劉向峰，郭子鈺，王來(lái)貴，高 晗

（遼寧工程技術(shù)大學(xué)力學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 阜新 123000）

0 引言

滑坡作為一種地質(zhì)災(zāi)害，它的成因復(fù)雜且多變，降雨和礦震是誘發(fā)滑坡災(zāi)害的主要因素[1?2]。撫順露天礦地區(qū)屬北中溫帶半濕潤(rùn)大陸性季風(fēng)氣候，夏季降雨頻發(fā)，年平均降雨量為773.6 mm，雨量集中在7—9月份，占年降雨量的55.2%[3]。南幫E1000～E1300 地面為劉山舊河道位置，滲透性良好，礦區(qū)西側(cè)約500m 處為古城河，沿西露天礦坑西側(cè)匯入渾河。礦區(qū)的水文條件復(fù)雜，再加上夏季降雨頻發(fā)，嚴(yán)重影響礦區(qū)邊坡的穩(wěn)定性。自1968年12月開(kāi)始對(duì)礦震作監(jiān)測(cè)記錄，截至2002年12月31日，共記錄到ML>0 級(jí)的礦震81 522 次。其中ML>3.0 級(jí)64 次，最大震級(jí)為ML3.7 級(jí)[4]。可知撫順西露天礦礦震頻發(fā)，如果雨季再發(fā)生礦震，邊坡就極易失穩(wěn)，因此通過(guò)數(shù)值計(jì)算分析雨季礦震疊加作用下?lián)犴樜髀短斓V邊坡的穩(wěn)定性。

侯龍[5]利用數(shù)學(xué)解析、室內(nèi)試驗(yàn)和數(shù)值模擬等手段，從宏觀現(xiàn)象和微觀結(jié)構(gòu)，對(duì)非飽和土內(nèi)的孔隙水作用機(jī)理以及相應(yīng)的土體力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行研究。孫必雄[6]對(duì)非飽和土的力學(xué)特性進(jìn)行了系統(tǒng)性論述和對(duì)降雨入滲下的填方路基滲流場(chǎng)問(wèn)題進(jìn)行了數(shù)值模擬分析，模擬出填方路基在降雨滲流作用下位移的分布情況與發(fā)展規(guī)律，得出了相應(yīng)情況下安全系數(shù)的變化規(guī)律。海龍等[7]以飽和—非飽和滲流數(shù)學(xué)模型為基礎(chǔ)，運(yùn)用GEOSLOPE 計(jì)算軟件模擬了不同的降雨強(qiáng)度和降雨持時(shí)對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響，并探討各參數(shù)變化對(duì)邊坡穩(wěn)定性安全系數(shù)的影響。劉衛(wèi)濤等[8]基于改進(jìn)的Green-Ampt 模型推導(dǎo)了考慮土體非飽和特性的斜坡降雨入滲模型，并將其引入到無(wú)限斜坡穩(wěn)定性分析當(dāng)中，通過(guò)數(shù)值解和現(xiàn)有模型相比，證明了該方法的正確性和適用性。楊世豪等[9]為分析上覆第四紀(jì)殘坡積物的昔格達(dá)組粉砂土邊坡，在強(qiáng)降雨作用下滲流特性及穩(wěn)定性，結(jié)合石棉縣莫家崗滑坡，用數(shù)值模擬方法研究坡體滲流規(guī)律，結(jié)果表明雨水在坡體中逐層入滲，雨停后滲流過(guò)程將繼續(xù)發(fā)展，由于存在土層分界面，坡體滲流特性不同于均質(zhì)坡體。向章波等[10]應(yīng)用Slide 軟件，在飽和—非飽和滲流理論的基礎(chǔ)上模擬降雨強(qiáng)度和降雨歷時(shí)對(duì)某紅層路塹邊坡穩(wěn)定性的影響，結(jié)果表明隨著降雨時(shí)間的增加，坡體內(nèi)孔隙水壓力不斷增大，非飽和區(qū)最大基質(zhì)吸力不斷減小，穩(wěn)定性系數(shù)不斷下降。徐翔等[11]應(yīng)用Geostudio軟件模擬不同降雨類(lèi)型聯(lián)合庫(kù)水位驟降對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響，結(jié)果表明庫(kù)水位下降過(guò)程中孔壓變化有個(gè)“響應(yīng)延遲”現(xiàn)象，后峰型降雨容易導(dǎo)致邊坡失穩(wěn)。前人們主要研究降雨入滲對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響，本文在前人的研究基礎(chǔ)上考慮加入礦震荷載，分析雨季礦震疊加作用對(duì)礦區(qū)邊坡孔隙水壓力和安全系數(shù)的變化規(guī)律。

1 工程地質(zhì)概況

撫順西露天礦位于撫順市區(qū)南部，撫順煤田西南部，區(qū)內(nèi)地貌類(lèi)型為丘陵區(qū)，地形起伏較大，經(jīng)過(guò)多年的開(kāi)采，礦坑區(qū)域形成臺(tái)階地形，邊坡巖體由凝灰?guī)r和玄武巖構(gòu)成。水文地質(zhì)條件復(fù)雜，夏季降雨量大，礦震頻發(fā)。本文以E1200 剖面為研究對(duì)象，整體邊坡角27°。簡(jiǎn)化計(jì)算模型自上而下依次為：雜填土、凝灰?guī)r、玄武巖。

2 數(shù)值模擬

2.1 數(shù)值計(jì)算模型

本文采用極限平衡法整合滲流場(chǎng)分析邊坡穩(wěn)定性，分析類(lèi)型選用Morgenstern-Price，計(jì)算模型如圖1 所示，以左下角為原點(diǎn)，建立長(zhǎng)為1 350 m，高為600 m（頂部標(biāo)高+67 m）的模型，并劃分為1 018 個(gè)節(jié)點(diǎn)和960 個(gè)單元進(jìn)行計(jì)算（圖1）。

圖1 計(jì)算模型Fig.1 Calculation model

2.1.1 模擬過(guò)程

（1）進(jìn)行穩(wěn)態(tài)分析，模擬未降雨的狀態(tài)，計(jì)算時(shí)間設(shè)置1 h；

（2）穩(wěn)定后進(jìn)行模擬不同雨強(qiáng)降雨情況，得到不同雨強(qiáng)的滲流場(chǎng)，計(jì)算時(shí)間設(shè)置24 h；

（3）穩(wěn)定后在滲流場(chǎng)的基礎(chǔ)上，選取最危險(xiǎn)降雨情況，施加不同礦震載荷，得到疊加作用下邊坡的安全系數(shù)。

2.1.2 數(shù)值計(jì)算的邊界條件

（1）水頭邊界：模型左側(cè)和右側(cè)實(shí)測(cè)地下水位以下為定水頭邊界，左側(cè)水頭高為400 m，右側(cè)水頭高為150 m，左側(cè)水頭400 m 和右側(cè)水頭150 m 以上為0 流量邊界，模型底部為0 流量邊界，上部施加降雨邊界。

（2）降雨邊界：施加坡面降雨。

（3）礦震載荷邊界：在模型底部施加水平荷載。

2.1.3 數(shù)值計(jì)算的監(jiān)測(cè)點(diǎn)設(shè)置

為了更好的觀察三種不同雨強(qiáng)孔隙水壓力變化情況，在575 m 坡高位置設(shè)置水平監(jiān)測(cè)點(diǎn)。

由圖2 可知，無(wú)降雨時(shí)孔隙水壓力等值線(xiàn)在豎直方向?qū)訉臃植?。圖中箭頭矢量為計(jì)算水流滲透方向，按照?qǐng)D中的矢量方向從高到低逐步向坡面滲透，最后形成水位線(xiàn)，由于凝灰?guī)r的滲透系數(shù)較大，圖中的矢量箭頭向凝灰?guī)r區(qū)域集中，而玄武巖層和凝灰?guī)r層得滲透系數(shù)差別大從而形成明顯的滲透界限，導(dǎo)致孔隙水壓力等值線(xiàn)沒(méi)有水平一致，呈現(xiàn)圖2 中所示狀態(tài)。水位線(xiàn)以上各類(lèi)土層沒(méi)有達(dá)到飽和狀態(tài)，孔隙水壓力為負(fù)，表現(xiàn)為吸力狀態(tài)，水位線(xiàn)以下孔隙水壓力為正。

圖2 0 h 孔隙水壓力等值線(xiàn)云圖Fig.2 0 h pore water pressure contour cloud map

2.2 數(shù)值計(jì)算參數(shù)

根據(jù)試驗(yàn)測(cè)得的各巖層基本物理參數(shù)（表1），繪制數(shù)值模擬采用的滲透系數(shù)函數(shù)（圖3）。

表1 巖層的基本物理參數(shù)Table 1 Basic physical parameters of rock formation

圖3 不同巖層滲透系數(shù)曲線(xiàn)Fig.3 Permeability coefficient curves of different rock formations

2.3 計(jì)算方案

先對(duì)邊坡進(jìn)行不同雨強(qiáng)模擬驗(yàn)證，得到了24 h 降雨量在100 mm 以下對(duì)邊坡的影響較小，故考慮暴雨級(jí)別（24 h 降雨量在100 mm 以上）工況對(duì)應(yīng)降雨情況為A 型雨強(qiáng)、B 型雨強(qiáng)和C 型雨強(qiáng)（表2），再進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，得到不同雨強(qiáng)情況下的滲流場(chǎng)。再考慮最危險(xiǎn)降雨情況A 型雨強(qiáng)，分析疊加礦震作用對(duì)邊坡的影響。

表2 降雨情況Table 2 Rainfall

一次礦震只有一個(gè)震級(jí)，而在不同的地方會(huì)表現(xiàn)出不同的烈度，離震源比較近，烈度較高，根據(jù)GB/T 17742—2008[12]規(guī)定Ⅵ度以下從無(wú)感到有感逐漸增加，對(duì)邊坡的影響都較小，Ⅵ度為簡(jiǎn)陋棚舍損壞，陡坎滑坡，故考慮礦震烈度Ⅵ度以上，再根據(jù)GB 50330—2013[13]的規(guī)定加入不同礦震荷載系數(shù)（表3），研究不同礦震烈度對(duì)撫順西露天礦的影響。

表3 水平礦震系數(shù)Table 3 Horizontal mine seismic coefficient

本文考慮最危險(xiǎn)工況對(duì)應(yīng)設(shè)計(jì)7 種計(jì)算方案分析雨季礦震對(duì)撫順西露天礦穩(wěn)定性的影響（表4）。

表4 計(jì)算方案Table 4 Calculation scheme

3 計(jì)算結(jié)果分析

監(jiān)測(cè)孔隙水壓力隨時(shí)間變化，得到了不同雨強(qiáng)的不同時(shí)刻監(jiān)測(cè)點(diǎn)孔隙水壓力變化曲線(xiàn)圖（圖4）。圖中0～200 m 為玄武巖巖層，200～350 m 為凝灰?guī)r巖層，350～450 m 為雜填土，由于降雨條件的設(shè)置0～200 m沒(méi)有降雨條件，導(dǎo)致0～200 m 處的孔隙水壓力幾乎沒(méi)有變化。雨水對(duì)邊坡的影響主要依靠降雨入滲，不同雨強(qiáng)條件下，對(duì)應(yīng)孔隙水壓力變化曲線(xiàn)走勢(shì)基本一致，對(duì)應(yīng)的孔隙水壓力值不同而已。對(duì)比相同雨強(qiáng)，不同降雨時(shí)間情況下，隨著時(shí)間推移，各點(diǎn)孔隙水壓力增大。這是由于降雨時(shí)間的推移，水分不斷進(jìn)入到巖層中，改變了巖層的孔隙水壓力，故孔隙水壓力逐漸增大。

從圖4 中可以看出，相同雨強(qiáng)，不同降雨時(shí)間，不同巖層處的孔隙水壓力變化不同，由于雜填土的滲透系數(shù)高于凝灰?guī)r高于玄武巖，滲透系數(shù)較大，雨水進(jìn)入到巖層更快，導(dǎo)致雜填土區(qū)域的孔隙水壓力變化最快。

圖4 不同雨強(qiáng)的不同時(shí)刻孔隙水壓力變化曲線(xiàn)Fig.4 The change curve of pore water pressure at different times of different rain intensity

圖5 的（a）（b）（c）分別為A 型雨強(qiáng)24 h 孔隙水壓力變化云圖、B 型雨強(qiáng)24h 孔隙水壓力變化云圖、C 型雨強(qiáng)24 h 孔隙水壓力變化云圖。從圖5 中可知，A 型、B 型和C 型雨強(qiáng)孔隙水壓力等值線(xiàn)從底部向上層層分布，坡面和坡頂處的孔隙水壓力等值線(xiàn)逐漸出現(xiàn)閉合區(qū)域，這是由于A 型雨強(qiáng)的強(qiáng)度高于B 型高于C 型，坡面雨水比較充足，經(jīng)過(guò)滲透作用，導(dǎo)致坡面和坡頂?shù)目紫端畨毫Ω淖冚^快，故閉合區(qū)域最多。

圖5 不同雨強(qiáng)24 h 孔隙水壓力變化云圖Fig.5 24 h pore water pressure cloud diagram of different rain intensities

其中A 型雨強(qiáng)24 h 時(shí)坡頂有部分積水，坡面的孔隙水壓力等值線(xiàn)由0 h 的水平稀疏狀態(tài)，變成與坡面平行緊密狀態(tài)，這是由于降雨的影響，雨水滲透到土層中，導(dǎo)致邊坡內(nèi)部孔隙水壓力改變，形成新的孔隙水壓力等值線(xiàn)，水分逐漸滲透到土層之中，使得坡頂達(dá)到飽和狀態(tài)，孔隙水壓力等值線(xiàn)也就呈現(xiàn)閉合趨勢(shì)。而B(niǎo) 型和C 型降雨由于降雨強(qiáng)度較小，坡面處的孔隙水壓力等值線(xiàn)相對(duì)于A 型較為稀疏。

由圖6 可知，對(duì)比相同時(shí)間，不同雨強(qiáng)，可以看出雨強(qiáng)越大，孔隙水壓力變化越快，這是由于降雨強(qiáng)度高，雨水補(bǔ)給充足，巖層表層已形成了暫態(tài)飽和區(qū)域[7]，故雨強(qiáng)越大，孔隙水壓力變化越快。

圖6 不同雨強(qiáng)6 h 孔隙水壓力變化曲線(xiàn)Fig.6 6 h pore water pressure change curve of different rain intensities

如圖7 所示，當(dāng)降雨量累積均為120 mm 時(shí)，降雨強(qiáng)度越高，相同位置的孔隙水壓力越小，雨水入滲的深度越淺，這是由于降雨強(qiáng)度高，坡面的雨水充足，但是入滲時(shí)間短，大部分沿著坡面流失，反而降雨強(qiáng)度小的，入

圖7 降雨量120 mm 時(shí)孔隙水壓力變化曲線(xiàn)Fig.7 The change curve of pore water pressure when the rainfall is 120 mm

滲時(shí)間長(zhǎng)，有較多的水分進(jìn)入邊坡內(nèi)部，改變邊坡內(nèi)部的吸力，改變孔隙水壓力等值線(xiàn)的分布，使得相同的降雨量，降雨強(qiáng)度越大，影響的范圍越小。

A 型雨強(qiáng)不施加礦震載荷條件下，邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性計(jì)算，產(chǎn)生的滑面范圍如圖8 所示，滑面范圍主要在凝灰?guī)r和雜填土層，由滲流計(jì)算可以知道，這兩層的孔隙水壓力等值線(xiàn)變化最快，通過(guò)持續(xù)降雨，雨水滲入對(duì)凝灰?guī)r層和雜填土層影響大，此處巖層經(jīng)過(guò)降雨影響，力學(xué)參數(shù)降低，導(dǎo)致可能失穩(wěn)，所以滑移面在此處產(chǎn)生。

圖8 A 型無(wú)礦震荷載滑面范圍Fig.8 Range of A-type non-ore seismic load sliding surface

由圖9 所示，在未降雨0 h，邊坡的安全系數(shù)一樣，在不同雨強(qiáng)不同時(shí)間作用下對(duì)邊坡安全有一定的影響，持續(xù)降雨導(dǎo)致孔隙水壓力等值線(xiàn)變得越來(lái)越密集，坡面處巖層的力學(xué)參數(shù)降低，從而使安全系數(shù)下降。在相同的降雨時(shí)長(zhǎng)，A 型降雨的安全系數(shù)低于B 型低于C 型，這是由于在相同降雨時(shí)長(zhǎng)，A 型降雨強(qiáng)度大于B 型大于C 型，A 型的雨水足夠充分，導(dǎo)致孔隙水壓力變化最快，從而造成安全系數(shù)最低。其中A 型降雨的安全系數(shù)在14h 后迅速下降，這說(shuō)明土層存在一個(gè)降雨臨界點(diǎn)

圖9 無(wú)礦震荷載安全系數(shù)曲線(xiàn)Fig.9 Load safety factor curve of non-ore earthquake

（降雨量為280 mm），即土層的吸力存在一個(gè)極限值，當(dāng)降雨量越過(guò)這個(gè)界限時(shí)，土層會(huì)迅速被破壞，滑面的吸力下降或喪失，使得安全系數(shù)驟降。降雨量沒(méi)有達(dá)到280 mm 時(shí)，邊坡安全系數(shù)相差不大，B 型和C 型雨強(qiáng)較小，邊坡幾乎處于穩(wěn)定狀態(tài)，但隨著降雨量的增加，安全系數(shù)也在下降，也需要提前支護(hù)加固，防止滑坡產(chǎn)生，危害生命財(cái)產(chǎn)安全。

由表5 可知，有無(wú)降雨情況下，隨著礦震烈度逐級(jí)增加，邊坡安全系數(shù)都降低，烈度在增加到Ⅷ度時(shí)，邊坡的安全系數(shù)降至1 附近，增加到Ⅸ度時(shí)，安全系數(shù)低于1，此時(shí)的邊坡為不穩(wěn)定狀態(tài)。無(wú)降雨時(shí)礦震烈度Ⅵ度時(shí)，邊坡的安全系數(shù)下降僅為0.19%，當(dāng)烈度由Ⅶ度增加到Ⅸ度時(shí)，安全系數(shù)下降的比例分別為0.57%、2.4%、8.6%，經(jīng)過(guò)24 h 降雨，安全系數(shù)下降比例分別為0.1%、0.49%、2.14%、8.27%，可以明顯的看出，烈度增加，安全系數(shù)迅速下降。這是由于施加礦震載荷后，相當(dāng)于模型整體施加水平作用力，隨著礦震荷載增加，使其作用到坡面的水平力增加，導(dǎo)致邊坡切向變形逐漸增大，安全系數(shù)下降。

表5 A 型雨強(qiáng)不同礦震載荷作用邊坡安全系數(shù)Table 5 Safety factors of slopes under different mine seismic loads of Type A rain intensities

由表5 可知，疊加降雨和礦震作用，使其邊坡安全系數(shù)降低更快，這是由于降雨雨水滲透到巖層中，使其力學(xué)參數(shù)降低，再加上水平方向的荷載，故使其安全系數(shù)降低更快。

4 結(jié)論

（1）降雨時(shí)長(zhǎng)相同，雨強(qiáng)越大，邊坡的孔隙水壓力變化越快，安全系數(shù)越低，邊坡越危險(xiǎn)。

（2）雨強(qiáng)一致時(shí)，降雨持續(xù)時(shí)間越長(zhǎng)，邊坡的孔隙水壓力等值線(xiàn)由稀疏變得密集，逐漸呈現(xiàn)閉合趨勢(shì)，邊坡的安全系數(shù)低，邊坡越危險(xiǎn)。

（3）降雨量相同，雨強(qiáng)越小，邊坡的孔隙水壓力等值線(xiàn)影響的范圍越大。

（4）邊坡降雨存在一個(gè)降雨閾值，當(dāng)降雨量達(dá)到閾值后，邊坡安全系數(shù)迅速降低。

（5）隨著礦震烈度增加，邊坡的安全系數(shù)降低，降雨和礦震疊加作用后安全系數(shù)更低。