甘海闊，周漢民，崔 旋，郄永波

（北京礦冶研究總院，北京102628）

降雨入滲是邊坡失穩(wěn)的主要誘發(fā)因素。在我國每年由于長歷時降雨或短時暴雨所引發(fā)的各類巖土邊坡失穩(wěn)次數(shù)多達數(shù)萬次［1］。大批學者就降雨條件下邊坡穩(wěn)定性展開研究工作［2－6］，普遍認為：降雨造成巖土體淺層飽和度及重度增加、基質(zhì)吸力銳減，并最終導致物料綜合抗剪強度降低，從而造成淺層滑坡失穩(wěn)。露天礦排土場作為由礦山剝離巖土物料堆積所形成的大體積人工土石邊坡，排土物料多由土夾礫石、塊石、水、孔隙介質(zhì)等組成；作為大型滯水蓄水體，其滑坡失穩(wěn)的頻發(fā)受降雨影響更為顯著。但與自然巖土邊坡另外明顯不同的是：除受降雨、邊坡堆積體性質(zhì)等外在因素影響之外，人工排土場邊坡穩(wěn)定性還與具體的排土工藝密切相關；且通常按照堆置方式的不同，可將排土場劃分為單臺階、覆蓋式多臺階、壓坡腳多臺階及組合式臺階排土場等幾類［7］。

一方面，相對自然邊坡而言，人工排土場邊坡穩(wěn)定性的影響因素多、堆置狀況復雜；對于不同堆置方式下排土場邊坡受降雨影響后的穩(wěn)定性差異可能較大；另一方面，當前國內(nèi)外學者針對降雨條件下的排土場邊坡穩(wěn)定性研究工作相對較少［8－10］，對由降雨所導致的各類排土場邊坡的滑坡破壞方式、滑坡機理等的研究尚不明確。深入開展降雨工況下各類排土場邊坡的穩(wěn)定性分析研究對于保證排土場安全運行具有十分重要的意義［11］。本文以國內(nèi)某多雨地區(qū)排土場為例，分析雨季情況下高陡臺階排土場邊坡臨界失穩(wěn)的原因。重點以該排土場經(jīng)優(yōu)化設計后的多臺階邊坡為例，開展長歷時降雨條件下瞬態(tài)滲流場分析及穩(wěn)定性演化規(guī)律研究。研究工作可為揭示降雨期間排土場多臺階坡面滲流變化規(guī)律及多臺階邊坡滑坡機理提供基礎，并可為相關類似工程的設計、施工等提供參考。

1 排土場高臺階臨界滑坡分析

某銅礦排土場地處我國南方充沛雨量地區(qū)，場區(qū)年降雨量1 532．7～2 470．1mm，小時最大降雨量為53．2mm；雨季最大連續(xù)降雨天數(shù)達10d，最大連續(xù)降雨量為421．6mm。該排土場屬單臺階山坡型排土場。由粗放高臺階快速推進式排土后形成的邊坡平均高度達257m，平均坡度約38°，如圖1所示。排土場排土堆積體由采場剝離的礫質(zhì)粉土、含礫粉質(zhì)黏土、塊石等經(jīng)自然混排堆積而成，結構松散度高，巖土分布不均，含泥量高。2011年雨季長歷時降雨之后，排土場單臺階邊坡處于臨界滑坡失穩(wěn)狀態(tài)；具體表現(xiàn)如下：排土場坡頂前緣約20m處出現(xiàn)沿縱向基本完全貫通的裂縫，裂縫寬度在數(shù)厘米至十幾厘米之間（見圖2）；坡腳區(qū)域土體出現(xiàn)局部底鼓隆起（見圖3）；邊坡不時出現(xiàn)小范圍的排土體坍塌現(xiàn)象。

圖1 排土場高陡臺階邊坡Fig．1 The high and steep dump slope

圖2 排土場前緣裂縫發(fā)育情況Fig．2 The cracks in the dump slope leading edge

圖3 排土場邊坡臨界滑移失穩(wěn)示意Fig．3 The critical instability state of the dump slope

經(jīng)現(xiàn)場充分調(diào)研，分析得出排土場臨界滑坡原因如下：1）該排土場排土物料本身為礫質(zhì)粉土、含礫粉質(zhì)黏土、塊石、孔隙介質(zhì)等組成的多相土石混合料，由于排土推進速度過快，致使物料結構松散度高，并直接導致物料自身抗剪強度降低及滲透系數(shù)增大。2）采用“一坡到底”全段排土所形成單臺階邊坡屬高陡臺階邊坡，自然狀態(tài)下邊坡安全系數(shù)較低。3）排土場坡面未設置任何截排水設施，導致雨水能夠充分匯流、入滲，長歷時降雨條件下造成物料重度增加、基質(zhì)吸力銳減，并最終誘發(fā)了邊坡淺層臨界失穩(wěn)現(xiàn)象。

2 排土場多臺階邊坡滲流場分析

2．1 計算基本資料

為切實保證排土場的穩(wěn)定性，對該排土場進行了專項設計治理工作。設計工況下排土場共分4個臺階進行堆排，各臺階標高分別為757m、681m、605m、529m。其中，第二、第三、第四臺階具有相同的臺階高度和坡比（臺階高度76m，臺階坡度27°）。第一臺階則為現(xiàn)狀工況高陡單臺階經(jīng)坡度優(yōu)化后形成，臺階坡度27°，臺階高度保持不變，其典型剖面如圖4所示。

為深入分析多臺階邊坡受降雨的影響程度，選取當?shù)?0d最大連續(xù)降雨量421．6mm作為降雨邊界條件，利用SEEP有限元軟件對該多臺階排土場邊坡進行10d降雨、10d停雨共計20d的長歷時工況下瞬態(tài)滲流場分析。計算選取的排土土料的土水特征曲線和滲透系數(shù)曲線如圖5～6所示。

圖4 排土場多臺階典型剖面Fig．4 The typical profile of the multi－stage dump slope

圖5 排土土料的土水特征曲線Fig．5 Curve of volatile water content and pore water pressure

圖6 排土土料的滲透系數(shù)曲線Fig．6 Curve of conductivity and pore water pressure

2．2 滲流場計算結果分析

圖7（a、b、c、d）分別對應降雨0d、5d、6d、10d工況下瞬態(tài)滲流場計算結果。綜合分析可得：

1）降雨0～5d：各臺階表層小范圍內(nèi)土體孔隙水壓力逐步升高；隨著降雨的持續(xù)，受降雨影響的孔隙水壓力變動深度也逐步增加。

2）降雨第6d：坡腳及各平臺轉(zhuǎn)折處表層土體的孔隙水壓力首先由零增加為正值，形成了暫態(tài)飽和區(qū)。其原因為該區(qū)域具有較好的積水效應，雨水易在此處發(fā)生停滯與匯流。

3）降雨第7～10d：暫態(tài)飽和區(qū)不斷增大，由線擴展成條帶，由單個排土平臺擴展成連通整個排土表層的條帶，且分布范圍隨降雨不斷向土體下部發(fā)展。同時受整個降雨所影響的土體基質(zhì)吸力變化范圍也不斷增大。

4）整個降雨過程各臺階邊坡滲流場呈現(xiàn)出一定的規(guī)律差異性，表現(xiàn)為：第四臺階受降雨影響的孔隙水壓力變動范圍最小，第一臺階受降雨影響的孔隙水壓力變動范圍最大。各臺階的降雨影響范圍依次為第四臺階＜第三臺階＜第二臺階＜第一臺階。其原因為：長歷時降雨時，多臺階坡面的滲水自然滲流方向為由高到低，造成少量高臺階滲水能夠向低臺階補充，入滲水量增多造成對孔隙水壓力的影響范圍增大。其中，第一臺階還受到坡腳浸潤線抬升的影響，因此該臺階邊坡受長歷時降雨影響最大。

圖8（a、b、c、d）則分別為10d降雨之后，對應停雨1d、5d、8d、10d工況下的滲流場計算結果。綜合分析可得：

1）停雨1～2d：各臺階邊坡暫態(tài)飽和區(qū)迅速消散，由沿四個臺階表層連成一體的整體變?yōu)橹袛嗒毩⒌男^(qū)域。同時，暫態(tài)飽和區(qū)與邊坡表層土體發(fā)生“脫離”，即坡頂最表層土體孔隙水壓力由正值恢復為負值。

2）停雨1～10d：各臺階邊坡表層土體的孔隙水壓力一直處于緩慢恢復的狀態(tài)，且不斷向穩(wěn)態(tài)未降雨工況下的孔隙水壓力分布規(guī)律趨近；但停雨期間孔隙水壓力恢復周期較長，停雨10d后邊坡表層孔隙水壓力恢復至－80kPa左右。

3）整個長歷時降雨結束并不代表降雨對邊坡滲流場規(guī)律影響的結束，相反存在一場長歷時降雨長期影響排土場內(nèi)部孔隙水壓力分布規(guī)律的現(xiàn)象。即水體在自重作用下不斷下滲，含水量較高的土體仍在持續(xù)補給下部含水率較低的土體，邊坡內(nèi)部土體孔隙水壓力仍處于不斷升高的趨勢。

3 排土場多臺階邊坡瞬態(tài)穩(wěn)定性研究

基于長歷時降雨及停雨工況下滲流場計算結果，采用SLOPE軟件中Bishop剛體極限平衡法，對該排土場多臺階邊坡進行瞬態(tài)穩(wěn)定性計算分析。排土場各材料分區(qū)力學參數(shù)如表1所示。圖9則為計算結果中各臺階最危險滑移面示意圖，圖10為四個臺階在歷時10d降雨及10d停雨工況下邊坡安全系數(shù)演化曲線。從圖中分析可得：

1）第一臺階由于為原高陡單臺階經(jīng)坡度優(yōu)化后形成，各階段邊坡安全系數(shù)明顯低于其他臺階。正常工況下邊坡安全系數(shù)為1．608。在降雨的第10 d，邊坡安全系數(shù)突降至最低值1．370，且此時對應其最危險滑移面由深層滑動變?yōu)闇\層滑動。

2）由于具有相同的單臺階高度及坡度，第二、三、四臺階的邊坡安全系數(shù)演化規(guī)律近乎相同。以第二臺階為例，初始工況邊坡安全系數(shù)為2．608。對應降雨歷時的第7d，該邊坡最危險滑移面由深層滑動轉(zhuǎn)變?yōu)闇\層滑動時，邊坡安全系數(shù)突降至2．082，之后邊坡安全系數(shù)進一步顯著降低，在降雨第10d達到最低值1．605。

3）整個降雨及停雨時段中，各臺階邊坡穩(wěn)定性呈現(xiàn)出規(guī)律相似性，表現(xiàn)為：1）初期短歷時降雨對排土場各臺階邊坡穩(wěn)定性影響較小，各臺階邊坡安全系數(shù)降低幅度較??；2）隨著降雨歷時的增大，其最危險滑移面由深層滑動轉(zhuǎn)變?yōu)闇\層滑動時，邊坡安全系數(shù)呈現(xiàn)出顯著降低的趨勢。3）整個停雨時段各臺階邊坡穩(wěn)定性安全系數(shù)回升速度較慢，僅表現(xiàn)為比降雨期間最低值略微增大。

分析其原因在于：長歷時降雨期間，邊坡表層土體的基質(zhì)吸力降低最為明顯，當降雨導致的表層土體基質(zhì)吸力影響范圍達到一定深度時，將會誘發(fā)淺層滑坡現(xiàn)象。在此之前，各臺階邊坡最危險滑移面均表現(xiàn)為深層滑動。停雨期間，邊坡表層基質(zhì)吸力處于緩慢恢復狀態(tài)，而邊坡內(nèi)部大部分土體的基質(zhì)吸力則仍在逐步降低。因此，停雨時段各臺階邊坡穩(wěn)定性安全系數(shù)回升速度較慢。

圖7 10天連續(xù)降雨工況下瞬態(tài)滲流場計算結果Fig．7 The results of transient seepage field in the 10days of continuous rainfall condition

圖8 10d停雨工況瞬態(tài)滲流場計算結果Fig．8 The results of transient seepage field in the 10days of continuous no－rainfall condition

表1 各材料分區(qū)力學參數(shù)Table 1 Mechanical parameters of each materials

4 結論

1）排土場是大氣降水的滯水蓄水體，在降雨條件下具有特殊的飽和—非飽和滲流特征。降雨期間，排土場表層土體單元孔隙水壓力顯著升高，并形成暫態(tài)飽和區(qū)；停雨期間，表層滲水繼續(xù)向排土場內(nèi)部下滲，表現(xiàn)為表層土體暫態(tài)飽和區(qū)逐漸消散，基質(zhì)吸力緩慢恢復，但排土體內(nèi)部基質(zhì)吸力仍處于逐漸減小的趨勢中。

圖9 各臺階最危險滑移面示意Fig．9 The most dangerous sliding surface of each stage slope

2）多臺階排土場邊坡中，由于自然臺階差造成少量滲水自高臺階向低臺階匯流，低臺階邊坡受長歷時降雨的影響程度更大。

圖10 各臺階邊坡安全系數(shù)隨時間變化曲線Fig．10 Variation of the safety factor for each step slope with the duration of rainfall

3）降雨是排土場發(fā)生滑坡失穩(wěn)的重要觸發(fā)和誘導因素，在長歷時降雨作用下，排土場安全系數(shù)下降幅度為15%～38%，且多為單臺階淺層滑動。隨著降雨的停止，安全系數(shù)逐步回升，但速度較慢。

4）對于多雨地區(qū)排土場，為切實保證排土場各臺階邊坡的穩(wěn)定性，應加強排土段高與坡度等的優(yōu)化控制，以預留較高的邊坡穩(wěn)定性安全余量。同時注重各類截排水設施的修建，以減小過量雨水入滲對邊坡穩(wěn)定性的降低作用。

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