤随水流快速运移至边坡底部。进行重塑后的坡面降低了单级台阶上部及下部区域台阶坡面角，增加坡面阻水性能，降低了形成径流通路所需时间，有效地减缓了边坡的水土流失。

2）通过对相同降雨强度下的内排土场重塑前后边坡进行数值模拟发现，原内排土场边坡内部下渗水流多集中在排土场岩层区域，且在不同台阶处均表现出不同程度的渗水现象。当重塑高度为15 m时，坡体内部渗流密集程度增加，其中水平方向渗流趋势下降，竖直方向渗流趋势明显增加，渗流过程多集中在原始内部，内排土场坡面未出现明显水流渗出现象；当重塑高度为20 m 时，渗流密集程度进一步增加，水平方向渗流趋势进一步下降。

3）经过重塑后的边坡孔隙水压力实现重分布，边坡上部负孔隙水压力分布范围增加，受雨水下渗影响靠近边坡上部局部土壤处于过饱和状态，整体土壤饱和度较高。因此，出于边坡稳定性角度考虑，建议使用方案Ⅰ作为实际生产过程中的实施方案对内排土场边坡进行重塑，从而能够在保证安全的前提下，提高边坡抗侵蚀能力以及保水特性，有效缓解因干旱以及强降雨气候所造成的矿山边坡水土流失。