張 淼

（馬鞍山馬鋼礦山巖土工程勘察聯(lián)合公司，安徽 馬鞍山 243000）

1 研究背景

在尾礦庫岸坡失穩(wěn)案例中，由于坡外水位下降引起的岸坡失穩(wěn)是一種比較典型的岸坡失穩(wěn)原因。鑒于實(shí)際工程中出現(xiàn)過的人工粘性土質(zhì)岸坡由于坡外水位下降而失穩(wěn)的案例，本文將以粘性尾礦庫岸坡為對象，研究其在坡外水位下降過程中的穩(wěn)定性變化情況，并嘗試總結(jié)水位下降影響穩(wěn)定性變化的主要因素。

2 影響尾礦庫岸坡穩(wěn)定性的基本原理

在分析影響尾礦庫岸坡穩(wěn)定性的要素時(shí)，主要沿著兩條思路進(jìn)行：一是研究內(nèi)部剪應(yīng)力的變化，二是研究土體本身抗剪強(qiáng)度的改變。

土體內(nèi)部剪應(yīng)力變化是指以土顆粒骨架為研究對象，其所處的三維應(yīng)力狀態(tài)的變化，這一三維應(yīng)力狀態(tài)下處于最大剪應(yīng)力面處的土體就是最有可能被破壞的土體。而水位變化后尾礦庫岸坡土骨架整體的受力情況就會變化，任一點(diǎn)處的土顆粒所處的三維應(yīng)力狀態(tài)也就變化了，所以任一點(diǎn)處的土顆粒所受的最大剪應(yīng)力也隨之變化。

3 水位下降條件下尾礦庫岸坡土體所受最大剪應(yīng)力情況模擬

3.1 模型基本情況

本論文采用GeoStudio 2007系統(tǒng)軟件中的SIGMA/W、SEEP/W和SLOPE/W三個(gè)軟件聯(lián)合模擬尾礦庫岸坡在水位升降條件下的各種狀態(tài)。建立庫水位下降條件下簡化的尾礦庫岸坡數(shù)值模型。

高度為10m，坡比為1：2。假定為均質(zhì)土體岸坡，坡面光滑。并假定土體的材料模型為彈塑性、各向同性材料。初始時(shí)刻坡外水位靜止在15米處，坡外水位線以下的飽和土材料種類為有效參數(shù)w/孔隙水壓力變化，坡外水位線以上的天然狀態(tài)土材料種類為總應(yīng)力參數(shù)。岸坡土體的材料參數(shù)見表1所示。坡外水位由15m下降到6m，水位下降的速度假定是恒定值，取為1m/day。假定庫水位下降前的岸坡浸潤線與坡外水位高程（15m）共線，浸潤線以下土體均為飽和土，浸潤線以上土體為天然狀態(tài)。另假定岸坡底邊為不透水基巖，岸坡底邊界為水平和豎直兩個(gè)方向的固定約束，左側(cè)邊界和右側(cè)邊界為水平方向的固定約束。

表1 岸坡土體材料參數(shù)表

3.2 尾礦庫岸坡土體最大剪應(yīng)力變化情況

圖1 坡外水位下降過程中尾礦庫岸坡土體最大剪應(yīng)力變化曲線圖

建立尾礦庫岸坡模型，模型情況如3.1節(jié)所述。模擬水位下降過程中的岸坡滲流及孔隙水壓力情況；接著把水位下降過程中的岸坡土體所受應(yīng)力場與孔隙水壓力場進(jìn)行耦合，模擬出耦合后的岸坡土體所受應(yīng)力情況和孔隙水壓力情況，得出水位下降過程中的尾礦庫岸坡土體最大剪應(yīng)力變化情況如圖1所示。

3.3 水位下降過程中尾礦庫岸坡土體所承受的最大剪應(yīng)力變化情況分析

根據(jù)圖1可以看出，在水位下降過程中，尾礦庫岸坡土體所受最大剪應(yīng)力值是先減小后增大的。在水位下降前時(shí)刻開始的前5天里，土體最大剪應(yīng)力值從初始狀態(tài)的22kPa迅速減小到第5天的14kPa；接著又增長至第9天的18kPa。土體所受最大剪應(yīng)力的最大值為第0天的22kPa，最小值為第5天的14kPa。最危險(xiǎn)的最大值時(shí)刻為第0天，也就是水位下降前的初始時(shí)刻，此時(shí)尾礦庫岸坡土體最大剪應(yīng)力分布情況如圖2所示。

圖2 水位下降前尾礦庫岸坡土體最大剪應(yīng)力分布云圖

4 水位下降條件下尾礦庫岸坡穩(wěn)定性變化情況模擬

根據(jù)上節(jié)所述，岸坡穩(wěn)定性安全系數(shù)最小，也就是對于岸坡穩(wěn)定最危險(xiǎn)的時(shí)刻，該時(shí)刻為坡外水位即將下降的那一瞬時(shí)。

在使用軟件模擬整個(gè)水位下降過程的岸坡滲流情況后，選擇最接近這一瞬時(shí)的下降第1天時(shí)刻去近似反映水位即將下降瞬時(shí)的岸坡滲流情況，也就是坡外水位下降至14m的時(shí)刻，此時(shí)的岸坡滲流情況如圖3所示。

圖3 坡外水位下降至14m時(shí)刻的岸坡滲流情況圖

根據(jù)圖3所示可以看出該時(shí)刻岸坡的滲流方向幾乎垂直于岸坡坡面。因?yàn)橥令w粒所受的滲透力為場力，方向沿滲流場方向，所以滲透力在水位下降條件下的變化與滲流過程緊密相關(guān)。

從本次模擬的結(jié)果看，浸潤線以下范圍內(nèi)的土顆粒均受到滲透力的作用，且滲透力的大小反映出的規(guī)律為：越接近尾礦庫岸坡的坡面或坡腳的表面，滲流強(qiáng)度越大。

5 水位下降影響尾礦庫岸坡穩(wěn)定性的主要因素歸納

5.1 滲透力的影響

沿著影響尾礦庫岸坡土體最大剪應(yīng)力變化的思路，根據(jù)上述模型模擬的結(jié)果分析，同時(shí)不研究土體范圍邊界處的穩(wěn)定性情況，可以得出在尾礦庫岸坡范圍內(nèi)的土顆粒整體所受的各外力中，滲透力的影響是占主要且決定性的因素。單位土體土粒上所受的滲透力用字母j來表示。

其中：γw為水的重度，i為水力梯度。

根據(jù)滲透力的計(jì)算公式可以看出，滲透力大小與水力梯度成正比，而水力梯度可反映為滲流強(qiáng)度。在模型模擬水位下降的過程中，尾礦庫岸坡穩(wěn)定性安全系數(shù)最小的坡外水位下降前初始時(shí)刻恰好也是岸坡滲流強(qiáng)度最高的時(shí)刻?？梢姖B透力的變化是影響其穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素。

5.2 對尾礦庫岸坡土體抗剪強(qiáng)度的影響

水對土體抗剪強(qiáng)度參數(shù)的影響規(guī)律為：土體的粘聚力c呈現(xiàn)出隨著土體含水率w的增大而減小的趨勢，減小的速率較為穩(wěn)定。在含水率增大到某一值后，粘聚力的值趨于穩(wěn)定，不再隨含水率變化而改變。土體的內(nèi)摩擦角總體上也呈現(xiàn)出隨著土體含水率w的增大而減小的趨勢，但在含水率增大的某些區(qū)間里內(nèi)摩擦角會隨著含水率增大而增大。

隨著尾礦庫岸坡外水位下降，浸潤線也逐漸下降，部分區(qū)域范圍內(nèi)的土體由飽和變?yōu)椴伙柡?，含水率逐漸下降，抗剪強(qiáng)度隨之發(fā)生變化。土體抗剪強(qiáng)度越低，尾礦庫岸坡越容易失穩(wěn)。

5.3 浸潤線的影響

坡外水位下降造成岸坡滲流，使得岸坡浸潤線逐漸下降。以浸潤線為分界，浸潤線以上范圍內(nèi)的土顆粒受重力作用，可以天然重度來表示；而浸潤線以下范圍內(nèi)的土顆粒不僅受重力作用，還受到浮力作用，可以浮重度來統(tǒng)一表示。

由于浸潤線變化，受到浮力作用的土顆粒范圍改變，這一外力變化會引起岸坡土體范圍內(nèi)的任一點(diǎn)處的土顆粒三維應(yīng)力狀態(tài)改變，從而若出現(xiàn)最大剪應(yīng)力改變。若尾礦庫岸坡土體范圍內(nèi)的任一點(diǎn)處的最大剪應(yīng)力值大于該處的抗剪強(qiáng)度值，則該處土體發(fā)生破壞。