摘要
为分析露天矿山边坡的稳定性，通过资料调研与现场监测等手段分析认为降雨是导致依托工程露天矿山边坡失稳的主要原因。通过试验确定其表层土石混合体的饱和渗透系数及力学性质，选用Geo-studio有限元软件进行不同降雨工况的数值模拟，得到如下结论：（1）边坡表层土体受到干湿循环作用后，抗剪强度会出现明显劣化；前三次干湿循环作用时，土体抗剪强度劣化速率较高；（2）降雨使得坡表土体水平位移显著增加，而降雨结束后，雨水仍然在坡内迁移，导致坡内孔隙水压力不断上升；（3）降雨时间、降雨量和干湿循环次数的增加都会使得边坡稳定性降低；短期强降雨更易造成边坡失稳破坏。本研究可为类似露天矿山边坡失稳机理研究及防治提供相应技术支撑。
关键词
Abstract
To comprehensively investigate the stability of open-pit mine slopes, this study identifies rainfall as the primary trigger for slope instability in the analyzed project through integrated data analysis and field monitoring. Laboratory tests were conducted to determine the saturated permeability coefficient and mechanical properties of the surface soil-rock mixture in the basal soil layer. GeoStudio finite element software was employed to simulate slope behavior under diverse rainfall scenarios, enabling an analysis of stability evolution patterns. Key findings include: (1)Repeated wet-dry cycles significantly degrade the shear strength of the slope's surface soil, with cohesion exhibiting the most pronounced deterioration. Notably, the rate of shear strength reduction is highest during the initial three cycles. (2)Rainfall induces a marked increase in horizontal displacement of the slope's surface soil. Post-rainfall, residual water migration within the slope leads to a sustained rise in internal pore water pressure. (3)Extended rainfall duration, higher rainfall intensity, and increased wet-dry cycles collectively reduce slope stability. Under equivalent conditions, short-duration heavy rainfall poses a greater risk of slope failure.This research provides critical insights into slope instability mechanisms and offers technical guidance for hazard prevention in analogous open-pit mining environments.
Keywords
0 引言
矿产资源是中国重要的战略资源，随着需求的不断上升，大量矿产资源得到开采，从而形成了大量露天矿山边坡，极易造成滑坡等地质灾害（曹兰柱等，2019；李少平等，2022；栗嘉彬等，2022；潘懿等，2022），危害人民的生命与财产安全，造成社会动荡不安，故而研究露天矿山边坡的稳定性至关重要。
近年来，大量学者采用多种手段对露天矿山边坡的稳定性进行研究。吴顺川等（2022）针对露天矿山边坡的特征，结合相应规范，提出一套露天矿山边坡稳定性评价标准。钟鑫等（2020）针对采矿形成的不同类型的高陡边坡，提出了各自适用的稳定性计算方法，为后期施工设计提供了一定的理论依据。胡斌等（2021）针对含软弱缓倾夹层的矿山边坡自身工程特性，提出一种滑动面反演方法。吴仕伟等（2020）运用层次分析法和模糊综合评判法对高海拔低压寒区矿山边坡稳定性等级进行定性分析。肖超等（2020）考虑到煤矿采空区资料丢失问题，提出一套适用于露天煤矿地下采空区的综合勘查方法。李鸣庚等（2023）认为对露天矿山边坡进行变形监测是保障安全开采的重要手段，故针对矿区特点，开发了一套优化的DS-InSAR技术。牛鹏等（2022）构建了一套基于现场监测和案例库的露天矿山边坡监测预警系统。宋来臣和林毅斌 （2021）将雷达用于边坡位移监测中，并根据监测结果对滑坡存在的可能及发生的时间进行预报。张琳等（2021）采用RS和GIS对湖州市的矿山环境进行摸底，对其潜在地质灾害进行深入分析研究。陶延林和张明（2019）采用基于北斗系统的GPS监测系统对矿山边坡表面变形进行监测，获得了较好的实时动态监测数据。林毅斌（2022）选用有限元强度折减法对高寒高海拔地区的露天矿山边坡稳定性进行分析。巫辅宇等（2022）认为强降雨是诱发离子型稀土矿山边坡失稳的主要原因，故而采用数值模拟的手段分析了不同工况下边坡的稳定性。张莹等（2023）基于Hoek-Brown 强度准则，采用 FLAC3D软件对露天矿山高陡岩质边坡的稳定性进行数值分析。杨宗耀等（2023）认为降雨会对矿山碎石堆积体边坡稳定性造成影响，故采用数值模拟对其进行流固耦合计算，研究了连续降雨工况对该类边坡的影响。陈涛等（2019）采用理论计算和数值模拟等手段分析了露天矿山边坡在开挖过程中的稳定性。朱万成等（2020）将现场监测与数值模拟相结合对露天矿山边坡稳定性进行分析。在前人研究的基础上，本文通过资料调研与现场监测等手段分析认为降雨是导致依托工程露天铁矿山边坡失稳的主要原因。通过原位试验和直剪试验确定边坡表层土体的饱和渗透系数及其力学性质。选用Geo-studio有限元软件研究不同降雨工况下，边坡安全系数的发展规律，进一步分析了降雨作用下露天矿山边坡的失稳机理。
1 工程概况
本文依托工程位于中国某山脉的西北部，地理位置位于东经120°30'，北纬41°06'，所在区域主要为低山地丘陵，其高度多为260~500 m，最高为565 m，最低为220 m，最大高差约为345 m。该矿山边坡属于温带大陆性季风气候，春秋短而冬夏长，最低气温可达-30℃，最高气温将近40℃，温差较大。干湿季分明，6—9月雨量最多，降雨量约500 mm，占全年降雨量的60%。
由于铁矿开采，矿区内已有相当一部分边坡的稳定性储备不足，部分区域已出现滑坡灾害。本文研究的露天矿山边坡，其岩体主要为薄层状变质岩，内含坚硬的块状侵入花岗岩。表层岩石裸露且风化严重，形成了厚度3~5 m的土石混合体，结构较为松散，含碎石量高且体积较大（图1a），在边坡中部和前部多有分布。边坡地下水主要有孔隙水和裂隙水，孔隙水位于边坡上层土体中，主要来源为大气降雨和地表水；裂隙水位于边坡下伏基岩，主要来源为降雨、孔隙水及坡外地下水（图1b）。
图1现场工况图
a—边坡表层土石混合体；b—基岩裂隙水
该露天矿山边坡表层为大量裸露松散的土石混合堆积体，长期的矿物开采又造成其临空面较陡、整体坡度较大，故而极易造成滑坡。
2 失稳原因分析
为更好的分析露天矿山边坡失稳的原因，采用全自动高精度的测量机器人对边坡典型断面坡表位移进行监测，其监测点设置如图2所示。监测共进行14次，监测时间及结果如表1所示。
图2现场监测点示意图
表1监测点水平位移累计值
由表1可知，进行前4次测量时，所有监测点的水平位移值增长均较为缓慢，总累计值在5 mm以内；而第5次监测时，各监测点的水平位移值有明显的上升，分别增加了14.7 mm、12.3 mm、12.4 mm、 14.0 mm，为前4次水平位移累计值的13.25倍、3.67 倍、4.54倍、5.52倍。根据调研可知，第4次监测与第5次监测期间，矿区并未进行大扰动作业，也无地震等特殊情况的发生；但通过气象资料可知，在这期间矿区降雨量相较于之前有明显的增加。将每次监测间隔期的降雨量与各监测点位移相对应，如图3所示。
由图3可知，第1次至第4次监测期间，降雨量较小，各个监测点水平位移累计值也较少。第4次至第5次监测期间，降雨量明显增加，各监测点水平位移累计值也发生突增。第5次至第6次监测期间，降雨量也相对较大，监测点1、监测点2、监测点3 的水平位移累积值也有所增大，但其增长速率相对于前一监测阶段有所降低，主要是因为这阶段的降雨量仅为前一阶段的一半。第7次监测至第9次监测，降雨量有所降低，则各监测点水平位移累计值变化也相对较小。后当降雨量增大时，各监测点水平位移累计值也有明显增大。监测点水平位移累计值变化规律和降雨量变化规律基本吻合，故可认为，降雨是引发各监测点水平位移突增的主要原因，极大的增加了边坡失稳的风险，故而需要对降雨作用下露天矿山边坡的失稳机理进行深入研究。
图3监测点水平位移与降雨量时变图
a—监测点1；b—监测点2；c—监测点3；d—监测点4
3 边坡土体性质研究
由上述可知，降雨是造成露天矿山边坡失稳的一个重要原因，但其影响程度的大小主要与土体本身的渗透性及抗剪强度有关。故需进行试验，以确定边坡表层土体渗透系数及其在干湿循环作用下抗剪强度。根据现场原位渗水试验获得渗透系数为8.4 cm/h。
判断土体在干湿循环作用下抗剪强度参数的变化，主要是通过直剪试验进行。取实际边坡表层土体，筛取2 mm以下的土颗粒进行重塑，设定初始含水率为12%。共进行56组不同条件的直剪试验，分别设置1.58 g/cm3和1.66 g/cm3的土样初始干密度，根据环刀体积计算所需土样质量，采用击实法制备环刀土样。将初始干密度相同的环刀土样分为4个一组，将其置于容器中，分别进行0~6次干湿循环，每次吸湿为24 h，过程如图4所示。采用鼓风的方式进行脱干，考虑当地雨季的实际气温，设置脱干稳定为35℃，在脱干过程中需时刻注意土样质量，当其与制样结束时的质量差距在1%内时，可认为脱干完成。
对上述干湿循环后的每组土体进行速率为0.8 mm/min，垂直压力分别为100 kPa、200 kPa、300 kPa、400 kPa的快剪试验；当剪切位移为6 mm时，可认为试验结束；根据直剪试验计算所得不同土样的抗剪强度如图5所示。
图4环刀土样吸湿示意图
图5干湿循环作用下土样抗剪强度变化曲线
a—初始干密度为1.58 g/cm3；b—初始干密度为1.66 g/cm3
由图5可知，当土样初始干密度和直剪垂直压力相同时，随着干湿循环次数的增加，土样的抗剪强度有明显的降低；初始时，抗剪强度降低速率较大，后逐渐减小。当土样干湿循环次数和直剪垂直压力相同时，土样干密度越大，则土样的抗剪强度越高。需要特别注意的是，在相同直剪垂直压力时，高初始干密度的土样在经过多次干湿循环作用后，其抗剪强度会比低初始干密度的土样经过较少次干湿循环作用后所得的抗剪强度低，即干湿循环造成土体抗剪强度的劣化作用比初始干密度的影响更大。
土体抗剪强度参数主要为黏聚力和摩擦角，为判断干湿循环对两者的劣化作用，将直剪试验结果进行线性拟合得到不同土样的黏聚力如图6a所示。以0次干湿循环时所得的土样黏聚力为基准，按照式（1）计算可得不同循环次数下土样的黏聚力劣化程度如图6b所示。
(1)
式（1）中，i=0，1，2，3，4，5，6。
图6干湿循环作用下土样黏聚力变化曲线
a—土样黏聚力值；b—土样黏聚力劣化程度
由图6a可知，当干湿循环次数相同时，初始干密度越大的土样其黏聚力更高；当土样初始干密度相同时，干湿循环次数越多则土样黏聚力越小；高次干湿循环的高初始干密度土样黏聚力比低次干湿循环的低初始干密度土样黏聚力小，即干湿循环对土样黏聚力的影响比初始干密度越大。由图6b可知，0~3次干湿循环时，土样黏聚力劣化速率较快；3~6次干湿循环时，土样黏聚力劣化速率较慢。以土样初始干密度1.58 g/cm3为例，0~3次干湿循环土样黏聚力劣化程度增大了约36%，而3~6次干湿循环土样黏聚力劣化程度仅增大了3.13%。当干湿循环次数相同时，土样初始干密度越小，其黏聚力劣化程度越高，即初始干密度越低的土样在干湿循环作用下黏聚力的劣化越明显。
将直剪试验结果进行线性拟合得到不同土样的摩擦角如图7a所示。以0次干湿循环时所得的土样摩擦角为基准，可得不同循环次数下土样的摩擦角劣化程度如图7b所示。劣化程度计算方法与上文一致。
图7干湿循环作用下土样摩擦角变化曲线
a—土样摩擦角值；b—土样摩擦角劣化程度
由图7a可知，当干湿循环次数相同时，初始干密度越大的土样其摩擦角越大；当土样初始干密度相同时，干湿循环次数越多则土样摩擦角越小；高次干湿循环的高初始干密度土样摩擦角比低次干湿循环的低初始干密度土样摩擦角小，即干湿循环对土样摩擦角的影响比初始干密度更大。由图7b可知，0~3次干湿循环时，土样摩擦角劣化速率较快；3~6次干湿循环时，土样摩擦角劣化速率较慢。以土样初始干密度1.58 g/cm3为例，0~3次干湿循环土样摩擦角劣化程度增大了约8.3%，而3~6次干湿循环土样摩擦角劣化程度仅增大了0.2%。不同初始干密度的土样，在相同干湿循环次数时，其摩擦角劣化程度相差较小。
4 失稳机理研究
4.1 模型分析
为进一步研究露天矿山边坡在降雨作用下的失稳机理，本文选用Geo-studio有限元软件，根据依托工程建立模型如图8所示，其中A、B、C为坡表监测点，D为内部监测点。设置模型左右边界为法向约束，模型下边界为全约束。通过上文可知，该工程所处区域地下水位较高，故设置其水位线如图中黑色虚线所示，水位线以下均为饱和土体。
土体均为摩尔库伦模型。其参数如表2所示，其中，土石混合体的黏聚力和摩擦角为上文初始干密度为1.58 g/cm3、干湿循环次数为0次时直剪试验结果。渗透系数由原位试验确定。根据当地气象资料可知，矿区出现存在大暴雨（24 h总降雨量为 120~250 mm）的可能性，故设置降雨工况为10 mm/ h，连续进行24 h。因降雨强度比坡表土体渗透系数小得多，故设置坡表为与雨强值相等的定流量边界；因基岩渗透系数较小，故设置底部为零流量边界。边坡设置为Fredlund模型，其水土特征曲线由软件Seep/W模块的粉质黏土样本函数拟合而成。
图8Geo-studio有限元模型
表2边坡土体参数
降雨12 h时，有限元模型监测点A的水平位移值为15.6 mm，而现场监测与监测点A位置相同处的监测点3，在第5次监测时水平位移增量为12.4 mm，因模拟雨量（120 mm）比实际雨量（110 mm）较大，故而模拟值略大于实测值是合理的，认为该模型可用。
提取各监测点水平位移随时间的变化曲线如图9a所示，由图可知，降雨开始后，监测点水平位移迅速增加；监测点A水平位移增加速率最大，主要是其正处于临空面处；监测点D水平位移增加速率最小，主要是其位于土体内部，受到土体的约束作用； 降雨结束后，监测点水平位移值变化较为平稳。
提取各监测点孔隙水压力随时间变化曲线如图9b所示，由图可知，监测点A、监测点B和监测点 C的孔隙水压压力变化特征基本一致，随着降雨的进行，其孔隙水压力不断上涨，初始上涨速率较大，后逐渐平稳。降雨结束后，3个监测点的孔隙水压力急速下降，初始下降速率较快，后逐渐减小。3个监测点在雨停之后孔隙水压力的差异，主要是因为其所处位置会造成不同程度的积水，故而导致其后续孔隙水压力变化不同。监测点D位于土体内部，因受雨水作用较小，故其孔隙水压力增长缓慢；停雨后很长一段时间，D点孔隙水压力依然在缓慢上涨，充分体现了雨停之后雨水在坡体内部的迁移作用。
图9监测点特征值时变曲线
a—监测点水平位移；b—监测点孔隙水压力
4.2 不同降雨作用的影响
在上述工况1的基础上，设置工况2降雨强度为5 mm/h，降雨时长为24 h，工况3降雨强度为10 mm/h，降雨时长为12 h。采用Geo-studio中的Slope/ W模块计算其在不同时间的安全系数，结果如图10所示。由图可知，降雨开始后，边坡安全系数迅速降低，存在极大的滑坡风险；降雨结束后，边坡安全系数仍处于较小值，主要是因为雨水在坡体内部的迁移作用；降雨结束一段时间后，边坡安全系数有些许增加，但仍然比未降雨时小，即降雨作用可能导致边坡土体抗剪强度劣化。
对比工况1与工况2可知，降雨时长相同时，降雨强度越大，边坡安全系数越低，下降速率也越快； 对比工况1与工况3可知，相同降雨强度，降雨时长越大，边坡安全系数越低；对比工况2与工况3可知，降雨总量一致时，短期强降雨对边坡稳定性的影响更大，工况3降雨结束时的安全系数略小于工况2雨停时，且经过12 h停滞期后，工况3边坡安全系数仍然比工况2雨刚停时的安全系数低，可见其不稳定状态持续时间相当长。
图10不同降雨作用下边坡安全系数变化曲线
4.3 干湿循环次数的影响
根据上文直剪试验结果，通过修改土石混合体的抗剪强度参数来模拟不同干湿循环次数下土体的劣化作用。而由前文可知，0~3次干湿循环对土体的劣化作用较为明显，故仅选取这4种工况，设置其降雨强度为10 mm/h，降雨时长为24 h，可得边坡安全系数变化曲线如图11所示。由图可知，当边坡土体未受到干湿循环作用时，边坡在降雨情况下的整体稳定性较高；而边坡土体受到干湿循环作用后，边坡安全系数有明显降低，在降雨时极易发生失稳破坏；经历3次干湿循环后的边坡，在未受到降雨作用时，其安全储备已经不足，安全系数在1以下，即边坡早已失稳破坏。
图11不同干湿循环次数时边坡安全系数变化曲线
5 结论
为研究露天矿山边坡失稳机理，本文对依托工程实际情况进行深入分析研究，认为该边坡为典型的基覆型边坡，上部为松散的土石混合堆积体，基岩内部含有丰富的地下水，总体稳定性较差。为进一步判断该边坡失稳原因，选取典型断面特征点进行水平位移监测试验，通过对比监测数据与降雨量的关系，可初步认为降雨会导致监测数值突增，即降雨是导致边坡失稳的一个重要原因。为进一步分析降雨作用下，露天矿山边坡的失稳机理，本文通过试验研究了边坡表层土体的饱和渗透系数和干湿循环下抗剪强度参数的劣化规律，选用Geo-studio 有限元软件研究不同降雨工况下，边坡安全系数的发展规律，得到如下结论：
（1）通过原位试验可得到边坡表层土体的饱和渗透系数为8.4 cm/h；土样受到干湿循环作用后，其抗剪强度会出现一定的劣化，对黏聚力劣化作用更为明显；0~3次干湿循环时，土样抗剪强度劣化速率较高，后再进行干湿循环时，土样抗剪强度劣化并不明显。
（2）通过对比相同监测点在类似降雨量下的水平位移值，可认为该有限元模型是可用的；降雨作用下，边坡各监测点水平位移后明显上升，降雨结束后，变化较为平稳；通过边坡内部监测点孔隙水压力变化可知，降雨停止后，雨水仍然在边坡内部迁移。
（3）通过对比不同降雨量和降雨时间的降雨工况可知，降雨时间越长，降雨量越大，则边坡稳定性越差；通过对比不同雨型的工况可知，短期强降雨更易造成边坡失稳破坏；通过对比不同干湿循环作用工况可知，干湿循环作用会导致边坡整体稳定储备不足，多次干湿循环作用使得边坡初始就处于不稳定状态。综合考虑经济因素和安全要求，对边坡中后部位进行削坡处理以提高边坡整体稳定性是较为合理的方式。本研究可为类似露天矿山边坡失稳机理研究及防治提供相应技术支撑，具有重要的工程意义。