基于降水條件的露天礦運輸道路邊坡的穩定性數值模擬分析

孫延統

（承德龍興礦業工程設計有限責任公司，河北 承德 067000）

滑坡是導致露天礦道路運輸安全隱患的主要原因，在礦山開采的過程中，會形成高陡邊坡工程，尤其是在降雨之后，會改變露天礦運輸道路邊坡土體滲流場和應力場，造成道路運輸邊坡失去穩定性。從目前的研究成果中可以看出，降水條件是影響邊坡穩定性的關鍵因素，有學者針對滲透系數和降水持續時間等參數進行研究，并通過模擬裂隙在降水過程中的影響，對其進行有效的控制。實驗中根據非飽和和飽和理論，對露天礦運輸道路的應力場進行模擬實驗，這樣就可以降低邊坡漸層土體的吸力。一旦基體吸力減小，土地的抗剪強度就會降低[1]。

邊坡工程可靠性分析的目的是為了在初始優化邊坡的設計方案上，計算邊坡各子系統的可靠度，并通過實驗模擬，分析降水條件在構成大系統中所起到的作用，針對較為薄弱的環節進行有效的控制，從而提高整個系統的可靠性。但是在設計的過程中需要承擔經濟上的風險，將風險降到最低，最終篩選出可靠性與盈利性最優的邊坡設計方案。當前，主要采用蒙特卡洛模擬方法，該方法是通過隨機模擬，建立邊坡系統安全狀態函數，計算一個安全系數。該文，采用蒙特卡洛模擬方法對降水條件下的露天礦運輸道路邊坡的穩定性數值進行模擬分析，分析過程如下所示。

1 樣品提取

1.1 實驗地點概況

本次實驗是在不同降水條件下對露天礦運輸道路邊坡的穩定性數值進行模擬分析，分別在強降雨和連陰雨的條件下觀察土體基質的吸力。實驗地點位于山西黃土高原，全區基本由第四系黃土覆蓋。礦區為溫帶大陸性氣候，春冬季干旱多風沙，夏季時間較短，受南太平洋的影響，在6月至9月降雨量達到80%。

1.2 巖土物理力學參數

以下是這次實驗采用的露天礦運輸道路邊坡各層巖土體的物理學參數，如下所示；

表1 露天礦運輸道路邊坡各層巖土體的物理學參數

根據實際情況對露天礦運輸道路邊坡四種巖土層巖體進行測試，采用蒙特卡洛模擬方法對現場邊坡取得土質的重度、黏聚力、內摩擦角、彈性模量、泊松比進行計算，實驗得到的巖土體物理學參數如表1所示，在整個研究的過程中，需要考慮露天礦巖石力學參數的準確性，這是一個復雜的工作，要有一個顯著的影響，否則會影響整個計算結果。結果必須與實際相符，因此，要根據室內巖石力學實驗獲得的參數，折算成巖體力學參數，并獲得一個可靠的力學參數進行露天礦運輸道路邊坡的穩定性數值模擬分析。

2 結果分析

2.1 強降雨條件下邊坡的穩定性數值模擬分析

在實驗中對強降雨強度劃分等級，并結合山西露天礦的水文地質情況進行分析，對于強降雨條件下數值模擬方案進行穩定性分析，分析結果如下所示；

圖1 強降雨入滲深度隨飽和滲透系數的變化曲線

從圖1中可以看出，土體的基質吸力會隨著降雨時間逐漸降低，一旦雨水入滲量增加，邊坡土層淺部就會接近土體的飽和狀態，當淺部土體的滲透能力與入滲能力持平，土體就會逐漸呈現穩定狀態。

2.2 連陰雨條件下邊坡的穩定性數值模擬分析

結合礦區的水文地質情況，劃分連陰雨強度，并對連陰雨條件下邊坡的穩定性進行數值模擬分析，實驗結果如下所示；

圖2 連陰雨入滲深度隨飽和滲透系數的變化曲線

從圖2中可以看出，土體在連陰雨的降水條件下，孔隙水壓力的變化與強降雨基本一致，但是滲流的影響深度比較明顯。當降雨的時間越長，土體滲透系數就會越小，同時，也會加快土體滲透系數，最終失去穩定性。

3 討論

通過對比強降雨與連陰雨條件下，土體的滲透能力，分析露天礦運輸道路邊坡的穩定性。通過數值模擬分析，得出，在強降雨條件下，露天礦運輸道路邊坡的穩定性較好，當降水強度大于土體的滲透能力，就會在短時間內增加邊坡淺層土體數量，導致土體基質吸力下降，形成暫態飽和區。通過實驗表明，在強降雨降水條件下，對邊坡的穩定性和安全系數影響較小。而在連陰雨的降水條件下，當降雨強度小于土體的滲透能力時，雨水就會充分滲透到邊坡土體中破壞運輸道路邊坡的穩定性，對其造成不利的影響。從數值模擬分析結果中，可以看出，強降雨和連陰雨結束時，土體滲透系數就會發生改變，對露天礦運輸道路邊坡穩定性造成極大的影響。從圖1和圖2中可以看出，隨著滲透系數的增大，安全階段安全系數按斜率較大的線性函數發生改變，隨后，安全系數遞減速率逐漸降低。當土體飽和透系數達到一定程度后，安全系數不會發生較大的變化。

在實驗的過程中，可以發現，巖土參數對邊坡穩定性的定量分析結果影響較大，參數的實測值會受取樣點時空特性的影響，對于露天礦而言，為了降低基建費用和生產費用，通常會選擇外排土場，這樣在礦坑開挖后，形成的采場邊坡會影響整體邊坡的穩定性。露天礦運輸道路發生滑坡是一個動態的發展過程，在實驗中，需要將其分為三個階段判斷土體的穩定性。第一階段，當土體出現細小的裂縫就會隨著時間的增長不斷發展，最終引起裂縫底面巖土體發生移動，一旦出現這種移動，就會持續很長時間，這個階段稱為變形階段。第二階段，如果土體裂縫發展到一定程度，就會形成滑動面。邊坡的軟弱面是貫通的，加快土體的位移速度，在數個小時內就會移動數百米，這就是劇烈變形階段。在這個階段土體的基質會發生很大的變化，對露天礦運輸道路邊坡的穩定性造成巨大的影響。第三個階段，在聚類變形階段，土體的移動速度會降低，移動距離也會隨之減小，在這個階段巖塊之間的變形會減弱，一旦受到滑動區域的擠壓，就會變得越來越緊實，只有在排除水分后才會變得越來越穩固，直到形成新的坡面逐漸穩定。對于露天礦運輸道路邊坡研究而言，邊坡穩定性會影響滑坡發生的幾率，進而需要對邊坡進行防治，這也是礦山開采中必不可少的一個環節，主要目的是為了維持邊坡的穩定性，避免出現劇烈的滑坡，引發安全事故。通過對降水條件下露天礦運輸道路邊坡的穩定性的研究，發現只有防止二次破壞和新的滑坡的產生，才能保證道路運輸的正常運行。

4 結語

近幾年來，我國經濟快速發展，對礦產資源的需求越來越大，各大型露天礦開采規模也在不斷的擴大，在開采的過程中，由于開采深度的加大，導致道路運輸邊坡失去了穩定性，為了保障開采的安全，該文基于降水條件提出露天礦運輸道路邊坡的穩定性數值模擬分析。通過對實驗樣品的研究，得出在不同的降水條件下，地區水土流失的程度不同，另外，在自然作用壓力下，邊坡土體滲流場和應力場會發生改變，導致邊坡失去平衡。希望，今后各大型企業在露天礦開采的過程中多考慮周圍環境因素的影響，保障露天開采的環境，提高露天礦邊坡的穩定性。