降雨对某露天矿风化砂质边坡稳定性影响规律研究

李雪梅，陈玉明，袁利伟，毛肖杰

（昆明理工大学 国土资源工程学院，云南 昆明 650093）

降雨对某露天矿风化砂质边坡稳定性影响规律研究

李雪梅，陈玉明，袁利伟，毛肖杰

（昆明理工大学 国土资源工程学院，云南 昆明 650093）

边坡稳定性对矿山安全生产具有重要意义。文章结合云南某露天钨矿工程概况，应用边坡分析软件GEO-Studio，选择合理的参数及边界条件，建立边坡稳定性分析数值模型，模拟在不同降雨量、不同降雨持续时间条件下边坡的降雨入渗情况以及边坡滑移面、滑移线分布情况，得到在不同工况条件下边坡的安全系数及降雨渗流对边坡稳定性影响的规律，了解边坡失稳破坏的过程，为边坡稳定性分析提供理论依据。同时对比分析采用不同的边坡稳定性分析方法计算安全系数的结果，得出结果基本一致。

降雨；风化砂质边坡；边坡稳定性；GEO-Studio

0 引言

边坡工程一直是岩土工程中的重要研究领域，而边坡稳定性分析又是边坡工程的核心问题。对于边坡稳定性分析，早期大多都以实践经验为基础，运用工程类比法进行主观判断。就目前的工程应用而言，主要有极限平衡法和有限元分析法。边坡稳定性具有复杂多样、不确定等特性，边坡失稳也是多种因素综合影响的结果，因此各种边坡稳定性分析方法都有其局限性[1]。例如极限平衡法没有考虑土体本身的应力应变关系，在边坡破坏过程中无法得到坡内的应力与应变的空间分布。另一方面，在计算过程中，对于滑动面的确定需要一定的经验，边坡的最危险滑动面在计算过程中无法进行搜索并得到相应的安全系数，因此极限平衡法的应用受到了一定的限制。有限元强度折减法则能解决弹塑性方面的工程难题，其不需要做出任何假定，不仅满足力的平衡条件，而且考虑了土体应力应变关系和支挡结构的作用，能够计算出滑体内的应力状态、变形关系，模拟出边坡的实际滑移面。但在利用有限元强度折减法确定安全系数时，若采用的屈服准则不同，则会得到不同的安全系数，即在确定安全系数时存在异议[2]。

杨青潮[3]以东明露天矿高边坡工程为工程实例，运用GEO-Studio岩土工程分析软件，将降雨入渗作为岩石边坡稳定性分析的一个重要因素，探求降雨强度、降雨持时、前期降雨因素对高边坡稳定性影响和对边坡稳定性安全系数的影响，从而为边坡的合理设计、有效的防护提供了有效的依据。施炳军[4]以饱和-非饱和渗流理论为基础，运用GEO-Studio软件分析降雨条件下边坡渗流场的变化规律，并对降雨条件和边坡自身特性对边坡渗流场的变化规律进行了分析，最后对影响因子进行敏感性分析，得出降雨耦合作用下边坡的变形破坏机理，为边坡稳定性分析提供了一定的基础。

本文运用基于极限平衡法与数值模拟法为一体的GEO-Studio数值模拟软件，该软件的部分模块之间能进行耦合计算，如在SEEP/W渗流模块的分析基础上再运用SLOPE/W稳定性模块分析，求出渗流状态下边坡的安全系数。结合云南某露天钨矿风化砂质边坡地质条件，模拟在不同降雨强度、降雨持续时间的条件下探究降雨渗流对边坡稳定性的影响规律及边坡稳定性安全系数的变化。

1 工程概况

云南某露天钨矿是以高山和中等高度的山为主的侵蚀地[5]，总体地势北西高、南东低，海拔标高600～2 000 m，最高达3 000 m。该露天钨矿地面标高为837～982 m，边坡高度145 m左右。边坡角度在不同的岩层选择不同，土质类型边坡角为：45°～60°，岩质类型边坡角为：51°～75°。该边坡风化程度严重，可分为中风化（台阶标高约877～942 m）和全风化（台阶标高约942～978 m）区域。中风化岩体表面粗糙、起伏不平，沿裂隙岩石风化成颗粒状，裂隙面多风化变色，呈浅灰色；全风化岩体呈粉质黏土、粉砂或粗砂，呈灰黄色，原岩结构及矿物成分已破坏，土层天然孔隙比大，结构较松散。该露天钨矿整个区域年平均降雨量1 289.0 mm，其中干湿季节分明，头年11月至翌年4月为干季，5～10月为雨季，雨季降雨量可占全年降雨量的80%以上。

2 建立GEO-Studio模型

2.1 模型建立

根据该露天钨矿边坡特点，以边坡高程837～982 m区域作为有限元数值模拟的计算剖面，结合实际情况及边坡剖面形状对边坡计算模型做适当的简化后建立钨矿数值模型。模型范围内主要岩层结构自上而下主要分为全风化片麻岩、中风化片麻岩、角闪斜长辉石岩、杂性基岩等岩层。整个边坡模型共有2766节点，2824单元，具体边坡模型如图1所示。

图1 露天钨矿边坡GEO-Studio模型Fig.1 Geo-studiomodelofanopen-pittungstenmineslope

2.2 参数选取

在研究边坡降雨渗流对边坡稳定性影响时，主要考虑降雨的瞬态问题，因此需要定义渗透系数和体积含水量两个函数，相关参数如表1所示。

表1 材料模型参数Tab.1 Material model parameters

2.3 边界条件

图2 边坡降雨渗流模拟边界条件Fig.2 Simulated boundary conditions of rainfall infiltration

该露天钨矿边坡模型降雨渗流模拟边界条件如图2所示。由于露天矿采矿活动破坏了岩体的自然平衡状态，不平衡状态将引起岩体变形以及岩石中应力场的调整和重新分布。因此，在模拟前先做应力重分布模拟。在分析时只考虑模型的重力作用，在设置边界条件时通常只需要约束研究对象的底边和左右两侧边。之后再设定降雨渗流边界条件：单位流量和单件与节点流量边界条件。单位流量边界条件必须沿元边界设置，而节点流量边界条件可以直接设置在边界节点上。

3 降雨对边坡稳定性影响模拟及分析

3.1 降雨渗流模拟

为了更好地探索降雨量对边坡稳定性影响的规律，结合该钨矿年平均降雨量（1 289.0 mm），分别模拟单位降雨量0.005m/h、0.01m/h、0.02m/h、0.03m/h的情况。

本模拟研究以单位降雨量0.03 m/h为例进行降雨渗流模拟，探究降雨渗流规律及边坡破坏过程。选择单位降雨量为0.03 m/h主要考虑到年平均降雨量为1289.0mm，模拟24h总降雨量为1440.0mm，与年平均降雨总量相近。虽然短期降雨量偏大，但在此选择极限值是为了考虑各种可能发生的情况以及为了使得到的规律更加明显。因此，为了能更好地结合实际研究边坡降雨渗流过程与边坡失稳破坏过程，选择降雨量为0.03 m/h。模拟得到的孔隙水压力分布如图3，边坡内水流矢量如图4所示。

图3 持续1 h孔隙水压力分布Fig.3 Pressure distribution pore water for the duration of 1 h

图4 持续1 h边坡内水流矢量图Fig.4 Vector flow with slope for the duration of 1 h

在此基础上建立新的SLOPE/W模块进行计算模拟，滑移面和滑移线模拟结果如图5所示，模拟得到在此工况条件下边坡的安全系数为1.366。

图5 持续1 h边坡滑移面及滑移线Fig.5 Slope slip plane and slip line for the duration of 1 h

3.2 降雨模拟过程分析

同理，按照上述步骤继续增加模拟持续时间（共24 h），输入相同的材料及边界条件，分别模拟单位降雨强度0.03 m/h下不同降雨时间渗流情况。

3.2.1 孔隙水压力分布

图6是降雨强度0.03m/h条件下边坡在持续6h、12 h、18 h、24 h降雨后的孔隙水压力分布特征图。

降雨入渗渗流场的变化主要从孔隙水压力和水流矢量变化分析[6-7]。根据上述孔隙水压力分布情况，对边坡的降雨入渗情况可得出以下基本认识。

图6 持续不同降雨时间的孔隙水压力分布Fig.6 Pressure distribution pore water for different durations

（1）在整个降雨渗流的过程中，雨水首先渗流到边坡表层达到饱和，其中饱和区域零散分布，主要集中在完全风化岩层区域和坡体低洼处。

（2）在无地下水位的情况下，坡体饱和区域主要分布在距离边坡表面深度约3 m以内，并且在边坡风化岩层区域位置以及边坡下部低洼平台处饱和深度较大。

（3）降雨过程中边坡深度越深，渗流场变化受降雨的影响越小。

（4）随着降雨时间的持续，边坡饱和区域不断增加，增加面积主要沿坡面横向扩展，纵向扩展范围较小，并最终在边坡表面一定范围内形成贯通的饱和区。

（5）在边坡下部最底平台处饱和区域最大，且易积水。并在此区域形成向坡内逐渐降低的饱和含水层。

综上所述，根据孔隙水压力分布图的变化规律发现，在降雨渗流条件下云南某露天钨矿边坡的饱和区域的形成、发展过程主要分为以下5个阶段：

边坡表层局部饱和阶段：降雨入渗情况下，边坡风化岩层区域及坡底易积平台附近首先出现饱和区，但饱和区域深度较浅。

边坡表层饱和区贯通阶段：随着持续的降雨过程，边坡表层零星饱和区域不断增加且范围逐渐变大，在边坡表层区域内饱和区域逐渐贯通，形成范围较大的饱和区域。

边坡坡脚饱和区扩展阶段：在降雨持续进行下，随着边坡表层饱和区域的逐渐贯通，在边坡饱和区域内逐渐形成沿坡面向下的饱和渗流区，水体逐渐向下渗流到边坡下部，进一步使边坡底部饱和区域面积扩大，甚至有积水出现。

边坡坡脚饱和区推移阶段：边坡下部排水受阻或者无排水系统时，持续的降雨使边坡下部积水面积持续快速增大，积水开始逐渐向坡内渗流，并导致饱和区向坡内的推移扩展。

边坡底层饱和区抬升阶段：当持续的降雨使积水进一步增加，积水渗流持续发生，使边坡内部底层饱和区域将向上抬升，并根据地表径流及坡体内水的排泄情况，使地下水位最终维持在一稳定值。

3.2.2 边坡稳定性安全系数结果分析

在单位降雨强度0.03 m/h时对边坡稳定性进行分析，不同的降雨时间下边坡滑移面、滑移线模拟结果如图7所示。

从不同降雨持续时间下边坡滑移面及滑移线分布，可以得出，随着降雨持续时间的增加，边坡的安全系数逐渐降低，发生失稳的可能性增加。

单位降雨强度为0.03 m/h时在不同时间、不同边坡稳定性分析方法下对应的边坡安全系数及其关系如表2，图8所示。

图7 持续不同降雨时间的边坡滑移面及滑移线Fig.7 Slope slip plane and slip line for different durations

表2 持续不同时间对应边坡的安全系数Tab.2 Corresponding slope safety factors for different durations

图8 降雨时间与边坡安全系数的关系Fig.8 Relationship between the rainfall time and slope safety factor

由图8可以得出，在降雨强度0.03 m/h条件下，随着持续降雨时间的增加，采用不同边坡稳定性安全系数计算方法得到的稳定安全系数都逐渐降低，说明降雨渗流量持续时间影响了边坡的稳定性。

同理，按照上述参数设置可得到单位降雨强度分别为0.005 m/h、0.01 m/h、0.02 m/h时，在不同降雨持续时间、不同的计算方法对应边坡的安全系数。不同单位降雨量持续降雨24 h四种计算边坡方法的安全系数对比如图9所示。

图9 不同降雨强度下各计算方法的安全系数Fig.9 Safety factor of different calculation methods under different rainfalls

根据上述不同降雨强度、不同降雨持续时间模拟结果分析，可以得到以下结论：

（1）在相同的条件下各种边坡稳定性分析方法得到的结果基本一致，但随着降雨持续时间的增加，Ordinary方法得到的计算结果相比其他方法得到的安全系数结果略有偏低。

（2）在相同的单位降雨强度下，随着降雨时间的持续，边坡的稳定性安全系数基本上呈逐渐减小的趋势，降雨渗流量持续时间影响了边坡的稳定性。

（3）在不同的单位降雨强度下，持续相同的降雨时间，单位降雨量越大，边坡的稳定性安全系数越小，边坡越不稳定。

（4）单位降雨强度越大，其边坡安全系数变化越明显，边坡发生危险的可能性越高，单位降雨强度是影响边坡稳定性的重要参数。

4 结论

（1）基于有限元软件GEO-Studio建立的数值计算模型能模拟边坡发生失稳时的动态变化过程，不仅可以得到边坡的安全系数，还可以确定滑体的潜在滑动面，这与实际情况相符。

（2）建立云南某露天矿风化砂质边坡GEOStudio模型对降雨情况模拟得出：在相同的单位降雨强度下，降雨渗流量持续时间影响了边坡的稳定性；在不同的单位降雨强度下，单位降雨量也会影响边坡的稳定性，随着降雨强度的增强，坡体上部加大了局部滑塌的危险，同时也对下部土体产生推动作用，导致边坡容易发生整体滑动。为了防止边坡在降雨等条件下发生滑坡，必须采取有效的排水措施，以提高边坡的稳定性。

（3）在相同的降雨强度、持续时间条件下，利用各种边坡稳定性分析方法计算安全系数，得出各个方法得到的安全系数基本一致，但随着降雨持续时间的增加，Ordinary方法得到的计算结果相比其他方法得到的安全系数结果略有偏低。

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Effect of Rainfall on the Stability of an Open-pit Mine's Weathered Sandy Slope

LI Xuemei,CHEN Yuming,YUAN Liwei,MAO Xiaojie
(Faculty of Land Resource Engineering,Kunming University of Science&Technology,Yunnan 650093,Kunming,China)

Slope stability is of great significance to the mine safety production.Upon choosing reasonable parameters and boundary conditions,a slope stability numerical model is established to simulate the slope rainfall infiltrations, the distribution of slip plane and slip line of an open-pit tungsten mine under different the conditions of different rainfalls and durations by applying slope stability analysis software Geo-studio.The safety factor of slope under different working conditions and influencing rule of rainfall infiltration on slope stability are obtained,which provides theoretical basis for the slope stability analysis.The safety factor results worked out from different slope stability analysis methods are compared,which showed the identical tendency.

rainfall;strongly weathered sandy slope;slope stability;GEO-Studio

10.3969/j.issn.1009－0622.2016.02.003

TD854；TD164

A

2015-11-30

国家安监总局安全生产重大事故防治关键技术重点科技计划项目（10-101）

李雪梅（1991-），女，白族，云南丽江人，硕士研究生，主要研究方向为安全技术及工程。

陈玉明（1963-），男，四川眉山人，教授，主要从事矿山安全技术工程、矿山开采理论与技术研究。