含緩傾軟弱夾層礦山高邊坡降雨滲流特性研究

劉 楊 ，胡 斌 ，盛建龍 ，李 京 ，崔 凱

(1.武漢科技大學(xué) 資源與環(huán)境工程學(xué)院，湖北 武漢 430081；2.冶金礦產(chǎn)資源高效利用與造塊湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430081)

在我國中西部與西南地區(qū)石灰石礦山中，大范圍存在著一種緩傾軟弱夾層（產(chǎn)狀傾角小于25°）[1]，這種軟弱夾層普遍是含炭質(zhì)、粉砂質(zhì)、鈣質(zhì)等礦物成分的薄層泥頁巖，因其水理性質(zhì)差、力學(xué)強(qiáng)度低，常成為邊坡中的“薄弱環(huán)節(jié)”。軟弱夾層的存在改變了邊坡的完整性，使得邊坡的降雨滲流過程變得更加復(fù)雜，給礦產(chǎn)資源的安全開采與生產(chǎn)帶來了巨大威脅。因此，開展含緩傾軟弱夾層礦山邊坡降雨滲流特性的研究勢(shì)在必行。

目前，已有許多學(xué)者進(jìn)行了一系列研究。周成等[2-3]通過模型試驗(yàn)，研究了含礫土坡的水土特性及濕潤鋒發(fā)展過程。付宏淵等[4]基于室內(nèi)模型試驗(yàn)探究了降雨入滲對(duì)炭質(zhì)泥巖?土分層路堤滲流特征的影響。李龍起等[5]采用相似模型試驗(yàn)的方法，揭示了降雨入滲對(duì)含軟弱夾層順層邊坡性狀的影響。盧文頔等[6]采用PVI方法對(duì)含夾層邊坡進(jìn)行非飽和滲流模擬，揭示了含夾層邊坡地下水特殊分布模式。蔣中明等[7]通過編寫FISH函數(shù)完善了FLAC3D軟件的非飽和滲流計(jì)算功能，研究了降雨入滲條件下三維邊坡滲流場(chǎng)的變化過程。楊煜等[8]建立了含軟弱夾層土坡數(shù)值計(jì)算模型，研究了含軟弱夾層土坡在不同強(qiáng)降雨條件下的滲流特性。胡志杰等[9]通過設(shè)置3種降雨強(qiáng)度下崩解炭質(zhì)泥巖土體的入滲試驗(yàn)，得到崩解炭質(zhì)泥巖在不同降雨條件下隨高程分布的各特征點(diǎn)體積含水率隨時(shí)間的變化規(guī)律。

綜上可知，針對(duì)含軟弱夾層的邊坡滲流問題已取得較多成果，但上述研究?jī)?nèi)容多數(shù)僅針對(duì)軟弱夾層這一種地質(zhì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行的邊坡降雨滲流分析，未考慮現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際復(fù)雜的工程地質(zhì)條件，對(duì)于軟弱夾層與其他工程巖體相互組合的邊坡整體降雨滲流特性，還有待進(jìn)一步研究。本文結(jié)合工程實(shí)際，建立含緩傾軟弱夾層與裂隙網(wǎng)絡(luò)組合的礦山高邊坡概化模型，對(duì)邊坡降雨滲流的全過程進(jìn)行模擬分析，以揭示邊坡內(nèi)部孔隙水壓力隨時(shí)間動(dòng)態(tài)變化的發(fā)展規(guī)律。

1 降雨滲流理論分析

1.1 降雨滲流機(jī)理分析

降雨滲流可分為降雨和雨后兩個(gè)時(shí)間段。其中降雨時(shí)間段是水分驅(qū)替氣體流入巖土體空隙的兩相流過程[10-11]，降雨開始時(shí)，由于巖土體的含水量較低，空隙介質(zhì)多為氣體所占據(jù)，此時(shí)巖土體處于非飽和狀態(tài)，水分在基質(zhì)吸力的作用下被吸收，形成薄膜水，無法正常流動(dòng)；隨著降雨量的增加，空隙中的氣體被排出，基質(zhì)吸力逐漸減小，水分開始在重力作用下自由流動(dòng)，并逐漸填充空隙介質(zhì)，最終巖土體達(dá)到飽和狀態(tài)[12]。雨后時(shí)間段是水分流出巖土體空隙的兩相流過程。降雨結(jié)束后，水分在水頭差的作用下沿著巖土體的空隙通道流動(dòng)，并逐漸排出，此時(shí)巖土體的含水量減少，空隙介質(zhì)又被氣體所占據(jù)，基質(zhì)吸力增加，巖土體逐漸恢復(fù)到原來非飽和狀態(tài)。

因此，巖土體的降雨滲流是一個(gè)非飽和到飽和，再由飽和到非飽和的動(dòng)態(tài)變化過程，正確理解降雨滲流機(jī)制，是進(jìn)行降雨滲流數(shù)值模擬及計(jì)算分析的基礎(chǔ)。

1.2 飽和-非飽和滲流微分方程

邊坡的降雨滲流是典型的飽和-非飽和滲流過程，其運(yùn)動(dòng)規(guī)律符合飽和-非飽和滲流微分方程[13]。由流體的連續(xù)方程、質(zhì)量守恒方程和達(dá)西定律可推導(dǎo)出飽和-非飽和滲流微分方程如下：

式中：kx和ky為x、y方向的滲透系數(shù)；H為總水頭；Q為降雨量；γw為水的重度；mw為土水特征曲線坡度，表示單位基質(zhì)吸力變化導(dǎo)致體積含水量的變化；ua為孔隙氣壓力；uw為孔隙水壓力。

飽和-非飽和滲流方程的定解條件包括初始條件和邊界條件，其中初始條件是t=0時(shí)整體區(qū)域的水頭分布：

邊界條件分為壓力水頭邊界（第一類邊界條件）和流量邊界（第二類邊界條件）。第一類邊界條件水頭為常數(shù)，表示為：

式中：f為邊界上已知的水頭函數(shù)。

第二類邊界條件，已知某一邊界單位面積上流入的流量q，表示為：

式中：K為滲透系數(shù)；h為壓力水頭；n為邊界的外法線方向。

1.3 非飽和水力參數(shù)

在進(jìn)行非飽和滲流分析中，最關(guān)鍵的是非飽和水力參數(shù)的確定，即巖土體基質(zhì)吸力、飽和度、相對(duì)滲透系數(shù)的確定，以及三者關(guān)系的建立。目前確定上述關(guān)系的方法有物理試驗(yàn)法、經(jīng)驗(yàn)擬合法和數(shù)學(xué)推導(dǎo)法。通常利用經(jīng)驗(yàn)擬合法來預(yù)測(cè)非飽和水力參數(shù)，常采用Van Genuchten模型[14]進(jìn)行預(yù)測(cè)，其表示如下：

式中：θω為體積含水量；θs為飽和體積含水量；θr為殘余體積含水量；φ為基質(zhì)吸力；kw為滲透系數(shù)；ks為飽和滲透系數(shù)；a、n、m為V-G模型的擬合參數(shù)。

2 礦山工程地質(zhì)概況

本文的研究對(duì)象為我國西南地區(qū)某典型的石灰石礦山高邊坡，礦區(qū)地勢(shì)南高北低，上緩下陡，開采范圍最高標(biāo)高1 229 m，最低標(biāo)高640 m，自然斜坡坡向與地層傾向基本一致，屬順向坡地形，坡角為8°～43°。礦區(qū)出露地層有奧陶系、二疊系、第四系，主要開采礦層為二疊系下統(tǒng)棲霞組（P1q）和茅口組（P1m）水泥用灰?guī)r。經(jīng)過勘察發(fā)現(xiàn)，中間夾雜多層軟弱夾層，其主要成分為含炭質(zhì)泥頁巖及含泥砂質(zhì)灰?guī)r，如圖1所示。由于長期開采，原礦山的原始地貌大部分已被改變，在現(xiàn)有礦山開采范圍內(nèi)多形成梯級(jí)采礦邊坡，分布范圍在高程720 m以下，由多級(jí)礦山開采平臺(tái)組成，坡度為32°～64°。除開采作用外，在風(fēng)化、剝蝕等地質(zhì)作用的影響下，礦山上部巖體較為破碎，形成松散堆積體，且節(jié)理裂隙十分發(fā)育，多成裂隙網(wǎng)絡(luò)狀結(jié)構(gòu)，如圖2所示。

圖1 礦山邊坡軟弱夾層Fig.1 Soft interlayers of open-pit high slopes

圖2 礦山邊坡上部巖體結(jié)構(gòu)Fig.2 Rock structure of open-pit high slopes

礦區(qū)氣候以亞熱帶濕潤性季風(fēng)氣候?yàn)橹鳌Ｈ隁夂蛩募痉置鳎帩穸嘤辏杲涤炅? 556～2 160 mm，最大日降雨量524.7 mm，雨季多集中在7—9 月，其中雷雨天數(shù)年平均38 d，最多50 d，最少19 d。礦山地下水埋深較深，主要源于降雨補(bǔ)給，周圍無河流及其他水源的補(bǔ)給。

3 降雨滲流數(shù)值模擬與分析

3.1 模型建立

根據(jù)礦山的工程地質(zhì)概況，選取高程為600～710 m的邊坡，建立礦山高邊坡二維概化模型，其中邊坡寬220 m，高103 m，最終邊坡角為33°，如圖3所示。礦山高邊坡上部巖體為節(jié)理裂隙較為發(fā)育的裂隙風(fēng)化巖，以垂直坡面和平行坡面的兩組裂隙為主，坡體表面為3層開采臺(tái)階，平臺(tái)寬12 m，高25 m，臺(tái)階坡面角為40°，軟弱夾層夾雜在坡體中間，距臺(tái)階坡面的垂直距離26 m，軟弱夾層平均厚度為6 m，傾角為24°；底部基巖為結(jié)構(gòu)較為完整的灰?guī)r。

為獲得含緩傾軟弱夾層礦山高邊坡降雨過程中坡體內(nèi)的滲流變化規(guī)律，在模型中設(shè)置了如圖3所示的9個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，其中監(jiān)測(cè)點(diǎn)1～3位于坡面，監(jiān)測(cè)點(diǎn)4～6位于軟弱夾層上表面，監(jiān)測(cè)點(diǎn)7～9位于軟弱夾層內(nèi)部，分別用于監(jiān)測(cè)降雨滲流過程中坡體表面及內(nèi)部孔隙水壓力的變化過程。

圖3 礦山邊坡二維概化模型Fig.3 Two-dimensional generalized model of open-pit high slopes

3.2 降雨條件及計(jì)算參數(shù)設(shè)定

根據(jù)礦區(qū)的水文地質(zhì)資料及氣象資料，設(shè)定每日最大降雨量524.7 mm為計(jì)算降雨強(qiáng)度，即0.022 m/h，降雨時(shí)長設(shè)定為4 d，即96 h，降雨后時(shí)長設(shè)定為8 d，即192 h。通過對(duì)現(xiàn)場(chǎng)取的原狀樣進(jìn)行常規(guī)的物理力學(xué)試驗(yàn)和水力學(xué)試驗(yàn)，得到礦山高邊坡巖土體的物理力學(xué)參數(shù)及飽和滲透系數(shù)（見表1）。由水力試驗(yàn)可知，軟弱夾層的滲透性相較于裂隙巖體及灰?guī)r較低，因此軟弱夾層屬于隔水層，在降雨滲流過程中阻礙地下水的運(yùn)動(dòng)。裂隙風(fēng)化巖的滲透性較強(qiáng)，屬于透水層，是降雨滲流的主要通道。

表1 邊坡巖土體物理力學(xué)及水力參數(shù)Tab.1 Physical and mechanical parameters and hydraulic parameters of landslide rock and soil

通過室內(nèi)試驗(yàn)測(cè)試，獲得裂隙風(fēng)化巖、軟弱夾層、灰?guī)r的飽和體積含水量 θs分別為22.00%、15.00%、0.75%，殘余體積含水量 θr分別為12.0%、5.0%、0.3%，采用Van Genuchten模型進(jìn)行曲線擬合，V-G模型的擬合參數(shù)見表1，其中m=1?1/n，獲得的巖土體基質(zhì)吸力、體積含水率、相對(duì)滲透系數(shù)三者之間的關(guān)系曲線如圖4所示。

圖4 非飽和水力參數(shù)關(guān)系曲線Fig.4 Relation curve between coefficient of volumetric water content and relative permeability

3.3 邊界條件設(shè)定

基于seep/w有限元軟件建立了邊坡計(jì)算模型，同時(shí)根據(jù)上述降雨條件的設(shè)置對(duì)模型添加邊界條件，如圖5所示。其中模型上表面為流量邊界，因降雨是垂直坡面滲入邊坡，根據(jù)流量入滲公式qi=q0cosβ（β為坡腳角度），所以模型上表面中水平面流量為最大降雨量0.022 0 m/h，傾斜面流量為最大降雨量0.016 8 m/h；同時(shí)為了啟動(dòng)分析，給定一個(gè)2 m的地下水位，即模型左右兩側(cè)均設(shè)定為2 m的水頭邊界；模型底部設(shè)為不透水邊界。

圖5 模型邊界條件設(shè)定示意Fig.5 Model boundary condition setting diagram

3.4 數(shù)值模擬結(jié)果與分析

因上部巖體的裂隙網(wǎng)絡(luò)較為發(fā)育，因此可將該部分概化為二維孔隙介質(zhì)[15-16]，采用等效連續(xù)介質(zhì)模型進(jìn)行滲流分析[17-18]，通過數(shù)值模擬得到了降雨及雨后兩個(gè)時(shí)間段邊坡孔隙水壓力的變化過程，如圖6和7所示。

圖6 降雨前及降雨中邊坡孔隙水壓力分布Fig.6 Slope pore water pressure distribution before and during rainfall

圖7 降雨后邊坡孔隙水壓力分布Fig.7 Distribution diagram of pore water pressure of slope after rainfall

圖6為邊坡在降雨前及降雨過程中孔隙水壓力的變化分布規(guī)律。由圖6（a）可知，降雨前孔隙水壓力僅在2 m的地下水位以下為正值，地下水位以上巖體的孔壓均為負(fù)值。當(dāng)降雨時(shí)長為1 d時(shí)，雨水僅浸潤到邊坡上部的裂隙風(fēng)化帶，上表面巖體的孔隙水壓力開始增大，此時(shí)雨水的主要滲流路徑是以裂隙網(wǎng)絡(luò)為通道，向坡體下部滲流；當(dāng)降雨時(shí)長達(dá)到2 d時(shí)，浸潤區(qū)域達(dá)到了軟弱夾層的上表面，雨水沿軟弱夾層方向在坡腳的位置發(fā)生積聚，此時(shí)坡腳是整個(gè)邊坡孔隙水壓力最大的部位；降雨3 d時(shí)，邊坡上部的裂隙風(fēng)化帶已基本被浸潤，軟弱夾層上表面也已基本達(dá)到飽和，此時(shí)雨水的主要滲流路徑為沿軟弱夾層上表面向坡腳流動(dòng)；降雨時(shí)長達(dá)到4 d時(shí)，軟弱夾層上表面飽和區(qū)域已完全貫通，雨水沿軟弱夾層層面不斷向坡腳積聚，坡腳的孔隙水壓力進(jìn)一步增大。

由上述分析可知：軟弱夾層作為一種隔水層，阻礙了雨水在邊坡內(nèi)的滲流路徑；降雨開始時(shí)，雨水先沿上部巖體的節(jié)理裂隙向坡體下部滲流，當(dāng)雨水達(dá)到軟弱夾層位置，由于軟弱夾層的弱透水性，雨水沿軟弱夾層層面向坡腳流動(dòng)，并在坡腳處產(chǎn)生積聚，使得坡腳的巖土體先達(dá)到飽和，并形成超孔隙水壓力。因此，降雨過程中坡腳是最易發(fā)生破壞的部位。隨著降雨量的增加，飽和區(qū)開始從坡腳沿軟弱夾層層面逐步向上擴(kuò)展，最終使整個(gè)區(qū)域達(dá)到飽和。坡腳以上的裂隙風(fēng)化巖體在降雨過程中孔隙水壓力始終為負(fù)，并未達(dá)到完全飽和狀態(tài)，其原因是該部分巖體的節(jié)理裂隙十分發(fā)育，滲透性較好，雨水進(jìn)入巖體后直接沿裂隙通道向底部流出，水分無法積聚在裂隙介質(zhì)中，造成了該部分巖體始終無法達(dá)到飽和狀態(tài)。底部灰?guī)r中的孔隙水壓力無太大變化，說明軟弱夾層的隔水性好，雨水并未浸入底部灰?guī)r區(qū)域。

圖7為降雨過后8 d時(shí)間里邊坡孔隙水壓力的變化分布規(guī)律。由圖7（a）可知，在雨停2 d后，軟弱夾層上表面的孔隙水壓力反而增大，其原因是雨后上部裂隙巖體內(nèi)殘存的水分繼續(xù)沿著裂隙網(wǎng)絡(luò)向下滲流，達(dá)到軟弱夾層上表面，同時(shí)坡體內(nèi)的雨水沿著軟弱夾層上表面向下流動(dòng)，使得坡腳的孔隙水壓力繼續(xù)增大；在雨停4 d后，雨水的浸潤線開始沿軟弱夾層逐步向下移動(dòng)，軟弱夾層靠近坡頂?shù)牟课划a(chǎn)生了非飽和區(qū)域，而坡腳的孔隙水壓力進(jìn)一步增大。由圖7（b）可以看出，雨水浸潤線呈現(xiàn)為尖銳的V字型，這是由于軟弱夾層的存在，阻礙了雨水正常的滲流通道，使得浸潤線在軟弱夾層位置產(chǎn)生了畸變。由圖7（c）和（d）可知，雨水浸潤線隨著時(shí)間逐步向下擴(kuò)展，V字型的兩翼逐漸向兩邊擴(kuò)大，浸潤線由原來的窄長型轉(zhuǎn)化為寬短型，在雨后時(shí)長達(dá)到8 d時(shí)，坡腳的孔隙水壓力達(dá)到最大，上部裂隙風(fēng)化巖的含水量達(dá)到最小。

由上述分析可知，在降雨過后，軟弱夾層上表面的孔隙水壓力先增大后減小，而坡腳處的孔隙水壓力自降雨開始到雨后8 d一直在增大，可以預(yù)測(cè)之后坡腳的孔壓還會(huì)繼續(xù)增大，直到上部裂隙巖體內(nèi)的水分全部沿軟弱夾層的層面排出。而軟弱夾層由于其良好的隔水性，在整個(gè)降雨滲流過程中并未完全被浸潤，軟弱夾層始終處于非飽和狀態(tài)，因此底部灰?guī)r的孔隙水壓力自始至終變化不大。

圖8給出了監(jiān)測(cè)點(diǎn)1～9的孔隙水壓力變化曲線。由圖8（a）可知，隨著降雨的增加，前4 d坡面的孔隙水壓力逐漸增大，雨后8 d開始逐漸降低，而孔壓自始至終均為負(fù)值，說明坡面部位始終處于非飽和狀態(tài)，其原因是該部位節(jié)理裂隙發(fā)育，水分無法在該部位的裂隙介質(zhì)中積聚。由圖8（b）可見，軟弱夾層上表面的孔隙水壓力隨著降雨時(shí)長逐漸增大，大約在2.5 d后孔壓轉(zhuǎn)為正值，并達(dá)到飽和狀態(tài)，在降雨結(jié)束后，由于上部裂隙巖體內(nèi)的水分繼續(xù)向下滲流，導(dǎo)致該部位的孔壓繼續(xù)增大，孔壓大約在雨停后3 d達(dá)到峰值，之后逐漸降低，所以軟弱夾層上表面的孔壓相對(duì)于降雨時(shí)間具有滯后性。由圖8（c）可知，軟弱夾層內(nèi)部的孔隙水壓力隨時(shí)間變化不大，說明軟弱夾層的隔水性良好，滲流主要發(fā)生在軟弱夾層上表面，由于軟弱夾層的存在，改變了邊坡的降雨滲流特性。

圖8 監(jiān)測(cè)點(diǎn)孔隙水壓力變化曲線Fig.8 Change curve of pore water pressure at monitoring points

4 結(jié) 語

以我國西南地區(qū)典型的含緩傾軟弱夾層石灰石礦山高邊坡為例，結(jié)合實(shí)際的工程地質(zhì)與水文地質(zhì)條件，建立了礦山高邊坡的二維概化模型，基于飽和-非飽和理論，模擬了邊坡在降雨和雨后兩個(gè)時(shí)間段邊坡孔隙水壓力的變化規(guī)律，得到如下結(jié)論：

（1）軟弱夾層作為一種隔水層，改變了雨水浸潤曲線的形態(tài)及降雨的滲流路徑。浸潤曲線在軟弱夾層的位置發(fā)生畸變，表現(xiàn)為窄長的V字型；雨水在浸潤到軟弱夾層層面后，滲流路徑由原來的沿裂隙網(wǎng)絡(luò)向下滲流，轉(zhuǎn)變?yōu)檠剀浫鯅A層上表面向坡腳流動(dòng)。

（2）在降雨和雨后兩個(gè)時(shí)間段，上部的裂隙風(fēng)化巖體孔隙水壓力先增后減，但巖體始終處于非飽和狀態(tài)；軟弱夾層上表面的孔隙水壓力隨著降雨時(shí)長逐漸增大，在雨停后一段時(shí)間，孔壓仍會(huì)繼續(xù)增大，之后隨著含水量的減少孔壓逐漸降低，而降低的時(shí)刻相對(duì)于降雨時(shí)長具有滯后性；坡腳處的孔隙水壓力在整個(gè)過程中始終在增大，直到上部巖體裂隙中殘余的水全部排出，此時(shí)坡腳處的孔壓達(dá)到最大值；因?yàn)檐浫鯅A層良好的隔水性，軟弱夾層內(nèi)部及灰?guī)r中的孔隙水壓力無太大變化。

本文僅模擬了一種工況下的邊坡降雨滲流變化規(guī)律，可供類似地質(zhì)條件下邊坡的降雨滲流分析借鑒；在不同的降雨時(shí)長和降雨強(qiáng)度下，該類含緩傾軟弱夾層礦山高邊坡的降雨滲流特性需要進(jìn)一步的模擬與研究。