陳飛宇

(陜西延長(zhǎng)石油巴拉素煤業(yè)有限公司，陜西 榆林 719000)

0 引言

在露天煤礦中，降雨是導(dǎo)致排土場(chǎng)破壞失穩(wěn)的重要影響因素。就排土場(chǎng)在降雨條件下的邊坡穩(wěn)定性問題，前人已經(jīng)做過很多研究。例如，王述紅等[1]研究了多層土邊坡內(nèi)的入滲雨水方向的演變規(guī)律；王磊等[2]利用非飽和滲流理論與耦合分析，對(duì)堆積體進(jìn)行了穩(wěn)定性評(píng)價(jià)，研究了降雨入滲對(duì)邊坡開裂的影響；狄圣杰等[3]以極限平衡理論為依據(jù)，分析了降雨條件下的邊坡可靠度；李永華等[4]通過飽和非飽和土滲流理論，分析了自嵌式擋墻倒塌機(jī)理；劉維發(fā)[5]分析出了散體粒徑分布規(guī)律，給出了應(yīng)對(duì)邊坡失穩(wěn)的方案；鄭開歡等[6]通過有限元分析軟件進(jìn)行了孔壓-應(yīng)力耦合分析，總結(jié)了雨后滑坡的發(fā)生機(jī)理；甘建軍等[7]研究了含軟弱夾層的邊坡穩(wěn)定性受降雨入滲的影響；趙洪寶等[8]通過數(shù)值模擬軟件分析了排土場(chǎng)邊坡的失穩(wěn)情況，并給出了治理的措施；付宏淵等[9]基于室內(nèi)物理模型的建立，研究了灰質(zhì)泥巖-土分層路堤滲流與變形的影響；戚藍(lán)等[10]通過三維模擬技術(shù)分析了降雨過程中邊坡滑移的發(fā)展規(guī)律；李宏儒等[11]分析了煤系地層邊坡的各影響因素對(duì)邊坡穩(wěn)定性及滲流特點(diǎn)的影響；陳海遲等[12]針對(duì)不同年限的排土場(chǎng)記錄了降雨過程，分析了降雨特性與邊坡水力侵蝕的關(guān)系；黃剛海[13]通過數(shù)值軟件模擬分析了降雨作用下邊坡可能發(fā)生的災(zāi)害問題。葉帥華等[14]通過建立應(yīng)力場(chǎng)與滲流場(chǎng)的耦合計(jì)算模型，分析了多級(jí)黃土高邊坡的穩(wěn)定性受降雨入滲的影響；何忠明等[15]經(jīng)過有限元數(shù)值模擬分析了坡積土邊坡的降雨入滲受初始滲流場(chǎng)分布的影響。

為此，以石圪圖露天煤礦為例，根據(jù)外排土場(chǎng)的具體情況，探究外排土場(chǎng)邊坡所能承受的突發(fā)性強(qiáng)降雨的最大作用時(shí)間，以期為露天煤礦的安全生產(chǎn)提供一些借鑒。

1 工程概況

石圪圖露天煤礦位于鄂爾多斯市準(zhǔn)格爾旗，氣象條件為典型的北方氣候，夏季炎熱，冬季嚴(yán)寒。露天煤礦工程地質(zhì)條件、水文地質(zhì)條件、開采現(xiàn)狀、不良地質(zhì)特征等因素都會(huì)影響安全生產(chǎn)。一般7～9月該地區(qū)降水較為集中，占年降水量的67%，極易因突發(fā)性強(qiáng)降雨引起的邊坡構(gòu)造以及應(yīng)力分布發(fā)生變動(dòng)，使得排土場(chǎng)邊坡出現(xiàn)滑坡、塌方等災(zāi)害。外排土場(chǎng)位于采場(chǎng)西北側(cè)，面積約1.82 km2，東西走向長(zhǎng)約1 020 m，南北走向長(zhǎng)約1 830 m，邊坡角11°～20°，初始計(jì)劃排棄高度為60 m。排土場(chǎng)東側(cè)有一條通往采場(chǎng)的道路，一旦發(fā)生滑坡現(xiàn)象會(huì)導(dǎo)致進(jìn)入采場(chǎng)的交通堵塞，影響礦山生產(chǎn)，所以研究排土場(chǎng)邊坡在降雨條件下的邊坡穩(wěn)定性尤為重要。根據(jù)目前對(duì)研究區(qū)域地質(zhì)條件等資料的掌握情況，本次穩(wěn)定計(jì)算的安全儲(chǔ)備系數(shù)的選取充分考慮邊坡穩(wěn)定的時(shí)效特性，按永久邊坡予以考慮，選取邊坡安全儲(chǔ)備系數(shù)為1.45。

2 非降雨條件下排土場(chǎng)邊坡穩(wěn)定性現(xiàn)狀

2.1 排土場(chǎng)邊坡穩(wěn)定性定量計(jì)算

在排土場(chǎng)的邊坡穩(wěn)定性的計(jì)算剖析過程中，選擇A1剖面作為研究對(duì)象；采用Bishop法和Spencer法對(duì)在自然狀態(tài)下局部、整體穩(wěn)定性及可能存在的排棄物料內(nèi)部圓弧滑動(dòng)和沿基底滑移模式分別進(jìn)行了定量的計(jì)算分析，計(jì)算參數(shù)及分析結(jié)果見表1、2，計(jì)算結(jié)果如圖1所示。

圖1 A1剖面計(jì)算結(jié)果Fig.1 A1 section calculation results

表1 各土層物理參數(shù)

表2 外排土場(chǎng)邊坡穩(wěn)定性分析結(jié)果

外排土場(chǎng)潛在滑坡方式為圓弧式滑動(dòng)、基底型破壞，經(jīng)過計(jì)算可知自然狀態(tài)下外排土場(chǎng)邊坡穩(wěn)定性的安全儲(chǔ)備系數(shù)滿足1.45的要求，邊坡穩(wěn)定。

2.2 排土場(chǎng)穩(wěn)定性模擬分析

對(duì)石圪圖露天煤礦外排土場(chǎng)進(jìn)行分析，此次研究選取A1剖面進(jìn)行模擬分析。模型的計(jì)算長(zhǎng)度為460 m，高度為230 m，所得塑性區(qū)分布及位移云圖如圖2、3所示。

圖2 邊坡塑性區(qū)分布Fig.2 Distribution of slope plastic zone

圖3 邊坡位移云圖Fig.3 Slope displacement cloud map

從塑性區(qū)的分布能夠得出，排棄物料內(nèi)部未出現(xiàn)塑性區(qū)，從邊坡位移云圖上看，模擬計(jì)算穩(wěn)定時(shí)，邊坡的變形已經(jīng)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，此時(shí)邊坡移動(dòng)量最大為0.02 m，位于坡腳處。綜上分析，可以得出排土場(chǎng)邊坡在非降雨條件下是較為穩(wěn)固的。圓弧剪切表現(xiàn)形式發(fā)生在外排土場(chǎng)的排棄物料內(nèi)部，沿基底細(xì)砂層剪出的破壞模式。自然狀態(tài)下穩(wěn)定性良好，但由于外排土場(chǎng)底部排棄物為細(xì)砂層，由于細(xì)砂層粘聚力較低，突降暴雨，使得基底長(zhǎng)時(shí)間積水會(huì)有滑坡的危險(xiǎn)。

3 降雨條件下排土場(chǎng)邊坡穩(wěn)定性

3.1 邊坡滲流模型的建立

3.1.1 計(jì)算邊界確定

把降雨入滲界限設(shè)為坡面，把流量界限設(shè)為雨強(qiáng)小于土體入滲強(qiáng)度時(shí)刻，當(dāng)雨強(qiáng)大于土體入滲強(qiáng)度時(shí)作為水頭界限，假定界限不產(chǎn)生積水，界限水壓為零，水頭值為地表高程。兩側(cè)界限，地下水位以上按零流量處理，以下為給定水頭界限，值為初始地下水位。底部界限，設(shè)為不透水界限。

查閱該地區(qū)歷年降雨資料，可將該地區(qū)降雨分為4個(gè)降雨類型，雨型A為拋物式降雨，72 h內(nèi)降雨量先增加后減小，最大降雨量6.81 mm/h，雨型B為均勻式降雨，最大降雨強(qiáng)度為3.88 mm/h，雨型C為遞增式降雨，72 h內(nèi)降雨逐漸增加，最大降雨量為7.94 mm/h，雨型D為遞減式降雨，72 h內(nèi)降雨遞減，最大降雨量為7.85 mm/h，降雨類型如圖4所示。土層中的監(jiān)測(cè)點(diǎn)散布狀況如圖5所示，共設(shè)置5個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)。

3.1.2 土水特征與滲透系數(shù)曲線的確定

外排土場(chǎng)的滲透系數(shù)曲線以及水土特征曲線由V-G模型獲得，如圖6、7所示。

圖4 4種不同雨型Fig.4 Four different types of rain

圖5 計(jì)算模型及監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)Fig.5 Calculation model and monitoring point layout

圖6 基質(zhì)吸力與滲透系數(shù)關(guān)系Fig.6 Relationship between matrix suction and permeability coefficient

圖7 土水特征曲線Fig.7 Soil-water characteristic curve

3.2 數(shù)值計(jì)算結(jié)果分析

3.2.1 孔隙水壓分析

降雨72 h的5個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)在4種不同雨型影響下的孔隙水壓變化如圖8所示。在雨型A拋物線式降雨作用下，開始雨量不大，以毛細(xì)水壓為主，使得淺層監(jiān)測(cè)點(diǎn)1、2負(fù)的孔隙水壓增大，但是隨著持續(xù)的降雨，由于滲流通道的形成使得毛細(xì)水壓消失，雨水開始入滲，土體的體積含水率逐漸增大，這時(shí)水呈拉漲狀態(tài)，孔隙水壓始終為負(fù)值。監(jiān)測(cè)點(diǎn)3的初始孔隙水壓為-49.04 kPa，隨著降雨的進(jìn)行，在6 h后，土體的含水量大于飽和含水量，孔隙水壓為70.11 kPa，隨后孔隙水壓逐漸增大并穩(wěn)定在100 kPa上下；處在初始水位線上部的監(jiān)測(cè)點(diǎn)4，受到初始毛細(xì)水壓的影響，開始孔隙水壓為-34.92 kPa，隨著土體含水量的增大孔隙水壓變?yōu)檎岛螅杆僭龃蟮?05 kPa后緩慢降到終值204 kPa左右；處在初始水位線下部的監(jiān)測(cè)點(diǎn)5孔隙水壓力始終為正值，在0～8 h時(shí)快速增長(zhǎng)到410 kPa上下，隨著雨水入滲的穩(wěn)定，各點(diǎn)孔隙水壓也都穩(wěn)定。

圖8 4種不同雨型作用各監(jiān)測(cè)點(diǎn)處孔隙水壓變化Fig.8 Variation of pore water pressure at each monitoring point under the action of four different rain types

在雨型B均勻式降雨作用下，監(jiān)測(cè)點(diǎn)1的孔隙水壓由-49.04 kPa快速增大至-169.28 kPa，之后慢慢地接近穩(wěn)定值-124.52 kPa；監(jiān)測(cè)點(diǎn)2受降雨影響不大，孔隙水壓緩慢減小到-13.73 kPa，之后基本保持不變；監(jiān)測(cè)點(diǎn)3處的孔隙水壓增至-159.72 kPa后基本保持不變；監(jiān)測(cè)點(diǎn)4的孔隙水壓由-34.92 kPa增至378.17 kPa，之后緩慢降低至終值197.76 kPa；監(jiān)測(cè)點(diǎn)5處在0～10 h孔隙水壓增速較大，10～16 h增速緩慢，之后逐漸降低。在雨型C遞增式降雨作用下，監(jiān)測(cè)點(diǎn)1與監(jiān)測(cè)點(diǎn)3處孔隙水壓初期緩慢增大，變?yōu)檎岛蟛辉侔l(fā)生變化；監(jiān)測(cè)點(diǎn)2處孔隙水壓短時(shí)間內(nèi)增至-208.9 kPa后基本保持不變；監(jiān)測(cè)點(diǎn)4與監(jiān)測(cè)點(diǎn)5的孔隙水壓初期劇增至最大值后，孔隙水壓漸漸下降并趨于一穩(wěn)固值。在雨型D遞減式降雨作用下，監(jiān)測(cè)點(diǎn)1的孔隙水壓快速增至-210.88 kPa后，孔隙水壓值逐漸減小最終趨于穩(wěn)定；監(jiān)測(cè)點(diǎn)2受降雨影響不大，負(fù)的孔隙水壓增至-68 kPa，隨著土體含水率穩(wěn)定逐漸降低并趨于穩(wěn)定；監(jiān)測(cè)點(diǎn)3、4處孔隙水壓變化規(guī)律相似，由初始孔隙水壓急速增至負(fù)的最大值，隨后趨近于0，增至正的最大值后趨于穩(wěn)定；監(jiān)測(cè)點(diǎn)5初始孔隙水壓急劇增至最大值，之后漸漸降低并趨于一穩(wěn)固值。

在自然狀態(tài)下，邊坡土體處在非飽和狀態(tài)，土體含水率較低，其基質(zhì)吸力較大，并且這時(shí)的土體抗剪強(qiáng)度及粘聚力較強(qiáng)，邊坡處在一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)。然而在降雨之后，隨著雨水的入滲，土體含水率逐漸增大，土體逐漸向飽和狀態(tài)發(fā)展，這時(shí)，土體的基質(zhì)吸力會(huì)快速下降，從而降低了抗剪強(qiáng)度及粘聚力，使得下滑力增大，極大地增加了邊坡滑坡的可能。

3.2.2 位移分析

在4種不同雨型降雨作用下，最終網(wǎng)格變形如圖9所示。各監(jiān)測(cè)點(diǎn)處位移在降雨10 h左右基本完成，并且深部的X、Y方向位移量要小于淺部的。通過數(shù)據(jù)對(duì)比，在雨型A、D的影響下，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位移量最大，其中最大位移量為21.79 cm。

圖9 不同雨型作用下模型最終網(wǎng)格變形(放大10倍)Fig.9 The final mesh deformation of the model under the action of different rain types (10 times magnification)

3.2.3 邊坡安全系數(shù)分析

在SEEP/W中解析初始狀態(tài)穩(wěn)定滲流情況，得到初始水頭，輸入SIGMA/W中進(jìn)行初始應(yīng)力場(chǎng)的計(jì)算，同時(shí)以4種不同雨型作為邊界的條件進(jìn)行72 h的降雨計(jì)算，從而得到不同雨型作用下的滲流場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)，導(dǎo)入SLOPE/W中，計(jì)算各時(shí)間段排土場(chǎng)邊坡的穩(wěn)定性。在有限元法的基礎(chǔ)上分析出不同雨型作用下，排土場(chǎng)邊坡在不同時(shí)間段的安全系數(shù)，如圖10所示。

圖10 邊坡安全系數(shù)隨降雨進(jìn)行變化曲線Fig.10 Curve of slope safety factor changing with rainfall

由圖10可知，在4種降雨類型作用下，隨著降雨時(shí)間的增長(zhǎng)邊坡的安全系數(shù)在逐漸下降，當(dāng)雨水入滲使得土體達(dá)到飽和狀態(tài)時(shí)，其基質(zhì)吸力受其影響變小，這時(shí)安全系數(shù)處于較為穩(wěn)定狀態(tài)。其中在雨型A影響下，降雨26 h安全系數(shù)下降到1.444；在雨型C影響下，降雨56 h安全系數(shù)下降到1.442；在雨型D影響下，降雨36 h安全系數(shù)下降到1.432；均小于安全儲(chǔ)備系數(shù)1.45，存在滑坡的可能，因此，建議采用人工支擋物對(duì)邊坡進(jìn)行加固。

4 結(jié)論

(1)外排土場(chǎng)潛在滑坡模式為圓弧式滑動(dòng)、基底型破壞，不考慮暴雨條件下的外排土場(chǎng)邊坡穩(wěn)定性均滿足安全儲(chǔ)備系數(shù)1.45的要求，邊坡穩(wěn)定。

(2)各監(jiān)測(cè)點(diǎn)處位移在降雨10 h左右基本完成，且最大位移量為21.97 cm。

(3)受降雨因素的影響，排土場(chǎng)邊坡安全系數(shù)隨降雨歷時(shí)逐漸降低，其中在雨型A影響下，降雨26 h安全系數(shù)下降到1.444；在雨型C影響下，降雨56 h安全系數(shù)下降到1.442；在雨型D影響下，降雨36 h安全系數(shù)下降到1.432；均小于安全儲(chǔ)備系數(shù)1.45，存在滑坡的可能，因此，建議采用人工支擋物對(duì)邊坡進(jìn)行加固。