長歷時降雨對高陡邊坡排土場滲流影響分析及穩定性研究*

韓亞兵 崔 旋 甘海闊 劉欣欣

(1.北京礦冶科技集團有限公司；2.金屬礦山智能開采技術北京市重點實驗室)

排土場是一種人工建造形成的高陡堆積邊坡，用于集中堆存礦山排棄物。作為礦山重要的控制性工程，不僅關系到企業經濟效益，而且影響到排土場下游居民生命財產安全及周邊生態環境質量。魏麗等[1]通過對全國290個縣市地質災害調查結果顯示,暴雨誘發的滑坡約占滑坡總數的90%。《中國典型滑坡》[2]中列舉的90多個滑坡實例，其中95%以上都與降雨有密切關系[3]。高陡邊坡排土場在受到大氣降雨作用下，穩定狀態將迅速惡化。如海南鐵礦6號排土場東部于1973年8月連續2 d降雨之后產生了數十萬立方米的大滑坡；朱家包包鐵礦1號排土場因雨水浸潤作用造成1978年4月—1979年1月先后發生了3次發生滑坡，體積達36萬m3。可見，降雨已成為誘發排土場滑坡的一個非常重要的因素。

目前，對于降雨條件下的邊坡穩定性分析主要集中在巖質和土質邊坡中，對降雨條件下排土場(尤其是對于多雨地區的高陡邊坡排土場)邊坡穩定性的研究成果較少[4-9]。本研究通過開展長歷時降雨對排土場滲流演化規律分析及穩定性研究，有助于進一步分析降雨過程中雨水作用規律以及排土體內部滲流運動特性，并定量分析其對排土場穩定性的影響程度，指導排土場現場堆排施工。

1 降雨入滲基本理論

符合達西定律的非均質各向異性可壓縮土體的三維空間非穩定滲流的水頭函數方程可表示為[10]

(1)

式中，h=h(x,y,z,t)為待求水頭函數，t為時間坐標；kx，ky，kz為以x，y，z軸為主軸方向的滲透系數；Ss為單位貯存水量或貯存率[11]。

若不考慮土體壓縮或單位貯存率(Ss=0)，上式變可變為Laplace方程形式的特殊情形[11]：

(2)

式(1)、式(2)所對應的定解條件為[12]：

(1)初始條件。可表示為

h|t=0=h0(x,y,z,0) .

(3)

(2)邊界條件。假設邊界Γ =Γ1+Γ2+Γ3(Γ1為第一類邊界條件，如上下游水位邊界面和自由滲出面等已知水頭邊界；Γ2為不透水邊界面和潛流邊界面等第二類邊界；Γ3為自由邊界，也屬第二類邊界，但作為流量補給邊界，其補給量隨著時間和位置而變化)，則有邊界條件[11]：

在小學語文閱讀的實際教學中，很多教師并沒有將針對性教學放在心上，他們在整個教學階段都采用同一種教學方式和差不多的教學內容。這種不具有針對性的教學無法讓學生更好地掌握教學知識，理解能力強的人不能學到更深入的知識，而理解能力較差的學生又無法跟上學習進程，導致課堂效率大大降低了。

h|t=h(x,y,z,t) ,

(4)

(5)

(6)

式中，n為邊界面外法向；kn為法向上的滲透系數；q為潛流面的已知單位面積流量，q=0為不透水邊界；μ為給水度。

正常工況下，排土場的穩態滲流分析是降雨條件下瞬態滲流分析的初始條件，可以通過給定沿著地表面的1個小入滲流量來實現[13]。當降雨強度小于土壤表面的入滲能力時，計算入滲速率作為降雨強度，邊界條件為第二類邊界條件；當降雨強度大于土壤表面的入滲能力時，入滲強度等于土壤的入滲能力，邊界條件轉換為第一類邊界條件[14-15]。

2 高陡邊坡排土場瞬態滲流場分析

2.1 排土場概況

某排土場位于我國南方多雨地區，屬于山坡型單臺階排土場。排土高度約257 m，由于該區域原始地形坡度陡，排土體自然坡度達38°。場區年降雨分配不均勻，主要集中于夏季，最大降雨量為53.2 mm/h，連續降雨天數可達10 d左右。為充分評估該排土場在降雨條件下的穩定狀況，本研究開展了降雨過程中的飽和—非飽和排土場滲流運動規律研究，為多雨條件下排土場穩定性研究提供依據。

本研究計算中，典型剖面采用4節點二維等參數單元，網格共計6 019個單元，5 994個節點。為深入研究孔隙水壓力隨坡面和不同埋深的變化規律，在坡面以下0.5 m深處設置了1#～5#測點作為輔助特征點，設置了A-A′、B-B′ 2個斷面作為輔助監測斷面，如圖1所示。計算選取當地連續10 d最大降雨量1.4×10-5m/s為降雨邊界條件，采用GEO-studio/seep軟件對連續10 d降雨與停雨10 d共20 d進行滲流場分析。計算選取的排土土料的土水特征曲線和滲透系數曲線如圖2、圖3所示。

圖2 排土料滲透系數關系曲線

圖3 排土料土水特征關系曲線

2.2 滲流場計算結果分析

分析圖4可知：

圖4 不同工況下瞬態滲流場計算結果(單位：m)

(1)降雨1 d后，排土場在坡面表層出現了暫態飽和區；隨著降雨歷時的增加，暫態飽和區范圍沿坡面線不斷擴展、延伸；至降雨5 d后，整個坡面附近區域形成了1個由暫態飽和區構成的“飽和殼”[16]，并隨著降雨過程的延續向邊坡內部擴展，降雨10 d后暫態飽和區范圍位于坡面以下15 m左右。

(2)降雨停止1～2 d后，連續暫態飽和區逐漸消失，暫態飽和區僅在雨水容易匯集的坡頂及坡腳局部小范圍存在；隨著降雨停止時間的延長，暫態飽和區完全消失，雨水在重力作用繼續向坡腳及坡體內部流動，逐漸影響坡體內部基質吸力的分布及變化。

降雨過程中及停雨后，1#～5#監測點的孔隙水壓力變化如圖5所示。分析圖5可知：

(2)降雨停止后(1～10 d)，隨著歷時的增長，暫態飽和區迅速消散，孔隙水壓力逐漸回落，坡面重新恢復至非飽和狀態。從孔隙水壓力增加及消散速度來看，位于坡腳5#點處的孔隙水壓力增加最快，是由于降雨過程中，雨水在邊坡表面入滲后在重力作用下逐漸向邊坡坡腳匯集所致；降雨停止后，坡腳處受到較高位置水體補充，5#點處的孔隙水壓力消散速度相對緩慢。

圖5 1#～5#監測點孔隙水壓力變化特征

A-A′、B-B′監測斷面上的孔隙水壓力分布如圖6所示。分析圖6可知：

(1)降雨過程中及降雨停止后，壩頂縱向斷面(A-A′斷面)和壩坡縱向斷面(B-B′斷面)沿高程方向的孔隙水壓力變化規律基本相同，對于同一截面均表現為：降雨前(0 d)排土場表面至潛水面以上50 m范圍內的孔隙水壓力基本維持在-380 kPa左右，沿深度方向變化不大，距離潛水面約50 m范圍內的孔隙水壓力由負值迅速升高為正值。

(2)降雨過程中(1～10 d)，壩坡以下30 m范圍內的孔隙水壓力變化較大，30 m以下的孔隙水壓力變化較小；且隨著降雨歷時增加，降雨對坡面孔隙水壓力的影響范圍逐漸加大，表層孔隙水壓力出現正值，即暫態飽和區。

(3)降雨停止后(11～20 d)，在重力作用下，降雨入滲水量繼續向坡體內部及坡腳匯集，表層孔隙水壓力由正值減小為負值，暫態飽和區逐漸消散；坡體內部的孔隙水壓力隨著停雨時間的延長繼續下降，從而影響了坡體內部孔隙水壓力分布，進而影響了排土場深層穩定性。

圖6 不同工況對應的孔隙水壓力分布特征

從孔隙水壓力變化來看，降雨停止后(11～20 d)，壩頂縱向斷面(A-A′斷面)的最小孔隙水壓力減小量小于壩坡縱向斷面(B-B′斷面)，主要是由于壩頂縱剖面處排土物料覆蓋厚度較大，壩坡處排土物料覆蓋厚度較小所致。可見，降雨對排土場內部孔隙水壓力的分布與排土物料堆積高度有關，堆積高度越大，降雨對內部孔隙水壓力分布的影響越小。

3 高陡邊坡排土場穩定性分析

通過分析高陡邊坡排土場在多雨條件下的穩定性演化規律，可為多雨地區高陡邊坡排土場日常管理及災害預警提供依據。本研究排土場穩定性分析在降雨10 d及停雨10 d瞬態滲流場計算結果的基礎上，利用GEO-studio/slope軟件中的Bishop剛體極限平衡法模塊[17]，對該高陡邊坡排土場開展穩定性計算分析。排土場各材料分區的力學參數取值如表1所示。圖7為降雨10 d(最危險)工況下邊坡深層和淺層滑動的安全系數演化曲線。

表1 各分區材料力學參數

由圖7可知：

(1)正常工況下，排土場抗滑穩定安全系數為1.263，最危險滑動面表現為深層滑動。

(2)降雨初期(0～5 d)，隨著降雨持續，雨水滲入排土體，坡面土體含水率升高，基質吸力降低，但整個坡面未形成連續貫通的暫態飽和區，抗滑穩定安全系數降低至1.219，最危險滑動面仍以深層滑動為主。

圖7 降雨10 d工況下不同滑動模式安全系數隨時間的變化曲線

(3)降雨后期(5～10 d)，坡面大部分區域達到飽和狀態，出現正孔隙水壓力(即暫態飽和水壓力)，連續貫通的暫態飽和區形成，抗滑穩定安全系數大幅下降，最危險滑動面同時出現于暫態飽和區內，表現為淺層滑動。10 d降雨后,抗滑穩定安全系數降低至0.999，排土場處于臨界破壞狀態。

(4)降雨停止后，隨著雨水向排土體內部下滲，暫態飽和區消散，深層排土體內部基質吸力降低，危險滑動面由淺層滑動轉化為深層滑動。停雨10 d后，排土場安全系數升高至1.155。降雨停止后的邊坡抗滑穩定安全系數的回升速率遠小于降雨時抗滑穩定安全系數的下降速率。

4 結 論

(1)降雨過程中，主要對坡面以下30 m范圍內土體基質吸力產生影響并形成暫態飽和區，對排土體內部基質吸力的影響不大。降雨停止后，在重力作用下水體繼續下滲，排土體內部土體基質吸力逐漸降低，暫態飽和逐漸區消失，從而影響土體深層抗滑穩定性。降雨對排土場內部孔隙水壓力分布的影響與排土物料堆積高度有關，堆積高度越高，降雨對內部孔隙水壓力分布的影響越小。

(2)縱觀整個過程，降雨初期，排土場安全性主要受深層滑動破壞方式控制。隨著降雨歷時的增長，滑動面逐漸由深層滑動向淺層滑動轉化，在坡面形成連續貫通飽和區后，排土場安全性受淺層滑動破壞方式控制。降雨停止后，隨著雨水下滲及暫態飽和區消散，排土場安全性恢復為由深層滑動破壞方式控制。

(3)從整體安全性來看，持續降雨10 d后，排土場安全系數降低約 0.264，停雨10 d后，排土場安全系數升高約0.156，降雨引起抗滑穩定系數的降低速率大于停雨后抗滑穩定安全系數的升高速率。因此，多雨地區應避免排土場高陡邊坡出現，強化排土段高及坡度的優化控制。