孫延統(tǒng)

（承德龍興礦業(yè)工程設(shè)計有限責任公司，河北 承德 067000）

滑坡是導致露天礦道路運輸安全隱患的主要原因，在礦山開采的過程中，會形成高陡邊坡工程，尤其是在降雨之后，會改變露天礦運輸?shù)缆愤吰峦馏w滲流場和應力場，造成道路運輸邊坡失去穩(wěn)定性。從目前的研究成果中可以看出，降水條件是影響邊坡穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素，有學者針對滲透系數(shù)和降水持續(xù)時間等參數(shù)進行研究，并通過模擬裂隙在降水過程中的影響，對其進行有效的控制。實驗中根據(jù)非飽和和飽和理論，對露天礦運輸?shù)缆返膽鲞M行模擬實驗，這樣就可以降低邊坡漸層土體的吸力。一旦基體吸力減小，土地的抗剪強度就會降低[1]。

邊坡工程可靠性分析的目的是為了在初始優(yōu)化邊坡的設(shè)計方案上，計算邊坡各子系統(tǒng)的可靠度，并通過實驗模擬，分析降水條件在構(gòu)成大系統(tǒng)中所起到的作用，針對較為薄弱的環(huán)節(jié)進行有效的控制，從而提高整個系統(tǒng)的可靠性。但是在設(shè)計的過程中需要承擔經(jīng)濟上的風險，將風險降到最低，最終篩選出可靠性與盈利性最優(yōu)的邊坡設(shè)計方案。當前，主要采用蒙特卡洛模擬方法，該方法是通過隨機模擬，建立邊坡系統(tǒng)安全狀態(tài)函數(shù)，計算一個安全系數(shù)。該文，采用蒙特卡洛模擬方法對降水條件下的露天礦運輸?shù)缆愤吰碌姆€(wěn)定性數(shù)值進行模擬分析，分析過程如下所示。

1 樣品提取

1.1 實驗地點概況

本次實驗是在不同降水條件下對露天礦運輸?shù)缆愤吰碌姆€(wěn)定性數(shù)值進行模擬分析，分別在強降雨和連陰雨的條件下觀察土體基質(zhì)的吸力。實驗地點位于山西黃土高原，全區(qū)基本由第四系黃土覆蓋。礦區(qū)為溫帶大陸性氣候，春冬季干旱多風沙，夏季時間較短，受南太平洋的影響，在6月至9月降雨量達到80%。

1.2 巖土物理力學參數(shù)

以下是這次實驗采用的露天礦運輸?shù)缆愤吰赂鲗訋r土體的物理學參數(shù)，如下所示；

表1 露天礦運輸?shù)缆愤吰赂鲗訋r土體的物理學參數(shù)

根據(jù)實際情況對露天礦運輸?shù)缆愤吰滤姆N巖土層巖體進行測試，采用蒙特卡洛模擬方法對現(xiàn)場邊坡取得土質(zhì)的重度、黏聚力、內(nèi)摩擦角、彈性模量、泊松比進行計算，實驗得到的巖土體物理學參數(shù)如表1所示，在整個研究的過程中，需要考慮露天礦巖石力學參數(shù)的準確性，這是一個復雜的工作，要有一個顯著的影響，否則會影響整個計算結(jié)果。結(jié)果必須與實際相符，因此，要根據(jù)室內(nèi)巖石力學實驗獲得的參數(shù)，折算成巖體力學參數(shù)，并獲得一個可靠的力學參數(shù)進行露天礦運輸?shù)缆愤吰碌姆€(wěn)定性數(shù)值模擬分析。

2 結(jié)果分析

2.1 強降雨條件下邊坡的穩(wěn)定性數(shù)值模擬分析

在實驗中對強降雨強度劃分等級，并結(jié)合山西露天礦的水文地質(zhì)情況進行分析，對于強降雨條件下數(shù)值模擬方案進行穩(wěn)定性分析，分析結(jié)果如下所示；

圖1 強降雨入滲深度隨飽和滲透系數(shù)的變化曲線

從圖1中可以看出，土體的基質(zhì)吸力會隨著降雨時間逐漸降低，一旦雨水入滲量增加，邊坡土層淺部就會接近土體的飽和狀態(tài)，當淺部土體的滲透能力與入滲能力持平，土體就會逐漸呈現(xiàn)穩(wěn)定狀態(tài)。

2.2 連陰雨條件下邊坡的穩(wěn)定性數(shù)值模擬分析

結(jié)合礦區(qū)的水文地質(zhì)情況，劃分連陰雨強度，并對連陰雨條件下邊坡的穩(wěn)定性進行數(shù)值模擬分析，實驗結(jié)果如下所示；

圖2 連陰雨入滲深度隨飽和滲透系數(shù)的變化曲線

從圖2中可以看出，土體在連陰雨的降水條件下，孔隙水壓力的變化與強降雨基本一致，但是滲流的影響深度比較明顯。當降雨的時間越長，土體滲透系數(shù)就會越小，同時，也會加快土體滲透系數(shù)，最終失去穩(wěn)定性。

3 討論

通過對比強降雨與連陰雨條件下，土體的滲透能力，分析露天礦運輸?shù)缆愤吰碌姆€(wěn)定性。通過數(shù)值模擬分析，得出，在強降雨條件下，露天礦運輸?shù)缆愤吰碌姆€(wěn)定性較好，當降水強度大于土體的滲透能力，就會在短時間內(nèi)增加邊坡淺層土體數(shù)量，導致土體基質(zhì)吸力下降，形成暫態(tài)飽和區(qū)。通過實驗表明，在強降雨降水條件下，對邊坡的穩(wěn)定性和安全系數(shù)影響較小。而在連陰雨的降水條件下，當降雨強度小于土體的滲透能力時，雨水就會充分滲透到邊坡土體中破壞運輸?shù)缆愤吰碌姆€(wěn)定性，對其造成不利的影響。從數(shù)值模擬分析結(jié)果中，可以看出，強降雨和連陰雨結(jié)束時，土體滲透系數(shù)就會發(fā)生改變，對露天礦運輸?shù)缆愤吰路€(wěn)定性造成極大的影響。從圖1和圖2中可以看出，隨著滲透系數(shù)的增大，安全階段安全系數(shù)按斜率較大的線性函數(shù)發(fā)生改變，隨后，安全系數(shù)遞減速率逐漸降低。當土體飽和透系數(shù)達到一定程度后，安全系數(shù)不會發(fā)生較大的變化。

在實驗的過程中，可以發(fā)現(xiàn)，巖土參數(shù)對邊坡穩(wěn)定性的定量分析結(jié)果影響較大，參數(shù)的實測值會受取樣點時空特性的影響，對于露天礦而言，為了降低基建費用和生產(chǎn)費用，通常會選擇外排土場，這樣在礦坑開挖后，形成的采場邊坡會影響整體邊坡的穩(wěn)定性。露天礦運輸?shù)缆钒l(fā)生滑坡是一個動態(tài)的發(fā)展過程，在實驗中，需要將其分為三個階段判斷土體的穩(wěn)定性。第一階段，當土體出現(xiàn)細小的裂縫就會隨著時間的增長不斷發(fā)展，最終引起裂縫底面巖土體發(fā)生移動，一旦出現(xiàn)這種移動，就會持續(xù)很長時間，這個階段稱為變形階段。第二階段，如果土體裂縫發(fā)展到一定程度，就會形成滑動面。邊坡的軟弱面是貫通的，加快土體的位移速度，在數(shù)個小時內(nèi)就會移動數(shù)百米，這就是劇烈變形階段。在這個階段土體的基質(zhì)會發(fā)生很大的變化，對露天礦運輸?shù)缆愤吰碌姆€(wěn)定性造成巨大的影響。第三個階段，在聚類變形階段，土體的移動速度會降低，移動距離也會隨之減小，在這個階段巖塊之間的變形會減弱，一旦受到滑動區(qū)域的擠壓，就會變得越來越緊實，只有在排除水分后才會變得越來越穩(wěn)固，直到形成新的坡面逐漸穩(wěn)定。對于露天礦運輸?shù)缆愤吰卵芯慷裕吰路€(wěn)定性會影響滑坡發(fā)生的幾率，進而需要對邊坡進行防治，這也是礦山開采中必不可少的一個環(huán)節(jié)，主要目的是為了維持邊坡的穩(wěn)定性，避免出現(xiàn)劇烈的滑坡，引發(fā)安全事故。通過對降水條件下露天礦運輸?shù)缆愤吰碌姆€(wěn)定性的研究，發(fā)現(xiàn)只有防止二次破壞和新的滑坡的產(chǎn)生，才能保證道路運輸?shù)恼＿\行。

4 結(jié)語

近幾年來，我國經(jīng)濟快速發(fā)展，對礦產(chǎn)資源的需求越來越大，各大型露天礦開采規(guī)模也在不斷的擴大，在開采的過程中，由于開采深度的加大，導致道路運輸邊坡失去了穩(wěn)定性，為了保障開采的安全，該文基于降水條件提出露天礦運輸?shù)缆愤吰碌姆€(wěn)定性數(shù)值模擬分析。通過對實驗樣品的研究，得出在不同的降水條件下，地區(qū)水土流失的程度不同，另外，在自然作用壓力下，邊坡土體滲流場和應力場會發(fā)生改變，導致邊坡失去平衡。希望，今后各大型企業(yè)在露天礦開采的過程中多考慮周圍環(huán)境因素的影響，保障露天開采的環(huán)境，提高露天礦邊坡的穩(wěn)定性。