趙新濤 孫文標(biāo)

(河南工程學(xué)院安全工程學(xué)院，河南省鄭州市，451191)

★ 節(jié)能與環(huán)保 ★

降雨作用下矸石山邊坡穩(wěn)定性弱化成因研究

趙新濤 孫文標(biāo)

(河南工程學(xué)院安全工程學(xué)院，河南省鄭州市，451191)

將矸石散體歸屬為非飽和土，基于非飽和土抗剪理論研究了降雨作用下邊坡抗剪強(qiáng)度變化過(guò)程及弱化機(jī)理，采用FLAC對(duì)降雨前后工況下矸石山邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行了數(shù)值模擬分析。分析結(jié)果表明，在雨季隨著持續(xù)降雨，矸石山邊坡基質(zhì)吸力明顯降低，抗剪強(qiáng)度顯著弱化，在非雨季邊坡則具有一定的抗剪強(qiáng)度；降雨后矸石山邊坡的變形速度、位移以及剪應(yīng)力增量均明顯增加，滑動(dòng)趨勢(shì)的范圍有所增大，邊坡穩(wěn)定性及安全儲(chǔ)備明顯降低，易發(fā)生滑坡事故。進(jìn)行了實(shí)際降雨作用下的矸石山穩(wěn)定性的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)試驗(yàn)，試驗(yàn)得出的結(jié)論與理論分析及數(shù)值模擬基本一致。

矸石山 降雨作用 邊坡穩(wěn)定性

煤礦矸石山為典型的人工堆積散體結(jié)構(gòu)物，其結(jié)構(gòu)疏松且穩(wěn)定性較差，受到外界擾動(dòng)后易打破原有的平衡體系。在擾動(dòng)外力中，以暴雨侵蝕影響最為嚴(yán)重，根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，矸石山不管是局部小范圍垮塌還是整體大范圍滑坡，基本上都是在雨季雨水入滲的作用下發(fā)生的。基于此，本文首先研究了矸石山邊坡抗剪強(qiáng)度變化過(guò)程及降雨入滲削弱抗剪強(qiáng)度的機(jī)理，就降雨入滲對(duì)矸石山邊坡穩(wěn)定性的影響進(jìn)行了FLAC數(shù)值模擬分析，然后在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)試驗(yàn)，通過(guò)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)研究矸石山滑坡趨勢(shì)，并驗(yàn)證理論分析與數(shù)值模擬的正確性。

1 矸石山邊坡抗剪強(qiáng)度變化過(guò)程及雨水入滲弱化抗剪強(qiáng)度機(jī)理

雨水入滲對(duì)矸石山邊坡抗剪強(qiáng)度起到弱化作用，而相對(duì)于表層，深層的矸石散體已基本泥化固結(jié)，隨著深度的增加，矸石散體泥化固結(jié)程度增加。在天然含水量下，泥化固結(jié)的矸石散體可近似歸屬為非飽和無(wú)粘性土體，可以采用Fredlund非飽和土抗剪理論來(lái)描述其抗剪強(qiáng)度，矸石散體的抗剪強(qiáng)度見(jiàn)式(1)：

τf=c′+(σ-ua)tanφ′+(ua-uw)tanφb

(1)

式中：τf——矸石散體的抗剪強(qiáng)度，Pa；

c′——有效粘聚力，Pa；

σ——矸石散體的總應(yīng)力，Pa；

ua——孔隙氣壓力，Pa；

(σ-ua)——法向凈應(yīng)力，Pa；

φ′——與法向凈應(yīng)力(σ-ua)相關(guān)的內(nèi)摩擦角，(°)；

uw——孔隙水壓力，Pa；

(ua-uw)——矸石散體基質(zhì)吸力，Pa；

tanφb——抗剪強(qiáng)度隨基質(zhì)吸力的變化速率。

由式(1)分析可知，抗剪強(qiáng)度受多個(gè)因素影響，對(duì)于非飽和無(wú)粘性土體的某一潛在滑動(dòng)面，依據(jù)相關(guān)專(zhuān)家的研究，對(duì)潛在滑動(dòng)面抗剪強(qiáng)度影響明顯的是基質(zhì)吸力及抗剪強(qiáng)度隨基質(zhì)吸力的變化速率，而該變化速率隨著基質(zhì)吸力的變化而變化，因此應(yīng)分析抗剪強(qiáng)度隨基質(zhì)吸力的變化規(guī)律。經(jīng)專(zhuān)家研究得到了非飽和無(wú)粘性土的抗剪強(qiáng)度參數(shù)與基質(zhì)吸力的關(guān)系，并將抗剪強(qiáng)度與土-水特征曲線(xiàn)進(jìn)行關(guān)聯(lián)，土-水特征曲線(xiàn)如圖1所示，抗剪強(qiáng)度隨基質(zhì)吸力變化規(guī)律如圖2所示。

圖1 土-水特征曲線(xiàn)

由圖1可以看出，基質(zhì)吸力隨著飽和度的減小而逐漸增大，依據(jù)變化規(guī)律可分為4個(gè)區(qū)域，分別是邊界效應(yīng)區(qū)、主要過(guò)渡區(qū)、次要過(guò)渡區(qū)以及非飽殘余區(qū)。邊界效應(yīng)區(qū)的土體接近完全飽和，土體中的氣體處于封閉狀態(tài)，隨著基質(zhì)吸力的增加飽和度略微減小。主要過(guò)渡區(qū)和次要過(guò)渡區(qū)為過(guò)渡區(qū)，在過(guò)渡區(qū)內(nèi)土體中的氣體和水是連通的，為雙敞開(kāi)體系。在主要過(guò)渡區(qū)，隨著基質(zhì)吸力的增加飽和度迅速減小，為變化敏感區(qū)域，次要過(guò)渡區(qū)和非飽殘余區(qū)的飽和度隨基質(zhì)吸力的變化速率較為接近，變化速率適中。

圖2 抗剪強(qiáng)度隨基質(zhì)吸力變化規(guī)律

圖2中的曲線(xiàn)變化規(guī)律可以分為3個(gè)區(qū)域，分別是I區(qū)、II區(qū)和III區(qū)，其中I區(qū)對(duì)應(yīng)邊界效應(yīng)區(qū)，II區(qū)對(duì)應(yīng)主要過(guò)渡區(qū)，III區(qū)對(duì)應(yīng)次要過(guò)渡區(qū)和非飽殘余區(qū)。在I區(qū)隨著基質(zhì)吸力的增加抗剪強(qiáng)度基本不變；在II區(qū)隨著基質(zhì)吸力的增加抗剪強(qiáng)度迅速增加；在III區(qū)隨著基質(zhì)吸力的增加抗剪強(qiáng)度緩慢減小，但抗剪強(qiáng)度值明顯大于I區(qū)。

雨季期間，天氣潮濕降雨較多，矸石山邊坡飽和度較大，一般處于II區(qū)。隨著降雨量的加大，雨水入滲造成邊坡飽和度逐漸增加，基質(zhì)吸力隨之逐漸減小，則抗剪強(qiáng)度迅速減小，若降雨時(shí)間持續(xù)且強(qiáng)度較大，則邊坡接近飽和進(jìn)入I區(qū)，隨著飽和度略微增加基質(zhì)吸力繼續(xù)逐漸減小，而抗剪強(qiáng)度基本保持不變，此時(shí)的抗剪強(qiáng)度較小，有實(shí)驗(yàn)表明飽和狀態(tài)下矸石散體抗剪強(qiáng)度可減小20%以上。處于I區(qū)邊坡的穩(wěn)定性及安全儲(chǔ)備被極大地削弱，在自重作用下，矸石山易發(fā)生滑坡，若再有爆破震動(dòng)、人工破壞坡腳、自燃以及噴爆等外界能量的擾動(dòng)作用，發(fā)生滑坡事故的概率會(huì)更高。由于邊坡淺層的壓實(shí)度與低孔隙率相比較大，雨水易滲入深層，并且淺層水分易蒸發(fā)，基于以上緣故可知深層的飽和度大于淺層的飽和度。依據(jù)圖2中的變化規(guī)律，深層的抗剪強(qiáng)度削弱程度大于淺層，故在雨季持續(xù)降雨條件下，矸石山易發(fā)生深層大滑坡，這類(lèi)事故已出現(xiàn)過(guò)多起。由此可見(jiàn)，矸石山在雨季易發(fā)生滑坡災(zāi)害事故，持續(xù)降雨是主要誘因。

在非雨季期間，由于天氣較干燥降雨少的緣故，矸石散體的飽和度較小，一般情況下邊坡處于稍濕狀態(tài)，基質(zhì)吸力較大，處于III區(qū)，邊坡具有一定的抗剪強(qiáng)度，明顯大于I區(qū)即雨季持續(xù)降雨?duì)顩r下的抗剪強(qiáng)度。因此，在非雨季期間矸石山邊坡具有一定的穩(wěn)定性和安全儲(chǔ)備，不易發(fā)生滑坡災(zāi)害事故。

2 數(shù)值計(jì)算

2.1 模型建立

選取重慶南桐煤礦一處矸石山進(jìn)行數(shù)值模擬，根據(jù)矸石山的形狀及受力特點(diǎn)，矸石山可近似為平面應(yīng)變問(wèn)題，故選取該矸石山典型剖面，采用FLAC對(duì)降雨前、后兩種工況下的二維數(shù)值進(jìn)行模擬。選取剖面的底邊長(zhǎng)為210 m，高為66 m，一級(jí)矸石山邊坡角為21°，高為21 m，二級(jí)矸石山邊坡角為35°，高為45 m，矸石山剖面如圖3所示。以坡腳為原點(diǎn)，以底邊為x軸，正方向?yàn)槠旅娣聪?，y軸正方向豎直向上，建立坐標(biāo)系，剖面的底邊和右邊為固定邊界，其余邊界自由，采用實(shí)體單元對(duì)剖面進(jìn)行網(wǎng)格劃分如圖4所示，計(jì)算模型的物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。

圖3 矸石山剖面

圖4 矸石山剖面網(wǎng)格劃分

表1 計(jì)算模型物理力學(xué)參數(shù)

2.2 數(shù)值模擬結(jié)果及分析

本文對(duì)降雨前和降雨后兩種工況下邊坡的速度、位移、剪應(yīng)變進(jìn)行數(shù)值模擬，對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。根據(jù)矸石山所在地氣象站多年的統(tǒng)計(jì)資料，以雨季期間最大日降雨量123.8 mm為計(jì)算雨強(qiáng)，降雨持續(xù)時(shí)間為24 h。降雨前和降雨后邊坡速度矢量圖如圖5和圖6所示。

圖5 降雨前邊坡速度矢量圖

降雨前和降雨后邊坡位移矢量圖如圖7和圖8所示，降雨前和降雨后邊坡剪應(yīng)變?cè)隽康戎稻€(xiàn)如圖9和圖10所示。

圖6 降雨后邊坡速度矢量圖

速度可以表征邊坡產(chǎn)生位移、導(dǎo)致變形的快慢程度。由圖5和圖6可以看出，降雨前邊坡的最大速度矢量值為1.283E-7，降雨后為1.811E-7，降雨后較降雨前增加了41.2%，降雨后邊坡變形加快，矸石散體向坡腳的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)更明顯，且有運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)的范圍要大一些。根據(jù)速度的變化趨勢(shì)，可推斷由于降雨導(dǎo)致邊坡產(chǎn)生滑坡的可能性將極大增加。

圖7 降雨前邊坡位移矢量圖

圖8 降雨后邊坡位移矢量圖

由圖7和圖8可以看出，深色區(qū)域?yàn)檫吰庐a(chǎn)生位移的區(qū)域，邊坡的潛在滑體位于深色區(qū)域，降雨后邊坡產(chǎn)生位移的區(qū)域范圍增加。降雨前邊坡的最大位移矢量值為6.222E-3，降雨后為1.043E-2，降雨后較降雨前增加了67.6%，最大位移矢量值明顯增大，這說(shuō)明降雨降低了邊坡的穩(wěn)定性，增加了邊坡潛在滑體的位移量及規(guī)模，提高了滑坡和泥石流等地質(zhì)災(zāi)害事故的發(fā)生概率。

圖9 降雨前邊坡剪應(yīng)變?cè)隽康戎稻€(xiàn)圖

由圖9和圖10可以看出，降雨前邊坡的最大剪應(yīng)變?cè)隽繛?.50E-4，降雨后為6.50E-4，降雨后較降雨前增加了18.2%，增幅較明顯。降雨后邊坡剪應(yīng)變數(shù)值增加，區(qū)域范圍擴(kuò)大，更為密集且貫穿矸石山，并且堆積體下部與原地質(zhì)界面出現(xiàn)剪切變形。這說(shuō)明了降雨削弱了邊坡的穩(wěn)定性和安全儲(chǔ)備，弱化了矸石散體的力學(xué)性能，增加了邊坡發(fā)生剪切破壞的可能性。

圖10 降雨后邊坡剪應(yīng)變?cè)隽康戎稻€(xiàn)圖

由數(shù)值模擬結(jié)果可以看出，降雨后有下滑趨勢(shì)的滑坡體與未受影響部分的分界線(xiàn)即潛在滑動(dòng)面大致為一條弧線(xiàn)，這與實(shí)際情況比較吻合，通過(guò)對(duì)幾起滑坡事故現(xiàn)場(chǎng)的勘察，均發(fā)現(xiàn)滑坡面近似弧形。

3 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)試驗(yàn)

為驗(yàn)證理論分析與數(shù)值模擬的正確性，在一處矸石山上選擇了5個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行了矸石山穩(wěn)定性現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)試驗(yàn)。按照數(shù)值模擬建立的坐標(biāo)系，監(jiān)測(cè)點(diǎn)1、2、3、4、5距坡腳的水平距離依次為30 m、60 m、90 m、120 m、150 m，為方便埋置測(cè)試儀器，在豎直方向上，5個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)均為沿矸石山邊坡表面豎直向下2 m，監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置示意圖如圖11所示。

圖11 監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置示意圖

位移和剪應(yīng)變是反應(yīng)矸石山穩(wěn)定性的重要參數(shù)，所以需要對(duì)這兩個(gè)參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。以當(dāng)?shù)貧庀蟛块T(mén)的天氣預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)為依據(jù)，在強(qiáng)降雨前15 d將位移計(jì)和應(yīng)變計(jì)埋置在5個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，通過(guò)儀器測(cè)試強(qiáng)降雨前、后監(jiān)測(cè)點(diǎn)處的位移與剪應(yīng)變，通過(guò)這些參數(shù)的數(shù)值變化情況反映矸石山穩(wěn)定性的變化規(guī)律。埋置好測(cè)試儀器后的第14 d發(fā)生了強(qiáng)降雨，強(qiáng)降雨過(guò)后，從氣象部門(mén)獲得降雨數(shù)據(jù)，降雨強(qiáng)度為120 mm，持續(xù)時(shí)間為22 h，略小于數(shù)值模擬采用的降雨數(shù)據(jù)。降雨前和降雨后5個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)處的位移及剪應(yīng)變見(jiàn)表2、表3、圖12和圖13。

表2 監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移

圖12 降雨前和降雨后監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移

圖13 降雨前和降雨后監(jiān)測(cè)點(diǎn)剪應(yīng)變

由表2、表3、圖12和13可以看出，降雨后監(jiān)測(cè)點(diǎn)處的位移明顯增大，降雨后為降雨前的1.4～1.5倍，降雨后監(jiān)測(cè)點(diǎn)處的剪應(yīng)變明顯增加，降雨后為降雨前的1.15～1.18倍，監(jiān)測(cè)結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果較為接近。監(jiān)測(cè)點(diǎn)處的位移及剪應(yīng)變明顯增加，表明矸石山穩(wěn)定性降低，在降雨作用下易發(fā)生滑坡等地質(zhì)災(zāi)害，這與理論分析及數(shù)值模擬得到的結(jié)論一致，說(shuō)明了理論分析及數(shù)值模擬的正確性。

4 結(jié)論

(1)在雨季期間，矸石山邊坡飽和度不斷增加，基質(zhì)吸力逐漸減小，抗剪強(qiáng)度迅速減小，當(dāng)邊坡接近完全飽和時(shí)，抗剪強(qiáng)度減小到較小值，并基本保持恒定。在雨季持續(xù)降雨條件下，矸石山邊坡抗剪強(qiáng)度明顯減小，穩(wěn)定性及安全儲(chǔ)備顯著降低，易發(fā)生滑坡災(zāi)害事故，且大多為深層滑坡。

(2)在非雨季期間，矸石散體的基質(zhì)吸力較大，邊坡具有一定的抗剪強(qiáng)度、穩(wěn)定性和安全儲(chǔ)備，不易發(fā)生滑坡災(zāi)害事故。

(3)數(shù)值模擬結(jié)果表明，降雨后邊坡的最大速度矢量值增加了41.2%，最大位移矢量值增加了67.6%，最大剪應(yīng)變?cè)隽吭黾恿?8.2%，不僅數(shù)值明顯增加，而且有滑動(dòng)趨勢(shì)的范圍擴(kuò)大，降雨明顯削弱了邊坡的穩(wěn)定性及安全儲(chǔ)備。

(4)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)試驗(yàn)結(jié)果表明，降雨后位移為降雨前的1.4～1.5倍，降雨后剪應(yīng)變?yōu)榻涤昵暗?.15～1.18倍，降雨明顯弱化矸石山穩(wěn)定性，在降雨作用下易發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害，與理論分析及數(shù)值模擬得到的結(jié)論一致。

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(責(zé)任編輯 王雅琴)

Researchonweakeningcausesofwastedumpslopestabilityundertheeffectofrainfall

Zhao Xintao, Sun Wenbiao

(School of Safety Engineering, Henan University of Engineering, Zhengzhou, Henan 451191, China)

Regarding gangue bulk solid as unsaturated soil, the shear strength change process and weakening mechanism of slope under the effect of rainfall were studied base on unsaturated soils shear strength theory, the stability of waste dump slope before and after the condition of rainfall were analysed by using FLAC. The study results showed that the matric suction of waste dump slope decreased obviously and the shear strength weakened significantly with the continuous rainfall during the rainy season, while the slope had a certain shear strength during the dry season; the deformation velocity, displacement, shear stress increment increased significantly after rainfall, and range of sliding trend enlarged, slope stability and emergency capacity decreased obviously, so landslide accident was easy to happen. The field monitoring experiment of waste dump stability under the action of rainfall was carried out, and its conclusions were basically the same with that of theoretical analysis and numerical simulation.

waste dump, rainfall effect, slope stability

河南省科技發(fā)展計(jì)劃(162102210288)，河南省高等學(xué)校重點(diǎn)科研項(xiàng)目計(jì)劃(13B620924)，河南工程學(xué)院博士基金項(xiàng)目(D2013020)

趙新濤，孫文標(biāo). 降雨作用下矸石山邊坡穩(wěn)定性弱化成因研究[J].中國(guó)煤炭，2017，43(8)：158-162. Zhao Xintao，Sun Wenbiao. Research on weakening causes of waste dump slope stability under the effect of rainfall [J].China Coal，2017，43(8)：158-162.

TD997.3

A

趙新濤(1980-)，男，河北石家莊人，博士，講師，主要從事巖土力學(xué)與地下工程的教學(xué)科研工作。