降雨作用下矸石山邊坡穩定性弱化成因研究

趙新濤 孫文標

(河南工程學院安全工程學院，河南省鄭州市，451191)

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降雨作用下矸石山邊坡穩定性弱化成因研究

趙新濤 孫文標

(河南工程學院安全工程學院，河南省鄭州市，451191)

將矸石散體歸屬為非飽和土，基于非飽和土抗剪理論研究了降雨作用下邊坡抗剪強度變化過程及弱化機理，采用FLAC對降雨前后工況下矸石山邊坡的穩定性進行了數值模擬分析。分析結果表明，在雨季隨著持續降雨，矸石山邊坡基質吸力明顯降低，抗剪強度顯著弱化，在非雨季邊坡則具有一定的抗剪強度；降雨后矸石山邊坡的變形速度、位移以及剪應力增量均明顯增加，滑動趨勢的范圍有所增大，邊坡穩定性及安全儲備明顯降低，易發生滑坡事故。進行了實際降雨作用下的矸石山穩定性的現場監測試驗，試驗得出的結論與理論分析及數值模擬基本一致。

矸石山 降雨作用 邊坡穩定性

煤礦矸石山為典型的人工堆積散體結構物，其結構疏松且穩定性較差，受到外界擾動后易打破原有的平衡體系。在擾動外力中，以暴雨侵蝕影響最為嚴重，根據相關數據統計，矸石山不管是局部小范圍垮塌還是整體大范圍滑坡，基本上都是在雨季雨水入滲的作用下發生的。基于此，本文首先研究了矸石山邊坡抗剪強度變化過程及降雨入滲削弱抗剪強度的機理，就降雨入滲對矸石山邊坡穩定性的影響進行了FLAC數值模擬分析，然后在現場進行監測試驗，通過監測數據研究矸石山滑坡趨勢，并驗證理論分析與數值模擬的正確性。

1 矸石山邊坡抗剪強度變化過程及雨水入滲弱化抗剪強度機理

雨水入滲對矸石山邊坡抗剪強度起到弱化作用，而相對于表層，深層的矸石散體已基本泥化固結，隨著深度的增加，矸石散體泥化固結程度增加。在天然含水量下，泥化固結的矸石散體可近似歸屬為非飽和無粘性土體，可以采用Fredlund非飽和土抗剪理論來描述其抗剪強度，矸石散體的抗剪強度見式(1)：

τf=c′+(σ-ua)tanφ′+(ua-uw)tanφb

(1)

式中：τf——矸石散體的抗剪強度，Pa；

c′——有效粘聚力，Pa；

σ——矸石散體的總應力，Pa；

ua——孔隙氣壓力，Pa；

(σ-ua)——法向凈應力，Pa；

φ′——與法向凈應力(σ-ua)相關的內摩擦角，(°)；

uw——孔隙水壓力，Pa；

(ua-uw)——矸石散體基質吸力，Pa；

tanφb——抗剪強度隨基質吸力的變化速率。

由式(1)分析可知，抗剪強度受多個因素影響，對于非飽和無粘性土體的某一潛在滑動面，依據相關專家的研究，對潛在滑動面抗剪強度影響明顯的是基質吸力及抗剪強度隨基質吸力的變化速率，而該變化速率隨著基質吸力的變化而變化，因此應分析抗剪強度隨基質吸力的變化規律。經專家研究得到了非飽和無粘性土的抗剪強度參數與基質吸力的關系，并將抗剪強度與土-水特征曲線進行關聯，土-水特征曲線如圖1所示，抗剪強度隨基質吸力變化規律如圖2所示。

圖1 土-水特征曲線

由圖1可以看出，基質吸力隨著飽和度的減小而逐漸增大，依據變化規律可分為4個區域，分別是邊界效應區、主要過渡區、次要過渡區以及非飽殘余區。邊界效應區的土體接近完全飽和，土體中的氣體處于封閉狀態，隨著基質吸力的增加飽和度略微減小。主要過渡區和次要過渡區為過渡區，在過渡區內土體中的氣體和水是連通的，為雙敞開體系。在主要過渡區，隨著基質吸力的增加飽和度迅速減小，為變化敏感區域，次要過渡區和非飽殘余區的飽和度隨基質吸力的變化速率較為接近，變化速率適中。

圖2 抗剪強度隨基質吸力變化規律

圖2中的曲線變化規律可以分為3個區域，分別是I區、II區和III區，其中I區對應邊界效應區，II區對應主要過渡區，III區對應次要過渡區和非飽殘余區。在I區隨著基質吸力的增加抗剪強度基本不變；在II區隨著基質吸力的增加抗剪強度迅速增加；在III區隨著基質吸力的增加抗剪強度緩慢減小，但抗剪強度值明顯大于I區。

雨季期間，天氣潮濕降雨較多，矸石山邊坡飽和度較大，一般處于II區。隨著降雨量的加大，雨水入滲造成邊坡飽和度逐漸增加，基質吸力隨之逐漸減小，則抗剪強度迅速減小，若降雨時間持續且強度較大，則邊坡接近飽和進入I區，隨著飽和度略微增加基質吸力繼續逐漸減小，而抗剪強度基本保持不變，此時的抗剪強度較小，有實驗表明飽和狀態下矸石散體抗剪強度可減小20%以上。處于I區邊坡的穩定性及安全儲備被極大地削弱，在自重作用下，矸石山易發生滑坡，若再有爆破震動、人工破壞坡腳、自燃以及噴爆等外界能量的擾動作用，發生滑坡事故的概率會更高。由于邊坡淺層的壓實度與低孔隙率相比較大，雨水易滲入深層，并且淺層水分易蒸發，基于以上緣故可知深層的飽和度大于淺層的飽和度。依據圖2中的變化規律，深層的抗剪強度削弱程度大于淺層，故在雨季持續降雨條件下，矸石山易發生深層大滑坡，這類事故已出現過多起。由此可見，矸石山在雨季易發生滑坡災害事故，持續降雨是主要誘因。

在非雨季期間，由于天氣較干燥降雨少的緣故，矸石散體的飽和度較小，一般情況下邊坡處于稍濕狀態，基質吸力較大，處于III區，邊坡具有一定的抗剪強度，明顯大于I區即雨季持續降雨狀況下的抗剪強度。因此，在非雨季期間矸石山邊坡具有一定的穩定性和安全儲備，不易發生滑坡災害事故。

2 數值計算

2.1 模型建立

選取重慶南桐煤礦一處矸石山進行數值模擬，根據矸石山的形狀及受力特點，矸石山可近似為平面應變問題，故選取該矸石山典型剖面，采用FLAC對降雨前、后兩種工況下的二維數值進行模擬。選取剖面的底邊長為210 m，高為66 m，一級矸石山邊坡角為21°，高為21 m，二級矸石山邊坡角為35°，高為45 m，矸石山剖面如圖3所示。以坡腳為原點，以底邊為x軸，正方向為坡面反向，y軸正方向豎直向上，建立坐標系，剖面的底邊和右邊為固定邊界，其余邊界自由，采用實體單元對剖面進行網格劃分如圖4所示，計算模型的物理力學參數見表1。

圖3 矸石山剖面

圖4 矸石山剖面網格劃分

表1 計算模型物理力學參數

2.2 數值模擬結果及分析

本文對降雨前和降雨后兩種工況下邊坡的速度、位移、剪應變進行數值模擬，對模擬結果進行對比分析。根據矸石山所在地氣象站多年的統計資料，以雨季期間最大日降雨量123.8 mm為計算雨強，降雨持續時間為24 h。降雨前和降雨后邊坡速度矢量圖如圖5和圖6所示。

圖5 降雨前邊坡速度矢量圖

降雨前和降雨后邊坡位移矢量圖如圖7和圖8所示，降雨前和降雨后邊坡剪應變增量等值線如圖9和圖10所示。

圖6 降雨后邊坡速度矢量圖

速度可以表征邊坡產生位移、導致變形的快慢程度。由圖5和圖6可以看出，降雨前邊坡的最大速度矢量值為1.283E-7，降雨后為1.811E-7，降雨后較降雨前增加了41.2%，降雨后邊坡變形加快，矸石散體向坡腳的運動趨勢更明顯，且有運動趨勢的范圍要大一些。根據速度的變化趨勢，可推斷由于降雨導致邊坡產生滑坡的可能性將極大增加。

圖7 降雨前邊坡位移矢量圖

圖8 降雨后邊坡位移矢量圖

由圖7和圖8可以看出，深色區域為邊坡產生位移的區域，邊坡的潛在滑體位于深色區域，降雨后邊坡產生位移的區域范圍增加。降雨前邊坡的最大位移矢量值為6.222E-3，降雨后為1.043E-2，降雨后較降雨前增加了67.6%，最大位移矢量值明顯增大，這說明降雨降低了邊坡的穩定性，增加了邊坡潛在滑體的位移量及規模，提高了滑坡和泥石流等地質災害事故的發生概率。

圖9 降雨前邊坡剪應變增量等值線圖

由圖9和圖10可以看出，降雨前邊坡的最大剪應變增量為5.50E-4，降雨后為6.50E-4，降雨后較降雨前增加了18.2%，增幅較明顯。降雨后邊坡剪應變數值增加，區域范圍擴大，更為密集且貫穿矸石山，并且堆積體下部與原地質界面出現剪切變形。這說明了降雨削弱了邊坡的穩定性和安全儲備，弱化了矸石散體的力學性能，增加了邊坡發生剪切破壞的可能性。

圖10 降雨后邊坡剪應變增量等值線圖

由數值模擬結果可以看出，降雨后有下滑趨勢的滑坡體與未受影響部分的分界線即潛在滑動面大致為一條弧線，這與實際情況比較吻合，通過對幾起滑坡事故現場的勘察，均發現滑坡面近似弧形。

3 現場監測試驗

為驗證理論分析與數值模擬的正確性，在一處矸石山上選擇了5個監測點進行了矸石山穩定性現場監測試驗。按照數值模擬建立的坐標系，監測點1、2、3、4、5距坡腳的水平距離依次為30 m、60 m、90 m、120 m、150 m，為方便埋置測試儀器，在豎直方向上，5個監測點均為沿矸石山邊坡表面豎直向下2 m，監測點布置示意圖如圖11所示。

圖11 監測點布置示意圖

位移和剪應變是反應矸石山穩定性的重要參數，所以需要對這兩個參數進行監測。以當地氣象部門的天氣預報數據為依據，在強降雨前15 d將位移計和應變計埋置在5個監測點，通過儀器測試強降雨前、后監測點處的位移與剪應變，通過這些參數的數值變化情況反映矸石山穩定性的變化規律。埋置好測試儀器后的第14 d發生了強降雨，強降雨過后，從氣象部門獲得降雨數據，降雨強度為120 mm，持續時間為22 h，略小于數值模擬采用的降雨數據。降雨前和降雨后5個監測點處的位移及剪應變見表2、表3、圖12和圖13。

表2 監測點位移

圖12 降雨前和降雨后監測點位移

圖13 降雨前和降雨后監測點剪應變

由表2、表3、圖12和13可以看出，降雨后監測點處的位移明顯增大，降雨后為降雨前的1.4～1.5倍，降雨后監測點處的剪應變明顯增加，降雨后為降雨前的1.15～1.18倍，監測結果與數值模擬結果較為接近。監測點處的位移及剪應變明顯增加，表明矸石山穩定性降低，在降雨作用下易發生滑坡等地質災害，這與理論分析及數值模擬得到的結論一致，說明了理論分析及數值模擬的正確性。

4 結論

(1)在雨季期間，矸石山邊坡飽和度不斷增加，基質吸力逐漸減小，抗剪強度迅速減小，當邊坡接近完全飽和時，抗剪強度減小到較小值，并基本保持恒定。在雨季持續降雨條件下，矸石山邊坡抗剪強度明顯減小，穩定性及安全儲備顯著降低，易發生滑坡災害事故，且大多為深層滑坡。

(2)在非雨季期間，矸石散體的基質吸力較大，邊坡具有一定的抗剪強度、穩定性和安全儲備，不易發生滑坡災害事故。

(3)數值模擬結果表明，降雨后邊坡的最大速度矢量值增加了41.2%，最大位移矢量值增加了67.6%，最大剪應變增量增加了18.2%，不僅數值明顯增加，而且有滑動趨勢的范圍擴大，降雨明顯削弱了邊坡的穩定性及安全儲備。

(4)現場監測試驗結果表明，降雨后位移為降雨前的1.4～1.5倍，降雨后剪應變為降雨前的1.15～1.18倍，降雨明顯弱化矸石山穩定性，在降雨作用下易發生地質災害，與理論分析及數值模擬得到的結論一致。

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(責任編輯 王雅琴)

Researchonweakeningcausesofwastedumpslopestabilityundertheeffectofrainfall

Zhao Xintao, Sun Wenbiao

(School of Safety Engineering, Henan University of Engineering, Zhengzhou, Henan 451191, China)

Regarding gangue bulk solid as unsaturated soil, the shear strength change process and weakening mechanism of slope under the effect of rainfall were studied base on unsaturated soils shear strength theory, the stability of waste dump slope before and after the condition of rainfall were analysed by using FLAC. The study results showed that the matric suction of waste dump slope decreased obviously and the shear strength weakened significantly with the continuous rainfall during the rainy season, while the slope had a certain shear strength during the dry season; the deformation velocity, displacement, shear stress increment increased significantly after rainfall, and range of sliding trend enlarged, slope stability and emergency capacity decreased obviously, so landslide accident was easy to happen. The field monitoring experiment of waste dump stability under the action of rainfall was carried out, and its conclusions were basically the same with that of theoretical analysis and numerical simulation.

waste dump, rainfall effect, slope stability

河南省科技發展計劃(162102210288)，河南省高等學校重點科研項目計劃(13B620924)，河南工程學院博士基金項目(D2013020)

趙新濤，孫文標. 降雨作用下矸石山邊坡穩定性弱化成因研究[J].中國煤炭，2017，43(8)：158-162. Zhao Xintao，Sun Wenbiao. Research on weakening causes of waste dump slope stability under the effect of rainfall [J].China Coal，2017，43(8)：158-162.

TD997.3

A

趙新濤(1980-)，男，河北石家莊人，博士，講師，主要從事巖土力學與地下工程的教學科研工作。