不同雨型下排土場降雨入滲及其對穩(wěn)定性影響研究

1、不同雨型下排土場降雨入滲及其對穩(wěn)定性影響研究關曉鋒1 崔旋2 徐云富1 （1.首鋼集團有限公司礦業(yè)公司水廠鐵礦，遷安市，064405； 2.北京礦冶科技集團有限公司，北京市, 100160）摘要：降雨入滲是影響邊坡穩(wěn)定性的重要因素，以某礦山排土場高陡邊坡為研究對象，基于飽和-非飽和滲流理論研究了不同雨型降雨條件下邊坡滲流場的變化特點；采用非飽和土強度準則與極限平衡法對邊坡的穩(wěn)定性進行分析。結果表明：不同雨型降雨入滲時，邊坡暫態(tài)飽和區(qū)的范圍不同，后峰型最大，等強型最?。徊煌晷徒涤陾l件下對邊坡穩(wěn)定性的影響程度亦不同，后峰型降雨對邊坡穩(wěn)定性影響較大，等強型降雨對邊坡安全系數(shù)的影響相對較小。關鍵字:

2、排土場；降雨；滲流場；穩(wěn)定性 Study on rainfall infiltration and its influence on the stability of soil dump under different rain patternsGuan Xiaofeng1 Cui Xuan2 Xu Yunfu1（1.Shuichang Iron Mine，Shougang Mining Corporation, Qianan 064405, China;2.BGRIMM Technology Group, Beijing 100083, China）Abstract: Rainfall in

3、filtration is an important factor affecting the stability of the slope. Taking the high and steep slope of a mine waste dump as the research object, the change characteristics of the slope seepage field under different rainfall conditions were studied based on the saturated-unsaturated seepage theor

4、y. Unsaturated soil strength criterion and limit equilibrium method were used to analyze the stability of slope. The results show that the range of slope transient saturation area is different for different types of rainfall infiltration. Under different rainfall conditions, the influence degree of

5、slope stability is also different. The influence of posterior peak rainfall on slope stability is greater, while the influence of equal intensity rainfall on slope safety coefficient is relatively small. Key words: dump; Rainfall; Seepage field; stability 邊坡發(fā)生滑坡失穩(wěn)破壞是一種復雜的過程，由于滑坡內部結構的復雜性和組成滑坡巖土體物質的不同

6、，其滑坡破壞模式亦有不同1。滑波是坡體因多種因素藕合變形,最終被某些誘發(fā)因素激發(fā)失穩(wěn),產生滑動的一種災害地質現(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，降雨入滲對其進行穩(wěn)定性的影響較大。張亞賓等6以唐山某排土場為例

7、研究了不同降雨強度對排土場穩(wěn)定性的研究。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xikijskrhchcxj+ki3krhc+Q=chcnSshct （ SEQ 式 * ARABIC 1）式中，kijs 為飽和滲透張量；kr為相對透水率；Q為源匯項；n為孔隙率；hc為壓力水頭； 在非飽和區(qū)等于，在飽和區(qū)等于1.2、非

8、飽和土體穩(wěn)定性理論非飽和土抗剪強度計算公式采用Fredlund9,10提出的改進的強度公式f=c,+-uatan,+ua-uwtanb （ SEQ 式 * ARABIC 2）式中，c,為有效粘聚力，,為與凈法向應力有關的內摩擦角，b為抗剪強度隨基質吸力變化的內摩擦角，ua為孔隙空氣壓力，uw為孔隙水壓力。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 REF _Ref28180564 h * MERGEFORMAT 圖 1所示， 總共有單元3402個，節(jié)點3318個，排

9、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 SEQ 圖 * ARABIC 1 計算模型網(wǎng)格劃分Fig.1 Grid division of the computing model根據(jù)該大型排土場現(xiàn)場實際情況，對降雨入滲模型的邊界條件設定如下：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114m，上游為138m；模型底部為不透水邊界。邊坡穩(wěn)定計算邊界條件根據(jù)排土場實際情況作如下設定：模型左右兩

10、側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、降雨工況設計文獻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 REF _Ref28180495 h * MERGEFORMAT 圖 2所示。結合現(xiàn)場勘察與參考當?shù)厮馁Y料:降雨時長均設置為10d，其中峰值降雨強度為8.46e-6m/s，總降雨量設定為3650mm，將以這三種雨型來探討其對邊坡穩(wěn)定的影響，雨型通過軟件設置函數(shù)來實現(xiàn)。 （a）等強型 （b）中峰型（c）后峰型圖 SEQ 圖 * ARABIC 2 設計降雨強度Fig.2

11、 Design rainfall intensity2.3、材料參數(shù)排土場各層物料物理力學性能參數(shù)由巖土工程勘察報告等相關資料確定，具體見 REF _Ref28184236 h * MERGEFORMAT 表 1。表 SEQ 表 * ARABIC 1 排土物料物理力學性能參數(shù)Tab.1 Physical and mechanical properties of row soil materials巖土層名稱天然重度kN/m3內摩擦角/粘聚力c/kPa飽和滲系數(shù)cm/s體積含水率排土物料20.333.4782.3410-20.38殘坡積土16.230.319.86.4110-50.25基巖27.

12、642.35601.3410-50.243、成果分析3.1、滲流結果分析降雨入滲會改變邊坡體內的含水率，引起孔隙水壓力的變化。 REF _Ref28940656 h * MERGEFORMAT 圖 3 REF _Ref29284910 h * MERGEFORMAT 圖 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。為考慮基質吸力影響范圍，正常運行情況下在排土場邊坡上表面設置小降雨流量，使得飽和區(qū)基質吸力符合一般工程實際規(guī)律，即：在一定范圍內，基質吸力隨高程增加基本呈線性變化，超過一定的范圍，基質吸力保持不變。具體為在潛水面以上約30m范圍內增幅較大，隨著高程增加趨于穩(wěn)定。由 R

13、EF _Ref28940656 h 圖 3可以得出，初始條件下，排土場內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，即存在基質吸力。圖 SEQ 圖 * ARABIC 3初始條件下孔隙水壓力云圖（kPa）Fig.3 Pore water pressure cloud diagram under initial conditions（kPa）圖 SEQ 圖 * ARABIC 4等強型降雨末期孔隙水壓力云圖（kPa）Fig.4 Cloud diagram of pore wat

14、er pressure at the end of rainfall of the same intensity type（kPa）圖 SEQ 圖 * ARABIC 5中鋒型降雨末期孔隙水壓力云圖（kPa）Fig.5 Cloud diagram of pore water pressure at the end of centre-type rainfall（kPa）圖 SEQ 圖 * ARABIC 6后峰型降雨末期孔隙水壓力云圖（kPa）Fig.6 Cloud diagram of pore water pressure at the end of posterior peak rainfa

15、ll（kPa）由 REF _Ref28940872 h * MERGEFORMAT 圖 4 REF _Ref29284910 h * MERGEFORMAT 圖 6可以得出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18m、20m、22m左右。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， REF _Ref

16、29370766 h 圖 7是多雨型降雨條件下不同降雨時長是穩(wěn)定性安全系數(shù)變化曲線。圖 SEQ 圖 * ARABIC 7安全系數(shù)隨降雨時間變化曲線Fig.7 Curve of safety coefficient changing with rainfall time由 REF _Ref29370766 h 圖 7可以得出，對于等強型降雨，當降雨持時 7 d時安全系數(shù)呈現(xiàn)出顯著降低的趨勢，到降雨模擬結束，安全系數(shù)降低了9.6%。對于中峰型降雨，當降雨持時 8 d時安全系數(shù)呈現(xiàn)出顯著降低的趨勢，到降雨模擬結束，安全系數(shù)降低了9.8%。對于后峰型降雨，當降雨持時 9 d時安全系數(shù)呈現(xiàn)出顯著降低的趨

17、勢，到降雨模擬結束，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，邊坡的穩(wěn)定性隨降雨時間逐漸降低，安全系數(shù)最先降低的事等強型降雨，安全系數(shù)降低了20%。主要原因是邊坡的含水量飛快的上漲，從而后續(xù)的降雨難以滲入到邊坡內，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，導致入滲的雨量較大，當降雨量達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、結論（1）降雨入滲導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

18、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，結果表明：當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。參考文獻1許建聰,尚岳全. 降雨作用下碎石土滑坡解體變形破壞機制研究J. 巖土力學, 2008, 29(1): 106-112, 118.Xu jiancong, Shang Yuequan. Study on failure mechanism

19、of disintegration deformation of gravelly soil landslide under rainfall J. Geotechnical mechanics, 2008, 29 (1): 106-112, 118.2羅文強,晏同珍. 降雨及地下水對邊坡穩(wěn)定性動態(tài)影響的初步研究J. 地質科技情報, 1995, 14(4): 77-81.Luo Wenqiang, Yan Tongzhen. Preliminary study on the dynamic influence of rainfall and groundwater on slope stabi

20、lity J. Geological science and technology information, 1995, 14 (4): 77-81.3婁一青.降雨條件下邊坡滲流及穩(wěn)定有限元分析J. 水力學報，2007（增刊） 346-351Lou Yiqing. Finite element analysis of slope seepage and stability under rainfall condition J. Journal of hydraulic engineering, 2007 (Supplement) 346-351.4付宏淵，曾鈴，蔣中明，等降雨條件下公路邊坡暫態(tài)

21、飽和區(qū)發(fā)展規(guī)律J中國公路學報，2012,25(3):59-64.Fu Hongyuan, Zeng Ling, Jiang Zhongming, et al. Development law of transient saturated zone of highway slope under rainfall condition J. Journal of China highway, 2012,25 (3): 59-645王立. 多雨型下不同邊坡穩(wěn)定性的數(shù)值分析D. 湘潭大學, 2014.Wang Li. Numerical analysis of different slope stability under rainy conditions D. Xiangtan University, 20146張亞賓，陳超，甘德清降雨對排土場邊坡滲流及穩(wěn)定性的影響J金屬礦山，2016（5）：173,175-177Zhang Yabin, Chen Chao, Gan Deqing. Influence of rainfall on s