不同雨型下降雨入滲及其對排土場邊坡穩(wěn)定性影響研究

關(guān)曉鋒，崔 旋，徐云富

(1.首鋼集團有限公司礦業(yè)公司水廠鐵礦，河北 遷安 064405；2.礦冶科技集團有限公司，北京 100160)

邊坡發(fā)生滑坡失穩(wěn)破壞是一種復(fù)雜的過程，由于滑坡內(nèi)部結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和組成滑坡巖土體物質(zhì)的不同，其滑坡破壞模式亦有不同[1]?；ㄊ瞧麦w因多種因素耦合變形，最終被某些誘發(fā)因素激發(fā)失穩(wěn)、產(chǎn)生滑動的一種地質(zhì)災(zāi)害現(xiàn)象。降雨與地下水是誘發(fā)滑坡發(fā)生的最常見、最主要的因素[2]。隨著降雨入滲使得邊坡體沿坡面線附近土體不斷趨于飽和，非飽和區(qū)基質(zhì)吸力降低，土體抗剪強度降低，指向坡外的滲流力加劇了邊坡的下滑趨勢，導(dǎo)致邊坡失穩(wěn)破壞[3]。降雨條件下影響邊坡穩(wěn)定性的因素有雨強、降雨雨型、降雨歷時、降雨量等[4-5]。因此定量分析降雨情況下排土場邊坡穩(wěn)定性，對客觀評價各類工程邊坡具有重要意義。

有別于巖質(zhì)邊坡的排土場邊坡，是露天礦山開采中必不可少的人造散粒體邊坡，降雨入滲對其穩(wěn)定性的影響較大。張亞賓等[6]以唐山某排土場為例研究了不同降雨強度對排土場穩(wěn)定性的影響。朱君星等[7]通過實測統(tǒng)計資料提出排土場泥石流發(fā)生的暴雨臨界線。本文以某大型礦山排土場邊坡為研究對象，采用Geo-studio巖土工程軟件建立降雨入滲引發(fā)邊坡失穩(wěn)的數(shù)值模擬模型，對其進行不同雨型降雨條件下的滲流場以及穩(wěn)定性分析。

1 建立降雨滲流計算模型

1.1 飽和-非飽和土體滲流基本方程

飽和-非飽和土滲流理論[8]的基本方程為：

(1)

1.2 非飽和土體穩(wěn)定性理論

非飽和土抗剪強度計算公式采用FREDLUND等[9]、CROSTA等[10]提出的改進的強度公式：

τf=c′+(σ-ua)tanφ′+(ua-uw)tanφb

(2)

式中：c′—有效黏聚力，kPa；φ′—與凈法向應(yīng)力有關(guān)的內(nèi)摩擦角，(°)；φb—抗剪強度隨基質(zhì)吸力變化的內(nèi)摩擦角，(°)；ua—孔隙空氣壓力，kPa；uw—孔隙水壓力，kPa。

2 計算模型及參數(shù)

2.1 計算模型與邊界條件

本文選取某礦山大型排土場典型剖面，對其進行降雨瞬態(tài)滲流場與穩(wěn)定性分析。由工程勘察報告、現(xiàn)狀地形圖與原始地形圖選取并建立計算模型如圖1所示，共有單元3 402個，節(jié)點3 318個，排土場自下而上共分為三層，分別為基巖層、第四系殘坡積土層和排土料層。

圖1 計算模型網(wǎng)格劃分Fig.1 Grid division of the computing model

根據(jù)排土場現(xiàn)場實際情況，對降雨入滲模型的邊界條件設(shè)定如下：模型上部表面為流量邊界或給定水頭邊界，具體為降雨強度小于頂層排土料飽和滲流系數(shù)時為降雨流量邊界，反之，則為給定壓力水頭邊界；模型兩側(cè)邊界在地下水位以上為零流量邊界，地下水位以下為給定水頭邊界，水頭大小值為初始地下水位，下游為114 m，上游為138 m；模型底部為不透水邊界。

模型左右兩側(cè)與底部均為固定邊界，上部為自由邊界。滑移面選擇定義滑入/滑出點。

2.2 降雨工況設(shè)計

圖2 設(shè)計降雨強度Fig.2 Design rainfall intensity

文獻(xiàn)[5]提出在降雨總量相等的情況下，邊坡受到后峰雨型影響時比其他雨型影響更為明顯。因此降雨采用等強型、中鋒型、后鋒型三種不同降雨形式進行模擬，如圖2所示。結(jié)合現(xiàn)場勘察與參考當(dāng)?shù)厮馁Y料：降雨時長均設(shè)置為10 d，其中峰值降雨強度為8.46E-6 m/s，總降雨量設(shè)定為3 650 mm，將以這三種雨型來探討其對邊坡穩(wěn)定的影響，雨型通過軟件設(shè)置函數(shù)來實現(xiàn)。

2.3 材料參數(shù)

排土場各層物料物理力學(xué)性能參數(shù)由巖土工程勘察報告等相關(guān)資料確定，具體見表1。

表1 排土物料物理力學(xué)性能參數(shù)

3 成果分析

3.1 滲流結(jié)果分析

圖3 初始條件下孔隙水壓力云圖(單位：kPa)Fig.3 Pore water pressure cloud diagram under initial conditions(Unit:kPa)

圖4 等強型降雨末期孔隙水壓力云圖(單位：kPa)Fig.4 Cloud diagram of pore water pressure at the end of rainfall with the same intensity type(Unit:kPa)

降雨入滲會改變邊坡體內(nèi)的含水率，引起孔隙水壓力的變化。圖3～6是初始條件和不同雨型降雨情況下降雨各時段的孔隙水壓力云圖。為考慮基質(zhì)吸力影響范圍，正常運行情況下在排土場邊坡上表面設(shè)置小降雨流量，使得飽和區(qū)基質(zhì)吸力符合一般工程實際規(guī)律，即：在一定范圍內(nèi)，基質(zhì)吸力隨高程增加基本呈線性變化，超過一定的范圍，基質(zhì)吸力保持不變。具體為在潛水面以上約30 m范圍內(nèi)增幅較大，隨著高程增加趨于穩(wěn)定。由圖3可知，初始條件下，排土場內(nèi)部存在明顯的飽和區(qū)與非飽和區(qū)，孔隙水壓力自上而下逐漸增大。地下水位以下，排土料處于飽和狀態(tài)，土體孔隙水壓力為正，地下水位以下，排土料處于非飽和狀態(tài)，土體孔隙水壓力為負(fù)，即存在基質(zhì)吸力。

由圖4～6可知，三種雨型降雨條件下具有相似的滲流規(guī)律，隨著降雨入滲，越靠近坡腳處孔隙水壓力變化越明顯。持續(xù)降雨后，排土場邊坡非飽和區(qū)出現(xiàn)逸出點，附近孔隙水壓力升高至正值，達(dá)到飽和，出現(xiàn)暫態(tài)飽和區(qū)。暫態(tài)飽和區(qū)隨降雨時間持續(xù)增大，至降雨停止，等強型、中鋒型、后峰型降雨暫態(tài)飽和區(qū)范圍分別在坡面以下18、20、22 m左右。

圖5 中鋒型降雨末期孔隙水壓力云圖(單位：kPa)Fig.5 Cloud diagram of pore water pressure at the end of centre-type rainfall(Unit:kPa)

圖6 后峰型降雨末期孔隙水壓力云圖(單位：kPa)Fig.6 Cloud diagram of pore water pressure at the end of posterior peak rainfall(Unit:kPa)

3.2 穩(wěn)定性變化規(guī)律分析

考慮排土場邊坡自身的特點以及滑坡的主要形式，采用極限平衡法對邊坡穩(wěn)定性進行計算，圖7是多雨型降雨條件下不同降雨時長的穩(wěn)定性安全系數(shù)變化曲線。

圖7 安全系數(shù)隨降雨時間變化曲線Fig.7 Curves of safety coefficient changing with rainfall time

由圖7可知，對于等強型降雨，當(dāng)降雨持時7 d時安全系數(shù)呈現(xiàn)出顯著降低的趨勢，到降雨模擬結(jié)束，安全系數(shù)降低了9.6%。對于中峰型降雨，當(dāng)降雨持時8 d時安全系數(shù)呈現(xiàn)出顯著降低的趨勢，到降雨模擬結(jié)束，安全系數(shù)降低了9.8%。對于后峰型降雨，當(dāng)降雨持時9 d時安全系數(shù)呈現(xiàn)出顯著降低的趨勢，到降雨模擬結(jié)束，安全系數(shù)降低了10.0%。

由該邊坡在多雨型對穩(wěn)定性安全系數(shù)下降趨勢的影響，可以得出：

1)降雨工況下，邊坡穩(wěn)定性隨降雨時間逐漸降低，安全系數(shù)最先降低的是等強型降雨，安全系數(shù)降低了20%。主要原因是邊坡的含水量飛快上漲，從而后續(xù)的降雨難以滲入到邊坡內(nèi)，最終以地表徑流形式流走。

2)中峰型與后峰型由于前期降雨量小，導(dǎo)致入滲的雨量較大，當(dāng)降雨量達(dá)到峰值時還可以入滲，造成由降雨影響的邊坡區(qū)域較大，安全系數(shù)降低的程度也較大，分別為25%和30%。

4 結(jié)論

1)降雨入滲導(dǎo)致邊坡坡面與坡頂處孔隙水壓力增大，土體非飽和區(qū)減小，形成暫態(tài)飽和區(qū)逐漸增大，降低邊坡土體強度。不同雨型暫態(tài)飽和區(qū)大小亦不相同，等強型最小，后峰型最大。

2)通過不同雨型對邊坡穩(wěn)定性的分析，結(jié)果表明：當(dāng)降雨總量一定時等強型降雨安全系數(shù)最先降低，之后是中峰型降雨，最后是后峰型降雨。雨強峰值出現(xiàn)的時間先后順序影響著邊坡穩(wěn)定，降雨過程中越先出現(xiàn)雨強峰值的安全系數(shù)越早降低，對于中峰型與后峰型，雖然安全系數(shù)下降較晚，但降幅較大，即較晚出現(xiàn)雨強峰值的雨型對邊坡更不利。