浅析坡外水位下降影响尾矿库岸坡稳定性的主要因素
2020-09-03张淼
张 淼
（马鞍山马钢矿山岩土工程勘察联合公司，安徽 马鞍山 243000）
1 研究背景
在尾矿库岸坡失稳案例中，由于坡外水位下降引起的岸坡失稳是一种比较典型的岸坡失稳原因。鉴于实际工程中出现过的人工粘性土质岸坡由于坡外水位下降而失稳的案例，本文将以粘性尾矿库岸坡为对象，研究其在坡外水位下降过程中的稳定性变化情况，并尝试总结水位下降影响稳定性变化的主要因素。
2 影响尾矿库岸坡稳定性的基本原理
在分析影响尾矿库岸坡稳定性的要素时，主要沿着两条思路进行：一是研究内部剪应力的变化，二是研究土体本身抗剪强度的改变。
土体内部剪应力变化是指以土颗粒骨架为研究对象，其所处的三维应力状态的变化，这一三维应力状态下处于最大剪应力面处的土体就是最有可能被破坏的土体。而水位变化后尾矿库岸坡土骨架整体的受力情况就会变化，任一点处的土颗粒所处的三维应力状态也就变化了，所以任一点处的土颗粒所受的最大剪应力也随之变化。
3 水位下降条件下尾矿库岸坡土体所受最大剪应力情况模拟
3.1 模型基本情况
本论文采用GeoStudio 2007系统软件中的SIGMA/W、SEEP/W和SLOPE/W三个软件联合模拟尾矿库岸坡在水位升降条件下的各种状态。建立库水位下降条件下简化的尾矿库岸坡数值模型。
高度为10m，坡比为1：2。假定为均质土体岸坡，坡面光滑。并假定土体的材料模型为弹塑性、各向同性材料。初始时刻坡外水位静止在15米处，坡外水位线以下的饱和土材料种类为有效参数w/孔隙水压力变化，坡外水位线以上的天然状态土材料种类为总应力参数。岸坡土体的材料参数见表1所示。坡外水位由15m下降到6m，水位下降的速度假定是恒定值，取为1m/day。假定库水位下降前的岸坡浸润线与坡外水位高程（15m）共线，浸润线以下土体均为饱和土，浸润线以上土体为天然状态。另假定岸坡底边为不透水基岩，岸坡底边界为水平和竖直两个方向的固定约束，左侧边界和右侧边界为水平方向的固定约束。
表1 岸坡土体材料参数表
3.2 尾矿库岸坡土体最大剪应力变化情况
图1 坡外水位下降过程中尾矿库岸坡土体最大剪应力变化曲线图
建立尾矿库岸坡模型，模型情况如3.1节所述。模拟水位下降过程中的岸坡渗流及孔隙水压力情况；接着把水位下降过程中的岸坡土体所受应力场与孔隙水压力场进行耦合，模拟出耦合后的岸坡土体所受应力情况和孔隙水压力情况，得出水位下降过程中的尾矿库岸坡土体最大剪应力变化情况如图1所示。
3.3 水位下降过程中尾矿库岸坡土体所承受的最大剪应力变化情况分析
根据图1可以看出，在水位下降过程中，尾矿库岸坡土体所受最大剪应力值是先减小后增大的。在水位下降前时刻开始的前5天里，土体最大剪应力值从初始状态的22kPa迅速减小到第5天的14kPa；接着又增长至第9天的18kPa。土体所受最大剪应力的最大值为第0天的22kPa，最小值为第5天的14kPa。最危险的最大值时刻为第0天，也就是水位下降前的初始时刻，此时尾矿库岸坡土体最大剪应力分布情况如图2所示。
图2 水位下降前尾矿库岸坡土体最大剪应力分布云图
4 水位下降条件下尾矿库岸坡稳定性变化情况模拟
根据上节所述，岸坡稳定性安全系数最小，也就是对于岸坡稳定最危险的时刻，该时刻为坡外水位即将下降的那一瞬时。
在使用软件模拟整个水位下降过程的岸坡渗流情况后，选择最接近这一瞬时的下降第1天时刻去近似反映水位即将下降瞬时的岸坡渗流情况，也就是坡外水位下降至14m的时刻，此时的岸坡渗流情况如图3所示。
图3 坡外水位下降至14m时刻的岸坡渗流情况图
根据图3所示可以看出该时刻岸坡的渗流方向几乎垂直于岸坡坡面。因为土颗粒所受的渗透力为场力，方向沿渗流场方向，所以渗透力在水位下降条件下的变化与渗流过程紧密相关。
从本次模拟的结果看，浸润线以下范围内的土颗粒均受到渗透力的作用，且渗透力的大小反映出的规律为：越接近尾矿库岸坡的坡面或坡脚的表面，渗流强度越大。
5 水位下降影响尾矿库岸坡稳定性的主要因素归纳
5.1 渗透力的影响
沿着影响尾矿库岸坡土体最大剪应力变化的思路，根据上述模型模拟的结果分析，同时不研究土体范围边界处的稳定性情况，可以得出在尾矿库岸坡范围内的土颗粒整体所受的各外力中，渗透力的影响是占主要且决定性的因素。单位土体土粒上所受的渗透力用字母j来表示。
其中：γw为水的重度，i为水力梯度。
根据渗透力的计算公式可以看出，渗透力大小与水力梯度成正比，而水力梯度可反映为渗流强度。在模型模拟水位下降的过程中，尾矿库岸坡稳定性安全系数最小的坡外水位下降前初始时刻恰好也是岸坡渗流强度最高的时刻。可见渗透力的变化是影响其稳定性的关键因素。
5.2 对尾矿库岸坡土体抗剪强度的影响
水对土体抗剪强度参数的影响规律为：土体的粘聚力c呈现出随着土体含水率w的增大而减小的趋势，减小的速率较为稳定。在含水率增大到某一值后，粘聚力的值趋于稳定，不再随含水率变化而改变。土体的内摩擦角总体上也呈现出随着土体含水率w的增大而减小的趋势，但在含水率增大的某些区间里内摩擦角会随着含水率增大而增大。
随着尾矿库岸坡外水位下降，浸润线也逐渐下降，部分区域范围内的土体由饱和变为不饱和，含水率逐渐下降，抗剪强度随之发生变化。土体抗剪强度越低，尾矿库岸坡越容易失稳。
5.3 浸润线的影响
坡外水位下降造成岸坡渗流，使得岸坡浸润线逐渐下降。以浸润线为分界，浸润线以上范围内的土颗粒受重力作用，可以天然重度来表示；而浸润线以下范围内的土颗粒不仅受重力作用，还受到浮力作用，可以浮重度来统一表示。
由于浸润线变化，受到浮力作用的土颗粒范围改变，这一外力变化会引起岸坡土体范围内的任一点处的土颗粒三维应力状态改变，从而若出现最大剪应力改变。若尾矿库岸坡土体范围内的任一点处的最大剪应力值大于该处的抗剪强度值，则该处土体发生破坏。
