降雨作用下和尚橋鐵礦內(nèi)排土場(chǎng)邊坡穩(wěn)定性分析

張文飛 任奮華 郭奇峰 潘繼良 劉文勝,2

(1.北京科技大學(xué)土木與資源工程學(xué)院,北京 100083;2.安徽馬鋼礦業(yè)資源集團(tuán)南山礦業(yè)有限公司,安徽 馬鞍山 243000)

礦山開采過程中剝離的表土和廢巖集中排棄的場(chǎng)所被稱為礦山排土場(chǎng),為了節(jié)約用地,礦山排土場(chǎng)多位于溝谷或山坡,在降雨條件下這類地形最易發(fā)生滑坡、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害[1-3]。降雨會(huì)引起排土場(chǎng)邊坡巖土體強(qiáng)度降低,增加上部巖土體容重,導(dǎo)致邊坡穩(wěn)定性降低,進(jìn)而影響露天礦山安全生產(chǎn)作業(yè)與開采進(jìn)度。因此,排土場(chǎng)邊坡穩(wěn)定性研究對(duì)于礦山的安全開采具有重要意義。

近年來,不少學(xué)者對(duì)邊坡滲流及穩(wěn)定性做了大量研究。周錦濤等[4]采用改進(jìn)的雙強(qiáng)度折減法模擬滲流應(yīng)力耦合現(xiàn)象,改進(jìn)了安全系數(shù)計(jì)算方法,發(fā)現(xiàn)在滲流影響條件下采用改進(jìn)的雙強(qiáng)度折減法對(duì)于邊坡的穩(wěn)定性分析結(jié)果更符合實(shí)際。邵珠山等[5]基于Green-Ampt入滲模型,考慮了降雨強(qiáng)度與降雨持時(shí)作用,建立了降雨條件下的淺層滑坡概念模型,引入了多層非飽和土計(jì)算方法,推導(dǎo)了降雨導(dǎo)致的積水前后邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)隨降雨持時(shí)變化的關(guān)系式。陶志剛等[6]對(duì)模型尺度Ⅱ號(hào)全段高排土場(chǎng)開展堆載和降雨模擬試驗(yàn),對(duì)不同工況下監(jiān)測(cè)光纖得到的曲線進(jìn)行分析得出排土場(chǎng)變形量與堆載的空間演化規(guī)律,并結(jié)合堆載及降雨作用下模型尺度排土場(chǎng)邊坡穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)試驗(yàn)、堆載作用下的數(shù)值模擬結(jié)果和降雨影響下材料的電鏡結(jié)構(gòu)掃描結(jié)果,分析發(fā)現(xiàn)堆載增加使得降雨在邊坡內(nèi)部產(chǎn)生的潛在滑動(dòng)面擴(kuò)大,最終形成貫通的滑動(dòng)面。崔博等[7]基于現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和調(diào)查結(jié)果,結(jié)合水平分層的排土場(chǎng)典型剖面,分析了傳統(tǒng)方法與考慮孔隙氣壓力的高臺(tái)階排土場(chǎng)滲流規(guī)律及其安全穩(wěn)定性,探討了強(qiáng)降雨條件下孔隙氣壓對(duì)高臺(tái)階排土場(chǎng)濕潤(rùn)鋒、孔隙水壓力和邊坡安全系數(shù)的影響。WU[8]等對(duì)SMITH提出的入滲模型進(jìn)行了修正,并建立了一個(gè)模型框架模擬地下水位存在的降雨—徑流過程,通過數(shù)據(jù)檢驗(yàn),發(fā)現(xiàn)該模型能較好地預(yù)測(cè)土體入滲速率和土體水分再分配,可為存在地下水位工況下的入滲和徑流預(yù)測(cè)提供更有效的方法。針對(duì)現(xiàn)有黃土基底排土場(chǎng)穩(wěn)定性計(jì)算方法的局限性及現(xiàn)有控制技術(shù)針對(duì)性不強(qiáng)或量化困難的問題,漻海賓等[9]通過基底黃土孔隙水壓力消散試驗(yàn),得到了孔隙水壓力及消散度與消散時(shí)間之間的影響規(guī)律,并基于極限平衡法和孔隙水壓力消散規(guī)律,提出了黃土基底排土場(chǎng)動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性系數(shù)計(jì)算方法。

本研究以和尚橋鐵礦內(nèi)排土場(chǎng)邊坡為工程背景,基于Biot固結(jié)理論的直接耦合方法,結(jié)合極限平衡法及有限元分析法,運(yùn)用Geo-Studio軟件模擬分析降雨條件下的內(nèi)排土場(chǎng)邊坡滲流場(chǎng)分布規(guī)律及其穩(wěn)定性,為排土場(chǎng)安全設(shè)計(jì)提供借鑒。

1 工程概況及參數(shù)選取

1.1 工程地質(zhì)條件

由于鐵礦資源的開發(fā),和尚橋鐵礦已經(jīng)形成了東西長(zhǎng)約1 300 m、南北寬約950 m、面積達(dá)123 hm2、深度為72 m的采坑,極大地破壞了原始地形地貌。此外,礦山露天開采過程中產(chǎn)生的大量的剝離表土以及廢石,堆積在該礦東北側(cè)臨時(shí)排土場(chǎng)內(nèi),壓占了大量土地?？紤]到礦山接續(xù)生產(chǎn)需要,同時(shí)兼顧廢棄礦坑地質(zhì)環(huán)境恢復(fù)治理需要,礦山采用臨時(shí)排土場(chǎng)內(nèi)堆積的物料回填廢棄采坑(圖1)。

圖1 和尚橋鐵礦內(nèi)排土場(chǎng)回填區(qū)域Fig.1 Backfill area of dump in Heshanqiao Iron Mine

和尚橋鐵礦地處長(zhǎng)江中下游平原的丘陵平原區(qū),屬北亞熱帶濕潤(rùn)季風(fēng)氣候區(qū),氣候溫和、濕潤(rùn),四季分明,區(qū)內(nèi)年平均降雨量為1 080.0 mm,日最大降雨量為254.6 mm(1962年7月6日),雨季集中在6—8月份,占全年降水量的46%左右。隨著每年雨季的大量降水,地表水不斷排入,導(dǎo)致巖石的物理力學(xué)性質(zhì)下降,邊坡強(qiáng)度降低,容易存在滑坡隱患。因此在分析排土場(chǎng)邊坡穩(wěn)定性時(shí)有必要考慮降水因素。

1.2 模型建立及參數(shù)選取

礦山排土場(chǎng)堆積的散體物料主要是采礦剝離的礦山表層土體及風(fēng)化破碎的巖土混合體,具有明顯的可重塑特性,準(zhǔn)確把握這些材料在重塑過程中抗剪強(qiáng)度的變化是評(píng)價(jià)邊坡穩(wěn)定性的基礎(chǔ)條件。排棄物料在排土場(chǎng)集中堆載,受到堆載壓力和降雨的親和作用開始產(chǎn)生骨架重塑效應(yīng)[10]。因此本研究通過分層設(shè)置土體參數(shù)來分析排棄物料的重塑特性。

相關(guān)研究表明[11],在不考慮上覆壓力折減的前提下,重塑壓力p近似等于上覆巖層自重壓力(Pa),p=ρ·g·h(ρ為上覆巖層密度,kN/m3;H為埋深,m;g為重力加速度,m/s2),理論上隨著重塑壓力的增大,物料黏聚力也會(huì)逐漸增大,而結(jié)合實(shí)際情況發(fā)現(xiàn)當(dāng)重塑壓力大于1 MPa時(shí),黏聚力開始趨于穩(wěn)定。據(jù)此特性,分層只考慮重塑壓力在0～1 MPa范圍內(nèi)的物料,超出該范圍的物料需要進(jìn)行各項(xiàng)力學(xué)參數(shù)的綜合評(píng)價(jià)。結(jié)合和尚橋鐵礦內(nèi)排土場(chǎng)設(shè)計(jì)資料,邊坡巖土體的物理力學(xué)參數(shù)取值見表1。

表1 主要巖土力學(xué)參數(shù)Table 1 Main geotechnical mechanical parameters

本研究利用Geo-Studio軟件內(nèi)置的SLOPE/W、SEEP/W、SIGMA/W等模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)邊坡穩(wěn)定性、滲流及其耦合的相關(guān)分析。依據(jù)和尚橋鐵礦內(nèi)排土場(chǎng)典型剖面建立的模型如圖2所示,模型共2 744個(gè)節(jié)點(diǎn),2 640個(gè)單元。設(shè)置3個(gè)孔隙水壓力監(jiān)測(cè)點(diǎn)。材料模型選取摩爾-庫(kù)倫模型,模型參數(shù)按照表1取值。

圖2 和尚橋鐵礦內(nèi)排土場(chǎng)邊坡地質(zhì)模型Fig.2 Geological model of the inner dump slope in Heshanqiao Iron Mine

2 降雨條件下邊坡滲流分析

2.1 降雨入滲理論

降雨入滲邊坡是典型的非飽和流固耦合現(xiàn)象,其耦合原理為:降雨入滲使得滲流場(chǎng)以滲透力的形式改變?cè)械膽?yīng)力場(chǎng),應(yīng)力場(chǎng)的變化則通過體積應(yīng)變、孔隙比的變化改變土體滲透系數(shù),從而影響土體的滲流場(chǎng)。Geo-Studio軟件以位移增量和孔隙水壓力增量為場(chǎng)變量,依據(jù)初始條件、邊界條件,將平衡方程與滲流方程同時(shí)進(jìn)行求解[12]。滲流分析模型是以有限元理論為基礎(chǔ),結(jié)合土體本構(gòu)方程及滲流方程實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)力場(chǎng)、位移場(chǎng)及滲流場(chǎng)的計(jì)算。

2.1.1 有限元本構(gòu)方程

假設(shè)孔隙氣壓力恒等于大氣壓力,根據(jù)畢肖普有效應(yīng)力原理,非飽和土應(yīng)變—應(yīng)力增量形式可用下式[13]表示:

式中,ΔF為荷載增量;K為剛度矩陣,K=∑BT·D·B;Ld為耦合矩陣,Ld=∑BT·D·mH·N;Δδ為位移矢量增量;Δ uw為孔隙水壓力矢量增量;B為應(yīng)變矩陣;N為形函數(shù)行矢量。

2.1.2 滲流方程

Darcy定律描述了多孔介質(zhì)中流體流動(dòng)所應(yīng)滿足的運(yùn)動(dòng)方程。單元體積土體的二維非飽和滲流方程可表示為

式中,kx、ky分別為x、y方向的滲透系數(shù);uw為滲透系數(shù);γw為水的容重;θw為體積含水率;t為時(shí)間?；谔摴υ?滲流方程可以表示為孔隙水壓力和體積應(yīng)變的形式,則得到有限元方程為[14]

式中,β為不排水系數(shù),流固耦合計(jì)算時(shí)取1,只進(jìn)行流體計(jì)算時(shí)取0;Lf為滲流耦合矩陣;Kf為單元?jiǎng)偠染仃?ω為土體含水量,%;M為質(zhì)量矩陣;Q為邊界節(jié)點(diǎn)的滲流量。

聯(lián)立平衡方程(式(2))與滲流方程(式(4))可得有限元分析的耦合方程,通過相應(yīng)的邊界條件即可對(duì)該耦合方程進(jìn)行求解。

2.1.3 水土特征曲線

邊坡土體含水量與土體內(nèi)基質(zhì)吸力的關(guān)系被稱為水—土特征曲線。水—土特征曲線一般可由試驗(yàn)獲得,也可使用經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ凸浪鉡15]。目前常用的水—土曲線估算模型主要有Van Genuchten模型(簡(jiǎn)稱VG模型)、Fredlund和Xing模型。其中,VG模型的表達(dá)式為

式中,ω為土體含水量,%;ωr為土壤殘余含水量,%;ωs為土體飽和含水量,%;h為土體水吸力水頭,mH2O;α、n和m為方程參數(shù)。

2.2 邊坡滲流模擬

降雨入滲過程主要受降雨強(qiáng)度和降雨持續(xù)時(shí)間影響,Geo-Studio軟件中的SEEP/W模塊可對(duì)降雨入滲過程進(jìn)行模擬,本研究采用Van Genuchten模型求取邊坡土體含水量與土體內(nèi)基質(zhì)吸力的關(guān)系曲線。該模型應(yīng)用廣泛,對(duì)現(xiàn)場(chǎng)降雨影響下的邊坡擬合度較高,對(duì)降雨入滲邊坡的穩(wěn)定性分析更精準(zhǔn)[16]。在初始靜態(tài)水位計(jì)算中,根據(jù)和尚橋礦區(qū)相關(guān)地質(zhì)資料,結(jié)合剖面具體特征設(shè)定位置右側(cè)總水頭邊界在標(biāo)高-62 m處,左側(cè)總水頭邊界在標(biāo)高-42 m處。邊坡表面為降雨邊界,考慮到20 a一遇的1998年大暴雨時(shí)的最高降雨量為256 mm/d,為研究降雨強(qiáng)度對(duì)邊坡滲流場(chǎng)的影響,結(jié)合氣象部門規(guī)定的暴雨降雨量等級(jí)閾值,本研究設(shè)定了 100、250、400 mm/d 3種降雨強(qiáng)度。以250 mm/d為例,降雨量隨時(shí)間的變化特征如圖3所示。

圖3 降雨量隨時(shí)間的變化曲線Fig.3 Variation curve of rainfall with time

通過穩(wěn)態(tài)分析計(jì)算出的天然狀態(tài)下孔隙水壓力分布如圖4所示。以250 mm/d降雨強(qiáng)度為例,地下水位以下孔隙水壓力為正,地下水位以上孔隙水壓力為負(fù),孔隙水壓力隨深度呈線性分布。降雨開始0.5 d和降雨結(jié)束時(shí)的孔隙水壓力分布如圖5所示。由圖5可知:降雨對(duì)排土場(chǎng)邊坡內(nèi)部孔隙水壓力影響較小,主要是表層土體的滲流場(chǎng)發(fā)生變化。降雨開始時(shí),邊坡表層土體最先受到影響,土體負(fù)孔隙水壓力增大,逐漸形成暫態(tài)飽和區(qū)。隨著降雨繼續(xù)進(jìn)行,表層土體的孔隙水壓力由-800 kPa增加到-200kPa,地下水位出現(xiàn)微小抬升,主要是由于邊坡土體的滲透系數(shù)遠(yuǎn)小于降雨強(qiáng)度,且邊坡高度較高,受到滲透系數(shù)限制,雨水入滲量較小,基本不會(huì)影響邊坡土體的內(nèi)部滲流場(chǎng)。

圖4 初始孔隙水壓力分布Fig.4 Distributon of initial pore water pressure

圖5 降雨后孔隙水壓力分布特征Fig.5 Distribution characteristics of pore water pressure after rainfall

通過記錄監(jiān)測(cè)點(diǎn)位的孔隙水壓力,繪制了不同降雨強(qiáng)度下孔隙水壓力的變化特征曲線,如圖6所示。

圖6 不同降雨強(qiáng)度下監(jiān)測(cè)點(diǎn)孔隙水壓力變化特征Fig.6 Variation characteristics of pore water pressure at monitoring points under different rainfall intensities

由圖6可知:降雨入滲過程主要由降雨強(qiáng)度q、巖土材料允許的入滲速率fp以及巖土材料的飽和滲透系數(shù)Kws這3個(gè)變量來控制。本研究排土場(chǎng)邊坡的表層土體滲透系數(shù)近似等于250 mm/d降雨強(qiáng)度。由圖6進(jìn)一步分析可知:當(dāng)降雨強(qiáng)度小于滲透系數(shù)時(shí),表層中孔隙水壓力隨著降雨時(shí)間持續(xù)增加而逐漸增加,直至某一定值后逐漸穩(wěn)定,原因是此時(shí)土體的入滲率保持不變,土體表面降雨持續(xù)入滲,基質(zhì)吸力逐漸減小直到與降雨入滲力達(dá)到平衡,孔隙水壓力也不再變化。當(dāng)降雨強(qiáng)度大于或等于滲透系數(shù)時(shí),孔隙水壓力也是隨著降雨時(shí)間持續(xù)增加直至某一定值,但是此時(shí)孔隙水壓力的最大值并不與降雨強(qiáng)度有關(guān),即大于土體滲透系數(shù)的不同降雨強(qiáng)度在邊坡表層某點(diǎn)所達(dá)到的最大孔隙水壓力值是相同的,其值主要受到巖土體材料允許入滲速率的影響。此時(shí)需要考慮巖土材料的允許入滲速率,當(dāng)Kws≤q≤fp時(shí),降雨全部入滲,入滲速率fp隨著降雨入滲深度增加逐漸減小,由于入滲速率尚未超過土體最大允許入滲率,所以入滲速率依然很大;當(dāng)q>fp時(shí),部分降雨會(huì)滲入邊坡土體中,剩余部分降雨則會(huì)形成坡面徑流,SEEP/W模擬時(shí)勾選“潛在滲流面”即認(rèn)為邊坡表面未入滲的雨水全部排出,故未看到400 mm/d出現(xiàn)徑流。此外,由圖6還可以看出降雨強(qiáng)度越大,邊坡土體孔隙水壓力達(dá)到其最大值的時(shí)間越短,說明在未達(dá)到巖土體材料允許的入滲速率時(shí),隨著降雨強(qiáng)度增加,入滲速率逐漸增加,進(jìn)而邊坡土體達(dá)到最大孔隙水壓力的時(shí)間縮短。

3 降雨條件下邊坡穩(wěn)定性分析

3.1 應(yīng)力及位移分析

本研究基于SIGMA/W有限元軟件,采用Mohr-Coulomb材料模型,結(jié)合有效應(yīng)力理論進(jìn)行滲流應(yīng)力耦合分析。以降雨強(qiáng)度250 mm/d為例,分析降雨前后邊坡應(yīng)力及位移。降雨前后的邊坡剪應(yīng)力分布如圖7所示。由圖7可知:降雨前剪應(yīng)力分布等值線基本與坡面平行,即此時(shí)剪應(yīng)力主要受到土體埋深的影響,剪應(yīng)力與土體埋深成正比關(guān)系。降雨使土體容重增加,坡體內(nèi)降雨滲流引起的動(dòng)水壓力及靜水壓力都會(huì)導(dǎo)致坡體內(nèi)部剪應(yīng)力增加,尤其是邊坡坡腳位置剪應(yīng)力出現(xiàn)明顯增大,此處易發(fā)生失穩(wěn)破壞,對(duì)應(yīng)圖8顯示的X向位移分布,可以看出邊坡降雨后有向坡面臨空面發(fā)生移動(dòng)的趨勢(shì),最大位移可達(dá)0.55 m。

圖7 降雨前后剪應(yīng)力分布Fig.7 Distribution of the shear stress before and after rainfall

圖8 降雨后X向位移分布Fig.8 X-displacement distribution after rainfall

3.2 穩(wěn)定性分析

不考慮外界因素(降雨、爆破等)干擾,利用Morgenstern-Price法計(jì)算的最小安全系數(shù)為1.640,反映出自然工況下排土場(chǎng)邊坡處于安全狀態(tài)。潛在臨界滑動(dòng)面位于第2～4層堆體之間,安全系數(shù)較小的滑動(dòng)面多位于堆體表層,深度較淺。降雨前與250 mm/d降雨強(qiáng)度下的安全系數(shù)對(duì)比如圖9所示,降雨后最小安全系數(shù)有所降低,但最危險(xiǎn)滑動(dòng)面位置基本一致。取潛在臨界滑動(dòng)面分為30個(gè)豎直條塊,得出其每個(gè)條塊的抗剪強(qiáng)度對(duì)比如圖10所示。潛在臨界滑動(dòng)面上條塊抗剪強(qiáng)度均隨著邊坡延展方向呈先增大后減小的趨勢(shì),堆體在自重作用下,巖土體顆粒間空隙被壓縮,堆體空隙率不斷降低,逐漸固結(jié)。土體抗剪強(qiáng)度沿滑動(dòng)面方向不斷增加,在X=400 m處下降出現(xiàn)谷值,表明此處剪應(yīng)力較大,易發(fā)生剪切破壞引起邊坡滑動(dòng)失穩(wěn)。在X=420 m處達(dá)到頂峰,隨后抗剪強(qiáng)度快速下降。降雨后抗剪強(qiáng)度峰值及谷值均出現(xiàn)明顯下降,降幅達(dá)5.8%。

圖9 降雨前后排土場(chǎng)邊坡安全系數(shù)對(duì)比Fig.9 Comparison of the safety coefficients of slope in dump before and after rainfall

圖10 降雨前后在滑動(dòng)面抗剪強(qiáng)度分布Fig.10 Distribution of the shear strength on sliding surface before and after rainfall

不同降雨強(qiáng)度下的邊坡安全系數(shù)的變化特征如圖11所示。由圖11可知:降雨開始1 d內(nèi),雨水入滲至表層土體,土體基質(zhì)吸力降低,抗剪強(qiáng)度降低且雨水入滲使得土體含水量增加,加大土體自重,導(dǎo)致安全系數(shù)下降明顯,土體入滲速率隨著降雨入滲而減小,進(jìn)而導(dǎo)致安全系數(shù)降幅也逐漸減小。而后1～2 d內(nèi),由于表層土體入滲速率限制,滲入地表的雨水有限,大量雨水積累,出現(xiàn)地表徑流。此時(shí)表層土體的含水率更加接近最佳含水率,相應(yīng)地會(huì)使土體產(chǎn)生固結(jié)效果,抗剪強(qiáng)度有所提高,故此時(shí)安全系數(shù)會(huì)出現(xiàn)一定的升高現(xiàn)象。2～3 d降雨逐漸停止,此時(shí)表層土體降雨入滲雖然逐漸消失,但是表層土體雨水會(huì)繼續(xù)向深部緩慢滲透,導(dǎo)致安全系數(shù)出現(xiàn)一定下降或穩(wěn)定?？傮w來說,降雨強(qiáng)度越大,安全系數(shù)降幅越大,且當(dāng)安全系數(shù)趨于穩(wěn)定時(shí),250 mm/d和400mm/d降雨強(qiáng)度對(duì)應(yīng)的安全系數(shù)是一致的,說明對(duì)于土體滲透系數(shù)小于降雨強(qiáng)度的邊坡,降雨強(qiáng)度達(dá)到一定值后,其對(duì)最終安全系數(shù)大小沒有影響,即邊坡安全系數(shù)取決于地表入滲量。

圖11 安全系數(shù)隨降雨時(shí)間的變化特征Fig.11 Variation characteristics of the safety coefficients with rainfall time

4 結(jié) 論

(1)基于Biot固結(jié)理論,結(jié)合極限平衡法及有限單元法計(jì)算得出在降雨條件作用下,和尚橋鐵礦內(nèi)排土場(chǎng)邊坡安全系數(shù)可達(dá)到1.6以上,滿足設(shè)計(jì)安全要求,但在實(shí)際工程中需做好排水工作,確保邊坡安全穩(wěn)定。

(2)降雨引起的孔隙水壓力升高主要發(fā)生在表層土體深度5m內(nèi),深部孔隙水壓力基本不變。降雨強(qiáng)度主要影響孔隙水壓力達(dá)到最大值的時(shí)間,說明土體滲透系數(shù)限制了降雨入滲量,大量雨水在地表積累形成徑流。

(3)降雨入滲過程中表層土體孔隙水壓力增大,基質(zhì)吸力降低導(dǎo)致土體抗剪強(qiáng)度下降,但在不考慮地表徑流的條件下,排土場(chǎng)邊坡安全系數(shù)與降雨強(qiáng)度并不呈線性相關(guān),而是存在一個(gè)閾值。其存在原因是:雨水入滲是降低邊坡穩(wěn)定性的直接因素,單位時(shí)間降雨量大于土體單位時(shí)間允許入滲量,故大量雨水未能滲入,集聚在地表形成徑流沿排水溝排出。

(4)本研究結(jié)合極限平衡方法和有限單元方法分析邊坡穩(wěn)定性取得了較好的效果,但已有方法計(jì)算滑坡穩(wěn)定性時(shí)大多忽略了計(jì)算參數(shù)的隨機(jī)分布對(duì)滑坡產(chǎn)生的影響,無法準(zhǔn)確得出滑坡的失穩(wěn)概率,后續(xù)工作可在此基礎(chǔ)上引入統(tǒng)計(jì)概率模型,以便精確獲得邊坡失穩(wěn)概率。