大型露天鐵礦邊坡三維滲流分析研究

高 穩(wěn)，喬 蘭，隋智力，李慶文

（1.北京科技大學土木與環(huán)境工程學院土木工程系，北京100083；2.北京科技大學金屬礦山高效開采與安全教育部重點實驗室，北京100083；3.北京城市學院，北京100083）

巖質邊坡的穩(wěn)定性是保證大型露天鐵礦采掘作業(yè)安全的關鍵，采場邊坡內部水力特性和滲流場的分布，對邊坡穩(wěn)定性有著重要的影響。坡體內部的滲流特性，受巖體結構面發(fā)育程度、巖石類別、水頭高度等多方因素影響。土體中水力傳遞主要依靠的是土顆粒中的達西滲流作用，而巖體中的水力傳遞則由巖體節(jié)理發(fā)育程度決定。巖體內存在的大量節(jié)理裂隙網(wǎng)絡，成為巖體中水力傳遞的主要通道［1］。在數(shù)值模擬分析中，常采用多孔連續(xù)介質模型，將裂隙中的水等效平均到整個巖體中，再將其視為具有對稱滲透張量的各向異性連續(xù)介質體［2］。

水廠鐵礦是一座大型變質巖型磁鐵礦床，礦區(qū)位于河北省遷安市境內，西至北京200km，西南至唐山80km，東南至遷安市20km。礦區(qū)西幫與灤河河道緊鄰，灤河水系與此段邊坡內地下水間的水力聯(lián)系密切。此外，礦區(qū)地下水還能接受大氣降水補給，西幫局部地段人工堆積廢石，透水性好，大氣降水就地入滲補給地下水，故對礦區(qū)西幫邊坡進行滲流穩(wěn)定性分析是十分必要的。

1 水文地質條件

北采場西幫有六組最優(yōu)勢節(jié)理裂隙，傾向分別為 NE60°～70°、SE120°～130°、SE160°～170°、SW200°～210°、NW340°～350°、NW270°～280°。其主要結構面的粗糙度以平直光滑為主，結構面的間距較大，其充填物主要是綠泥石化方解石，偶見輕微蝕變、局部氧化膜，巖體結構性較好。且結構面發(fā)育程度各個方向較為均勻，未體現(xiàn)出很強的方向性。由此可知，這樣產(chǎn)生的滲流場不會有很大的方向上的差異，對邊坡的力學特性的影響也比較均勻。根據(jù)Hoek－Brown提出的巖石力學理論，這種節(jié)理組合不會讓坡體呈現(xiàn)很明顯的各向異性，故其水力分析可以按照均質體考慮。

根據(jù)地質勘查報告可知，水廠鐵礦含水層特征如下所述：

1）第四系洪坡積弱～中等富水性孔隙潛水層：含水層不甚發(fā)育，厚度一般約10m左右，地下水埋深0.21～3.80m。

2）侏羅系中統(tǒng)后城組微弱富水性裂隙潛水含水巖層：巖石比較致密，節(jié)理不發(fā)育，含水微弱。

3）長城系常州溝組弱～中等富水性裂隙潛水含水層：巖石堅硬致密，形成陡峻的山脊。

4）太古界三屯營組二段Ⅳ及Ⅵ層弱～中等富水性裂隙潛水承壓含水巖系：Ⅵ層含水層厚度19.67～79.00m，Ⅳ層含水層厚度20～62m。

5）太古界三屯營組二段Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和Ⅴ層微弱～弱富水性裂隙潛水含水巖系：含水層厚度一般約80m左右。

2 采場邊坡三維滲流場分析

2.1 滲流數(shù)學模型

三維多孔連續(xù)介質模型的數(shù)學表達式為［3］：

式中：Ss為巖體的單位儲存量，單位m3；kij為滲透系數(shù)，其雙腳標的物理意義為兩次投影量。

對于三維穩(wěn)定滲流問題，式（1）可以改寫為［4］：

且在域Ω中：式（3）在S1上。

式（4）在S1上。

式（5）在S3和S4上。

式中：Ki（i＝x，y，z）為滲透系數(shù)；H為滲透水頭；Ω為滲流域；Z（X，Y）為浸潤曲面或者溢出段曲面上相應點（X，Y）上的位置水頭；q為邊界上單位面積流的流量空間滲流區(qū)域；S1為已知水頭值的邊界曲面；S2為給定流量曲面；S3為浸潤面；S4為溢出段。

2.2 滲透系數(shù)的確定

2.2.1 通過單孔壓水試驗確定滲透系數(shù)

壓水試驗是以單位吸水量ω來表示的。在實驗規(guī)程中，建議等效滲透系數(shù)按下式計算［5］：

式中：l為壓水試驗段長，一般為5m；r為壓水鉆孔半徑，單位m；ω為單位吸水量，單位為L／（min·m2）。

2.2.2 通過注水試驗確定滲透系數(shù)

當鉆孔中地下水埋藏很深或者試驗層為透水不含水層時，采用注水試驗代替抽水試驗，近似地測定巖層的滲透系數(shù)［6］，公式見式（7）。

式中：l為注水試驗段長，單位為m；r為注水鉆孔半徑，單位m；Q為注水量，單位為m3；S為水位變化量，單位m。

2.2.3 計算選用的滲透系數(shù)

現(xiàn)場部分壓水試驗成果及注水試驗成果曲線，分別如表1和圖1所示［7］。

三維滲流數(shù)值計算中所涉及到的滲透系數(shù)，如表2所示［8］。

表1 KE鉆孔壓水試驗成果表

圖1 KE鉆孔159.60m深度注水試驗綜合成果圖

表2 數(shù)值計算中涉及巖石的滲透系數(shù)表

2.3 數(shù)值模型的建立

根據(jù)工程巖組特征、巖體結構特征、巖體不連續(xù)面特征、采礦設計及邊坡方位特征，水廠鐵礦北采場研究區(qū)共被劃分為Ⅰ～Ⅴ五個工程地質區(qū)。本文對采場西幫邊坡的局部坡體進行了三維滲流場計算和分析，采用FLAC3D有限差分軟件進行建模計算。選取1剖面到7剖面之間的坡體建立計算模型，模型長為2000m，寬和高均為900m，模型的開挖底板標高與開挖設計深度一致，分別為－440m、－410m、－335m和－180m，模型及其在礦區(qū)的位置詳見圖2。

圖2 滲流計算模型及其在礦區(qū)中的位置

現(xiàn)場勘查資料表明，礦區(qū)巖體在滲透性上未顯示出各向異性的特點，故此次滲流計算采用各向同性的滲流模型進行計算。計算中，取灤河水位按一般水位取值，為67m。

2.4 滲流模擬結果及分析

圖3給出了模型達到計算平衡后，西幫邊坡整體的三維滲流情況分布。分析圖3可知，邊坡出水點的平均標高為－120m，出水點標高隨坡高、坡角的減小而增高；坡體滲流場在遠離坡面的坡體內部受坡面狀況影響較小，基本穩(wěn)定，但在近坡面的坡體內部影響大，變化劇烈。

分析圖4可知，剖面1的出水點標高在－150m左右，水位線陡峭，與坡面呈小角度相交。

分析圖5可知，剖面3的出水點標高在－110左右，水位線相對于剖面1來說平緩了一些，與坡面呈小角度相交。

分析圖6可知，剖面5的出水點標高在－100m左右，水位線相對于剖面1和剖面3來說平緩了許多，已經(jīng)快接近水平。

圖3 西幫邊坡三維滲流分布圖

圖4 剖面1三維滲流分布圖

圖5 剖面3三維滲流分布圖

圖6 剖面5三維滲流分布圖

分析圖7可知，剖面7的出水點標高在－80m左右，水位線幾乎接近水平。另外，還對剖面7豐水位時的滲流場進行了計算，結果顯示此時的出水點標高在－50m左右。

圖7 剖面7三維滲流分布圖

3 結論

本文在對水廠鐵礦西幫邊坡三維滲流場分析的基礎上，得出如下結論：

1）邊坡滲流場受邊坡高度影響較大，坡度越高，水位線越陡峭，出水點也越低。

2）此次計算并未考慮地表蒸發(fā)量變化對水位產(chǎn)生的影響，故整體計算結果相對保守，且未考慮斷層裂隙水的影響，不能代表局部裂隙滲水的情況。

3）剖面7相對灤河距離較近，而且豐水期出水點高程較高，雖然整體不會出現(xiàn)動水破壞的情況，但是高水位對邊坡穩(wěn)定性有一定影響。建議在豐水期加強現(xiàn)場觀測，必要時可采取降排水措施。

4）開挖對邊坡坡面附近一定范圍內的滲流場影響較大，在評估邊坡穩(wěn)定時不能忽視其影響。

［1］王鵬，喬蘭，李長洪，等.巖質邊坡滲流場中等效連續(xù)介質模型的應用［J］.北京科技大學學報，2003，25（2）：99－130.

［2］張有天，周維垣.巖石高邊坡的變形與穩(wěn)定［M］.北京：中國水利水電出版社，1999.

［3］周維垣.高等巖石力學［M］.北京：水力電力出版社，1990.

［4］孫訥正.地下水流的數(shù)學模型和數(shù)值方法［M］.北京：地質出版社，1981.

［5］東北勘測設計院修訂.SL25－92水利水電工程鉆孔壓水試驗規(guī)程［S］.北京：中華人民共和國水利部、能源部，1992.

［6］蔡美峰，何滿潮，劉東燕.巖石力學與工程［M］.北京：科學出版社，2002.

［7］北京科技大學，首鋼礦業(yè)公司.露天礦深部安全強化開采綜合技術研究專題研究報告［R］.2004.

［8］首鋼地質勘查院地質研究所.水廠鐵礦修改設計邊坡穩(wěn)定性研究補充地質勘查鉆孔壓水試驗整理成果表圖冊［R］.2010.