何振華,王飛飛

(1.永州職業(yè)技術(shù)學(xué)院智能制造與建筑工程學(xué)院,湖南永州市 425100;2.長(zhǎng)沙礦山研究院有限責(zé)任公司,湖南長(zhǎng)沙 410012;3.國(guó)家金屬采礦工程技術(shù)研究中心,湖南長(zhǎng)沙 410012)

0 引言

露天采場(chǎng)邊坡的安全穩(wěn)定性關(guān)乎礦山的安全生產(chǎn),邊坡穩(wěn)定性受到邊坡體的工程地質(zhì)條件、水文地質(zhì)條件、巖體結(jié)構(gòu)面性質(zhì)、爆破振動(dòng)、地震作用、強(qiáng)降雨等多種因素的影響[1-5]。并且邊坡穩(wěn)定性的影響通常都是多種因素耦合作用下的結(jié)果[6-7]。邊坡在不利的地質(zhì)條件基礎(chǔ)之上疊加強(qiáng)降雨滲透作用,極易造成邊坡失穩(wěn)。瞬態(tài)滲流場(chǎng)作用下的邊坡穩(wěn)定性,能夠體現(xiàn)邊坡穩(wěn)定性的瞬態(tài)變化。因此,開(kāi)展相關(guān)研究工作,有利于控制邊坡穩(wěn)定性。

目前已有多位學(xué)者開(kāi)展了關(guān)于邊坡強(qiáng)降雨作用下穩(wěn)定性的相關(guān)研究[8-10]。蔡欣育等[11]利用專業(yè)軟件GeoStudio中的Seep/W 和Slope/W 模塊,以某邊坡為研究案例,開(kāi)展了不同降雨強(qiáng)度對(duì)邊坡滲流穩(wěn)定性及可靠度的影響模擬,得到了孔隙水壓力的增長(zhǎng)速率隨著降雨強(qiáng)度的增加而增加的結(jié)論。王志留[12]利用現(xiàn)場(chǎng)原位試驗(yàn)、理論計(jì)算、數(shù)值模擬等研究手段對(duì)受到降雨和地下水聯(lián)合作用影響的邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行了研究,揭示了坡角、地下水位和邊坡材料力學(xué)性質(zhì)對(duì)邊坡穩(wěn)定的影響。渠群英等[13]利用GeoStudio模擬了降雨強(qiáng)度、類型及持續(xù)時(shí)間對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響,發(fā)現(xiàn)邊坡安全系數(shù)的降低與降雨強(qiáng)度成正相關(guān)。

本文以具體的大水露天礦山采場(chǎng)邊坡工程為研究案例,利用專業(yè)瞬態(tài)滲流場(chǎng)分析軟件開(kāi)展了邊坡坡體內(nèi)的總水頭、孔隙水壓力、滲流量等變化規(guī)律研究,并計(jì)算了瞬態(tài)滲流場(chǎng)下的邊坡安全系數(shù)。分析結(jié)果可為礦山安全生產(chǎn)及災(zāi)害防治提供參考。

1 分析原理

設(shè)水頭函數(shù)為:

式中,H為滲流水頭,m;p為滲流水壓力,Pa;γW為水的容重,k N/m3;y為水頭位置,m。

基于質(zhì)量守恒定律,得到介質(zhì)中穩(wěn)定滲流水流的運(yùn)動(dòng)連續(xù)性方程為:

式中,vx、vy、vz表示流速的三個(gè)分量。

滲流達(dá)西定律:

式中,[K]為二維滲透張量。

在邊界B上水頭己知:

在邊界C上流量q已知:

式中,lx、ly分別為邊界表面外法線在x、y方向上的余弦函數(shù)。

如果lx=ly=c,而且q=0,式(7)即成為:

2 礦山水文地質(zhì)條件

根據(jù)含水介質(zhì)的巖性及組合特征、透水性和富水性特點(diǎn),由上往下共劃分為四類含水層組,分別為第四系松散巖類孔隙含水層組、碳酸鹽巖夾碎屑巖類裂隙含水層組、碳酸鹽巖類裂溶隙含水層組、碎屑巖類裂隙含水層組。

礦區(qū)地下水的補(bǔ)給、徑流、排泄條件主要受地層巖性及構(gòu)造控制。礦區(qū)地下水的補(bǔ)給主要來(lái)自大氣降水及地表水,大氣降水為礦區(qū)主要的地下水補(bǔ)給來(lái)源。大氣降水除蒸發(fā)和形成地表徑流排泄外,一部分通過(guò)礦區(qū)內(nèi)地表第四系松散堆積層孔隙及巖層裂隙垂直下滲,進(jìn)入含水層。另外,礦區(qū)溪流水位標(biāo)高高于礦區(qū)水位標(biāo)高,預(yù)計(jì)溪流地表水可能有部分轉(zhuǎn)化為地下水。

礦區(qū)每年11月至次年4月為雨季,年平均降雨量為1164 mm;礦區(qū)內(nèi)地形較為平坦,不利于自然排水,礦床主要含水層富水性強(qiáng),屬特大涌水礦山。礦區(qū)南側(cè)溪流侵蝕基準(zhǔn)面標(biāo)高約為1360 m,開(kāi)采礦體最低標(biāo)高為1170 m。礦體大部分位于最低侵蝕面之下,地下水補(bǔ)給來(lái)源較大,為主要充水水源,對(duì)礦坑充水有較大影響,其次為大氣降水及地表水(存在可能與地表水連通的構(gòu)造破碎帶)。因此,綜合劃分礦床水文地質(zhì)類型為巖溶裂隙含水層直接充水為主的復(fù)雜類型。

礦區(qū)地表大部分被第四系松散堆積物所覆蓋,第四系厚度薄,多為透水不含水層,對(duì)礦床開(kāi)采時(shí)充水影響不大。礦床充水巖層為白云巖系的巖溶含水層,裂隙、溶洞發(fā)育,富水性強(qiáng)。

礦區(qū)水文地質(zhì)條件屬于巖溶含水層充水,以溶洞、裂隙為主,頂、底板直接進(jìn)水,水文地質(zhì)條件為中等至復(fù)雜類型的巖溶充水礦床。

3 邊坡分析模型

GeoStudio是專業(yè)計(jì)算滲流場(chǎng)分析的軟件,適用于巖土工程和巖土環(huán)境模擬計(jì)算的模擬分析?；谒矐B(tài)滲流場(chǎng)的邊坡穩(wěn)定性研究運(yùn)用SLOPE/W 模塊和SEEP/W 模塊結(jié)合計(jì)算,分析采場(chǎng)邊坡的穩(wěn)定性。

模型建立步驟如下:

(1)首先定義分析類型,模塊中提供了一般條分法、畢肖普法、斯賓塞法、M-P法等方法;

(2)選擇SEEP模塊計(jì)算結(jié)果來(lái)定義孔隙水壓力,也可以用添加水位線的方式來(lái)定義;

(3)滑移面的定義,主要有定義進(jìn)出口、自動(dòng)搜索滑移面等幾種類型;

(4)對(duì)黏聚力、天然密度等土的性質(zhì)的定義;

(5)模型檢驗(yàn),開(kāi)始求解。

模型分析步驟如下:

(1)首先設(shè)置采用穩(wěn)態(tài)分析還是瞬態(tài)分析;

(2)設(shè)置計(jì)算單位、界面尺寸及網(wǎng)格大小;

(3)繪制坐標(biāo)軸及計(jì)算模型;

(4)設(shè)置滲透系數(shù)、水土特征曲線等水力學(xué)參數(shù);

(5)設(shè)置各層的黏聚力、天然密度等一些材料參數(shù);

(6)設(shè)置邊坡相關(guān)的初始條件以及邊界條件。

(7)模型檢驗(yàn),開(kāi)始求解。

依據(jù)礦山露天采場(chǎng)的地質(zhì)巖層分布,結(jié)合地下水高程,以及巖體力學(xué)參數(shù),建立了如圖1所示的邊坡瞬態(tài)滲流場(chǎng)分析模型。

圖1 瞬態(tài)滲流場(chǎng)分析邊坡模型

邊坡巖土體主要有賦存在接近地表的第四系土體、強(qiáng)風(fēng)化砂巖、中風(fēng)化砂巖、微風(fēng)化砂巖及微風(fēng)化板巖。

礦山所處地區(qū)雨季約有3個(gè)月,雨季時(shí)每天會(huì)有1～2 h的強(qiáng)降雨。在單日短歷時(shí)的降雨作用下,邊坡穩(wěn)定性是否受到影響,需要開(kāi)展單日短歷時(shí)瞬態(tài)滲流場(chǎng)分析。考慮礦區(qū)有較長(zhǎng)時(shí)間的降雨期,長(zhǎng)時(shí)間降雨作用下的邊坡穩(wěn)定性亦受到關(guān)注。因此,需要分析單日短歷時(shí)與多日長(zhǎng)歷時(shí)降雨作用對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響。降雨滲流場(chǎng)分析采用歷史上單日最大降水量243.0 mm 為降雨作用參數(shù)添加到分析模型中。

4 模擬結(jié)果分析

4.1 單日短歷時(shí)結(jié)果分析

設(shè)定模型連續(xù)降雨單日的不利邊界條件,分別計(jì)算1 h、9 h、16 h與24 h的滲流場(chǎng)中的總水頭、孔隙水壓力、滲流量等分布。邊坡單日短歷時(shí)瞬態(tài)滲流場(chǎng)的總水頭變化見(jiàn)圖2;邊坡單日短歷時(shí)瞬態(tài)滲流場(chǎng)的孔隙水壓力見(jiàn)圖3;在單日短歷時(shí)瞬態(tài)滲流作用下的邊坡安全系數(shù)見(jiàn)圖4。

圖2 單日短歷時(shí)瞬態(tài)滲流場(chǎng)總水頭變化

圖3 單日短歷時(shí)瞬態(tài)滲流場(chǎng)孔隙水壓力變化

圖4 單日短歷時(shí)瞬態(tài)滲流場(chǎng)的邊坡安全系數(shù)

從瞬態(tài)滲流對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響分析結(jié)果可知,坡體內(nèi)的總水頭、孔隙水壓力隨著強(qiáng)降雨的進(jìn)行,發(fā)生瞬態(tài)變化?？偹^的高度逐漸增高,孔隙水壓力在同一個(gè)深度逐漸增大。強(qiáng)降雨1 d 的條件下,采場(chǎng)邊坡坡頂?shù)乇碛晁畷?huì)入滲3.6～4.5 m 的深度,僅入滲到第四系土體中,尚未穿過(guò)第四系土體到邊坡巖體中。因此,瞬態(tài)滲流對(duì)邊坡穩(wěn)定性影響較小。坡體內(nèi)最大滲流量為3.51×10－4m3/h。通過(guò)計(jì)算安全系數(shù)可知,邊坡安全系數(shù)為1.233,滿足相關(guān)規(guī)范的要求,可以判定此邊坡在強(qiáng)降雨1 d的作用下,邊坡仍處于安全穩(wěn)定的狀態(tài)。

4.2 多日長(zhǎng)歷時(shí)結(jié)果分析

降雨是一個(gè)不確定的因素,降水在土壤中及巖石中都有一定程度的滯后性,難以確定危害發(fā)生的時(shí)間,即可能降雨時(shí)不會(huì)發(fā)生災(zāi)害事故,而是降雨多天后發(fā)生災(zāi)害事故。因此,除了研究單日短歷時(shí)條件下的邊坡穩(wěn)定性,仍需要研究在強(qiáng)降雨后較長(zhǎng)歷時(shí)下邊坡體內(nèi)滲流場(chǎng)的分布情況,進(jìn)一步研究邊坡體的穩(wěn)定性。

設(shè)定模型連續(xù)降雨多天的不利邊界條件,分別計(jì)算1 d、5 d、10 d、15 d、20 d與30 d的滲流場(chǎng)中的總水頭、孔隙水壓力、滲流量。多日長(zhǎng)歷時(shí)瞬態(tài)滲流場(chǎng)的總水頭變化見(jiàn)圖5;多日長(zhǎng)歷時(shí)瞬態(tài)滲流場(chǎng)的孔隙水壓力見(jiàn)圖6;15日長(zhǎng)歷時(shí)瞬態(tài)滲流作用下的邊坡安全系數(shù)見(jiàn)圖7。

圖5 多日長(zhǎng)歷時(shí)瞬態(tài)滲流場(chǎng)總水頭變化

圖6 多日長(zhǎng)歷時(shí)瞬態(tài)滲流場(chǎng)孔隙水壓力變化

圖7 15日長(zhǎng)歷時(shí)瞬態(tài)滲流場(chǎng)邊坡安全系數(shù)

從多日長(zhǎng)歷時(shí)瞬態(tài)滲流對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響分析結(jié)果可知,多日長(zhǎng)歷時(shí)瞬態(tài)滲流對(duì)邊坡穩(wěn)定性有一定的影響。強(qiáng)降雨15～16 d的條件下,邊坡坡頂?shù)乇碛晁畷?huì)入滲到地下水位線的深度,則會(huì)產(chǎn)生地表入滲補(bǔ)充地下水的情況,增大邊坡體的孔隙水壓力,增加邊坡的下滑力,影響邊坡穩(wěn)定性。通過(guò)計(jì)算安全系數(shù)可知,在持續(xù)強(qiáng)降雨瞬態(tài)滲流下的安全系數(shù)結(jié)果滿足規(guī)范要求的許用安全系數(shù)。對(duì)于雨季,若存在超過(guò)15 d持續(xù)強(qiáng)降雨的極端天氣,要注意產(chǎn)生滑坡災(zāi)害的危險(xiǎn)。

5 結(jié)論

以大水露天礦山采場(chǎng)邊坡工程為研究案例,利用專業(yè)瞬態(tài)滲流場(chǎng)分析軟件開(kāi)展了單日短歷時(shí)與多日長(zhǎng)歷時(shí)的邊坡坡體內(nèi)的總水頭與孔隙水壓力變化規(guī)律研究,并計(jì)算了瞬態(tài)滲流場(chǎng)下的邊坡安全系數(shù),得到了以下結(jié)論。

(1)邊坡坡體內(nèi)的總水頭、孔隙水壓力隨著強(qiáng)降雨的進(jìn)行,發(fā)生瞬態(tài)變化?？偹^的高度逐漸增高,孔隙水壓力在同一個(gè)深度逐漸增大。

(2)強(qiáng)降雨1 d的條件,采場(chǎng)邊坡坡頂?shù)乇碛晁畷?huì)入滲3.6～4.5 m 的深度,僅入滲到第四系土體中,尚未穿過(guò)第四系土體到邊坡巖體中。強(qiáng)降雨15～16 d的條件,邊坡坡頂?shù)乇碛晁畷?huì)入滲到地下水位線的深度。

(3)單日短歷時(shí)邊坡安全系數(shù)為1.233,滿足相關(guān)規(guī)范的要求。隨著強(qiáng)降雨進(jìn)行,邊坡安全系數(shù)逐漸下降,當(dāng)降雨持續(xù)15 d 左右時(shí)邊坡安全系數(shù)降至1.171。

(4)多日長(zhǎng)歷時(shí)的強(qiáng)降雨增大邊坡體的孔隙水壓力,增加邊坡的下滑力,降低了邊坡穩(wěn)定性。雨季若存在超過(guò)15 d持續(xù)強(qiáng)降雨的極端天氣,要采取滑坡災(zāi)害防控措施。