內排土場邊坡近自然重塑滲流及孔隙水壓力特征研究

郭雁斌，張傳偉，田 光，劉 宇，何以劍，李兆霖，4

（1.國家能源集團 神華哈爾烏素露天煤礦，內蒙古 鄂爾多斯 010300；2.昆明煤炭設計研究院有限公司，云南 昆明 650000；3.中國礦業大學 礦業工程學院，江蘇 徐州 221116；4.中國礦業大學煤炭資源與安全開采國家重點實驗室，江蘇 徐州 221116）

礦山生態修復作為我國生態保護修復的重要領域之一，在“雙碳目標”的新背景下，對相關煤炭生產企業的高質量、高標準的企業快速轉型提供了全新的理論依據和及指導方案[1-2]。如何實好轉型期企業發展與生態修復并行策略成為礦山可持續發展的關鍵所在。露天開采作為我國草原區域的重要煤炭開采方式，多分布于新疆、內蒙古等生態較為脆弱區域[3]，植被覆蓋率較低，其排土場邊坡受自然環境及人為擾動影響，受侵蝕程度較大，水土流失現象較為嚴重[4]。

目前國內外學者針對礦山邊坡生態修復方面已經進行了諸多研究，主要包括：不同影響因素下的土壤侵蝕特征[5-7]；煤巖滲流特征[8-10]；土壤理化性質重構技術研究[11-13]；水土流失評價模型[14]等方面。但是傳統階梯式排棄方案下的生態修復措施相較于礦區周邊自然環境仍存在一定差異性，難以從根本上解決邊坡水土流失情況。因此，在此基礎上有學者提出仿自然地貌重塑技術[15-17]，通過“引導型生態修復技術”，結合不同礦區實際自然邊坡分布情況布置排土場，能有效減緩邊坡的水土流失狀況，降低坡面受侵蝕程度。為此，基于反S 型近自然邊坡修復模型[18]，以我國東部草原區某大型露天礦內排土場為例，對不同高度臺階重塑后邊坡表面的侵蝕特征變化情況、滲流路徑變化情況以及孔隙水壓力重分布情況進行模擬分析。

1 排土場邊坡侵蝕機理

1.1 降雨侵蝕機理

我國東部草原區年平均降雨量較少，且多為短時強降雨，因此排土場邊坡坡面受水力侵蝕現象較為嚴重，其中水力侵蝕過程主要分為濺蝕、地表徑流及水流下滲3 個過程。通過不同影響方式造成坡面及坡體內部土壤等物質發生不同程度的搬運、剝蝕以及破壞[19-20]。由于露天礦排土場通常呈現階梯式布置，因此臺階坡面相較于水平面傾斜程度較大，受重力作用以及降雨沖刷作用影響，大量土壤沉積在臺階坡頂線與上級臺階坡底線交界處。且因為降雨強度較大，在坡面各處形成大小不同的侵蝕溝，使得坡面降水難以充分入滲，坡頂部水土大量流失，通常在坡面呈現出臺階底部植被生長旺盛而上部植被較為稀少的生長情況，整體復墾程度較低。

1.2 土體抗蝕性特征

邊坡抗侵蝕特征分析如圖1。

圖1 邊坡抗侵蝕特征分析Fig.1 Analysis of anti-erosion characteristics of slope

除降雨所產生水力侵蝕外，邊坡土體自身抗蝕性特征也很大程度上決定了礦山土體復墾效果以及最終水土流失程度。對圖1 反S 型復合重塑邊坡坡體不同位置土體分布情況進行理論分析，選取邊坡不同高度范圍內的3 個區域作為樣本進行比較，其中區域Ⅰ及區域Ⅲ范圍內的臺階坡面角β 與傳統單一平直坡面相比較為平緩，重力及降雨沖擊力所產生的下滑力分支受表層土壤阻水性影響較大；區域Ⅱ為坡頂部下降至坡底部的過渡階段，其區域內的臺階坡面角β 較傳統單一平直坡面相對較陡，但因其范圍內土壤下降高度與區域Ⅰ相比較為有限，因此僅有少部分土壤隨降雨滑落至區域Ⅲ內以及坡底與下級臺階交界處。

其中，受邊坡土體理化性質、降雨強度以及坡度等因素影響，坡面不同高度徑流流速的計算公式為：

式中：V 為流速，m/s；q 為單寬流量，m2/s；J 為臺階坡度；V0為徑流啟動速度，m/s；D 為土體顆粒直徑，mm；ρs為土體顆粒密度，g/cm3；a、K 為系數；m、n為指數。

隨著邊坡自身抗侵蝕能力增強，坡面流速降低，徑流通路形成時間增加，雨水在坡面上部區域滯留時間增加，表面降雨有更充足時間下滲至坡體內部，從而有效地減緩了因入滲時間不足而導致的頂部區域內的水土流失。

2 邊坡巖體參數

1）自然邊幫巖體參數。根據現場實際邊坡勘察研究，結合當地地質勘探報告及滑坡防治技術研究報告進行巖體物理力學試驗，確定的邊幫巖體自然狀態下主要力學指標見表1。其中可采煤層以5#、6#煤層為主，6#煤層底板多為泥巖、砂巖，整體強度較低。內排土場基底無明顯弱層存在，其產狀特征對內排土場穩定性影響較小。

表1 自然邊坡巖體力學參數Table 1 Mechanical parameters of natural slope rock mass

2）內排土場巖體參數。通過試驗發現，礦區排土物料整體黏聚力較大，受排棄方法影響：臺階上部5 m 范圍內巖體受車輛動載荷，壓實效果明顯，5 m 范圍內巖體整體密實度較高。對其進行重新取樣測量后得到的內排土場巖體物理力學參數見表2。

表2 內排土場巖體力學參數Table 2 Rock mechanics parameters of inner dump

3 重塑邊坡降雨模擬分析

3.1 理論計算模型

結合該礦區實際生產情況，設計模擬所選理論模型參數為內排土場邊坡高度180 m，邊坡角度約10°。分析分別選取單臺階高度為15 m 及20 m 時的內排土場邊坡分布情況進行數值模擬計算。其中臺階坡面角18°，平臺寬度32 m。經計算確定單臺階高度為20 m 時，凸面曲率為7.46×10-3，凹面曲率為3.39×10-3；單臺階高度為15 m 時，凸面曲率為7.91×10-3，凹面曲率為3.72×10-3。凸面水平占比約46.8%，凸面豎直占比約38%。

3.2 重塑邊坡滲流及孔隙水壓力特征

我國東部草原區整體降雨較少，且多集中在6—8 月，因此模擬選用降雨較為集中的雨季進行特征計算，選取降雨強度最大的30 min 進行計算，其所產生的侵蝕力R 可通過式（3）計算得出。由于該地區地震烈度較低，因此根據規范，不考慮地震對邊坡穩定性的影響。

式中：E 為單次降雨動能，J/（m2·mm）；I30為30 min 的最大降雨強度，mm。

選用GEO 軟件中的SLOPE/W 模塊以及SEEP/W 模塊進行擬合分析，結合實際情況對15 m 及20 m 2 種不同形況下的排土場邊坡臺階進行重塑，通過對比分析重塑前后內排土場邊坡內部的滲流路徑變化以及孔隙水壓力重分布情況。滲流路徑分布圖如圖2，孔隙水壓力分布圖如圖3。

圖2 滲流路徑分布圖Fig.2 Diagrams of seepage path distribution

圖3 孔隙水壓力分布圖Fig.3 Pore water pressure distribution

由圖2 可知：在相同降雨條件下，圖2（a）中滲入坡體內部的降雨量整體較小，且下滲的降雨量均有向排土場坡面方向的運動趨勢，不同高度臺階坡面均出現不同程度的水流滲出現象，滲入坡體內部的降雨量較少。受我國東部草原區域氣候較為干旱，蒸發量較高等因素影響，留在邊坡內部的降雨量十分有限，因此復墾效果通常會受到影響；與原內排土場邊坡相比，圖2（b）、圖2（c）重塑后的邊坡滲入坡體內部的降雨量明顯增加，其中20 m 臺階重塑后的滲流密集程度更大，且整個內排土場坡面沒有出現明顯的水流滲出情況；這主要是因為經過重塑后的邊坡，坡面抗蝕性提高，降雨難以快速形成徑流通路，從而無法沿通路快速運移至邊坡底部，降雨在坡面停留時間增加，整體入滲程度較高。

由圖3 可知：圖3（b）、圖3（c）中的排土場邊坡在重塑后靠近邊坡上部區域均出現孔隙水壓力重分布現象，負孔隙水壓力分布范圍擴大，局部土壤基質吸力增加；過渡區域面積較為均勻，上部邊坡未出現明顯的因巖層下滲速度不同而導致的積水現象，從而減緩了坡面滲水情況的出現；靠近邊坡底部以及基底等深度較深區域受下滲作用影響較小，其孔隙水壓力分布與重塑前的內排土場相比沒有表現出明顯的差異性。

4 結 語

1）降雨過程中，受水力侵蝕作用影響，原內排土場邊坡易在坡面處形成大小不一的侵蝕溝道，進而形成徑流通路，導致大量坡面土壤隨水流快速運移至邊坡底部。進行重塑后的坡面降低了單級臺階上部及下部區域臺階坡面角，增加坡面阻水性能，降低了形成徑流通路所需時間，有效地減緩了邊坡的水土流失。

2）通過對相同降雨強度下的內排土場重塑前后邊坡進行數值模擬發現，原內排土場邊坡內部下滲水流多集中在排土場巖層區域，且在不同臺階處均表現出不同程度的滲水現象。當重塑高度為15 m時，坡體內部滲流密集程度增加，其中水平方向滲流趨勢下降，豎直方向滲流趨勢明顯增加，滲流過程多集中在原始內部，內排土場坡面未出現明顯水流滲出現象；當重塑高度為20 m 時，滲流密集程度進一步增加，水平方向滲流趨勢進一步下降。

3）經過重塑后的邊坡孔隙水壓力實現重分布，邊坡上部負孔隙水壓力分布范圍增加，受雨水下滲影響靠近邊坡上部局部土壤處于過飽和狀態，整體土壤飽和度較高。因此，出于邊坡穩定性角度考慮，建議使用方案Ⅰ作為實際生產過程中的實施方案對內排土場邊坡進行重塑，從而能夠在保證安全的前提下，提高邊坡抗侵蝕能力以及保水特性，有效緩解因干旱以及強降雨氣候所造成的礦山邊坡水土流失。