崔 博，王光進(jìn)，劉文連，胡 斌，艾嘯韜，崔周全，王孟來，周宗紅

1) 昆明理工大學(xué)國土資源工程學(xué)院，金屬礦尾礦資源綠色綜合利用國家地方聯(lián)合工程研究中心，昆明 650093 2) 云南省中-德藍(lán)色礦山與特殊地下空間開發(fā)利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，昆明 650093 3) 中國有色金屬工業(yè)昆明勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，云南省巖土工程與地質(zhì)災(zāi)害重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，昆明 650051 4) 武漢科技大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院，武漢 430081 5) 云南磷化集團(tuán)有限公司，國家磷資源開發(fā)利用工程技術(shù)研究中心，昆明 650113

強(qiáng)降雨會使得排土場土體含水率增大、基質(zhì)吸力降低，同時強(qiáng)降雨入滲還會使土體非飽和帶內(nèi)孔隙中的氣體被壓縮，造成氣壓不斷增大，不但會降低雨水的入滲速率，而且增加了排土場邊坡的沖刷度，致使排土場發(fā)生滑坡、失穩(wěn)等地質(zhì)災(zāi)害.

目前，國內(nèi)外學(xué)者針對強(qiáng)降雨對邊坡穩(wěn)定性影響的研究已經(jīng)取得了一定的成果[1-10]，但大部分穩(wěn)定分析模型在分析降雨入滲對邊坡穩(wěn)定性的影響時并未考慮過孔隙氣壓的存在. Morel-Seytoux[10]最先提出一種理論：雨水入滲導(dǎo)致封閉的氣體壓力會持續(xù)增加，之后氣體會一直做壓縮與排出的重復(fù)過程；Grismer等[11]、Weir等[12]、Latifi等[13]和Hammecker等[14]在許多試驗(yàn)中驗(yàn)證了該理論的正確性，并得出降雨入滲壓縮了濕潤鋒下部的氣體，且雙層土的孔隙氣壓會比均質(zhì)土更加顯著[13]；為了分析在滲流過程中土體孔隙內(nèi)的氣壓力變化規(guī)律，孫冬梅等[15-17]基于水-氣二相流理論將非飽和帶中的孔隙氣和水建立了數(shù)學(xué)模型，可以更準(zhǔn)確的模擬水、氣的流動規(guī)律，為研究孔隙氣壓力對雨水入滲的影響提供了依據(jù)，并通過該模型研究了均質(zhì)土層的降雨入滲過程，得到了孔隙水壓、孔隙氣壓、毛細(xì)壓力和含水量的變化過程，根據(jù)地表孔隙氣壓與入滲率的相關(guān)性驗(yàn)證了孔隙氣壓的增大會阻礙雨水的入滲，且基質(zhì)吸力會使相同滑動面上的穩(wěn)定性系數(shù)增加；李援農(nóng)和其他學(xué)者[18-20]采用室內(nèi)試驗(yàn)得出土體氣壓力是表面積水深度與濕潤鋒共同作用的結(jié)果，并擬合出了入滲穩(wěn)定后氣壓的形式與變化過程；Wang等[21]通過試驗(yàn)提出了土體內(nèi)氣壓的變化形式，其認(rèn)為在水流入滲時，土體內(nèi)氣壓上升到上臨界值時，氣體會突破上層土體，當(dāng)壓力下降到下臨界值時氣體會再次被封閉；在Wang等的基礎(chǔ)上韓同春等[22]簡化了考慮氣壓的入滲模型，得出孔隙氣壓力在大面積強(qiáng)降雨下對滑坡具有顯著的延時性；Ram等[23]等建立了某邊坡的三維滲流數(shù)值模型，并考慮了其在降雨條件下孔隙氣壓的運(yùn)動規(guī)律，其結(jié)果表明孔隙氣壓延緩了滑坡的時間；王繼成等[24]和Zhang等[25]研究了氣壓對邊坡穩(wěn)定的影響，王繼成等針對大面積淺層風(fēng)化土邊坡，通過摩爾庫倫準(zhǔn)則與極限平衡法建立了考慮氣壓力影響下的穩(wěn)定分析模型，得出了孔隙氣壓顯著降低了土體邊坡的安全系數(shù)；Zhang等通過研究孔隙氣壓對土邊坡穩(wěn)定性的影響，得出在穩(wěn)定滲流情況下土體中的孔隙氣壓對邊坡穩(wěn)定性的影響可以被忽視，而在降雨情況下，非飽和區(qū)產(chǎn)生的孔隙氣壓將降低土邊坡的安全系數(shù)，且滑動面與地下水位間的距離越大，孔隙氣壓對邊坡穩(wěn)定性的影響越大；何健[26]通過數(shù)值模擬驗(yàn)證了氣壓力的存在對邊坡穩(wěn)定有一定的影響，但模型并未與實(shí)際工程相結(jié)合. 然而導(dǎo)致高臺階排土場在強(qiáng)降雨作用下破壞失穩(wěn)的影響因素復(fù)雜多變，各因素之間的相互作用使得高臺階排土場失穩(wěn)破壞的預(yù)測具有強(qiáng)烈的不確定性，失穩(wěn)機(jī)理和破壞過程至今沒有完全的定論，導(dǎo)致現(xiàn)有的高臺階排土場在強(qiáng)降雨條件下的穩(wěn)定性評價方法及災(zāi)害防控不完善，嚴(yán)重制約著礦山重大災(zāi)害整體防御水平. 本文在之前的研究基礎(chǔ)上，以江西某礦山高臺階排土場為研究對象，將氣壓力引入到高臺階排土場中分別模擬了強(qiáng)降雨條件下考慮孔隙氣壓力和不考慮孔隙氣壓力時的高臺階排土場滲流與穩(wěn)定性，從而為強(qiáng)降雨條件下高臺階排土場的長期安全運(yùn)行和災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警提供一定的理論基礎(chǔ).

1 考慮孔隙氣壓邊坡穩(wěn)定性分析模型

降雨入滲是雨水對土體中氣體的驅(qū)散過程[24]，強(qiáng)降雨入滲導(dǎo)致高臺階排土場濕潤鋒處的基質(zhì)吸力迅速降低，其下部氣壓不斷壓縮，對雨水入滲產(chǎn)生阻礙作用，同時會對邊坡的穩(wěn)定性造成影響.

1.1 不考慮孔隙氣壓的穩(wěn)定性分析模型

圖1為降雨條件下不考慮孔隙氣壓的排土場邊坡的受力分析圖，W為單位寬度土條重量，α為排土場自然邊坡角，zf為濕潤鋒處的深度. 濕潤鋒處的安全系數(shù)Fs為濕潤區(qū)的總抗滑力τf與下滑力τm的比值，濕潤鋒處抗滑力τf采用非飽和土抗剪強(qiáng)度公式求解，下滑力τm為濕潤區(qū)土體的重度沿坡面的分量. 根據(jù)非飽和土摩爾-庫倫屈服準(zhǔn)則[14]與極限平衡法得到邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)Fs的計(jì)算公式：

圖1 降雨條件下排土場邊坡受力分析圖（不考慮孔隙氣壓）Fig.1 Force analysis of the dump under rainfall conditions (without considering the pore air pressure)

式中：c′、φ′為土的有效黏聚力與內(nèi)摩擦角；φb為抗剪強(qiáng)度隨基質(zhì)吸力變化的吸力摩擦角；σn為失效斜面上的正應(yīng)力；ua為大氣壓力；ua-uw為土體濕潤鋒處的基質(zhì)吸力.

因?yàn)榕磐翀鰸駶檯^(qū)土體處于飽和，濕潤鋒處非飽和土體抗剪強(qiáng)度用有效正應(yīng)力計(jì)算：

式中：γt為濕潤區(qū)飽和土體重度；γw為水的重度；α為邊坡傾角.

在強(qiáng)降雨條件下，假定濕潤區(qū)土體飽和，濕潤鋒上方土體的基質(zhì)吸力為0，得到不考慮孔隙氣壓的穩(wěn)定分析模型：

1.2 考慮孔隙氣壓的穩(wěn)定性分析模型

當(dāng)考慮孔隙氣壓力影響時，排土場邊坡分析圖見圖2. 降雨條件下濕潤區(qū)的土體接近飽和，濕潤鋒以上的土體基質(zhì)吸力可近似為0處理. 故考慮孔隙壓力的邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)Fsa的計(jì)算公式可由式（1）改寫為：

圖2 降雨條件下排土場邊坡受力分析圖（考慮孔隙氣壓）Fig.2 Force analysis of the dump under rainfall conditions (considering the pore air pressure)

式中：Ha為氣體壓力值.

降雨入滲過程可以分為氣體被壓縮、排出兩個階段. 降雨使得排土場表面被封閉，雨水的下滲導(dǎo)致氣體被壓縮，造成孔隙氣壓迅速增大. 當(dāng)氣壓達(dá)到氣體突破壓力值時，孔隙氣壓會以氣泡的形式排出坡表（多孔介質(zhì)中空氣的傳導(dǎo)性優(yōu)于水的傳導(dǎo)性）；當(dāng)氣壓減小到氣體閉合壓力值時，排土場邊坡的排氣通道會重新被雨水封閉，如此氣體不斷地排出與壓縮，氣壓力會基本穩(wěn)定在H+Hc[11].對不同的土質(zhì)進(jìn)行試驗(yàn)[13,21]可知，預(yù)測的氣壓力值與恒定后測量的氣壓力值基本吻合，得到以下關(guān)系式：

將式（5）代入式（4）得到考慮孔隙氣壓的穩(wěn)定分析模型：

2 工程概況及模型建立

2.1 工程概況

江西某高臺階排土場位于露天采場東北方向約1200 m處，南北向長度約為1200 m，東西向?qū)挾燃s為600 m. 礦區(qū)屬丘陵中低山地貌，受風(fēng)化和雨水侵蝕作用，山坡坡角多為10°～35°. 高臺階排土場年平均降雨量為2185.4 mm，晝夜最大降雨量達(dá)311.7 mm，全年降雨平均天數(shù)為171 d，是江西省的多雨地區(qū)之一. 排土場底部巖石主要由變質(zhì)巖、火山巖等非可溶性巖石構(gòu)成，近地表巖石風(fēng)化較強(qiáng)，風(fēng)化帶深10～30 m，透水性差，賦水性弱，不存在溶洞、流砂和暗流等復(fù)雜的水文地質(zhì)條件.地下水主要通過大氣降水來補(bǔ)給，且水源供給有限，底部無大的斷層破碎帶. 因此，可以認(rèn)為高臺階排土場的水文地質(zhì)條件簡單，故本文暫不考慮地下水對高臺階排土場穩(wěn)定性的影響.

2.2 高臺階排土場散體粒徑分布調(diào)查

目前高臺階排土場已形成四個臺階，分別是200、223、239和250 m臺階. 根據(jù)現(xiàn)場勘查得知，200 m臺階以上由于排土場各臺階高度小于40 m，基本未開始分級；200 m臺階排土高度為110 m，采用“一坡到底”的排土方式進(jìn)行排土. 為了研究該排土方式是否造成堆積散體的粒徑分級現(xiàn)象，需分別采用直接測量法和篩分法[27-28]對200 m臺階排土場粒徑分布進(jìn)行研究，結(jié)合兩種方法可以使所獲得的粒徑分布更接近于實(shí)際，起到相互補(bǔ)充和驗(yàn)證的作用.

高臺階排土場顆粒大于等于100 mm的土料可采用坡面取樣的方式進(jìn)行直接測量粒徑調(diào)查（見圖3（a）），由此可以確定大塊石的粒徑隨排土場堆積高度的變化規(guī)律：小顆粒的散體廢石主要集中于臺階中上部，大塊石主要堆積于臺階中下部；對于排土場顆粒大于0.1 mm小于100 mm的土料采用篩分法來測定粒徑，對200 m臺階排土場取七個測點(diǎn)進(jìn)行篩分試驗(yàn)，由篩分結(jié)果可對排土場各個測點(diǎn)的中間粒徑D50、平均粒徑與排土場相對高度（h/H）的關(guān)系進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，其大小可以反映高臺階排土場顆粒粒度組成（見圖3（b））. 從圖3（b）易知，高臺階排土場坡面散體的粒徑分布隨其相對高程的增加，平均粒徑與中間粒徑D50皆呈指數(shù)趨勢減小.

圖3 粒徑隨排土場堆積高度變化規(guī)律. （a）顆粒尺寸≥100 mm；（b）0.1 mm＜顆粒尺寸＜100 mmFig.3 Diameter changes with the dump height: (a) particles size ≥ 100 mm; (b) 0.1 mm ＜ particles size ＜ 100 mm

由此可以說明，粒徑分級使200 m臺階高臺階排土場形成明顯的“水平分層”：小顆粒主要分布在排土場的上部，中等顆粒分布在排土場中部，大塊巖石主要停留在排土場的底部.

2.3 高臺階排土場現(xiàn)場滲透試驗(yàn)

高臺階排土場屬于非均質(zhì)多孔介質(zhì)，其滲透系數(shù)是由多種土體復(fù)合而成且很難在室內(nèi)進(jìn)行測定，故需在高臺階排土場的不同高度進(jìn)行多組現(xiàn)場滲透試驗(yàn).

結(jié)合現(xiàn)場試驗(yàn)條件，由于超長距離供水且供水量較小，選用變水頭滲透試驗(yàn)更為合理. 試驗(yàn)的具體步驟為：分別在223、239和200 m臺階的上部、中部和下部選擇代表性場地開挖試坑，試坑尺寸均為50 cm×50 cm×50 cm. 隨后進(jìn)行試水試驗(yàn)使土體達(dá)到飽和，最后進(jìn)行多次注水試驗(yàn)求取穩(wěn)定試驗(yàn)時的平均值. 滲透系數(shù)的計(jì)算公式為：

式中：K為滲透系數(shù)，cm·s-1；t1、t2為注水試驗(yàn)?zāi)骋粫r刻的試驗(yàn)時間，min；H1、H2為在試驗(yàn)時間為t1、t2時的試驗(yàn)水頭，cm；r為套管內(nèi)半徑，cm；A為形狀系數(shù)，cm，其計(jì)算公式為：

式中：Kh為水平滲透系數(shù)；Kv為垂直滲透系數(shù)；l為試驗(yàn)段進(jìn)入水的深度. 計(jì)算所得的滲透系數(shù)見表1.

表1 高臺階排土場滲透系數(shù)計(jì)算結(jié)果Table 1 Permeability coefficient of the high dump

依據(jù)試驗(yàn)結(jié)果可以看出，在200 m臺階以上由于土體顆粒分級不明顯，所得的滲透系數(shù)相差幾乎很?。辉?00 m臺階排土場由于散體顆粒的粒徑分級特征明顯，臺階上部主要為細(xì)小顆粒，臺階中部多為中等塊度顆粒，臺階下部主要為粗大顆粒，其對應(yīng)的土體滲透系數(shù)也由小變大發(fā)展. 故200 m臺階以上滲透系數(shù)可按223 m臺階、239 m臺階滲透系數(shù)的平均值來取值，200 m臺階由于滲透系數(shù)相差較大，且粒徑分級明顯導(dǎo)致土體的力學(xué)參數(shù)也不相同，如果按均質(zhì)土體來進(jìn)行模擬誤差太大，所以需對200 m臺階進(jìn)行分層處理.

2.4 模型建立

根據(jù)礦山原始地形圖與現(xiàn)場勘查結(jié)果，在高臺階排土場臨空坡面選取了兩條代表性剖面進(jìn)行數(shù)值模擬分析，圖4為高臺階排土場三維模型及剖面線具體位置.

圖4 高臺階排土場三維模型及剖面線位置Fig.4 3D model and section line of the high dump

為了更好的模擬排土場的水平分層，結(jié)合排土場現(xiàn)場粒徑調(diào)查結(jié)果，將排土場堆積散體材料自上而下分為4層，分別為爆堆散體（未分級廢石）、中密堆積料上部、稍密堆積料中部、松散堆積料下部見圖5和6. 本文通過高臺階排土場現(xiàn)場采用的圖像法與直接測量法綜合比較選取37°作為模型中的邊坡角. 排土場底部巖石較堅(jiān)硬且透水性差，且排土場屬于高臺階排土場，短時強(qiáng)降雨到達(dá)不了初始地下水位線處，對滲流模擬影響很小，故初始地下水可簡化為按水平處理[1]，取實(shí)測地下水位標(biāo)高76.64 m. 本文選取最大臺階高度為110 m的排土場邊坡作為此次研究對象.

圖5 1-1計(jì)算剖面圖(單位：m)Fig.5 Sectional drawing of the 1-1 profile (Unit: m)

圖6 2-2計(jì)算剖面圖(單位：m)Fig.6 Sectional drawing of a 2-2 profile (Unit: m)

本次數(shù)值分析采用的土性參數(shù)指標(biāo)見表2. 表中計(jì)算參數(shù)是基于室內(nèi)大型直剪試驗(yàn)、室內(nèi)大型三軸試驗(yàn)和現(xiàn)場滲透試驗(yàn)等得到的試驗(yàn)結(jié)果，并綜合考慮相關(guān)排土場粗粒料的抗剪強(qiáng)度參數(shù)和滲透系數(shù)經(jīng)驗(yàn)值[29-37]綜合考慮確定的.

表2 高臺階排土場巖土力學(xué)參數(shù)Table 2 Mechanical parameters of the high dump

通過Fredlund和Xing和粒徑數(shù)據(jù)估計(jì)方法，將飽和滲透系數(shù)和體積含水量函數(shù)進(jìn)行擬合，獲取了高臺階排土場的滲透系數(shù)曲線和土水特征曲線關(guān)系圖，見圖7和8. 由圖可知，堆積料下部的體積水含量與滲透系數(shù)最大，爆堆散體、堆積料中部相對較小，堆積料上部最小.

圖7 滲透系數(shù)曲線Fig.7 Permeability coefficient curves

圖8 土水特征曲線Fig.8 Soil-water characteristic curves

3 模型邊界及初始條件

（1）模型邊界條件：底部設(shè)為不透水、不透氣邊界，土層表面設(shè)置進(jìn)氣值1.8 kPa[24]，模型兩側(cè)在初始地下水位以上設(shè)為零流量邊界條件，以下設(shè)為定水頭邊界條件，水頭值等于初始地下水位76.64 m.

（2）模擬的降雨：根據(jù)該地區(qū)多年降雨實(shí)測資料，選取最大晝夜降雨量311.7 mm·d-1作為降雨強(qiáng)度，降雨工況設(shè)計(jì)見表3，降雨時間取 6，12，18，24和30 h.

表3 降雨工況設(shè)計(jì)Table 3 Design of the rainfall condition

（3）初始條件：土層負(fù)孔隙水壓力由鄭開歡等[1]推導(dǎo)的土體天然含水率、天然重度與天然體積含水量的換算公式，結(jié)合土-水特征曲線確定排土場邊坡初始基質(zhì)吸力為208 kPa，孔隙氣壓力為大氣壓力等于0 kPa.

4 計(jì)算結(jié)果分析

4.1 邊坡滲流分析

通過對高臺階排土場1-1剖面進(jìn)行歷時30 h強(qiáng)降雨數(shù)值模擬，獲得了1-1剖面入滲過程中濕潤鋒深度隨降雨時長的變化規(guī)律和強(qiáng)降雨工況孔隙水壓的分布結(jié)果. 由圖9和10可以看出相同時間考慮孔隙氣壓力的高臺階排土場濕潤鋒下移速度變慢、對應(yīng)的孔隙水壓力上升也相對變緩.

圖9 濕潤鋒時程曲線Fig.9 Wetting front time curves

圖10 強(qiáng)降雨條件下不同時段孔隙水壓力分布情況Fig.10 Distribution of pore water pressure indifferent periods

由圖9可知，在不考慮孔隙氣壓時，在降雨入滲前期（0 h≤t＜3 h）由于高臺階排土場土體干燥導(dǎo)致其基質(zhì)吸力梯度大，濕潤鋒下移較快，隨著降雨持續(xù)其成線性增加；在降雨入滲中期（3 h≤t＜9 h），主要受土體自身入滲能力的影響，高臺階排土場入滲速率逐漸減小呈穩(wěn)定趨勢，隨著降雨時間的增長，濕潤鋒呈一定的非線性；在降雨入滲后期（9 h≤t≤30 h）當(dāng)濕潤鋒到達(dá)堆積料中部時（t=9 h），土體力學(xué)參數(shù)變大使入滲速率加快，濕潤鋒下移變快；當(dāng)濕潤鋒到達(dá)堆積料下部時（t=21 h），土體力學(xué)參數(shù)繼續(xù)增大導(dǎo)致入滲速率更快，較之前相比濕潤鋒深度下移更快.

當(dāng)考慮孔隙氣壓時，在降雨入滲初期（0 h≤t＜3 h），由于高臺階排土場邊坡表層飽和度較小且滲透系數(shù)較大，氣體可沿孔隙從排土場表層溢出，此時孔隙氣壓力近似等于大氣壓力，對排土場邊坡影響很小，幾乎可以忽略；但隨著降雨入滲濕潤鋒不斷下移（3 h≤t＜11 h），孔隙的氣體被不斷壓縮無法沿土層表面溢出，使得孔隙氣壓力迅速增大，雨水入滲速率降低，濕潤鋒下移速度變緩；隨后孔隙氣壓力不斷地排出與壓縮會大致恒定在H+Hc，濕潤鋒呈線性增加；當(dāng)濕潤鋒到達(dá)堆積料中部時（t=11 h），由于高臺階排土場力學(xué)參數(shù)的改變，破壞了孔隙氣壓原有的平衡狀態(tài)，孔隙氣壓在原有基礎(chǔ)上將會迅速增大直至達(dá)到新的恒定值H1+Hc1，濕潤鋒較之前相比下降變緩；當(dāng)濕潤鋒到達(dá)堆積料下部時（t=24 h），孔隙氣壓將會在原基礎(chǔ)上繼續(xù)增大直至達(dá)到新的恒定值H2+Hc2，濕潤鋒下降速度更慢.與不考慮孔隙氣壓相比較，考慮孔隙氣壓力時高臺階排土場濕潤鋒下移變慢，有著明顯的延時作用，對雨水入滲有很大的阻礙.

另一方面，由圖10可知，在強(qiáng)降雨工況下，隨著雨水入滲濕潤鋒不斷下移，高臺階排土場土體逐漸接近飽和狀態(tài)，孔隙水壓持續(xù)增長，導(dǎo)致基質(zhì)吸力逐漸減小，抗剪強(qiáng)度逐漸減弱，下滑力不斷增大，使高臺階排土場逐漸失穩(wěn)；考慮孔隙氣壓力對高臺階排土場入滲的影響時，由于孔隙氣壓對濕潤鋒的延時作用，使得孔隙水壓上升變緩，當(dāng)濕潤鋒下移至高臺階排土場分層臨界面時，由于孔隙氣壓的變化導(dǎo)致濕潤鋒下移變慢，孔隙水壓較之前相比上升也變緩，但整體趨勢沒有改變.

4.2 邊坡穩(wěn)定性分析

通過高臺階排土場兩個典型剖面的穩(wěn)定性數(shù)值分析，獲得了強(qiáng)降雨條件下考慮孔隙氣壓與不考慮孔隙氣壓作用的高臺階排土場的邊坡穩(wěn)定性系數(shù)如表4所示.

表4 高臺階排土場安全系數(shù)計(jì)算結(jié)果Table 4 Safety factor of the high dump

同時，此處還對高臺階排土場降雨各個時段考慮孔隙氣壓力與不考慮氣壓力的穩(wěn)定性系數(shù)進(jìn)行了對比分析，探討了降雨時長、濕潤鋒與高臺階排土場安全系數(shù)的變化規(guī)律. 由圖11和12可知，在不考慮孔隙氣壓力的情況下，強(qiáng)降雨入滲導(dǎo)致高臺階排土場含水量增大，基質(zhì)吸力迅速降低，出現(xiàn)暫態(tài)飽和區(qū)，使得土體下滑力增加，弱化了土體強(qiáng)度參數(shù)引起了非飽和土的抗剪強(qiáng)度減弱，邊坡安全系數(shù)下降. 且當(dāng)濕潤鋒到達(dá)堆積料中部時（t=9 h），土體滲透系數(shù)變大導(dǎo)致入滲速率加快，使得安全系數(shù)的降低變快；當(dāng)濕潤鋒到達(dá)堆積料下部時（t=21 h），土體滲透系數(shù)繼續(xù)增大入滲速率更快，較之前相比高臺階排土場安全系數(shù)的降低加快.

圖11 降雨時長與安全系數(shù)的關(guān)系Fig.11 Relationship between rainfall duration and safety factor

圖12 濕潤鋒與安全系數(shù)的關(guān)系Fig.12 Relationship between wetting front and safety factor

在考慮孔隙氣壓力的情況下，在降雨入滲初期（0 h≤t＜3 h），由于高臺階排土場內(nèi)的孔隙氣壓力近似等于大氣壓力，對高臺階排土場的穩(wěn)定性影響較??；隨著降雨入滲（3 h≤t＜11 h）孔隙氣壓力迅速增大使得雨水入滲降低，濕潤鋒下移深度變緩，對安全系數(shù)的降低有延時效應(yīng)；孔隙氣壓力不斷地排出與壓縮會基本恒定在H+Hc，其對高臺階排土場穩(wěn)定性的延時效應(yīng)會隨著雨水入滲而增加；當(dāng)濕潤鋒到達(dá)高臺階排土場分層臨界面時（t=11 h、t=24 h），孔隙氣壓原有的平衡狀態(tài)被破壞，在原有基礎(chǔ)上孔隙氣壓會繼續(xù)增大直至達(dá)到新的平衡，對高臺階排土場穩(wěn)定性的影響與之前相比更加顯著. 另一方面，在濕潤鋒到達(dá)相同深度時，考慮孔隙氣壓力的排土場穩(wěn)定性安全系數(shù)小于不考慮孔隙氣壓力的安全系數(shù)，說明孔隙氣壓力降低了高臺階排土場的安全系數(shù)，需把孔隙氣壓力當(dāng)成影響其穩(wěn)定性的一項(xiàng)重要因素.

5 結(jié)論

（1）高臺階排土場現(xiàn)場調(diào)查與滲透試驗(yàn)結(jié)果表明：對于“一坡到底”的高臺階排土場具有明顯的粒徑分級現(xiàn)象，即細(xì)小顆粒主要分布在排土場上部，中部主要為中等塊度顆粒，下部多為粗大顆粒. 高臺階排土場的明顯粒徑分級現(xiàn)象會對強(qiáng)降雨條件下堆積體內(nèi)的孔隙氣壓產(chǎn)生影響，從而影響高臺階排土場邊坡的安全穩(wěn)定性.

（2）強(qiáng)降雨作用下的排土場孔隙氣壓分析結(jié)果表明：強(qiáng)降雨初期，降雨入滲對孔隙氣壓的影響較小，其對高臺階排土場穩(wěn)定性不產(chǎn)生直接影響；但隨著降雨的持續(xù)，孔隙氣壓作用開始顯現(xiàn)，使得高臺階排土場的入滲速率降低，濕潤鋒下移速度變慢，孔隙水壓上升變緩，強(qiáng)降雨對高臺階排土場穩(wěn)定性的影響也出現(xiàn)一定延時；在降雨入滲中期，孔隙氣壓將保持恒定，延時效應(yīng)會隨入滲深度的增加而增強(qiáng)；在降雨入滲后期，當(dāng)雨水入滲下移至分層臨界面時，孔隙氣壓的變化會對高臺階排土場的影響會加??；在濕潤鋒下移至相同深度時，孔隙氣壓作用下的高臺階排土場安全系數(shù)明顯降低. 由此可知，強(qiáng)降雨入滲作用下的孔隙氣壓會對高臺階排土場的穩(wěn)定性產(chǎn)生直接影響.

（3）分層（土層性質(zhì)突變）會對孔隙氣壓產(chǎn)生直接影響. 即當(dāng)降雨入滲到堆積料中分層位置時，土體力學(xué)參數(shù)的增大破壞了原孔隙氣壓平衡，導(dǎo)致其不再保持恒定，孔隙氣壓在原基礎(chǔ)上不斷地排出與壓縮且迅速增大，當(dāng)達(dá)到H1+Hc1后孔隙氣壓不再改變，濕潤鋒下移變慢，孔隙水壓上升變緩，對高臺階排土場穩(wěn)定性的影響也更加顯著；當(dāng)降雨入滲到達(dá)堆積料下分層位置時，土體力學(xué)參數(shù)繼續(xù)增大，孔隙氣壓從H1+Hc1迅速增大至新的恒定值H2+Hc2后保持不變，對濕潤鋒、孔隙水壓和排土場穩(wěn)定性的影響更顯著. 引入孔隙氣壓并考慮水平分層（土層性質(zhì)突變）所產(chǎn)生的影響能更準(zhǔn)確獲取高臺階排土場濕潤鋒、孔隙水壓和邊坡安全系數(shù)等相關(guān)參數(shù)，可以顯著提高計(jì)算的排土場邊坡安全系數(shù)的可靠性.

強(qiáng)降雨條件下的孔隙氣壓會對高臺階排土場邊坡產(chǎn)生直接影響，其也是分析強(qiáng)降雨條件下高臺階排土場穩(wěn)定性的重要考量因素，即考慮孔隙氣壓作用下的排土場安全穩(wěn)定性更接近于實(shí)際工程的情況. 因此，考慮強(qiáng)降雨條件下孔隙氣壓對高臺階排土場邊坡穩(wěn)定性的作用具有重要意義. 盡管如此，由于時間和條件的限制，本文僅針對江西某特定的高臺階排土場開展了有限研究，但在不同土性、不同堆排工藝、不同地形條件下的排土場產(chǎn)生的孔隙氣壓、入滲規(guī)律和邊坡穩(wěn)定也不相同，且在降雨后孔隙氣壓的變化規(guī)律尚不明確，故還需開展進(jìn)一步的系統(tǒng)深入研究.