內(nèi)排土場(chǎng)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(guó)家能源集團(tuán) 神華哈爾烏素露天煤礦，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 010300；2.昆明煤炭設(shè)計(jì)研究院有限公司，云南 昆明 650000；3.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，江蘇 徐州 221116；4.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)煤炭資源與安全開采國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 徐州 221116）

礦山生態(tài)修復(fù)作為我國(guó)生態(tài)保護(hù)修復(fù)的重要領(lǐng)域之一，在“雙碳目標(biāo)”的新背景下，對(duì)相關(guān)煤炭生產(chǎn)企業(yè)的高質(zhì)量、高標(biāo)準(zhǔn)的企業(yè)快速轉(zhuǎn)型提供了全新的理論依據(jù)和及指導(dǎo)方案[1-2]。如何實(shí)好轉(zhuǎn)型期企業(yè)發(fā)展與生態(tài)修復(fù)并行策略成為礦山可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵所在。露天開采作為我國(guó)草原區(qū)域的重要煤炭開采方式，多分布于新疆、內(nèi)蒙古等生態(tài)較為脆弱區(qū)域[3]，植被覆蓋率較低，其排土場(chǎng)邊坡受自然環(huán)境及人為擾動(dòng)影響，受侵蝕程度較大，水土流失現(xiàn)象較為嚴(yán)重[4]。

目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)礦山邊坡生態(tài)修復(fù)方面已經(jīng)進(jìn)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(zhì)重構(gòu)技術(shù)研究[11-13]；水土流失評(píng)價(jià)模型[14]等方面。但是傳統(tǒng)階梯式排棄方案下的生態(tài)修復(fù)措施相較于礦區(qū)周邊自然環(huán)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(chǔ)上有學(xué)者提出仿自然地貌重塑技術(shù)[15-17]，通過“引導(dǎo)型生態(tài)修復(fù)技術(shù)”，結(jié)合不同礦區(qū)實(shí)際自然邊坡分布情況布置排土場(chǎng)，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(fù)模型[18]，以我國(guó)東部草原區(qū)某大型露天礦內(nèi)排土場(chǎng)為例，對(duì)不同高度臺(tái)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(jìn)行模擬分析。

1 排土場(chǎng)邊坡侵蝕機(jī)理

1.1 降雨侵蝕機(jī)理

我國(guó)東部草原區(qū)年平均降雨量較少，且多為短時(shí)強(qiáng)降雨，因此排土場(chǎng)邊坡坡面受水力侵蝕現(xiàn)象較為嚴(yán)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(gè)過程。通過不同影響方式造成坡面及坡體內(nèi)部土壤等物質(zhì)發(fā)生不同程度的搬運(yùn)、剝蝕以及破壞[19-20]。由于露天礦排土場(chǎng)通常呈現(xiàn)階梯式布置，因此臺(tái)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(tái)階坡頂線與上級(jí)臺(tái)階坡底線交界處。且因?yàn)榻涤陱?qiáng)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(xiàn)出臺(tái)階底部植被生長(zhǎng)旺盛而上部植被較為稀少的生長(zhǎng)情況，整體復(fù)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(chǎn)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(fù)墾效果以及最終水土流失程度。對(duì)圖1 反S 型復(fù)合重塑邊坡坡體不同位置土體分布情況進(jìn)行理論分析，選取邊坡不同高度范圍內(nèi)的3 個(gè)區(qū)域作為樣本進(jìn)行比較，其中區(qū)域Ⅰ及區(qū)域Ⅲ范圍內(nèi)的臺(tái)階坡面角β 與傳統(tǒng)單一平直坡面相比較為平緩，重力及降雨沖擊力所產(chǎn)生的下滑力分支受表層土壤阻水性影響較大；區(qū)域Ⅱ?yàn)槠马敳肯陆抵疗碌撞康倪^渡階段，其區(qū)域內(nèi)的臺(tái)階坡面角β 較傳統(tǒng)單一平直坡面相對(duì)較陡，但因其范圍內(nèi)土壤下降高度與區(qū)域Ⅰ相比較為有限，因此僅有少部分土壤隨降雨滑落至區(qū)域Ⅲ內(nèi)以及坡底與下級(jí)臺(tái)階交界處。

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

式中：V 為流速，m/s；q 為單寬流量，m2/s；J 為臺(tái)階坡度；V0為徑流啟動(dòng)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(shù)；m、n為指數(shù)。

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

2 邊坡巖體參數(shù)

1）自然邊幫巖體參數(shù)。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際邊坡勘察研究，結(jié)合當(dāng)?shù)氐刭|(zhì)勘探報(bào)告及滑坡防治技術(shù)研究報(bào)告進(jìn)行巖體物理力學(xué)試驗(yàn)，確定的邊幫巖體自然狀態(tài)下主要力學(xué)指標(biāo)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(qiáng)度較低。內(nèi)排土場(chǎng)基底無明顯弱層存在，其產(chǎn)狀特征對(duì)內(nèi)排土場(chǎng)穩(wěn)定性影響較小。

表1 自然邊坡巖體力學(xué)參數(shù)Table 1 Mechanical parameters of natural slope rock mass

2）內(nèi)排土場(chǎng)巖體參數(shù)。通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，礦區(qū)排土物料整體黏聚力較大，受排棄方法影響：臺(tái)階上部5 m 范圍內(nèi)巖體受車輛動(dòng)載荷，壓實(shí)效果明顯，5 m 范圍內(nèi)巖體整體密實(shí)度較高。對(duì)其進(jìn)行重新取樣測(cè)量后得到的內(nèi)排土場(chǎng)巖體物理力學(xué)參數(shù)見表2。

表2 內(nèi)排土場(chǎng)巖體力學(xué)參數(shù)Table 2 Rock mechanics parameters of inner dump

3 重塑邊坡降雨模擬分析

3.1 理論計(jì)算模型

結(jié)合該礦區(qū)實(shí)際生產(chǎn)情況，設(shè)計(jì)模擬所選理論模型參數(shù)為內(nèi)排土場(chǎng)邊坡高度180 m，邊坡角度約10°。分析分別選取單臺(tái)階高度為15 m 及20 m 時(shí)的內(nèi)排土場(chǎng)邊坡分布情況進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算。其中臺(tái)階坡面角18°，平臺(tái)寬度32 m。經(jīng)計(jì)算確定單臺(tái)階高度為20 m 時(shí)，凸面曲率為7.46×10-3，凹面曲率為3.39×10-3；單臺(tái)階高度為15 m 時(shí)，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(guó)東部草原區(qū)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(jìn)行特征計(jì)算，選取降雨強(qiáng)度最大的30 min 進(jìn)行計(jì)算，其所產(chǎn)生的侵蝕力R 可通過式（3）計(jì)算得出。由于該地區(qū)地震烈度較低，因此根據(jù)規(guī)范，不考慮地震對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響。

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

選用GEO 軟件中的SLOPE/W 模塊以及SEEP/W 模塊進(jìn)行擬合分析，結(jié)合實(shí)際情況對(duì)15 m 及20 m 2 種不同形況下的排土場(chǎng)邊坡臺(tái)階進(jìn)行重塑，通過對(duì)比分析重塑前后內(nèi)排土場(chǎng)邊坡內(nèi)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(nèi)部的降雨量整體較小，且下滲的降雨量均有向排土場(chǎng)坡面方向的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)，不同高度臺(tái)階坡面均出現(xiàn)不同程度的水流滲出現(xiàn)象，滲入坡體內(nèi)部的降雨量較少。受我國(guó)東部草原區(qū)域氣候較為干旱，蒸發(fā)量較高等因素影響，留在邊坡內(nèi)部的降雨量十分有限，因此復(fù)墾效果通常會(huì)受到影響；與原內(nèi)排土場(chǎng)邊坡相比，圖2（b）、圖2（c）重塑后的邊坡滲入坡體內(nèi)部的降雨量明顯增加，其中20 m 臺(tái)階重塑后的滲流密集程度更大，且整個(gè)內(nèi)排土場(chǎng)坡面沒有出現(xiàn)明顯的水流滲出情況；這主要是因?yàn)榻?jīng)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(yùn)移至邊坡底部，降雨在坡面停留時(shí)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(chǎng)邊坡在重塑后靠近邊坡上部區(qū)域均出現(xiàn)孔隙水壓力重分布現(xiàn)象，負(fù)孔隙水壓力分布范圍擴(kuò)大，局部土壤基質(zhì)吸力增加；過渡區(qū)域面積較為均勻，上部邊坡未出現(xiàn)明顯的因巖層下滲速度不同而導(dǎo)致的積水現(xiàn)象，從而減緩了坡面滲水情況的出現(xiàn)；靠近邊坡底部以及基底等深度較深區(qū)域受下滲作用影響較小，其孔隙水壓力分布與重塑前的內(nèi)排土場(chǎng)相比沒有表現(xiàn)出明顯的差異性。

4 結(jié) 語(yǔ)

1）降雨過程中，受水力侵蝕作用影響，原內(nèi)排土場(chǎng)邊坡易在坡面處形成大小不一的侵蝕溝道，進(jìn)而形成徑流通路，導(dǎo)致大量坡面土壤隨水流快速運(yùn)移至邊坡底部。進(jìn)行重塑后的坡面降低了單級(jí)臺(tái)階上部及下部區(qū)域臺(tái)階坡面角，增加坡面阻水性能，降低了形成徑流通路所需時(shí)間，有效地減緩了邊坡的水土流失。

2）通過對(duì)相同降雨強(qiáng)度下的內(nèi)排土場(chǎng)重塑前后邊坡進(jìn)行數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)，原內(nèi)排土場(chǎng)邊坡內(nèi)部下滲水流多集中在排土場(chǎng)巖層區(qū)域，且在不同臺(tái)階處均表現(xiàn)出不同程度的滲水現(xiàn)象。當(dāng)重塑高度為15 m時(shí)，坡體內(nèi)部滲流密集程度增加，其中水平方向滲流趨勢(shì)下降，豎直方向滲流趨勢(shì)明顯增加，滲流過程多集中在原始內(nèi)部，內(nèi)排土場(chǎng)坡面未出現(xiàn)明顯水流滲出現(xiàn)象；當(dāng)重塑高度為20 m 時(shí)，滲流密集程度進(jìn)一步增加，水平方向滲流趨勢(shì)進(jìn)一步下降。

3）經(jīng)過重塑后的邊坡孔隙水壓力實(shí)現(xiàn)重分布，邊坡上部負(fù)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(tài)，整體土壤飽和度較高。因此，出于邊坡穩(wěn)定性角度考慮，建議使用方案Ⅰ作為實(shí)際生產(chǎn)過程中的實(shí)施方案對(duì)內(nèi)排土場(chǎng)邊坡進(jìn)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(qiáng)降雨氣候所造成的礦山邊坡水土流失。