樊赟赟，劉孝龍

（東北大學(xué) 資源與土木工程學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110004）

露天礦邊坡在地震、降雨等觸發(fā)條件下，可能會(huì)發(fā)生邊坡失穩(wěn)問(wèn)題，進(jìn)而嚴(yán)重的威脅著礦山的生產(chǎn)和安全[1]。其中降雨是觸發(fā)露天礦邊坡失穩(wěn)的1項(xiàng)重要因素。入滲的降雨通過(guò)改變邊坡滲流場(chǎng)、巖土體的物理和力學(xué)性質(zhì)等方式影響著邊坡的穩(wěn)定性[2]。在我國(guó)暴雨后露天礦邊坡發(fā)生滑坡與泥石流的案例時(shí)有發(fā)生[3]，因而對(duì)露天礦邊坡在降雨條件下進(jìn)行系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析和評(píng)價(jià)十分必要。

學(xué)者們以不同的方式對(duì)降雨條件下的邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行了研究。徐全等采用飽和-非飽和滲流理論，對(duì)土體滲透性及降雨強(qiáng)度對(duì)邊坡安全系數(shù)影響的分析研究[4]；張我華等運(yùn)用現(xiàn)代非線(xiàn)性分析的突變論方法研究降雨裂縫滲透影響下山體邊坡可能發(fā)生突發(fā)性失穩(wěn)和漸進(jìn)演化性失穩(wěn)滑坡的機(jī)理、突發(fā)性滑坡災(zāi)變機(jī)理、以及災(zāi)變累積性演化機(jī)理的研究[5]；王一兆等對(duì)降雨和停雨期間孔隙水壓力對(duì)淺層邊坡滑動(dòng)面影響的分析研究[6]；陳國(guó)國(guó)等對(duì)降雨引發(fā)孔隙水壓力瞬態(tài)分布及基質(zhì)吸力變化影響[7]進(jìn)行了研究；翁新海等對(duì)降雨誘發(fā)滑坡機(jī)制[8]進(jìn)行了研究。在試驗(yàn)研究方面，林鴻州等通過(guò)試驗(yàn)得到了降雨歷時(shí)和雨強(qiáng)對(duì)孔隙水的影響，研究了與之對(duì)應(yīng)邊坡的破壞模式[9]；劉福明等通過(guò)相似模型試驗(yàn)分析邊坡表面壓實(shí)區(qū)對(duì)雨水入滲的影響[10]；潘皇宋等采用離心模型試驗(yàn)，研究降雨對(duì)特定形狀破壞面邊坡的影響[11]；范秋雁等通過(guò)連續(xù)降雨實(shí)驗(yàn)，研究邊坡的響應(yīng)特征[12]；李龍起等通過(guò)不同降雨類(lèi)型及支護(hù)條件下順層邊坡的地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)，分析雨水入滲對(duì)坡體位移、孔壓以及支護(hù)結(jié)構(gòu)受力的影響[13]。在數(shù)值模擬研究方面，張磊等從降雨入滲下顆粒運(yùn)移的角度分析降雨潛蝕和入滲相互作用下邊坡穩(wěn)定性的變化情況[14]；王柳江等利用有限元法從降雨入滲和降雨引起應(yīng)力變化的角度分析邊坡在滲流場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)作用下的邊坡穩(wěn)定性[15]；王協(xié)群等從降雨條件下強(qiáng)度和變形參數(shù)變化的角度分析降雨入滲深度對(duì)非飽和路堤穩(wěn)定性和滑動(dòng)面變化特征的影響規(guī)律[16]；劉洋等從水分運(yùn)移規(guī)律的角度，研究降雨強(qiáng)度、水分?jǐn)U散率以及導(dǎo)水率變化對(duì)邊坡水分運(yùn)移的影響[17]；戚國(guó)慶等通過(guò)模擬邊坡降雨入滲過(guò)程中基質(zhì)吸力的變化、暫態(tài)飽和區(qū)的形成、發(fā)展以及暫態(tài)水壓力的分布和變化[18]；Asano Y等進(jìn)一步發(fā)展出降雨條件下邊坡穩(wěn)定性的優(yōu)化模擬方法等[19]。近年來(lái)，多種方法相結(jié)合的方式成為研究降雨條件下邊坡穩(wěn)定的重要的方向[20]。

對(duì)撫順西露天礦北幫“7·25”滑坡進(jìn)行了反演計(jì)算，以分析滑坡特征和校準(zhǔn)計(jì)算參數(shù)。在此基礎(chǔ)上研究排水條件和巖石風(fēng)化破碎帶深度對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響，所得到的結(jié)果可為類(lèi)似邊坡在降雨條件下的穩(wěn)定性分析提供參考與借鑒。

1 工程概況

西露天礦是撫順礦業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司下屬分公司，位于撫順煤田西部、渾河南岸和千臺(tái)山北麓。露天礦北幫地層條件較為復(fù)雜，沖積層沿北幫頂部臺(tái)階連續(xù)出露，出露標(biāo)高為+58～+62m，最大厚度35 m，平均厚17m。沖積層下部為下白堊系龍鳳坎組巖石，分布于F1至F1a斷層之間，由玄武巖、白堊系砂巖、砂頁(yè)巖組成；再往下為綠色泥巖、褐色頁(yè)巖及油頁(yè)巖層；最下部為煤層。除了地層復(fù)雜，北幫的地質(zhì)構(gòu)造表現(xiàn)也比較突出，主要是F1與F1a斷層，F(xiàn)1斷層走向NE80°，傾向北西，傾角47°～52°，上盤(pán)為白堊系龍鳳坎組地層，下盤(pán)為第三系煤系地層；F1a斷層走向NE80°～85°，傾向北西，傾角70°～75°，上盤(pán)為太古界鞍山群的花崗片麻巖，下盤(pán)為白堊系破碎砂巖；在F1與F1a之間還有次級(jí)斷層F1-1、F1-2，斷層走向傾向與F1大致相同。砂巖破碎帶寬20～30m，發(fā)育有斷層泥、角礫巖等。北幫的水文地質(zhì)條件較為不利，北幫沖積層與渾河河床相鄰，含水層連續(xù)分布，北幫沖積層底板低于渾河常年水位3～13m，礦坑距渾河最近距離1000m，與渾河水力聯(lián)系密切，直接受渾河補(bǔ)給水源。另外，北幫上部的發(fā)電廠、石油一廠、水泥廠等企業(yè)和周邊居民也以明溝暗渠將工業(yè)、生活污水排入沖積層中，沿基巖接觸面滲出或越流補(bǔ)給下部F1a至F1斷層之間基巖和斷層破碎帶[21]。

2016年7月25日晚，撫順地區(qū)遭遇了降雨量近200mm的50年一遇的暴雨，次日早西露天礦北幫發(fā)生局部滑坡?；潞缶壩恢脴?biāo)高+75m，前緣剪出位置位于12段下部臺(tái)階，標(biāo)高為-25m附近，高差約110m，南北方向水平距離300m，東西邊界分別在E800和E1300附近，東西寬約500m，影響了東露天電鐵內(nèi)排和西露天礦東區(qū)上部排土，嚴(yán)重妨礙了采區(qū)正常生產(chǎn)[22]。

2 數(shù)值模型建立

根據(jù)西露天礦北幫東側(cè)邊坡實(shí)際工程地質(zhì)條件和2016年滑坡相關(guān)信息，選取位于滑坡區(qū)域中間位置具有代表性的北幫東區(qū)E1000剖面進(jìn)行數(shù)值建模分析，撫順西露天礦北幫“7·25”滑坡剖面如圖1。

圖1 撫順西露天礦北幫“7·25”滑坡剖面圖Fig.1 Section of the“7·25”landslide in the north side of Fushun West Open-pit Mine

計(jì)算模型邊坡高225m，高程為-150m至+75 m，水平距離655m，范圍為N745到N1400。模型的選取長(zhǎng)度包含了滑坡的發(fā)生區(qū)域及破壞后的堆積區(qū)域，考慮到巖石風(fēng)化破碎對(duì)巖石的強(qiáng)度以及滲透性有著顯著影響，所以劃定50m的巖石風(fēng)化破碎層[22]。

根據(jù)計(jì)算區(qū)域的地質(zhì)情況，其中綠色泥巖和褐色頁(yè)巖部分裸露在地表，巖石完整性較差且破壞較為嚴(yán)重。F1及F1a斷層之間部分砂巖裸露在地表，風(fēng)化破碎也較為嚴(yán)重，巖石完整性較差，透水性較好。巖土材料計(jì)算參數(shù)見(jiàn)表1[23-26]。

表1 巖土材料計(jì)算參數(shù)表Table1 Calculation parameters table of geomaterials

在滲流場(chǎng)的計(jì)算模擬中，為與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)水位相符，將邊坡的表面設(shè)定為入滲流量邊界，右側(cè)為流量補(bǔ)給邊界，底面為不透水邊界。E1000剖面在標(biāo)高-40m附近設(shè)置有排水管，用于控制地下水位，將排水設(shè)置為零壓力排水邊界。撫順西露天礦北幫滑坡剖面模型如圖2。

圖2 撫順西露天礦北幫滑坡剖面模型Fig.2 Section model of the landslide on the north side of Fushun West Open-pit Mine

3 計(jì)算結(jié)果分析

在已有資料中并未給出右側(cè)邊界的流量，但給出了地下初始水位[27]，應(yīng)用軟件Geo-Studio中Seep模塊通過(guò)反演計(jì)算得到與實(shí)際初始水位線(xiàn)相符的流量作為邊界，所得到的初始邊坡滲流場(chǎng)計(jì)算結(jié)果如圖3。

圖3 初始邊坡滲流場(chǎng)計(jì)算結(jié)果Fig.3 Numerical result of initial slope seepage field

由圖3可以看出，計(jì)算的水位線(xiàn)與實(shí)際的水位線(xiàn)僅在排水管端存在一定的差異，這與排水管的工作狀態(tài)及計(jì)算的簡(jiǎn)化有一定關(guān)系，但整體上水位線(xiàn)的模擬吻合情況良好，可以認(rèn)為初始滲流場(chǎng)的計(jì)算是正確和有效的。

在初始滲流場(chǎng)計(jì)算的基礎(chǔ)上，利用Seep模塊模擬在降雨條件下的邊坡滲流場(chǎng)，降雨強(qiáng)度設(shè)置為與實(shí)際相符的25mm/h，并用Slope模塊計(jì)算在不同降雨歷時(shí)條件下的安全系數(shù)。不同極限平衡方法計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 不同極限平衡方法計(jì)算結(jié)果表Table2 Calculation results obtained by different limit equilibrium methods

由表2可見(jiàn)，各方法的計(jì)算結(jié)果存在一定的差異，其中Bishop法計(jì)算的安全系數(shù)偏高，Ordinary和Janbu法計(jì)算得到的安全系數(shù)則偏低，而M-P計(jì)算的結(jié)果則與實(shí)際的失穩(wěn)時(shí)間（8h）相吻合。相比其他幾種計(jì)算方法，M-P法考慮了力與力矩的平衡，適用于任意滑動(dòng)面安全系數(shù)的計(jì)算，是一種在理論上更加嚴(yán)格的極限平衡計(jì)算方法。對(duì)于本項(xiàng)工程而言具有更強(qiáng)的適用性，基于M-P方法的計(jì)算結(jié)果不僅在邊坡失穩(wěn)時(shí)間上與實(shí)際情況相符，其得到的計(jì)算滑動(dòng)面也與實(shí)際的滑動(dòng)面吻合良好，邊坡失穩(wěn)滑動(dòng)面計(jì)算結(jié)果如圖4。

圖4 邊坡失穩(wěn)滑動(dòng)面計(jì)算結(jié)果Fig.4 Calculation result of the sliding surface

從反演結(jié)果來(lái)看，雖然由于模型簡(jiǎn)化和理論假定所限，計(jì)算條件不能完全與現(xiàn)實(shí)一致。但在計(jì)算中所得到的初始浸潤(rùn)面、邊坡失穩(wěn)時(shí)間和滑動(dòng)面等重要信息均與實(shí)際吻合良好，從而說(shuō)明了計(jì)算是正確而有效的。

雖然在大暴雨條件下?lián)犴樜髀短斓V北幫發(fā)生了“7·25”滑坡，但前期的一些工程措施在一定程度上也對(duì)邊坡穩(wěn)定性起到了積極作用，例如邊坡排水管的設(shè)置便有效的降低了地下水的水位線(xiàn)，若排水失效顯然會(huì)對(duì)邊坡穩(wěn)定產(chǎn)生不利的影響。為探討排水的作用，通過(guò)計(jì)算得到排水失效條件下的邊坡滲流場(chǎng)，排水失效條件下的邊坡滲流場(chǎng)如圖5。

圖5 排水失效條件下的邊坡滲流場(chǎng)Fig.5 Slope seepage field under drainage failure condition

由圖5可以看到，在排水失效的條件下，水位線(xiàn)有了顯著的上升，從-42m附近上升到-25m附近，這對(duì)邊坡的穩(wěn)定性是極為不利的，在降雨的條件下水位線(xiàn)上升將會(huì)導(dǎo)致邊坡快速失穩(wěn)?；贛-P方法排水失效條件下邊坡失穩(wěn)滑動(dòng)面計(jì)算結(jié)果如圖6，邊坡安全系數(shù)隨降雨歷時(shí)變化曲線(xiàn)分別如圖7。

圖6 排水失效條件下邊坡失穩(wěn)滑動(dòng)面計(jì)算結(jié)果Fig.6 Calculation results of the sliding surface under drainage failure condition

圖7 邊坡安全系數(shù)隨降雨歷時(shí)變化曲線(xiàn)Fig.7 Curves of slope safety factor changing with rainfall duration

從計(jì)算結(jié)果可見(jiàn)，盡管與排水有效時(shí)的滑動(dòng)面相比排水失效時(shí)的變化不大，但若排水失效，則邊坡的初始安全系數(shù)便已經(jīng)有所降低，隨著降雨的發(fā)展，邊坡將在降雨5h左右的時(shí)間失穩(wěn)，相比排水有效的條件，失穩(wěn)時(shí)間將提前3h。

由于滑坡區(qū)后緣沿F1斷層破碎帶出現(xiàn)數(shù)條東西走向拉裂縫[22]，控制邊坡失穩(wěn)的后緣位置基本確定，由風(fēng)化和卸荷等作用產(chǎn)生的綠色泥巖和褐色頁(yè)巖互層破碎帶便成為控制邊坡穩(wěn)定性的另一重要因素。為分析風(fēng)化破碎帶深度對(duì)邊坡穩(wěn)定性產(chǎn)生的影響，在相同的初始滲流場(chǎng)條件下，利用M-P方法計(jì)算不同風(fēng)化破碎深度條件下的邊坡穩(wěn)定性，風(fēng)化破碎深度對(duì)邊坡穩(wěn)定性安全系數(shù)的影響曲線(xiàn)如圖8。

圖8 風(fēng)化破碎深度對(duì)邊坡穩(wěn)定性安全系數(shù)的影響曲線(xiàn)Fig.8 Influence curves of the depth of weathering fracture zone on the safety factor of slope stability

由圖8可以看到，隨著風(fēng)化破碎深度的增加，邊坡的安全系數(shù)迅速下降，當(dāng)風(fēng)化破碎深度達(dá)到50m及以上時(shí)，風(fēng)化破碎帶深度對(duì)邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)影響的敏感性降低。計(jì)算結(jié)果表明，受到多種因素影響與制約的風(fēng)化破碎深度是決定邊坡穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素，絕不能忽視其動(dòng)態(tài)變化的特征，需要采用現(xiàn)代測(cè)量手段加強(qiáng)對(duì)其的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。

4 結(jié) 語(yǔ)

撫順西露天礦北幫“7·25”滑坡滲流及失穩(wěn)的反演結(jié)果與實(shí)際相符，驗(yàn)證了計(jì)算的正確和有效；排水是降低水位的有效措施，一旦失效將降低邊坡穩(wěn)定性并加速邊坡失穩(wěn)，應(yīng)重視對(duì)排水的定期檢修；在露天開(kāi)采過(guò)程中風(fēng)化破碎帶可能是動(dòng)態(tài)變化的，應(yīng)通過(guò)加強(qiáng)監(jiān)測(cè)實(shí)現(xiàn)對(duì)邊坡的動(dòng)態(tài)安全評(píng)價(jià)。