强降雨条件下孔隙气压作用的高台阶排土场渗流与稳定性

工程科学学报 Chinese Journal of Engineering 强降雨条件下孔隙气压作用的高台阶排土场渗流与稳定性 崔博王光进刘文连胡斌艾啸韬崔周全王孟来周宗红 Seepage and stability analysis of pore air pressure on a high-bench dump under heavy rainfall CUI Bo,WANG Guang-jin,LIU Wen-lian,HU Bin,AI Xiao-tao,CUI Zhou-quan,WANG Meng-lai,ZHOU Zong-hong 引用本文： 崔博，王光进，刘文连，胡斌，艾啸韬，崔周全，王孟来，周宗红强降雨条件下孔隙气压作用的高台阶排土场渗流与稳定性 [工程科学学报，2021,433：365-375.doi:10.133745.issn2095-9389.2020.09.01.005 CUI Bo,WANG Guang-jin,LIU Wen-lian,HU Bin,AI Xiao-tao,CUI Zhou-quan,WANG Meng-lai,ZHOU Zong-hong.Seepage and stability analysis of pore air pressure on a high-bench dump under heavy rainfall[J].Chinese Journal of Engineering,2021, 433):365-375.doi:10.13374/1.issn2095-9389.2020.09.01.005 在线阅读View online:https::/oi.org10.13374.issn2095-9389.2020.09.01.005 您可能感兴趣的其他文章 Articles you may be interested in 基于MSR300雷达监测的凹山采场降雨条件下的边坡变形及滑坡 Investigation of deformation and failure in washan slope considering rainfall conditions based on MSR300 radar monitoring 工程科学学报.2018,40(4)：407 https:1doi.org/10.13374j.issn2095-9389.2018.04.003 三维软硬互层边坡的破坏模式与稳定性研究 Numerical analysis of the failure modes and stability of 3D slopes with interbreeding of soft and hard rocks 工程科学学报.2017,392：182 https:/1doi.org10.13374j.issn2095-9389.2017.02.003 不同应力状态下孔隙结构特征对土-水特征曲线的影响 Influence of pore structure characteristics on soil-water characteristic curves under different stress states 工程科学学报.2017,39(1)：147 https::/doi.org10.13374j.issn2095-9389.2017.01.019 变渣皮厚度条件下铜冷却壁应力分布规律及挂渣稳定性 Stress distribution law and adherent dross stability of the copper cooling stave with variable slag coating thickness 工程科学学报.2017,393：389 https::/1doi.org/10.13374.issn2095-9389.2017.03.011 软土地基堤围稳定性计算方法 Calculation method of stability of soft soil foundation embankment 工程科学学报.2019,41（⑤：573 https:/ldoi.org10.13374.issn2095-9389.2019.05.003 高渗透压和不对称围压作用下深竖井围岩损伤破裂机理 Mechanism of country rock damage and failure in deep shaft excavation under high pore pressure and asymmetric geostress 工程科学学报.2020,42(6)：715htps:1doi.org/10.13374.issn2095-9389.2019.11.05.004

强降雨条件下孔隙气压作用的高台阶排土场渗流与稳定性 崔博 王光进 刘文连 胡斌 艾啸韬 崔周全 王孟来 周宗红 Seepage and stability analysis of pore air pressure on a high-bench dump under heavy rainfall CUI Bo, WANG Guang-jin, LIU Wen-lian, HU Bin, AI Xiao-tao, CUI Zhou-quan, WANG Meng-lai, ZHOU Zong-hong 引用本文: 崔博, 王光进, 刘文连, 胡斌, 艾啸韬, 崔周全, 王孟来, 周宗红. 强降雨条件下孔隙气压作用的高台阶排土场渗流与稳定性 [J]. 工程科学学报, 2021, 43(3): 365-375. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2020.09.01.005 CUI Bo, WANG Guang-jin, LIU Wen-lian, HU Bin, AI Xiao-tao, CUI Zhou-quan, WANG Meng-lai, ZHOU Zong-hong. Seepage and stability analysis of pore air pressure on a high-bench dump under heavy rainfall[J]. Chinese Journal of Engineering, 2021, 43(3): 365-375. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2020.09.01.005 在线阅读 View online: https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2020.09.01.005 您可能感兴趣的其他文章 Articles you may be interested in 基于MSR300雷达监测的凹山采场降雨条件下的边坡变形及滑坡 Investigation of deformation and failure in washan slope considering rainfall conditions based on MSR300 radar monitoring 工程科学学报. 2018, 40(4): 407 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2018.04.003 三维软硬互层边坡的破坏模式与稳定性研究 Numerical analysis of the failure modes and stability of 3D slopes with interbreeding of soft and hard rocks 工程科学学报. 2017, 39(2): 182 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2017.02.003 不同应力状态下孔隙结构特征对土-水特征曲线的影响 Influence of pore structure characteristics on soil-water characteristic curves under different stress states 工程科学学报. 2017, 39(1): 147 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2017.01.019 变渣皮厚度条件下铜冷却壁应力分布规律及挂渣稳定性 Stress distribution law and adherent dross stability of the copper cooling stave with variable slag coating thickness 工程科学学报. 2017, 39(3): 389 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2017.03.011 软土地基堤围稳定性计算方法 Calculation method of stability of soft soil foundation embankment 工程科学学报. 2019, 41(5): 573 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2019.05.003 高渗透压和不对称围压作用下深竖井围岩损伤破裂机理 Mechanism of country rock damage and failure in deep shaft excavation under high pore pressure and asymmetric geostress 工程科学学报. 2020, 42(6): 715 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2019.11.05.004

工程科学学报.第43卷，第3期：365-375.2021年3月 Chinese Journal of Engineering,Vol.43,No.3:365-375,March 2021 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2020.09.01.005;http://cje.ustb.edu.cn 强降雨条件下孔隙气压作用的高台阶排土场渗流与稳 定性 崔博”，王光进2)四，刘文连引，胡斌，艾啸韬)，崔周全，王孟来)， 周宗红1,2) 1)昆明理工大学国土资源工程学院，金属矿尾矿资源绿色综合利用国家地方联合工程研究中心，昆明6500932)云南省中.德蓝色矿山 与特殊地下空间开发利用重点实验室，昆明6500933)中国有色金属工业昆明脚察设计研究院有限公司.云南省岩土工程与地质灾害重 点实验室，昆明6500514)武汉科技大学资源与环境工程学院，武汉4300815)云南磷化集团有限公司.国家磷资源开发利用工程技术 研究中心.昆明650113 ☒通信作者，E-mail:wangguangjin2005@163.com 摘要强降雨作用下排土场非饱和带中的孔隙气压力会阻碍散土体的雨水入渗，从而进一步影响排土场的安全稳定.然而 传统分析方法往往将孔隙气压力视为大气压力而忽略其对排土场安全的影响.本文依托江西某矿山高台阶排土场工程，基 于现场实验和调查结果，结合水平分层的排土场典型剖面，分析了传统方法与考虑孔隙气压力的高台阶排土场渗流规律及其 安全稳定性，探讨了强降雨条件下孔隙气压对高台阶排土场湿润锋、孔隙水压力和边坡安全系数的影响.研究结果表明：降 雨入渗初期的孔隙气压不显著，其对高台阶排土场稳定性不产生直接影响：但随着降雨的持续，孔隙气压作用开始显现，使得 高台阶排土场的入渗速率降低，湿润锋下移速度变慢，孔隙水压上升变缓，强降雨对高台阶排土场稳定性的影响也出现一定 延时：在降雨入渗中期，孔隙气压将保持恒定，延时效应会随入渗深度的增加而增强；在降雨入渗后期，当湿润锋下移至分层 临界面时，孔隙气压平衡被破坏，将继续增大直至新的恒定值，对高台阶排土场的影响加剧：在湿润锋下移至相同深度时，孔 隙气压作用下的高台阶排土场安全系数明显降低.研究成果将为强降雨条件下的高台阶排土场的长期安全运行和灾害监测 预警提供理论依据. 关键词高台阶排土场：强降雨人渗：湿润锋：孔隙气（水）压；边坡稳定性 分类号TD804 Seepage and stability analysis of pore air pressure on a high-bench dump under heavy rainfall CUl Bo,WANG Guang-jin2,LIU Wen-lian.HU Bin,Al Xiao-tao,CUl Zhou-quan.WANG Meng-la ZHOU Zong-hong2) 1)National and Local Joint Engineering Research Center for Green Comprehensive Utilization of Metal Ore Tailings Resources,Faculty of Land Resources Engineering,Kunming University of Science and Technology,Kunming 650093,China 2)Yunnan Key Laboratory of Sino-German Blue Mining and Utilization of Special Underground Space,Kunming 650093,China 3)Yunnan Key Laboratory of Geotechnical Engineering and Geohazards,Kunming Prospecting Design Institute of China Nonferrous Metal Industry Co., Ltd,Kunming 650051,China 4)School of Resources and Environmental Engineering,Wuhan University of Science and Technology,Wuhan 430081,China 5)National Engineering and Technology Center for Development&Utilization of Phosphate Resources,Yunnan Phosphate Group Co.,LTD,Kunming 650113,China 收稿日期：2020-09-01 基金项目：国家重点研发计划资助项目(2017YFC0804600):国家自然科学基金（联合基金）重点资助项目(U1802243):国家自然科学基金 面上资助项目(41672317)：岩土力学与工程国家重点实验室开放基金资助课题(Z018017)

强降雨条件下孔隙气压作用的高台阶排土场渗流与稳 定性 崔    博1)，王光进1,2) 苣，刘文连3)，胡    斌4)，艾啸韬1)，崔周全5)，王孟来5)， 周宗红1,2) 1) 昆明理工大学国土资源工程学院，金属矿尾矿资源绿色综合利用国家地方联合工程研究中心，昆明 650093    2) 云南省中-德蓝色矿山 与特殊地下空间开发利用重点实验室，昆明 650093    3) 中国有色金属工业昆明勘察设计研究院有限公司，云南省岩土工程与地质灾害重 点实验室，昆明 650051    4) 武汉科技大学资源与环境工程学院，武汉 430081    5) 云南磷化集团有限公司，国家磷资源开发利用工程技术 研究中心，昆明 650113 苣通信作者，E-mail：wangguangjin2005@163.com 摘    要    强降雨作用下排土场非饱和带中的孔隙气压力会阻碍散土体的雨水入渗，从而进一步影响排土场的安全稳定. 然而 传统分析方法往往将孔隙气压力视为大气压力而忽略其对排土场安全的影响. 本文依托江西某矿山高台阶排土场工程，基 于现场实验和调查结果，结合水平分层的排土场典型剖面，分析了传统方法与考虑孔隙气压力的高台阶排土场渗流规律及其 安全稳定性，探讨了强降雨条件下孔隙气压对高台阶排土场湿润锋、孔隙水压力和边坡安全系数的影响. 研究结果表明：降 雨入渗初期的孔隙气压不显著，其对高台阶排土场稳定性不产生直接影响；但随着降雨的持续，孔隙气压作用开始显现，使得 高台阶排土场的入渗速率降低，湿润锋下移速度变慢，孔隙水压上升变缓，强降雨对高台阶排土场稳定性的影响也出现一定 延时；在降雨入渗中期，孔隙气压将保持恒定，延时效应会随入渗深度的增加而增强；在降雨入渗后期，当湿润锋下移至分层 临界面时，孔隙气压平衡被破坏，将继续增大直至新的恒定值，对高台阶排土场的影响加剧；在湿润锋下移至相同深度时，孔 隙气压作用下的高台阶排土场安全系数明显降低. 研究成果将为强降雨条件下的高台阶排土场的长期安全运行和灾害监测 预警提供理论依据. 关键词    高台阶排土场；强降雨入渗；湿润锋；孔隙气 (水) 压；边坡稳定性 分类号    TD804 Seepage and stability analysis of pore air pressure on a high-bench dump under heavy rainfall CUI Bo1) ，WANG Guang-jin1,2) 苣 ，LIU Wen-lian3) ，HU Bin4) ，AI Xiao-tao1) ，CUI Zhou-quan5) ，WANG Meng-lai5) ，ZHOU Zong-hong1,2) 1) National and Local Joint Engineering Research Center for Green Comprehensive Utilization of Metal Ore Tailings Resources, Faculty of Land Resources Engineering, Kunming University of Science and Technology, Kunming 650093, China 2) Yunnan Key Laboratory of Sino-German Blue Mining and Utilization of Special Underground Space, Kunming 650093, China 3) Yunnan Key Laboratory of Geotechnical Engineering and Geohazards, Kunming Prospecting Design Institute of China Nonferrous Metal Industry Co., Ltd, Kunming 650051, China 4) School of Resources and Environmental Engineering, Wuhan University of Science and Technology, Wuhan 430081, China 5) National Engineering and Technology Center for Development & Utilization of Phosphate Resources, Yunnan Phosphate Group Co., LTD, Kunming 650113, China 收稿日期: 2020−09−01 基金项目: 国家重点研发计划资助项目（2017YFC0804600）；国家自然科学基金（联合基金）重点资助项目（U1802243）；国家自然科学基金 面上资助项目（41672317）；岩土力学与工程国家重点实验室开放基金资助课题（Z018017） 工程科学学报，第 43 卷，第 3 期：365−375，2021 年 3 月 Chinese Journal of Engineering, Vol. 43, No. 3: 365−375, March 2021 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2020.09.01.005; http://cje.ustb.edu.cn

366 工程科学学报，第43卷，第3期 Corresponding author,E-mail:wangguangjin2005@163.com ABSTRACT Under heavy rainfall,the pore air pressure in the unsaturated zone of a dump hinders rainwater infiltration in loose soil, which further affects the safety and stability of the dump.However,traditional analysis methods often regard pore air pressure as atmospheric pressure and ignore its impact on dump safety.Relying on the high bench dump project of a copper mine in Jiangxi,basing on the field test and survey results and combing with the horizontal slice of a typical dump profile,the seepage law and safety stability of a high bench dump with traditional methods while considering the pore air pressure were analyzed.Moreover,the influence of pore air pressure on a wet front,pore water pressure,and slope safety factors of high bench dump under heavy rainfall conditions were discussed. The research results show that pore air pressure at the initial stage of rainfall infiltration is not significant,and pore air pressure does not have a direct impact on the stability of the high bench dump.However,as the rainfall continues,the effect of the pore air pressure begins to appear,reducing the infiltration rate of the high bench dump.Further,the downward movement speed of the wetting front becomes slower,the pore water pressure rises slowly,and the influence of the heavy rainfall delays the stability of the high bench dump.In the middle of rainfall infiltration,the pore air pressure remains constant,the delay effect varies,and the penetration depth increases.In the late stage of rainfall infiltration,when the wetting front moves down to the critical plane of the layering,the pore air pressure balance is destroyed,continuing to increase to a new constant value,which increases the impact on the high bench dump.When the traditional method of wetting front and considering the pore air pressure of wetting front move down to the same depth,the safety factor of the high bench dump under the action of pore air pressure is obviously reduced.The research results provide a theoretical basis for long-term safe operation and disaster monitoring and early warning of high bench dump under heavy rainfall conditions. KEY WORDS high bench dump;heavy rainfall;wetting front;pore air(water)pressure;slope stability 强降雨会使得排土场土体含水率增大、基质吸 用室内试验得出土体气压力是表面积水深度与湿 力降低，同时强降雨入渗还会使土体非饱和带内 润锋共同作用的结果，并拟合出了入渗稳定后气 孔隙中的气体被压缩，造成气压不断增大，不但会 压的形式与变化过程；Wang等2四通过试验提出了 降低雨水的入渗速率，而且增加了排土场边坡的 土体内气压的变化形式，其认为在水流入渗时，土 冲刷度，致使排土场发生滑坡、失稳等地质灾害 体内气压上升到上临界值时，气体会突破上层土 目前，国内外学者针对强降雨对边坡稳定性 体，当压力下降到下临界值时气体会再次被封闭： 影响的研究已经取得了一定的成果-0，但大部分 在Wang等的基础上韩同春等2简化了考虑气压 稳定分析模型在分析降雨入渗对边坡稳定性的影 的入渗模型，得出孔隙气压力在大面积强降雨下 响时并未考虑过孔隙气压的存在.Morel-Seytouxlo 对滑坡具有显著的延时性；Ram等]等建立了某 最先提出一种理论：雨水入渗导致封闭的气体压 边坡的三维渗流数值模型，并考虑了其在降雨条 力会持续增加，之后气体会一直做压缩与排出的 件下孔隙气压的运动规律，其结果表明孔隙气压 重复过程：Grismer等山、Weir等I、Latifi等l和 延缓了滑坡的时间；王继成等2和Zhang等研 Hammecker等l,在许多试验中验证了该理论的正 究了气压对边坡稳定的影响，王继成等针对大面 确性，并得出降雨入渗压缩了湿润锋下部的气体， 积浅层风化土边坡，通过摩尔库伦准则与极限平 且双层土的孔隙气压会比均质土更加显著到，为 衡法建立了考虑气压力影响下的稳定分析模型， 了分析在渗流过程中土体孔隙内的气压力变化规 得出了孔隙气压显著降低了土体边坡的安全系 律，孙冬梅等刃基于水-气二相流理论将非饱和 数；Zhang等通过研究孔隙气压对土边坡稳定性的 带中的孔隙气和水建立了数学模型，可以更准确 影响，得出在稳定渗流情况下土体中的孔隙气压 的模拟水、气的流动规律，为研究孔隙气压力对雨 对边坡稳定性的影响可以被忽视，而在降雨情况 水入渗的影响提供了依据，并通过该模型研究了 下，非饱和区产生的孔隙气压将降低土边坡的安 均质土层的降雨入渗过程，得到了孔隙水压、孔隙 全系数，且滑动面与地下水位间的距离越大，孔隙 气压、毛细压力和含水量的变化过程，根据地表孔 气压对边坡稳定性的影响越大；何健通过数值 隙气压与入渗率的相关性验证了孔隙气压的增大 模拟验证了气压力的存在对边坡稳定有一定的影 会阻碍雨水的入渗，且基质吸力会使相同滑动面 响，但模型并未与实际工程相结合.然而导致高台 上的稳定性系数增加：李援农和其他学者820采 阶排土场在强降雨作用下破坏失稳的影响因素复

苣 Corresponding author, E-mail: wangguangjin2005@163.com ABSTRACT    Under heavy rainfall, the pore air pressure in the unsaturated zone of a dump hinders rainwater infiltration in loose soil, which  further  affects  the  safety  and  stability  of  the  dump.  However,  traditional  analysis  methods  often  regard  pore  air  pressure  as atmospheric pressure and ignore its impact on dump safety. Relying on the high bench dump project of a copper mine in Jiangxi, basing on the field test and survey results and combing with the horizontal slice of a typical dump profile, the seepage law and safety stability of a high bench dump with traditional methods while considering the pore air pressure were analyzed. Moreover, the influence of pore air pressure on a wet front, pore water pressure, and slope safety factors of high bench dump under heavy rainfall conditions were discussed. The research results show that pore air pressure at the initial stage of rainfall infiltration is not significant, and pore air pressure does not have a direct impact on the stability of the high bench dump. However, as the rainfall continues, the effect of the pore air pressure begins to appear, reducing the infiltration rate of the high bench dump. Further, the downward movement speed of the wetting front becomes slower, the pore water pressure rises slowly, and the influence of the heavy rainfall delays the stability of the high bench dump. In the middle of rainfall infiltration, the pore air pressure remains constant, the delay effect varies, and the penetration depth increases. In the late stage of rainfall infiltration, when the wetting front moves down to the critical plane of the layering, the pore air pressure balance is destroyed, continuing to increase to a new constant value, which increases the impact on the high bench dump. When the traditional method of wetting front and considering the pore air pressure of wetting front move down to the same depth, the safety factor of the high bench dump under the action of pore air pressure is obviously reduced. The research results provide a theoretical basis for long-term safe operation and disaster monitoring and early warning of high bench dump under heavy rainfall conditions. KEY WORDS    high bench dump；heavy rainfall；wetting front；pore air (water) pressure；slope stability 强降雨会使得排土场土体含水率增大、基质吸 力降低，同时强降雨入渗还会使土体非饱和带内 孔隙中的气体被压缩，造成气压不断增大，不但会 降低雨水的入渗速率，而且增加了排土场边坡的 冲刷度，致使排土场发生滑坡、失稳等地质灾害. 目前，国内外学者针对强降雨对边坡稳定性 影响的研究已经取得了一定的成果[1–10] ，但大部分 稳定分析模型在分析降雨入渗对边坡稳定性的影 响时并未考虑过孔隙气压的存在. Morel-Seytoux[10] 最先提出一种理论：雨水入渗导致封闭的气体压 力会持续增加，之后气体会一直做压缩与排出的 重复过程；Grismer 等[11]、Weir 等[12]、Latifi 等[13] 和 Hammecker 等[14] 在许多试验中验证了该理论的正 确性，并得出降雨入渗压缩了湿润锋下部的气体， 且双层土的孔隙气压会比均质土更加显著[13] ；为 了分析在渗流过程中土体孔隙内的气压力变化规 律，孙冬梅等[15–17] 基于水–气二相流理论将非饱和 带中的孔隙气和水建立了数学模型，可以更准确 的模拟水、气的流动规律，为研究孔隙气压力对雨 水入渗的影响提供了依据，并通过该模型研究了 均质土层的降雨入渗过程，得到了孔隙水压、孔隙 气压、毛细压力和含水量的变化过程，根据地表孔 隙气压与入渗率的相关性验证了孔隙气压的增大 会阻碍雨水的入渗，且基质吸力会使相同滑动面 上的稳定性系数增加；李援农和其他学者[18– 20] 采 用室内试验得出土体气压力是表面积水深度与湿 润锋共同作用的结果，并拟合出了入渗稳定后气 压的形式与变化过程；Wang 等[21] 通过试验提出了 土体内气压的变化形式，其认为在水流入渗时，土 体内气压上升到上临界值时，气体会突破上层土 体，当压力下降到下临界值时气体会再次被封闭； 在 Wang 等的基础上韩同春等[22] 简化了考虑气压 的入渗模型，得出孔隙气压力在大面积强降雨下 对滑坡具有显著的延时性；Ram 等[23] 等建立了某 边坡的三维渗流数值模型，并考虑了其在降雨条 件下孔隙气压的运动规律，其结果表明孔隙气压 延缓了滑坡的时间；王继成等[24] 和 Zhang 等[25] 研 究了气压对边坡稳定的影响，王继成等针对大面 积浅层风化土边坡，通过摩尔库伦准则与极限平 衡法建立了考虑气压力影响下的稳定分析模型， 得出了孔隙气压显著降低了土体边坡的安全系 数；Zhang 等通过研究孔隙气压对土边坡稳定性的 影响，得出在稳定渗流情况下土体中的孔隙气压 对边坡稳定性的影响可以被忽视，而在降雨情况 下，非饱和区产生的孔隙气压将降低土边坡的安 全系数，且滑动面与地下水位间的距离越大，孔隙 气压对边坡稳定性的影响越大；何健[26] 通过数值 模拟验证了气压力的存在对边坡稳定有一定的影 响，但模型并未与实际工程相结合. 然而导致高台 阶排土场在强降雨作用下破坏失稳的影响因素复 · 366 · 工程科学学报，第 43 卷，第 3 期

崔博等：强降雨条件下孔隙气压作用的高台阶排土场渗流与稳定性 367 杂多变，各因素之间的相互作用使得高台阶排土 斜面上的正应力；4a为大气压力；a山w为土体湿 场失稳破坏的预测具有强烈的不确定性，失稳机 润锋处的基质吸力 理和破坏过程至今没有完全的定论，导致现有的 因为排土场湿润区土体处于饱和，湿润锋处 高台阶排土场在强降雨条件下的稳定性评价方法 非饱和土体抗剪强度用有效正应力计算： 及灾害防控不完善，严重制约着矿山重大灾害整 On=(yt-Yw)=rcos2a (2) 体防御水平.本文在之前的研究基础上，以江西某 Tm Yt=f cosa sina 矿山高台阶排土场为研究对象，将气压力引入到 式中：为湿润区饱和土体重度；w为水的重度： 高台阶排土场中分别模拟了强降雨条件下考虑孔 α为边坡倾角. 隙气压力和不考虑孔隙气压力时的高台阶排土场 在强降雨条件下，假定湿润区土体饱和，湿润 渗流与稳定性，从而为强降雨条件下高台阶排土 锋上方土体的基质吸力为0，得到不考虑孔隙气压 场的长期安全运行和灾害监测预警提供一定的理 的稳定分析模型： 论基础 F=+(-Ywrcos"atang (3) 1考虑孔隙气压边坡稳定性分析模型 Yt=rcosa sina 降雨入渗是雨水对土体中气体的驱散过程4， 1.2考虑孔隙气压的稳定性分析模型 当考虑孔隙气压力影响时，排土场边坡分析 强降雨入渗导致高台阶排土场湿润锋处的基质吸 力迅速降低，其下部气压不断压缩，对雨水入渗产 图见图2.降雨条件下湿润区的土体接近饱和，湿 生阻碍作用，同时会对边坡的稳定性造成影响 润锋以上的土体基质吸力可近似为0处理.故考 11不考虑孔隙气压的稳定性分析模型 虑孔隙压力的边坡稳定安全系数F的计算公式 图1为降雨条件下不考虑孔隙气压的排土场 可由式(1)改写为： 边坡的受力分析图，W为单位宽度土条重量，α为 Fa=互=C+(oa-Ha)tang (4) Tm Tm 排土场自然边坡角，为湿润锋处的深度.湿润锋 式中：Ha为气体压力值 处的安全系数F为湿润区的总抗滑力与下滑 降雨入渗过程可以分为气体被压缩、排出两 力m的比值，湿润锋处抗滑力采用非饱和土抗 个阶段.降雨使得排土场表面被封闭，雨水的下渗 剪强度公式求解，下滑力m为湿润区土体的重度 导致气体被压缩，造成孔隙气压迅速增大.当气压 沿坡面的分量，根据非饱和土摩尔-库伦屈服 准则与极限平衡法得到边坡稳定安全系数F。的 达到气体突破压力值时，孔隙气压会以气泡的形 计算公式： 式排出坡表（多孔介质中空气的传导性优于水的 Fs=I=+(Ca-ua)tang'+(ua-w)tanb 传导性)：当气压减小到气体闭合压力值时，排土 (1) 场边坡的排气通道会重新被雨水封闭，如此气体 Tm Tm 不断地排出与压缩，气压力会基本稳定在H+H山 对不同的土质进行试验3可知，预测的气压力 Surface 值与恒定后测量的气压力值基本吻合，得到以下 关系式 Heavy rainfall Wetting front Ha=H+Ho (5) 将式(5)代入式(4)得到考虑孔隙气压的稳定 分析模型： F=+(Yr-YwHa)cos2atan (6) Weathered layer yi=fcosasina Bedrock F+(Yr-Yw He)cos2atan (7) 国1降雨条件下排土场边坡受力分析图（不考虑孔隙气压） Yi=f cosa sina Fig.1 Force analysis of the dump under rainfall conditions (without considering the pore air pressure) 2 工程概况及模型建立 式中：c'、为土的有效黏聚力与内摩擦角：p°为抗 2.1 工程概况 剪强度随基质吸力变化的吸力摩擦角：σ为失效 江西某高台阶排土场位于露天采场东北方向

杂多变，各因素之间的相互作用使得高台阶排土 场失稳破坏的预测具有强烈的不确定性，失稳机 理和破坏过程至今没有完全的定论，导致现有的 高台阶排土场在强降雨条件下的稳定性评价方法 及灾害防控不完善，严重制约着矿山重大灾害整 体防御水平. 本文在之前的研究基础上，以江西某 矿山高台阶排土场为研究对象，将气压力引入到 高台阶排土场中分别模拟了强降雨条件下考虑孔 隙气压力和不考虑孔隙气压力时的高台阶排土场 渗流与稳定性，从而为强降雨条件下高台阶排土 场的长期安全运行和灾害监测预警提供一定的理 论基础. 1    考虑孔隙气压边坡稳定性分析模型 降雨入渗是雨水对土体中气体的驱散过程[24] ， 强降雨入渗导致高台阶排土场湿润锋处的基质吸 力迅速降低，其下部气压不断压缩，对雨水入渗产 生阻碍作用，同时会对边坡的稳定性造成影响. 1.1    不考虑孔隙气压的稳定性分析模型 W α 图 1 为降雨条件下不考虑孔隙气压的排土场 边坡的受力分析图， 为单位宽度土条重量， 为 排土场自然边坡角，zf 为湿润锋处的深度. 湿润锋 处的安全系数 Fs 为湿润区的总抗滑力 τf 与下滑 力 τm 的比值，湿润锋处抗滑力 τf 采用非饱和土抗 剪强度公式求解，下滑力 τm 为湿润区土体的重度 沿坡面的分量 . 根据非饱和土摩尔 -库伦屈服 准则[14] 与极限平衡法得到边坡稳定安全系数 Fs 的 计算公式： Fs = τf τm = c ′ +(σn −ua)tanφ ′ +(ua −uw)tanφ b τm （1） Heavy rainfall Weathered layer Wetting front Surface Bedrock l W zf τm σn α 图 1    降雨条件下排土场边坡受力分析图（不考虑孔隙气压） Fig.1     Force  analysis  of  the  dump  under  rainfall  conditions  (without considering the pore air pressure) c ′ φ 式中： 、 ′为土的有效黏聚力与内摩擦角；φ b 为抗 剪强度随基质吸力变化的吸力摩擦角；σn 为失效 斜面上的正应力；ua 为大气压力；ua–uw 为土体湿 润锋处的基质吸力. 因为排土场湿润区土体处于饱和，湿润锋处 非饱和土体抗剪强度用有效正应力计算： σn = (γt −γw)zfcos2α τm = γtzf cosαsinα    （2） α 式中：γt 为湿润区饱和土体重度；γw 为水的重度； 为边坡倾角. 在强降雨条件下，假定湿润区土体饱和，湿润 锋上方土体的基质吸力为 0，得到不考虑孔隙气压 的稳定分析模型： Fs = c ′ +(γt −γw)zfcos2αtanφ ′ γtzf cosαsinα （3） 1.2    考虑孔隙气压的稳定性分析模型 当考虑孔隙气压力影响时，排土场边坡分析 图见图 2. 降雨条件下湿润区的土体接近饱和，湿 润锋以上的土体基质吸力可近似为 0 处理. 故考 虑孔隙压力的边坡稳定安全系数 Fsa 的计算公式 可由式（1）改写为： Fsa = τf τm = c ′ +(σn − Ha)tanφ ′ τm （4） 式中：Ha 为气体压力值. 降雨入渗过程可以分为气体被压缩、排出两 个阶段. 降雨使得排土场表面被封闭，雨水的下渗 导致气体被压缩，造成孔隙气压迅速增大. 当气压 达到气体突破压力值时，孔隙气压会以气泡的形 式排出坡表（多孔介质中空气的传导性优于水的 传导性）；当气压减小到气体闭合压力值时，排土 场边坡的排气通道会重新被雨水封闭，如此气体 不断地排出与压缩，气压力会基本稳定在 H+Hc [11] . 对不同的土质进行试验[13,21] 可知，预测的气压力 值与恒定后测量的气压力值基本吻合，得到以下 关系式： Ha = H + Hc （5） 将式（5）代入式（4）得到考虑孔隙气压的稳定 分析模型： Fsa = c ′ +(γtzf −γwHa)cos2αtanφ ′ γtzf cosαsinα （6） Fsa = c ′ +(γtzf −γwHc)cos2αtanφ ′ γtzf cosαsinα （7） 2    工程概况及模型建立 2.1    工程概况 江西某高台阶排土场位于露天采场东北方向 崔    博等： 强降雨条件下孔隙气压作用的高台阶排土场渗流与稳定性 · 367 ·

368 工程科学学报，第43卷，第3期 Surface Heavy rainfall Wetting front ta=W Weathered layer Bedrock 因2降雨条件下排土场边坡受力分析图（考虑孔隙气压） Fig.2 Force analysis of the dump under rainfall conditions(considering the pore air pressure) 约1200m处，南北向长度约为1200m,东西向宽 排土方式是否造成堆积散体的粒径分级现象，需 度约为600m.矿区属丘陵中低山地貌，受风化和 分别采用直接测量法和筛分法27-2测对200m台阶 雨水侵蚀作用，山坡坡角多为10°~35°.高台阶排 排土场粒径分布进行研究，结合两种方法可以使 土场年平均降雨量为2185.4mm,昼夜最大降雨量 所获得的粒径分布更接近于实际，起到相互补充 达311.7mm,全年降雨平均天数为171d,是江西 和验证的作用 省的多雨地区之一，排土场底部岩石主要由变质 高台阶排土场颗粒大于等于100mm的土料 岩、火山岩等非可溶性岩石构成，近地表岩石风化 可采用坡面取样的方式进行直接测量粒径调查 较强，风化带深10~30m,透水性差，赋水性弱，不 (见图3(a)),由此可以确定大块石的粒径随排土 存在溶洞、流砂和暗流等复杂的水文地质条件 场堆积高度的变化规律：小颗粒的散体废石主要 地下水主要通过大气降水来补给，且水源供给有 集中于台阶中上部，大块石主要堆积于台阶中下 限，底部无大的断层破碎带.因此，可以认为高台 部；对于排土场颗粒大于0.1mm小于100mm的 阶排土场的水文地质条件简单，故本文暂不考虑 土料采用筛分法来测定粒径，对200m台阶排土场 地下水对高台阶排土场稳定性的影响 取七个测点进行筛分试验，由筛分结果可对排土 2.2高台阶排土场散体粒径分布调查 场各个测点的中间粒径D50、平均粒径D与排土场 目前高台阶排土场已形成四个台阶，分别是 相对高度(hH)的关系进行统计，其大小可以反映 200、223、239和250m台阶.根据现场勘查得知， 高台阶排土场颗粒粒度组成（见图3(b)).从 200m台阶以上由于排土场各台阶高度小于40m, 图3(b)易知，高台阶排土场坡面散体的粒径分布 基本未开始分级；200m台阶排土高度为110m,采 随其相对高程的增加，平均粒径D与中间粒径 用“一坡到底”的排土方式进行排土.为了研究该 D5o皆呈指数趋势减小 Relative height of the dump,h/ 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0 1.4 ●(a) 1.2 Slope bottom O Particle size of rubble 809() 80 . Intermediate grain diameter 70 ●Average diameter 70 1.0 1=-0.3753+1.5392×0.9852 2=0.9119 60 60 0.8 ● 06 ●. ●0D 50 0 40 0.4 ● . 30 30 0.2 间8c触e 20 Slope top 30 01020304050607080 90 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 Distance from the bottom of the dump/m Relative height of the dump,h/H 图3粒径随排土场堆积高度变化规律.(a)颗粒尺寸≥100mm:(b)0.1mm<颗粒尺寸<100mm Fig.3 Diameter changes with the dump height:(a)particles size 100 mm;(b)0.1 mm particles size 100 mm

约 1200 m 处，南北向长度约为 1200 m，东西向宽 度约为 600 m. 矿区属丘陵中低山地貌，受风化和 雨水侵蚀作用，山坡坡角多为 10°～35°. 高台阶排 土场年平均降雨量为 2185.4 mm，昼夜最大降雨量 达 311.7 mm，全年降雨平均天数为 171 d，是江西 省的多雨地区之一. 排土场底部岩石主要由变质 岩、火山岩等非可溶性岩石构成，近地表岩石风化 较强，风化带深 10～30 m，透水性差，赋水性弱，不 存在溶洞、流砂和暗流等复杂的水文地质条件. 地下水主要通过大气降水来补给，且水源供给有 限，底部无大的断层破碎带. 因此，可以认为高台 阶排土场的水文地质条件简单，故本文暂不考虑 地下水对高台阶排土场稳定性的影响. 2.2    高台阶排土场散体粒径分布调查 目前高台阶排土场已形成四个台阶，分别是 200、223、239 和 250 m 台阶. 根据现场勘查得知， 200 m 台阶以上由于排土场各台阶高度小于 40 m， 基本未开始分级；200 m 台阶排土高度为 110 m，采 用“一坡到底”的排土方式进行排土. 为了研究该 排土方式是否造成堆积散体的粒径分级现象，需 分别采用直接测量法和筛分法[27–28] 对 200 m 台阶 排土场粒径分布进行研究，结合两种方法可以使 所获得的粒径分布更接近于实际，起到相互补充 和验证的作用. D50 D D D50 高台阶排土场颗粒大于等于 100 mm 的土料 可采用坡面取样的方式进行直接测量粒径调查 （见图 3（a）），由此可以确定大块石的粒径随排土 场堆积高度的变化规律：小颗粒的散体废石主要 集中于台阶中上部，大块石主要堆积于台阶中下 部；对于排土场颗粒大于 0.1 mm 小于 100 mm 的 土料采用筛分法来测定粒径，对 200 m 台阶排土场 取七个测点进行筛分试验，由筛分结果可对排土 场各个测点的中间粒径 、平均粒径 与排土场 相对高度（h/H）的关系进行统计，其大小可以反映 高台阶排土场颗粒粒度组成 （见 图 3（ b） ） . 从 图 3（b）易知，高台阶排土场坡面散体的粒径分布 随其相对高程的增加 ，平均粒径 与中间粒径 皆呈指数趋势减小. 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 20 30 40 50 60 70 80 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0 20 30 40 50 60 70 80 Relative height of the dump, h/H Average diameter/mm Relative height of the dump, h/H (b) Intermediate grain diameter/mm Intermediate grain diameter Average diameter 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 Particle size of rubble/m Distance from the bottom of the dump/m Particle size of rubble y=−0.3753+1.5392×0.9852x R 2=0.9119 Slope bottom Slope top (a) 图 3    粒径随排土场堆积高度变化规律. （a）颗粒尺寸≥100 mm；（b）0.1 mm<颗粒尺寸<100 mm Fig.3    Diameter changes with the dump height: (a) particles size ≥ 100 mm; (b) 0.1 mm < particles size < 100 mm Heavy rainfall Weathered layer Wetting front Surface Bedrock l W zf τm σ Ha n α l W W=γmzf σn=Wcosα τm=Wcosαsinα Ha=Hc zf τm Ha σn 图 2    降雨条件下排土场边坡受力分析图（考虑孔隙气压） Fig.2    Force analysis of the dump under rainfall conditions (considering the pore air pressure) · 368 · 工程科学学报，第 43 卷，第 3 期