李 明，繆海賓，馬明康，馬熹焱，苑睿洋

（1.中煤科工集團(tuán)沈陽(yáng)研究院有限公司，遼寧 撫順113122；2.煤礦安全技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 撫順113122）

降雨對(duì)露天礦采場(chǎng)及排土場(chǎng)邊坡穩(wěn)定性有著較大影響，尤其是構(gòu)成邊坡的巖性里含有弱層時(shí)，雨水入滲更會(huì)對(duì)采剝工作產(chǎn)生不利影響，甚至產(chǎn)生大面積滑坡，造成人員與設(shè)備的損失，因此，確定邊坡土體的滲流函數(shù)與孔隙水壓力變化情況、建立邊坡穩(wěn)態(tài)計(jì)算模型，對(duì)分析邊坡受降雨的影響就變得尤為重要。

謝瑾榮,周翠英等[1]采用耦合法進(jìn)行邊坡降雨對(duì)軟巖的入滲分析，結(jié)合弱化土層邊坡耦合計(jì)算原理，提出了弱化土層邊坡滲流效應(yīng)計(jì)算手段；將弱化土層抗剪強(qiáng)度的遇水軟化特征動(dòng)態(tài)賦予暫態(tài)飽和區(qū)中對(duì)應(yīng)的軟巖體，模擬弱化土層受降雨滲流的軟化效應(yīng);蔣中明,熊小虎等[2]基于Flac3D軟件的有限元計(jì)算原理，編寫了降雨入滲及雨停后邊坡變化的Fish函數(shù)，對(duì)三維邊坡入滲過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬,通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)算例邊坡的滲流場(chǎng)變化過(guò)程的數(shù)值模擬研究，得到降雨后邊坡變化的整體過(guò)程；覃小華,劉東升等[3]以Green-Ampt入滲模型為基礎(chǔ)，考慮邊坡巖土的外貌，得到邊坡不同降雨時(shí)期滲透率的計(jì)算公式及濕潤(rùn)峰位置的計(jì)算方法，由此邊坡的降雨滲流數(shù)值模擬模型被建立起來(lái)；王福恒，李嘉春等[4]采用人工手段進(jìn)行模擬降雨情況，將黃土邊坡的滲透率在不同降雨情況下進(jìn)行綜合分析與對(duì)比，探明降雨后黃土邊坡的滲透過(guò)程，由此路基壓密程度與降雨歷時(shí)的關(guān)系被計(jì)算出來(lái)；常金源，包含等[5]考慮水流動(dòng)壓力的作用，創(chuàng)建淺層邊坡受降雨影響的計(jì)算模型。

結(jié)合新疆某露天礦的實(shí)際情況，進(jìn)行滲流邊坡穩(wěn)定性分析，確定孔隙水壓力變化，結(jié)合數(shù)值模擬結(jié)果，確定降雨影響下邊坡瞬態(tài)穩(wěn)定系數(shù)的變化情況。

1 飽和-非飽和滲流分析理論

邊坡降雨入滲一般需要經(jīng)歷較長(zhǎng)的一段時(shí)間，邊坡土體將經(jīng)歷從干燥到非飽和，再?gòu)姆秋柡蜖顟B(tài)到飽和狀態(tài)的轉(zhuǎn)變，其中邊坡的物理力學(xué)性質(zhì)會(huì)發(fā)生轉(zhuǎn)變，一般來(lái)說(shuō)，邊坡土體的強(qiáng)度會(huì)隨著降雨量的增加而逐漸下降，非飽和土體分為固相（顆粒）、液相（水）和氣相（空氣），邊坡降雨條件下，水的增加將導(dǎo)致土體中氣體體積減少，氣體的存在將導(dǎo)致水流流速變緩，導(dǎo)致水流運(yùn)動(dòng)的路徑變長(zhǎng)，因此氣體的存在將會(huì)阻礙降雨入滲的流速，而土體本身的黏滯力也將阻礙水的流動(dòng)，從而降低土的滲透系數(shù)[6-7]。

不論是飽和土還是非飽和土，滲流分析都符合達(dá)西定律，達(dá)西定律主要定義了飽和土水力梯度與滲流速度的線性關(guān)系，即：

式中：Q為滲流量；A為橫截面積；L為滲流長(zhǎng)度；h1－h(huán)2為水的高差；k為滲透系數(shù)，取決于土的結(jié)構(gòu)和流體的性質(zhì)與溫度。

用v表示單位時(shí)間內(nèi)經(jīng)過(guò)土體橫截面積的滲流量，因此達(dá)西定律表示為：

式中：i為水力梯度，i＝（h1－h(huán)2）/L。

邊坡土體含水量與土體內(nèi)基質(zhì)吸力的關(guān)系被稱為水-土特征曲線。邊坡土體含水量可以是體積含水量、含水量或飽和度。目前Van Genuchten模型（簡(jiǎn)稱VG模型）、Fredlund和Xing模型常用來(lái)被用作確定二者之間的關(guān)系曲線。為此采用VG模型求取邊坡土體含水量與土體內(nèi)基質(zhì)吸力的關(guān)系曲線，該模型應(yīng)用廣泛，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)降雨影響下的邊坡擬合度較高，對(duì)降雨入滲邊坡的穩(wěn)定性分析更精準(zhǔn)。

2 邊坡的穩(wěn)定性分析

本次分析采用Geostudio軟件里面的seep/w模塊進(jìn)行滲流計(jì)算，在該軟件里，不同降雨條件下降雨入滲邊界設(shè)置不同，邊坡受降雨強(qiáng)度的影響以及邊坡內(nèi)土體滲透系數(shù)的影響，當(dāng)飽和滲透系數(shù)大于降雨強(qiáng)度時(shí)，流量邊界作為入滲邊界條件，即降雨在一定時(shí)間條件下，可以全部入滲到土體中；當(dāng)土體的飽和滲透系數(shù)小于降雨強(qiáng)度時(shí)，水頭邊界作為邊坡土體入滲邊界，即壓力水頭，其他未施加邊界條件的邊界系統(tǒng)默認(rèn)為隔水層[8-10]。

2.1 采場(chǎng)邊坡概況

新疆某露天礦采場(chǎng)地表開采南北傾向?qū)挾? 743.0～2 300.0 m，東西走向長(zhǎng)度1 607.0～1 961.0 m，剝離水平最低為+2 420 m，采煤水平最低為+2 430 m，采深約為245.0 m。現(xiàn)場(chǎng)布置工作面呈“L”型推進(jìn)，其工作幫為南幫和西幫，臺(tái)階高度均按15 m設(shè)置。南幫自上而下由+2 595～+2 430 m水平共有11個(gè)15.0 m臺(tái)階，其幫坡角為11°；西幫自上而下由+2 590～+2 430 m水平共有11個(gè)15 m個(gè)臺(tái)階，幫坡角為14°。首采區(qū)靠界端幫為東幫，上部邊均已到界，幫坡角為20°；北幫為固定幫，臺(tái)階高度按10 m設(shè)置，最高至+2 675 m水平，最低至+2 430 m水平，+2 485 m以上水平已經(jīng)實(shí)現(xiàn)靠界，其幫坡角為15°；+2 485 m水平靠界幫坡角按煤層底板角度設(shè)置。

本次研究的重點(diǎn)區(qū)域位于采區(qū)的西南角，主要表現(xiàn)為春夏2季涌水量為恒定值，且受凍融水與降雨的影響，在南幫多個(gè)平臺(tái)均有涌水現(xiàn)象，采場(chǎng)邊坡現(xiàn)狀如圖1。

圖1 采場(chǎng)邊坡現(xiàn)狀Fig.1 Current situation of stope slope

該區(qū)域主要有2個(gè)途徑進(jìn)行地下水的補(bǔ)給：一是位于露天礦的大氣降水和礦區(qū)西部春季冰雪消融水所形成的地表水，地表水向下滲透行程地下水;二是礦區(qū)內(nèi)降雨、消融水通過(guò)地表縫隙、裂隙沿豎直方向滲透，補(bǔ)給地下水[11-13]。另外山區(qū)泉水的回滲對(duì)基巖裂隙水也有一定的補(bǔ)給作用。區(qū)域內(nèi)，侏羅紀(jì)地層與南北部山區(qū)的石炭紀(jì)或泥盆紀(jì)基巖呈斷層或不整合接觸，山區(qū)基巖裂隙水對(duì)勘查區(qū)侏羅系碎屑巖類孔隙裂隙層間水有側(cè)向徑流補(bǔ)給的作用，且是侏羅系碎屑巖類孔隙裂隙層間水的主要補(bǔ)給來(lái)源。西南部有常年性河流，河流出山口后，流程不遠(yuǎn)便全部滲入地下，補(bǔ)給山前洪積平原的第四系松散巖類孔隙潛水。礦區(qū)底板基巖裂隙水無(wú)明顯的補(bǔ)給區(qū)的分界線，基巖裂隙水的徑流方向主要取決于山間溝谷的分布及地形的坡向，地下水以水平運(yùn)動(dòng)為主。

2.2 工程地質(zhì)模型

工程模型與網(wǎng)格劃分模型如圖2。模型巖性主要為泥沙巖互層，其中坡面角自上而下分別為36°、28°，臺(tái)階高度為15 m，3個(gè)平盤高度分別為+2 475、+2 460、+2 445 m水平，地下水位線根據(jù)以往勘察資料所確定，本次計(jì)算劃分的有限元模型網(wǎng)格大小為2 m，節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)為1 101，單元個(gè)數(shù)為1 026，在Geostudio軟件里設(shè)置左右兩側(cè)的邊界條件，以此確定邊坡初始滲流條件與地下水位線的位置，材料類型選擇飽和/非飽和，估算方法選擇樣本函數(shù)，飽和土水含量根據(jù)經(jīng)驗(yàn)值選取0.37，樣本材料選擇粉質(zhì)沙土。

圖2 工程模型與網(wǎng)格劃分模型Fig.2 Engineering model and meshing model

2.3 計(jì)算結(jié)果

不同條件下孔隙水壓力計(jì)算結(jié)果如圖3。左側(cè)水位線水平高程為+2 458 m，右側(cè)水位線水平高程為+2 442 m，地下水位線處孔隙水壓力為0，水位線上部為負(fù)孔隙水壓力，水位線下部為孔隙水壓力（基質(zhì)吸力）。

圖3 不同條件下孔隙水壓力計(jì)算結(jié)果Fig.3 Calculation results of pore water pressure under different conditions

由圖3可以看出，隨著降雨量累計(jì)增大，地下水位線不斷升高，邊坡上部的負(fù)孔隙水壓力不斷減小，但降雨對(duì)采場(chǎng)邊坡內(nèi)部孔隙水壓力的影響較小，降雨的作用使邊坡體內(nèi)的滲流場(chǎng)發(fā)生明顯變化，變化主要發(fā)生在邊坡表層，降雨導(dǎo)致邊坡表層的部分非飽和部分的孔隙水壓力變化，變?yōu)檎?，降雨開始初期，邊坡淺層含水量逐漸增加，且淺層滲透系數(shù)大，降雨不會(huì)在坡面產(chǎn)生積水，伴隨著降雨的持續(xù)增加，基質(zhì)吸力較大的區(qū)域，逐漸向邊坡深部擴(kuò)展。

2.4 不同降雨時(shí)刻下邊坡安全系數(shù)

對(duì)以上各個(gè)時(shí)間段的降雨邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性計(jì)算分析，得到的不同時(shí)間下邊坡安全系數(shù)見表1。

表1 不同時(shí)刻下邊坡安全系數(shù)Table 1 Safety factor of slope at different time

對(duì)穩(wěn)態(tài)滲流作用下邊坡的穩(wěn)定性和降雨后各個(gè)時(shí)間段的采場(chǎng)南幫邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行計(jì)算，得知降雨后邊坡的穩(wěn)定性明顯降低，且受降雨強(qiáng)度的影響。通過(guò)數(shù)值模擬知，采場(chǎng)受降雨影響的邊坡在降雨24 h內(nèi)穩(wěn)定性仍大于安全儲(chǔ)備系數(shù)1.3，降雨達(dá)到48 h時(shí)，邊坡瞬態(tài)安全系數(shù)略低于安全儲(chǔ)備系數(shù)，即表現(xiàn)為不穩(wěn)定狀態(tài)，當(dāng)降雨達(dá)到96 h與120 h時(shí)，邊坡穩(wěn)定性系數(shù)明顯低于安全儲(chǔ)備系數(shù)，此時(shí)再進(jìn)行采礦活動(dòng)即有面臨滑坡的風(fēng)險(xiǎn)。

3結(jié)語(yǔ)

1）露天礦采場(chǎng)南幫受降雨滲流的影響在西南角邊坡產(chǎn)生了明顯的滲水現(xiàn)象，通過(guò)結(jié)合達(dá)西定律、VG模型等研究方法與理論對(duì)采場(chǎng)南幫邊坡進(jìn)行了降雨分析，研究發(fā)現(xiàn)，長(zhǎng)期降雨對(duì)表層邊坡土體的孔隙水壓力影響較大，邊坡深部區(qū)域受降雨影響時(shí)，孔隙水壓力變化不明顯。

2）數(shù)值模擬揭示了采場(chǎng)邊坡在不同降雨時(shí)刻的瞬態(tài)安全系數(shù)，受降雨影響，在降雨逐漸增大的過(guò)程當(dāng)中，邊坡安全系數(shù)逐漸降低，尤其是降雨24 h后，邊坡安全系數(shù)小于安全儲(chǔ)備系數(shù)1.3，存在滑坡的風(fēng)險(xiǎn)，受孔隙水壓力與巖石軟化效應(yīng)共同影響安全系數(shù)降低，且邊坡土體的黏聚力降低，抗剪強(qiáng)度降低，含水率的升高導(dǎo)致土體內(nèi)摩擦角降低。