工程经济
邱小龙，王旭春，张 鹏
（青岛理工大学土木工程学院，山东青岛 266033）
摘 要：以某露天矿边坡为研究对象，结合矿区的水文工程地质条件，借助有限元计算软件Midas/GTS，在两种不同的降雨条件开展了多个工况下的露天矿边坡稳定性研究分析。结果表明：在强降雨条件下，由于降雨强度远大于土体的渗透能力，短时间内边坡浅层土体含水量会迅速增加，会形成暂态饱和区，因此对深部土体影响较小，对边坡的稳定性和安全系数影响较小；连阴雨条件下，当降雨强度小于土体的渗透能力时，雨水能够充分渗入到边坡土体中，对边坡稳定性产生不利影响。通过绘制曲线图可知渗透系数的增大开始阶段安全系数按斜率较大的线性函数发生变化，随后安全系数递减速率逐渐降低，当饱和透系数达到一定程度后，安全系数变化不明显。
关键词：降雨入渗；边坡稳定性；渗流；渗透系数；安全系数
滑坡是我国的主要地质灾害，滑坡的发生给人们的生命财产安全构成了严重的威胁。露天煤矿的持续开采，形成了大量的高陡边坡工程，影响此类边坡稳定性的因素较多，而降雨是关键因素之一，大量滑坡事故发生于降雨期间或降雨之后，因此研究降雨入渗诱发露天矿边坡土体渗流场和应力场的改变，以及由此导致的边坡失稳破坏机理，均具有十分重要的意义。
目前，对降雨条件下的边坡稳定性研究取得了较多的成果，何忠明［1］对渗透系数、裂隙程度、降雨持时等参数进行研究模拟了裂隙在降雨过程中的影响；廖红建［2］等运用渗流-应力耦合有限元法，在饱和-非饱和渗流理论的基础上对某矿山边坡的应力场进行模拟分析；黄润秋等［3］降雨入渗过程基质吸力不断降低，边坡浅层土体会产生暂态饱和区；缪林昌［4］对降雨过程中土体形成暂态饱和区进行了研究，降雨过程中土体容重增加，基质吸力减小，土体的抗剪强度降低；王瑞刚［5］针对高填土路堤边坡，以饱和—非饱和渗流模型为基础，对降雨条件下二维边坡的渗流模型进行研究，分析了降雨重现期和由施工因素产生的渗流系数的不同对路堤边坡稳定的影响；夏元友［6］利用有限元分析法对应力-水气两相耦合对降雨条件下的边坡稳定计算分析，利用强度折减法确定了边坡的滑移面，揭示了孔隙水压力随降雨强度和时间的变化规律。
本文基于有限元分析软件Midas/GTS对降雨条件下某露天矿边坡进行探讨研究，借助降雨条件下饱和—非饱和渗流理论，分析了不同降雨条件下边坡土体内部渗流场的变化，结合实际露天矿边坡工程算例，证实了研究方法的可行性和正确性。
1.1 自然地理概况
该矿区位于山西黄土高原朔平台地之低山丘陵，全区基本由第四系黄土覆盖。矿区内的地形大致呈现出中部地势低，四周地势高的趋势，其中井田的最高处标高为+1 490.0 m，最低处标高为+1 232.0 m，最大高差258.0 m。井田南部露天煤矿的开采形成了巨大的矿坑，由于长期的受到剥蚀搬运等自然营力作用下，加上该地区植被覆盖较少，导致该地区水土流失十分严重，形成了黄土高原特有的梁、垣、沟、峁等地形地貌，且多为深“V”或“U”形分布，深度达到了40～70 m。
1.2 地表水系
主要有马关河、马营河流经矿区，属海河水系。马关河经过本矿区南部由木瓜界等地流至赵家口，汇入桑干河流域，全年流量不大，主要集中在雨季，多为泉水汇聚而成。马营河流经矿区东部边缘，起源于左云县境内流至兰花口汇入朔县平原，基本长期干涸，在雨季山洪爆发时形成洪流。
1.3 气象情况
该矿区为温带大陆性气候，春冬季干旱多风沙，夏季时间非常短，矿区位于山西西北部，属北温带半干旱气候区，年平均降雨量428 mm，受南太平洋及西印度洋暖湿气流的影响，70%的降雨量多集中在6～9月。
利用Midas/GTS软件对露天矿北帮边坡剖面进行模拟研究，根据地形地貌特征、水文地质资料构对边坡的边界条件进行定义；根据实际勘察资料和钻孔数据对边坡土层的分布进行模拟构造。根据工程地质勘察、钻探和坑探结果，露天矿边坡场地地层划分为4层。依次为粉土、粉质黏土1（Q2）、粉质黏土2（N2）、泥岩。
通过现场试验和室内试验，得出岩土体的物理力学参数，定量评价边坡的稳定性。现场试验有密度试验、标准贯入试验、圆锥动力触探试验等。室内试验包括物理指标试验（含水率、比重、湿密度等）；强风化岩重塑样直剪试验（天然、饱和）；岩体结构面直剪试验（天然、饱和）；形变参数试验；岩石单轴压缩+变形（干燥、饱水）；岩石三轴压缩试验；崩解试验；岩石变角模抗剪试验等。露天矿南帮边坡各层岩土体的物理力学参数见表1，边坡计算模型见图1。
表1 露天矿边坡土体材料的参数选取
土 层重度/ （kN·m-3）黏聚力/kPa内摩擦角/（°）弹性模量/MPa 泊松比14.62119460.31粉质黏土1（Q2）15.73721650.25粉质黏土2（N2）16422568.30.21泥岩粉土20100231 2840.19
图1 露天矿边坡计算模型
根据山西平朔降雨情况进行两种不同降雨条件下的模拟分析，假定降雨量相同、降雨强度不同情况下进行研究，两种降雨条件见表2。
表2 降雨计算参数
影响因素降雨类型降雨强度/（mm·h-1）降雨时间/h降雨量/mm降雨强降雨606360连阴雨660360
选择均质边坡沿层面渗透和垂直层面渗透的二维土质边坡为研究对象，本算例不考虑孔隙气压对渗流的影响，根据Midas/GTS数据库确定土体的渗透系数、土-水特征曲线。采用Van Genuchten模型拟合非饱和土的渗透系数kx=0.001 m/h的土-水特征曲线和kx=0.01 m/h的土-水特征曲线。
建模过程中采用Midas/GTS中自动划分网格进行网格划分，确定网格尺寸和材料属性，单元类型选择三角形。进行网格划分时采用通用的循环网格划分方法，包括模型内部边线，便于对每个单元进行精确计算。利用网格尺寸的大小来控制单元数量，同时对基本模型进行生成高次单元处理，以此来细化计算模型，从而提高对露天矿进行数值模拟的精确性。网格划分图如图2所示，网格尺寸为5，将模型划分为1 773个单元。剖面边界采用了压力水头边界和整体边界条件进行降雨条件下的模拟。
图2 露天矿边坡网格划分
3.1 强降雨条件下露天矿边坡瞬态渗流分析
根据表2降雨强度等级划分，并结合矿区的水文地质情况，对于强降雨条件下数值模拟方案采用表3中4种不同工况进行边坡瞬态渗流分析。
表3 强降雨情况下瞬态渗流分析各工况基础参数
渗透系数/（m·h-1）工况1工况2工况3工况4降雨强度/（mm·h-1）降雨时间/h降雨量/ mm 0.0010.0050.010.05904360
图3～图6给出了在4种不同工况下边坡孔隙水压力的分布图。
图3 工况1降雨结束时孔隙水压力分布图
图4 工况2降雨结束时孔隙水压力分布图
图5 工况3降雨结束时孔隙水压力分布图
图6 工况4降雨结束时孔隙水压力分布图
对于图3～图6中分析可得，在不同工况中随着渗透系数的增加，边坡土体的孔隙水压力在逐渐增大，基质吸力逐渐降低，引起土体的抗剪强度不断减小。通过上述可以分析，土体的渗透系数对于降雨的入渗深度有较大的影响，对于渗透系数较大的工况3、工况4在降雨过程中雨水的入渗深度明显大于相对渗透系数较小的工况1、工况2，另外，随着降雨时间的增加，当雨水的入渗量不断增加，土体的基质吸力急剧降低，当雨水入渗量接近土体饱和度时，在边坡土层浅部会形成暂态饱和区。当降雨强度小于土体的渗透能力时，雨水相对容易渗入到边坡土体，浅部土体的渗透能力和入渗能力很快会持平（见图7），土体逐渐接近稳定状态。
图7 强降雨入渗深度随饱和渗透系数的变化曲线
3.2 连阴雨条件下露天矿边坡瞬态渗流分析
根据表2降雨强度等级划分，并结合矿区的水文地质情况，对于强降雨条件下数值模拟方案采用表4中4种不同工况进行边坡瞬态渗流分析。
表4 连阴雨情况下瞬态渗流分析各工况基础参数
渗透系数/（m·h-1）工况5工况6工况7工况8降雨强度/（mm·h-1）降雨时间/h降雨量/ mm 0.0010.0050.010.05660360
图8～图11给出了在4种不同工况下边坡孔隙水压力的分布图。右侧图标中数据表示孔隙水压力的数值和所占的比例。
图8 工况5降雨结束时孔隙水压力分布图
图9 工况6降雨结束时孔隙水压力分布图
图10 工况7降雨结束时孔隙水压力分布图
图11 工况8降雨结束时孔隙水压力分布图
对于图8～图11中分析可得，在不同工况中边坡土体的孔隙水压力随着渗透系数的增大逐渐增大，雨水的入渗深度持续增大。
综合强降雨和连阴雨不同工况下进行分析：在降雨量相同的情况下，强降雨土体渗透系数对于降雨的入渗深度有较大的影响，随着渗透系数的增加，土体的孔隙水压力逐渐增大；连阴雨情况下孔隙水压力的变化与强降雨基本一致，但渗流的影响深度明显增大。对于强降雨由于降雨时间短，短时间内降雨量大，土体渗透系数较小时，雨水不能在短时间内全部入渗，大量的积水在边坡表层汇集成地表径流；而连阴雨，降雨时间长，短时间内降雨量较小，降雨强度相对土体渗透系数较小，雨水能全部入渗，降雨入渗速度随着渗透系数的增大而加快（见图12）。
图12 连阴雨入渗深度随饱和渗透系数的变化曲线
针对不同降雨条件下渗透系数的改变对露天矿边坡稳定性进行模拟研究，边坡稳定性计算及分析的模型主要以边坡的降雨条件下的渗流分析为基础进行分析的。
4.1 强降雨条件下渗透系数对边坡稳定性的影响
图13～图16是工况1～工况4在强降雨结束后，露天矿边坡最大剪切面的塑性应力云图。
不同工况下渗透系数对安全系数的影响如表5所示。
图13 工况1边坡最大剪切面的塑性应力云图
图14 工况2边坡最大剪切面的塑性应力云图
图15 工况3边坡最大剪切面的塑性应力云图
图16 工况4边坡最大剪切面的塑性应力云图
表5 强降雨条件下安全系数计算结果
安全系数0.001 m/h 0.005 m/h 0.01 m/h 0.05降雨量/ m/h降雨强度/ （mm·h-1）降雨持时/h mm 1.372 51.225 51.172 51.125 5904360
通过对比工况1～工况4，在强降雨条件下随着渗透系数的不断增大，边坡最大剪切面的塑性应力也呈现扩大趋势。当边坡土体的渗透能力较弱时，雨水入渗程度较小，对边坡稳定并没有明显的影响；当边坡土体的渗透能力较强时，雨水大量入渗，对边坡浅层土体破坏较大。由图17可以看出，强降雨条件下随着渗透系数的增大开始阶段安全系数按斜率较大的线性函数发生变化，随后安全系数递减速率逐渐降低，当饱和透系数达到0.01 m/h后，安全系数变化不明显。
图17 强降雨结束时的边坡安全系数和渗透系数的关系曲线
4.2 连阴雨条件下渗透系数对边坡稳定性的影响
图18～图21是工况5～工况8在连阴雨结束后，露天矿边坡最大剪切面的塑性应力云图。
图18 工况5边坡最大剪切面的塑性应力云图
不同工况下渗透系数对安全系数的影响如表6所示。
表6 连阴条件下安全系数计算结果
安全系数0.001 m/h 0.005 m/h 0.01 m/h 0.05降雨量/ m/h降雨强度/（mm·h-1）降雨持时/h mm 1.322 51.175 51.127 51.092 5660360
图19 工况6边坡最大剪切面的塑性应力云图
图20 工况7边坡最大剪切面的塑性应力云图
图21 工况8边坡最大剪切面的塑性应力云图
通过对比工况5～工况8，在连阴雨条件下随着渗透系数的不断增大，边坡最大剪切面的塑性应力也呈现扩大趋势，安全系数也随之递减。通过对比强降雨条件下的安全系数，在降雨量相同的情况下，降雨持续时间越长，安全系数越低。原因是由于当降雨强度相对边坡土体渗透系数较大时，雨水不能充分渗入，大量雨水在土体表层汇集形成径流，并且雨水多集中渗入边坡浅部土体，使浅部土体在短时间内迅速饱和，基质吸力急剧下降。相反，降雨时间的增长使雨水能充分入渗，不易在土体表层形成径流。因此，连阴雨相对强降雨更容易渗入到土体内部，相应的安全系数也就越低（见图22）。
图22 连阴雨结束时的边坡安全系数和渗透系数的关系曲线
（1）在强降雨条件下，由于降雨强度远大于土体的渗透能力，短时间内边坡浅层土体含水量会迅速增加，基质吸力急剧降低，会形成暂态饱和区，因此对深部土体影响较小，因此对边坡的稳定性和安全系数影响较小。连阴雨条件下，当降雨强度小于土体的渗透能力时，雨水能够充分渗入到边坡土体中，对边坡稳定性产生不利影响。
（2）通过对比强降雨和连阴雨结束时渗透系数的改变对露天矿边坡安全系数的影响，绘制了渗透系数和安全系数之间的关系曲线图。通过曲线图可以总结随着渗透系数的增大开始阶段安全系数按斜率较大的线性函数发生变化，随后安全系数递减速率逐渐降低，当饱和透系数达到一定程度后，安全系数变化不明显。
参考文献：
［1］ 何忠明.考虑降雨入渗影响的土体边坡稳定性有限元分析［J］.矿冶工程，2012，32（1）：9-11.
［2］ 廖红建，姬建，曾静.考虑饱和-非饱和渗流作用的土质边坡稳定性分析［J］.岩土力学，2008，29（12）：3 229-3 234.
［3］ 戚国庆，黄润秋，速宝玉，等.岩质边坡降雨入渗过程的数值模拟［J］.岩石力学与工程学报，2003，22（4）：625-629.
［4］ 缪林昌.非饱和土的本构模型研究［J］.岩土力学，2007，28（5）：855-860.
［5］ 王瑞刚，闰澎旺，邓卫东.降雨作用下高填土质路堤边坡的渗流稳定分析［J］.中国公路学报，2004，17（4）：25-30.
［6］ 夏元友，张亮亮.考虑降雨入渗影响的边坡稳定性数值分析［J］.公路交通科技，2002，6（10）：27-32.
Study on slope stability of open pit mine under rainfall infiltration condition
Qiu Xiaolong，Wang Xuchun，Zhang Peng
（School of Civil Engineering，Qingdao Technological University，Qingdao 266033，Shandong）
Abstract：With an open pit mine slope as the study object，in combination with the hydrological and geological conditions of the mine area，with the aid of the finite element software Midas/GTS，the study and analysis on slope stability of open pit mine in several working conditions under two different kinds of precipitation conditions were carried out.The results show that，under the strong precipitation condition，as the precipitation intensity is far higher than the infiltration capacity of soil mass，the water content of the shallow layer soil mass of the slope will increase rapidly in short time and the transient saturated zone is formed，which has little effect on the deep soil mass and the slope stability and safety coefficient.Under the continuous rain condition，when the precipitation intensity is lower than the infiltration capacity of soil mass，the rain water can fully infiltrate soil mass of the slope，which has adverse effect on the slope stability.By plotting the curve graph，we can know that at the initial increasing stage of infiltration coefficient，the safety coefficient varies with the linear function of high gradient，and then the decreasing rate of the safety coefficient reduces gradually，when the saturated permeability coefficient reaches a certain degree，the safety coefficient variation is not obvious.
Key words：rainfall infiltration，slope stability；seepage；infiltration coefficient；safety factor
中图分类号：TD 854.6
文献标识码：B
文章编号：1673-8993（2016）03-0027-06
doi：10.13402/j.gcjs.2016.03.006
收稿日期：2016-01-17
基金项目：国家自然科学基金项目（41402275）。作者简介：邱小龙（1988-），男，硕士。
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