摘 "要：為分析廢棄礦坑改造成蓄水湖時充水高度對內(nèi)排土場邊坡穩(wěn)定性的影響，采用室內(nèi)相似試驗、數(shù)值模擬和理論分析的方法對不同水位高度下內(nèi)排土場邊坡穩(wěn)定性進行研究。研究結果表明：隨著充水高度的增加，浸潤線運移速度、邊坡最大位移、孔隙水壓力和邊坡土體受到的壓力整體呈增長趨勢。充水高度越大，邊坡傾角越大，邊坡穩(wěn)定系數(shù)越低。研究結論為露天煤礦改造成蓄水湖或蓄能水電站項目工程提供參考。

關鍵詞：邊坡穩(wěn)定性；條分法；浸潤線；孔隙水壓；內(nèi)排土場；充水高度

中圖分類號：P642 " " " " " " " " " "文獻標志碼：A " " " " " " 文章編號：1008-0562（2024）03-0257-08

Slope stability analysis of open-pit coal mine dump under water filling

WANG Laigui， JI Yuxuan， ZHAO Na

（College of Mechanics and Engineering， Liaoning Technical University， Fuxin 123000， China）

Abstract： In order to analyze the influence of water filling height on the stability of the inner dump slope when the abandoned mine is transformed into a water storage lake， the stability of the inner dump slope under different water level heights was studied by means of indoor similarity test， numerical simulation and theoretical analysis. The results show that with the increase of water filling height， the migration velocity of saturation line， the maximum displacement of slope， the pore water pressure and the pressure of slope soil are increasing as a whole. The larger the water filling height， the larger the slope inclination angle， and the lower the slope stability coefficient. The research conclusions provide reference for the transformation of open-pit coal mine into water storage lake or energy storage hydropower station project.

Key words： slope stability; slices method; infiltration line; pore water pressure; inner dump; water filling height

0 "引言

廢棄礦坑改造為蓄水湖需要對礦坑充水[1-4]，以撫順西露天礦為例，東、南、北三面端幫是天然形成的邊坡，而西面是由人工松散體堆積而成的內(nèi)排土場邊坡。充水前，內(nèi)排土場邊坡處于天然狀態(tài)，相對穩(wěn)定；充水后，由于內(nèi)部疏松多孔，相較于巖質(zhì)邊坡遇水容易發(fā)生失穩(wěn)，造成崩塌、滑坡、泥石流等災害。

李保生等[5]、張文飛等[6]、周永利等[7]、程光威[8]開展了水的作用下邊坡極限平衡法和極限分析法的理論研究，結果表明改進的條分法可以應用于水下內(nèi)排土場邊坡穩(wěn)定系數(shù)的計算。陳聞瀟等[9]、趙宇等[10]采用連續(xù)分析方法，模擬了降雨強度、降雨時長等對內(nèi)排土場的穩(wěn)定性影響，結果表明水的滲流作用是內(nèi)排土場失穩(wěn)的原因之一，降雨后水位升高將降低內(nèi)排土場邊坡穩(wěn)定系數(shù)。王志留[11]、李洪剛[12]、王識輝[13]采用室內(nèi)模型試驗觀察邊坡破壞的過程，通過坡內(nèi)傳感器的埋設獲取土應力和孔隙水壓力等狀態(tài)量，結果表明土壓力和孔隙水壓力與位移變化存在一定對應關系。

上述學者在內(nèi)排土場邊坡變形破壞機理、滑動失穩(wěn)等方面，分別采用數(shù)值模擬、物理模型試驗、位移監(jiān)測、野外勘察等多種手段，開展了內(nèi)排土場邊坡變形破壞機理、滑動失穩(wěn)等方面的研究。然而，充水的作用與雨水有很大區(qū)別，水不僅具有弱化作用和入滲作用，還具有壓實作用，因此有必要了解充水后內(nèi)排土場邊坡穩(wěn)定性的變化，對內(nèi)排土場邊坡充水進行有效的監(jiān)測和預測。本文采用模型試驗的方法，研究不同充水高度和邊坡傾角作用下邊坡浸潤線、土壓力、孔隙水壓力、位移的變化規(guī)律；對比數(shù)值模擬和模型試驗的位移變化結果，分析充水后邊坡變形破壞模式；對比條分法和數(shù)值模擬得出的內(nèi)排土場邊坡穩(wěn)定性系數(shù)，分析不同充水高度下內(nèi)排土場邊坡穩(wěn)定性變化規(guī)律，為廢棄礦坑改造為蓄水湖工程提供參考。

1 "內(nèi)排土場邊坡室內(nèi)模型試驗

1.1 "土樣性質(zhì)

以撫順西露天礦內(nèi)排土場邊坡為原型，試驗材料取自該露天礦內(nèi)排土場邊坡附近的土體，土樣呈褐黃色，質(zhì)地松軟較為干燥。現(xiàn)場調(diào)查發(fā)現(xiàn)，排棄堆積形成的內(nèi)排土場邊坡高度約為40 m，各平臺寬度約為9 m，坡度約為30°～45°，總排棄堆積土量約為15107 m3。內(nèi)排土場工程地質(zhì)剖面見圖1。試驗采用三維地質(zhì)力學模型，幾何相似系數(shù)CL為100，根據(jù)所研究的滑坡區(qū)規(guī)模及幾何相似比得到模型長為97.5 cm，寬為0.66 cm，高為40 cm。密度相似比Cγ為1，根據(jù)相似原理得到應力相似比Cσ為100，黏聚力相似比CC為100，內(nèi)摩擦角相似比Cφ為1。根據(jù)室內(nèi)試驗得到原型的物理力學參數(shù)，利用相似原理得到模型的物理力學參數(shù)，見表1。

1.2 "試驗裝置

研究所采用的室內(nèi)模型試驗裝置主要包括模型箱和監(jiān)測系統(tǒng)。

（1）模型箱。模型箱采用15 mm厚的高透明有機玻璃制作而成（長、寬、高分別為2.5 m、 " "0.66 m、1 m）。在試驗過程中可以清晰觀察充水試驗現(xiàn)象，黏結牢固，水密性好。

（2）監(jiān)測系統(tǒng)。監(jiān)測系統(tǒng)包括壓力傳感器、孔隙水壓力傳感器、動靜態(tài)應變儀及攝像機。動靜態(tài)應變儀可對各種電阻應變計及應變式傳感器進行應變測試分析，采集壓力與孔隙水壓力的試驗數(shù)據(jù)。

1.3 "試驗方案

采用分層壓實法制備邊坡模型，上部邊坡和下部邊坡高為20 cm，邊坡平臺寬為20 cm，利用水平尺找平，層與層之間做好刮毛處理以保證接觸良好。根據(jù)試驗方案分別制備3種不同傾斜角度的邊坡模型，因水下邊坡破壞始于坡腳[14]，制備過程中各傳感器預埋位置分別位于上下部邊坡坡腳和坡中區(qū)域。堆積完成后，按所需坡型削坡完成邊坡模型制作。以35°邊坡角為例，制備好的邊坡模型見圖2，試驗方案見表2。

為了更好地分析充水后邊坡穩(wěn)定性，將充水過程分為5個階段，從無水情況下開始充水，每次升高水位8 cm，采用相機采集不同邊坡傾角坡體側(cè)面各個充水階段圖像，通過坡體內(nèi)預埋的壓力盒、孔隙水壓力傳感器監(jiān)測坡體壓力和孔隙水壓力。

1.4 "試驗結果及分析

（1）浸潤線變化

不同邊坡傾斜角時浸潤線變化見圖3。由圖3（a）可知，坡腳位置到浸潤線的平均距離分別為第一次充水入滲12.3 cm，第二次充水入滲11.5 cm，第三次充水入滲16.8 cm，第四次充水入滲8.4 cm，第五次充水入滲18.1 cm。第三次充水發(fā)生激增是由于水位高度越過臺階邊坡，充水量驟增。由圖3可知，浸潤線的變化趨勢為近似圓弧形狀擴展，每一次充水階段完成后飽和部分與非飽和部分的曲線呈鋸齒狀分布，這是因為坡體內(nèi)部土體孔隙分布不均勻。充水階段完成時的浸潤曲線高度都略高于水位線高度，這是由于邊坡坡面土體逐漸達到飽和而失去強度，坡面黏土顆粒被帶走，從而逐步形成不平整的入滲面。不同水位高度下，坡體表面的浸潤線位置高于水位線位置。邊坡充水時間相同時，邊坡傾角越大，邊坡表面浸潤線變化越快，坡體內(nèi)部浸潤線變化越慢，這與文獻[15]的研究結論一致。

（2）邊坡土體受壓變化

邊坡土體受壓變化見圖4。監(jiān)測點p1、p3分別位于上下部邊坡的坡腳處，監(jiān)測點p2、p4分別位于上下部邊坡的坡面中心處。監(jiān)測點p1的壓力在充水結束時高于監(jiān)測點p2、p3、p4的壓力，由于充水后邊坡表面受到水流作用邊坡發(fā)生坍塌，土顆粒在邊坡坡腳堆積和水的重力導致監(jiān)測點p1壓力較大。圖4（a）中p2壓力曲線在第232 min發(fā)生激增；圖4（b）中p1壓力曲線在第52 min發(fā)生激增，p2壓力曲線在第108 min發(fā)生激增，p3壓力曲線在第163 min發(fā)生激增；圖4（c）中p4壓力曲線在第189 min發(fā)生激增，p2壓力曲線在第 " " 112 min、188 min時發(fā)生激增，說明邊坡坡腳發(fā)生部分垮落現(xiàn)象，見圖5。

由圖4可知，在每個充水階段壓力逐漸遞增，說明水流入滲作用下土體容重增加，且隨著邊坡傾斜角度的增加，坡體的土壓力越來越大，土壓力變化速度越快。充水結束時，邊坡傾斜角為30°的最大壓力為7 664 Pa，邊坡傾斜角為35°的最大壓力為8 084 Pa，邊坡傾斜角為40°的最大壓力為8 313 Pa。邊坡角度越小，邊坡越穩(wěn)定，水流對邊坡穩(wěn)定性的影響越小。當邊坡角度一定時，充水高度增加會加大邊坡所受到的壓力，使邊坡破壞失穩(wěn)。

（3）孔隙水壓力變化

孔隙水壓力變化見圖6。k1、k3監(jiān)測點在上下部邊坡坡腳，k2、k4監(jiān)測點在上下部邊坡坡面中心處。k2、k3、k4初始階段水壓為負值，原因是水位逐漸上升，上部土體孔隙中的空氣受到擠壓，造成不飽和土層中氣體相部分體積膨脹，土體中氣壓失去平衡，暫時小于大氣壓，由于氣壓差形成負孔隙水壓力。負孔隙水壓力對土粒產(chǎn)生吸附作用，從而增加有效應力，當氣壓達到平衡時，負孔隙水壓力消散?？紫端畨毫Τ霈F(xiàn)往復波動，這是因為在室內(nèi)試驗充水會使水流內(nèi)部產(chǎn)生波動現(xiàn)象，同時土體破壞過程中存在土體強度的降低和堆積的交替過程，且傾角越大孔隙水壓力變化的速度越快?？紫端畨毫Φ淖兓从吵鼋櫨€的變化，k1、k2、k3孔隙水壓力的增長表明入滲深度逐漸增加。

由圖6可知，當邊坡角為30°時，最大孔隙水壓力為1 672 Pa；當邊坡角為35°時，最大孔隙水壓力為1 883 Pa；當邊坡角為40°時，最大孔隙水壓力為1 974 Pa。內(nèi)排土場邊坡由于受到水的侵蝕而發(fā)生軟化，其抗剪強度驟減，滲透速率加快，導致邊坡發(fā)生局部滑移和失穩(wěn)。邊坡角度越小，水流產(chǎn)生的孔隙水壓力越小，對邊坡穩(wěn)定性的影響越小。當邊坡角度不變時，充水高度的增加會使水流產(chǎn)生波動，使得邊坡所受到的孔隙水壓力出現(xiàn)更加劇烈的波動，影響邊坡穩(wěn)定性，這與文獻[16]的研究結論一致。

（4）邊坡位移變化

不同傾斜角度邊坡位移見表3。邊坡位移變化見圖7，圖7中紅線為邊坡破壞后發(fā)生位移的曲線，藍線為邊坡未破壞時曲線。

當邊坡角度不變時，位移變化區(qū)隨著水位線的上升而增加，藍色曲線出現(xiàn)凹凸不平是由于水流的沖刷、堆積和坡體的垮落破壞。當邊坡角度不變時，隨著充水高度的上升，邊坡位移量增大。當水位線不變時，邊坡傾角越大，邊坡位移量越大，充水后位移上升速度越快，越容易發(fā)生失穩(wěn)。隨著充水高度不斷上升，邊坡失穩(wěn)產(chǎn)生的位移逐漸增大，邊坡穩(wěn)定性降低，這與文獻[17]的研究結論一致。在充水前可以采用削坡的方式，降低邊坡傾斜角度，減少邊坡位移量，提高充水后邊坡穩(wěn)定性。

2 "內(nèi)排土場邊坡數(shù)值模擬

2.1 "建立邊坡模型

為驗證室內(nèi)試驗所得邊坡位移變化規(guī)律的可靠性，采用FLAC3D軟件構建Mohr-Coulomb邊坡模型。對邊坡進行網(wǎng)格劃分，根據(jù)試驗中坡體的尺寸建立對應的三維數(shù)值模型，其中邊坡角分別為30°、35°和40°。模型的重度、內(nèi)摩擦角按照室內(nèi)試驗原型參數(shù)進行設置，見表1。根據(jù)長度相似比，模型的內(nèi)聚力設為原型參數(shù)的1/100。考慮充水后土體為飽和狀態(tài)，未浸潤和浸潤土體分別選擇了天然狀態(tài)和飽和狀態(tài)的模型參數(shù)。對5次充水過程進行模擬。

2.2 "模擬結果及分析

邊坡位移見圖8。第一次充水時最大位移在坡腳區(qū)，第五次充水時最大位移在坡頂區(qū)。邊坡經(jīng)過5次充水，土體滑坡位移逐漸增大，并且隨著充水高度的增加而增加，邊坡深部位移也逐漸變大，上部邊坡坡頂位置位移最大，說明此狀態(tài)下邊坡最不穩(wěn)定。邊坡傾斜角為30°時，邊坡底腳處的最大位移為12.837 cm；邊坡傾斜角為35°時，邊坡底腳處的最大位移為12.852 cm；邊坡傾斜角為40°時，邊坡底腳處的最大位移為12.854 cm。當邊坡角度不變時，隨著充水高度的上升，邊坡位移增大。當水位線不變時，邊坡傾角越大，越容易發(fā)生失穩(wěn)，邊坡位移越大，這與試驗結果一致。

以邊坡傾斜角為35°的內(nèi)排土場模型為例，數(shù)值模擬和模型試驗得到的邊坡坡腳最大位移見表4。由于模型試驗所用土體的非均勻性和充水方式等因素的影響，試驗結果存在一定誤差，但與數(shù)值模擬結果規(guī)律相同。根據(jù)表4對邊坡穩(wěn)定性進行分析，將坡體變形破壞過程分為3個階段：①淺層軟化變形階段。在充水的早期階段，充水主要以入滲的形式進入到坡體內(nèi)部，隨著入滲的持續(xù)進行，邊坡土體含水率增加，坡面逐步達到飽和，土體軟化，抗剪強度下降，但是還沒有發(fā)生明顯的塌落。②深層緩慢變形階段。在充水過程中，已經(jīng)滲入坡體內(nèi)的水進一步滲透。隨著充水量的增加，土體坡面的土顆粒逐漸被沖刷積聚在坡底。坡面上形成顯著的凹陷或垮落區(qū)，坡面和坡內(nèi)土產(chǎn)生蠕變，導致坡面下沉，坡底處的土顆粒積聚逐漸增多。③整體滑動

破壞階段。在充水后期，隨著充水高度的增大，邊坡表面出現(xiàn)大面積的下陷和坍塌，水流會繼續(xù)沿下陷方向滲入坡體。當整個邊坡變形積累到一定程度時，坡肩部會產(chǎn)生張拉裂隙，水繼續(xù)向下滲透，導致邊坡顯著變形。斜坡上的裂縫不斷地向下延伸，在斜坡的內(nèi)側(cè)產(chǎn)生滑面，坡體會逐漸沿著滑面剪出，斜坡開始失穩(wěn)。

3 "內(nèi)排土場邊坡穩(wěn)定性分析

利用簡化的畢肖普法計算邊坡穩(wěn)定性系數(shù)。假設邊坡由多個土條組成，每個土條均沿著一個假定的滑動圓弧面排列。將所有土條的抗滑力之和除以驅(qū)動力之和，得到整個邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)。抗滑力主要由土體的有效黏聚力和摩擦力組成，其中黏聚力為土條的長度和有效黏聚力的乘積，摩擦力為土條重量的垂直分量與有效內(nèi)摩擦角的正切的乘積。驅(qū)動力由土條重量的水平分量組成，需要考慮每個土條的浸潤情況。條分法示意見圖9，其中Wi為土條自重，Ti為沿坡面的應力分量，Ni為垂直于坡面方向的應力分量。

基于瑞士經(jīng)典條分法模型，沈楊等[18]提出了浸水時的土條邊坡穩(wěn)定系數(shù)表達式，若考慮最一般條件，即土條部分浸沒，土體的內(nèi)黏聚力、內(nèi)摩擦角、重度均需采用有效內(nèi)黏聚力、有效內(nèi)摩擦角和有效重度[19-20]，則邊坡穩(wěn)定系數(shù)為

， "（1）

式中： 為有效黏聚力，取9.4×103 Pa； 為有效內(nèi)摩擦角，取24.8°； 為土條重度，kN/m3； 為土條有效重度，取2 100 kN/m3；bi為土條的寬度，取0.2 m；li為邊坡圓弧面的長度，m；α為邊坡夾角，分別取30°、35°和40°；h1i為土條未浸沒部分高度，m；h2i為土條浸沒部分高度，m。h1i和h2i分別根據(jù)充水后土條和水位線的距離進行取值。

理論計算和數(shù)值模擬得到的邊坡穩(wěn)定系數(shù)見圖10。充水作用下邊坡穩(wěn)定系數(shù)均呈降低趨勢，根據(jù)式（1）計算所得邊坡穩(wěn)定系數(shù)變化較緩慢。數(shù)值模擬基于強度折減法一直計算到不收斂，穩(wěn)定系數(shù)下降更快，5次充水之后已趨近臨界狀態(tài)。

4 "結論

基于室內(nèi)露天煤礦內(nèi)排土場邊坡充水模型試驗，測得邊坡浸潤線、邊坡土體壓力、孔隙水壓力和位移變化，分析邊坡穩(wěn)定性及變形破壞規(guī)律，并結合數(shù)值模擬和理論計算的結果對邊坡穩(wěn)定性變化進行分析，得出以下結論。

（1）在充水高度不變的情況下，邊坡傾斜角的增加，會降低邊坡的穩(wěn)定性；在邊坡傾斜角不變的情況下，充水高度的增加，會降低邊坡穩(wěn)定性。

（2）充水初期，充水土體基質(zhì)吸力大，入滲變化速度較快，邊坡土體水分在垂直和水平方向運動。在充水過程中，浸潤線呈現(xiàn)出近似圓弧形的運移軌跡。隨著充水高度的增加，土體中的基質(zhì)吸力逐漸減弱，原因是土體逐步向飽和狀態(tài)過渡。在此過程中，浸潤線的入滲速度出現(xiàn)放緩現(xiàn)象，主要原因是土體孔隙中的空氣逐漸被水分排擠，造成入滲阻力的增大。

（3）充水過程中，土體的土壓力呈增大趨勢。在充水初期，由于土體飽和度較低，土壓力的增長速度相對較小。隨著充水高度的提升，土體逐漸飽和，土壓力的增長速度加快?？紫端畨毫Τ什灰?guī)則的波動趨勢。位移隨充水高度的增長和充水量的增大而增大。

（4）采用條分法和數(shù)值模擬計算邊坡穩(wěn)定系數(shù)，結果表明充水作用下邊坡穩(wěn)定系數(shù)呈降低趨勢，充水達到坡頂之后邊坡穩(wěn)定性趨近臨界狀態(tài)。

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