《工程科学学报》：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

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 369. 由此可以说明，粒径分级使200m台阶高台阶 透系数的平均值来取值，200m台阶由于渗透系数 排土场形成明显的“水平分层”：小颗粒主要分布 相差较大，且粒径分级明显导致土体的力学参数 在排土场的上部，中等颗粒分布在排土场中部，大 也不相同，如果按均质土体来进行模拟误差太大， 块岩石主要停留在排土场的底部 所以需对200m台阶进行分层处理 2.3高台阶排土场现场渗透试验 2.4模型建立 高台阶排土场属于非均质多孔介质，其渗透 根据矿山原始地形图与现场勘查结果，在高 系数是由多种土体复合而成且很难在室内进行测 台阶排土场临空坡面选取了两条代表性剖面进行 定，故需在高台阶排土场的不同高度进行多组现 数值模拟分析，图4为高台阶排土场三维模型及 场渗透试验 剖面线具体位置. 结合现场试验条件，由于超长距离供水且供 水量较小，选用变水头渗透试验更为合理.试验的 具体步骤为：分别在223、239和200m台阶的上 部、中部和下部选择代表性场地开挖试坑，试坑尺 寸均为50cm×50cm×50cm.随后进行试水试验使 土体达到饱和，最后进行多次注水试验求取稳定 试验时的平均值.渗透系数的计算公式为： H K=0.05232n H2 (8) A t2-t1 式中：K为渗透系数，cms;t41、2为注水试验某一 Original form High dump1-1 profile2-2 profile 时刻的试验时间，min;H,、2为在试验时间为t1、 图4高台阶排土场三维模型及剖面线位置 h2时的试验水头，cm;r为套管内半径，cm;A为形 Fig.4 3D model and section line of the high dump 状系数，cm,其计算公式为： 为了更好的模拟排土场的水平分层，结合排 2πl 土场现场粒径调查结果，将排土场堆积散体材料 In 2 VKa/Kt A= (9) 自上而下分为4层，分别为爆堆散体（未分级废 石)、中密堆积料上部、稍密堆积料中部、松散堆 式中：K为水平渗透系数；K,为垂直渗透系数； 积料下部见图5和6.本文通过高台阶排土场现场 I为试验段进入水的深度.计算所得的渗透系数见 采用的图像法与直接测量法综合比较选取37°作 表1 为模型中的边坡角.排土场底部岩石较坚硬且透 表1高台阶排土场渗透系数计算结果 水性差，且排土场属于高台阶排土场，短时强降雨 Table 1 Permeability coefficient of the high dump 到达不了初始地下水位线处，对渗流模拟影响很 Testing position Permeability coefficient/(cm's) 小，故初始地下水可简化为按水平处理四，取实测 Step 239 m 3.51×103 地下水位标高76.64m.本文选取最大台阶高度为 Step 223 m 3.49×103 110m的排土场边坡作为此次研究对象 Top of the step 200 m 2.50×103 本次数值分析采用的土性参数指标见表2.表 Middle of the step 200 m 4.70×10-3 中计算参数是基于室内大型直剪试验、室内大型 Bottom of the step 200 m 5.00×10-3 三轴试验和现场渗透试验等得到的试验结果，并 综合考虑相关排土场粗粒料的抗剪强度参数和渗 依据试验结果可以看出，在200m台阶以上由 透系数经验值2综合考虑确定的. 于土体颗粒分级不明显，所得的渗透系数相差几 通过Fredlund和Xing和粒径数据估计方法， 乎很小；在200m台阶排土场由于散体颗粒的粒径 将饱和渗透系数和体积含水量函数进行拟合，获 分级特征明显，台阶上部主要为细小颗粒，台阶中 取了高台阶排土场的渗透系数曲线和土水特征曲 部多为中等块度颗粒，台阶下部主要为粗大颗粒， 线关系图，见图7和8.由图可知，堆积料下部的体 其对应的土体渗透系数也由小变大发展.故200m 积水含量与渗透系数最大，爆堆散体、堆积料中部 台阶以上渗透系数可按223m台阶、239m台阶渗 相对较小，堆积料上部最小

由此可以说明，粒径分级使 200 m 台阶高台阶 排土场形成明显的“水平分层”：小颗粒主要分布 在排土场的上部，中等颗粒分布在排土场中部，大 块岩石主要停留在排土场的底部. 2.3    高台阶排土场现场渗透试验 高台阶排土场属于非均质多孔介质，其渗透 系数是由多种土体复合而成且很难在室内进行测 定，故需在高台阶排土场的不同高度进行多组现 场渗透试验. 结合现场试验条件，由于超长距离供水且供 水量较小，选用变水头渗透试验更为合理. 试验的 具体步骤为：分别在 223、239 和 200 m 台阶的上 部、中部和下部选择代表性场地开挖试坑，试坑尺 寸均为 50 cm×50 cm×50 cm. 随后进行试水试验使 土体达到饱和，最后进行多次注水试验求取稳定 试验时的平均值. 渗透系数的计算公式为： K = 0.0523r 2 A · ln H1 H2 t2 −t1 （8） 式中：K 为渗透系数，cm·s–1 ；t1、t2 为注水试验某一 时刻的试验时间，min；H1、H2 为在试验时间为 t1、 t2 时的试验水头，cm；r 为套管内半径，cm；A 为形 状系数，cm，其计算公式为： A = 2πl ln 2 √ Kh/Kvl r （9） 式中：Kh 为水平渗透系数；Kv 为垂直渗透系数； l 为试验段进入水的深度. 计算所得的渗透系数见 表 1. 表 1 高台阶排土场渗透系数计算结果 Table 1   Permeability coefficient of the high dump Testing position Permeability coefficient/(cm·s−1) Step 239 m 3.51 × 10−3 Step 223 m 3.49 × 10−3 Top of the step 200 m 2.50 × 10−3 Middle of the step 200 m 4.70 × 10−3 Bottom of the step 200 m 5.00 × 10−3 依据试验结果可以看出，在 200 m 台阶以上由 于土体颗粒分级不明显，所得的渗透系数相差几 乎很小；在 200 m 台阶排土场由于散体颗粒的粒径 分级特征明显，台阶上部主要为细小颗粒，台阶中 部多为中等块度颗粒，台阶下部主要为粗大颗粒， 其对应的土体渗透系数也由小变大发展. 故 200 m 台阶以上渗透系数可按 223 m 台阶、239 m 台阶渗 透系数的平均值来取值，200 m 台阶由于渗透系数 相差较大，且粒径分级明显导致土体的力学参数 也不相同，如果按均质土体来进行模拟误差太大， 所以需对 200 m 台阶进行分层处理. 2.4    模型建立 根据矿山原始地形图与现场勘查结果，在高 台阶排土场临空坡面选取了两条代表性剖面进行 数值模拟分析，图 4 为高台阶排土场三维模型及 剖面线具体位置. Original form High dump 1-1 profile 2-2 profile 图 4    高台阶排土场三维模型及剖面线位置 Fig.4    3D model and section line of the high dump 为了更好的模拟排土场的水平分层，结合排 土场现场粒径调查结果，将排土场堆积散体材料 自上而下分为 4 层，分别为爆堆散体（未分级废 石）、中密堆积料上部、稍密堆积料中部、松散堆 积料下部见图 5 和 6. 本文通过高台阶排土场现场 采用的图像法与直接测量法综合比较选取 37°作 为模型中的边坡角. 排土场底部岩石较坚硬且透 水性差，且排土场属于高台阶排土场，短时强降雨 到达不了初始地下水位线处，对渗流模拟影响很 小，故初始地下水可简化为按水平处理[1] ，取实测 地下水位标高 76.64 m. 本文选取最大台阶高度为 110 m 的排土场边坡作为此次研究对象. 本次数值分析采用的土性参数指标见表 2. 表 中计算参数是基于室内大型直剪试验、室内大型 三轴试验和现场渗透试验等得到的试验结果，并 综合考虑相关排土场粗粒料的抗剪强度参数和渗 透系数经验值[29−37] 综合考虑确定的. 通过 Fredlund 和 Xing 和粒径数据估计方法， 将饱和渗透系数和体积含水量函数进行拟合，获 取了高台阶排土场的渗透系数曲线和土水特征曲 线关系图，见图 7 和 8. 由图可知，堆积料下部的体 积水含量与渗透系数最大，爆堆散体、堆积料中部 相对较小，堆积料上部最小. 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 · 369 ·

370 工程科学学报，第43卷，第3期 250 Unclassified waste rock 200 Top of the packing material Middle 150 Weathered layer Bottom Initial groundwater level 100 Bedrock 50 98032 图51-1计算剖面图（单位：m) Fig.5 Sectional drawing of the 1-1 profile (Unit:m) 250 200 Unclassified waste rock Weathered layer Top of the packing material Middle 100 Bottom Initial groundwater level 50 Bedrock 1073.8 图62-2计算剖面图（单位：m) Fig.6 Sectional drawing of a 2-2 profile (Unit:m) 表2高台阶排土场岩土力学参数 Table 2 Mechanical parameters of the high dump Natural unit weight, Saturated unit weight, Cohesion, Permeability Rock-soil layer Water-bearing Intemal friction angle, y/(kN.m) 7kN-m) condition C/kPa coefficient,/m's) Unclassified waste Saturated 42.4 30.3 19.20 20.50 3.50×10-3 rock Natural 63.0 35.6 Top of the packing Saturated 31.7 27.8 18.60 19.70 2.50×103 material Natural 55.0 33.0 Middle of the packing Saturated 39.0 27.0 19.40 20.70 4.70×103 material Natural 65.0 36.0 Bottom of the packing Saturated 44.7 32.3 19.80 21.00 5.00×103 material Natural 68.0 372 Weathered layer 20.00 21.50 Saturated 55.0 31.7 5.20×10-7 Bedrock 23.50 24.50 Natural 350.0 40.0 1.20×10- 10r 0.40 Estimation method of Fredlund-Xing 0.38--- -0 0.36 o. 10- 0.32 Estimation method of particle diameters 0.30 Bottom of the packing material 0 106 -Unclassified waste rock 0.28 Bottom of the packing material -Middle of the packing material -o-Unclassitied waste rock Top of the packing material 0.26 Middle of the packing material 000… Top of the packing material 10 102 101 10 101 102 103 102 10 10° 10 102 103 Pore water pressure/kPa Pore water pressure/kPa 图7渗透系数曲线 图8土水特征曲线 Fig.7 Permeability coefficient curves Fig.8 Soil-water characteristic curves

10−2 10−1 100 101 102 103 Pore water pressure/kPa 0.26 0.28 0.30 0.32 0.34 0.36 0.38 0.40 Volumetric water content/(m·s−1 ) Bottom of the packing material Unclassified waste rock Middle of the packing material Top of the packing material Estimation method of particle diameters 图 8    土水特征曲线 Fig.8    Soil–water characteristic curves 表 2 高台阶排土场岩土力学参数 Table 2 Mechanical parameters of the high dump Rock–soil layer Natural unit weight, γ/(kN·m−3) Saturated unit weight, γs/(kN·m−3) Water-bearing condition Cohesion, C/kPa Internal friction angle, Φ/(º) Permeability coefficient, k/(m·s−1) Unclassified waste rock 19.20 20.50 Saturated 42.4 30.3 3.50 × 10−3 Natural 63.0 35.6 Top of the packing material 18.60 19.70 Saturated 31.7 27.8 2.50 × 10−3 Natural 55.0 33.0 Middle of the packing material 19.40 20.70 Saturated 39.0 27.0 4.70 × 10−3 Natural 65.0 36.0 Bottom of the packing material 19.80 21.00 Saturated 44.7 32.3 5.00 × 10−3 Natural 68.0 37.2 Weathered layer 20.00 21.50 Saturated 55.0 31.7 5.20 × 10−7 Bedrock 23.50 24.50 Natural 350.0 40.0 1.20 × 10−8 980.52 0 50 100 150 200 250 90 76.64 200 250 Weathered layer Top of the packing material Unclassified waste rock Initial groundwater level Middle Bottom Bedrock 图 5    1-1 计算剖面图 (单位：m) Fig.5    Sectional drawing of the 1-1 profile (Unit: m) 1073.8 0 50 100 150 200 250 76.64 223 250 Weathered layer Top of the packing material Unclassified waste rock Initial groundwater level Middle Bottom Bedrock 图 6    2-2 计算剖面图 (单位：m) Fig.6    Sectional drawing of a 2-2 profile (Unit: m) 10−2 10−1 100 101 102 103 10−7 10−6 10−5 10−4 10−3 10−2 Permeability coefficient/(m·s−1 ) Pore water pressure/kPa Bottom of the packing material Unclassified waste rock Middle of the packing material Top of the packing material Estimation method of Fredlund−Xing 图 7    渗透系数曲线 Fig.7    Permeability coefficient curves · 370 · 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 371 3模型边界及初始条件 100 Without considering pore air pressure 90 o-Considering pore air pressure (1)模型边界条件：底部设为不透水、不透气边 界，土层表面设置进气值1.8kPa24,模型两侧在初 始地下水位以上设为零流量边界条件，以下设为 60 50 定水头边界条件，水头值等于初始地下水位76.64m. 40 =0h (2)模拟的降雨：根据该地区多年降雨实测资 30 =6h =12h 料，选取最大昼夜降雨量311.7mmd1作为降雨强 20 18h 度，降雨工况设计见表3，降雨时间取6,12,18， 10 -24h =30h 24和30h -250 -200 -150.-100-50 0 表3降雨工况设计 Pore water pressure/kPa Table 3 Design of the rainfall condition 图10强降雨条件下不同时段孔隙水压力分布情况 Rainfall Rainfall intensity/Duration/ Total precipitation/ Fig.10 Distribution of pore water pressure indifferent periods condition (mm'd) h mm 由图9可知，在不考虑孔隙气压时，在降雨入渗 6 77.925 12 155.850 前期(0h≤K3h)由于高台阶排土场土体干燥导致 Rainstorm 311.7 出 233.775 其基质吸力梯度大，湿润锋下移较快，随着降雨持 24 311.700 续其成线性增加：在降雨人渗中期(3h≤<9h),主 30 389.625 要受土体自身人渗能力的影响，高台阶排土场入渗速 率逐渐减小呈稳定趋势，随着降雨时间的增长，湿润 (3)初始条件：土层负孔隙水压力由郑开欢等四 锋呈一定的非线性：在降雨入渗后期(9h≤1≤30h)当 推导的土体天然含水率、天然重度与天然体积含 湿润锋到达堆积料中部时（仁9），土体力学参数变 水量的换算公式，结合土-水特征曲线确定排土场 大使入渗速率加快，湿润锋下移变快；当湿润锋到达 边坡初始基质吸力为208kPa,孔隙气压力为大气 堆积料下部时（仁21h),土体力学参数继续增大导 压力等于0kPa 致入渗速率更快，较之前相比湿润锋深度下移更快 4计算结果分析 当考虑孔隙气压时，在降雨入渗初期(0h≤<3h), 由于高台阶排土场边坡表层饱和度较小且渗透系 4.1边坡渗流分析 数较大，气体可沿孔隙从排土场表层溢出，此时孔 通过对高台阶排土场1-1剖面进行历时30h 隙气压力近似等于大气压力，对排土场边坡影响 强降雨数值模拟，获得了1-1剖面入渗过程中湿润 很小，几乎可以忽略；但随着降雨入渗湿润锋不断 锋深度随降雨时长的变化规律和强降雨工况孔隙 下移(3h≤KI1h),孔隙的气体被不断压缩无法沿 水压的分布结果.由图9和10可以看出相同时间 土层表面溢出，使得孔隙气压力迅速增大，雨水入 考虑孔隙气压力的高台阶排土场湿润锋下移速度 渗速率降低，湿润锋下移速度变缓：随后孔隙气压 变慢、对应的孔隙水压力上升也相对变缓 力不断地排出与压缩会大致恒定在什H。,湿润锋 90 -o-Without considering pore air pressure 呈线性增加：当湿润锋到达堆积料中部时(=11h), 80 Considering pore air pressure 由于高台阶排土场力学参数的改变，破坏了孔隙 70 Bottom of the ipacking material 气压原有的平衡状态，孔隙气压在原有基础上将 60 会迅速增大直至达到新的恒定值H+H1,湿润锋 较之前相比下降变缓；当湿润锋到达堆积料下部 40 Middle of the packing material 时(=24h),孔隙气压将会在原基础上继续增大直 30 20 至达到新的恒定值H+H2,湿润锋下降速度更慢 Top of the 与不考虑孔隙气压相比较，考虑孔隙气压力时高 packing material 台阶排土场湿润锋下移变慢，有着明显的延时作 6 912151821242730 Rainfall duration,t/h 用，对雨水入渗有很大的阻碍 图9湿润锋时程曲线 另一方面，由图10可知，在强降雨工况下，随 Fig.9 Wetting front time curves 着雨水入渗湿润锋不断下移，高台阶排土场土体

3    模型边界及初始条件 （1）模型边界条件：底部设为不透水、不透气边 界，土层表面设置进气值 1.8 kPa[24] ，模型两侧在初 始地下水位以上设为零流量边界条件，以下设为 定水头边界条件，水头值等于初始地下水位 76.64 m. （2）模拟的降雨：根据该地区多年降雨实测资 料，选取最大昼夜降雨量 311.7 mm·d–1 作为降雨强 度 ，降雨工况设计见表 3，降雨时间取 6， 12， 18， 24 和 30 h. 表 3 降雨工况设计 Table 3   Design of the rainfall condition Rainfall condition Rainfall intensity/ (mm·d−1) Duration/ h Total precipitation/ mm Rainstorm 311.7 6 77.925 12 155.850 18 233.775 24 311.700 30 389.625 （3）初始条件：土层负孔隙水压力由郑开欢等[1] 推导的土体天然含水率、天然重度与天然体积含 水量的换算公式，结合土–水特征曲线确定排土场 边坡初始基质吸力为 208 kPa，孔隙气压力为大气 压力等于 0 kPa. 4    计算结果分析 4.1    边坡渗流分析 通过对高台阶排土场 1-1 剖面进行历时 30 h 强降雨数值模拟，获得了 1-1 剖面入渗过程中湿润 锋深度随降雨时长的变化规律和强降雨工况孔隙 水压的分布结果. 由图 9 和 10 可以看出相同时间 考虑孔隙气压力的高台阶排土场湿润锋下移速度 变慢、对应的孔隙水压力上升也相对变缓. 0 3 6 9 12 15 18 21 24 27 30 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 Wetting front, z/m Rainfall duration, t/h Without considering pore air pressure Considering pore air pressure Middle of the packing material Bottom of the packing material Top of the packing material Initial rainfall stage 图 9    湿润锋时程曲线 Fig.9    Wetting front time curves −250 −200 −150 −100 −50 0 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Considering pore air pressure Without considering pore air pressure Height/m Pore water pressure/kPa t=0 h t=6 h t=12 h t=18 h t=24 h t=30 h 图 10    强降雨条件下不同时段孔隙水压力分布情况 Fig.10    Distribution of pore water pressure indifferent periods 由图 9 可知，在不考虑孔隙气压时，在降雨入渗 前期（0 h≤t<3 h）由于高台阶排土场土体干燥导致 其基质吸力梯度大，湿润锋下移较快，随着降雨持 续其成线性增加；在降雨入渗中期（3 h≤t<9 h），主 要受土体自身入渗能力的影响，高台阶排土场入渗速 率逐渐减小呈稳定趋势，随着降雨时间的增长，湿润 锋呈一定的非线性；在降雨入渗后期（9 h≤t≤30 h）当 湿润锋到达堆积料中部时（t=9 h），土体力学参数变 大使入渗速率加快，湿润锋下移变快；当湿润锋到达 堆积料下部时（t=21 h），土体力学参数继续增大导 致入渗速率更快，较之前相比湿润锋深度下移更快. 当考虑孔隙气压时，在降雨入渗初期（0 h≤t<3 h）， 由于高台阶排土场边坡表层饱和度较小且渗透系 数较大，气体可沿孔隙从排土场表层溢出，此时孔 隙气压力近似等于大气压力，对排土场边坡影响 很小，几乎可以忽略；但随着降雨入渗湿润锋不断 下移（3 h≤t<11 h），孔隙的气体被不断压缩无法沿 土层表面溢出，使得孔隙气压力迅速增大，雨水入 渗速率降低，湿润锋下移速度变缓；随后孔隙气压 力不断地排出与压缩会大致恒定在 H+Hc，湿润锋 呈线性增加；当湿润锋到达堆积料中部时（t=11 h）， 由于高台阶排土场力学参数的改变，破坏了孔隙 气压原有的平衡状态，孔隙气压在原有基础上将 会迅速增大直至达到新的恒定值 H1+Hc1，湿润锋 较之前相比下降变缓；当湿润锋到达堆积料下部 时（t=24 h），孔隙气压将会在原基础上继续增大直 至达到新的恒定值 H2+Hc2，湿润锋下降速度更慢. 与不考虑孔隙气压相比较，考虑孔隙气压力时高 台阶排土场湿润锋下移变慢，有着明显的延时作 用，对雨水入渗有很大的阻碍. 另一方面，由图 10 可知，在强降雨工况下，随 着雨水入渗湿润锋不断下移，高台阶排土场土体 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 · 371 ·

372 工程科学学报，第43卷，第3期 逐渐接近饱和状态，孔隙水压持续增长，导致基质 部时(=21h),土体渗透系数继续增大人渗速率更快， 吸力逐渐减小，抗剪强度逐渐减弱，下滑力不断增 较之前相比高台阶排土场安全系数的降低加快 大，使高台阶排土场逐渐失稳；考虑孔隙气压力对 2.2 高台阶排土场入渗的影响时，由于孔隙气压对湿 --Considering pore air pressure 1.8 .Without considering pore air pressure 润锋的延时作用，使得孔隙水压上升变缓，当湿润 2.0 锋下移至高台阶排土场分层临界面时，由于孔隙 1.8 气压的变化导致湿润锋下移变慢，孔隙水压较之 16 前相比上升也变缓，但整体趋势没有改变 16 4.2边坡稳定性分析 .4 1-1 profile 1.4 通过高台阶排土场两个典型剖面的稳定性数 Initial 0 06b-t 值分析，获得了强降雨条件下考虑孔隙气压与不 1.3 rainfall stage 12 考虑孔隙气压作用的高台阶排土场的边坡稳定性 2-2 profile 0 3 6 912151821242730 系数如表4所示 Rainfall duration,t/h 表4高台阶排土场安全系数计算结果 图11降雨时长与安全系数的关系 Fig.11 Relationship between rainfall duration and safety factor Table 4 Safety factor of the high dump Safety factor 1.9 2.2 --Without considering pore air pressure Influence -o-Considering pore air pressure Profile Duration of Without 1.8 rainfall/h Considering degree of pore 2.0 considering pore air pore air air pressure/ 1.7 pressure pressure m 1.8” 0 1.815 1.815 0 1.6 、 Middle of the Bottom of the packing 1.638 1.656 1.06 packing material 1.6 material 6 1.545 1.600 3.44 1.4 1-1 profile. 14 1-1 profile 1.426 1.486 4.01 3 Top of the packing. 8 1.364 1.425 4.26 material 1.2 2-2 profile 3 1.343 1.377 2.45 1.2 0 10 20304050 607080 30 1.339 1.355 1.20 Wetting front,=/m 因12湿润锋与安全系数的关系 0 1.789 1.789 0 Fig.12 Relationship between wetting front and safety factor 3 1.581 1.597 1.00 6 1.464 1.525 3.98 在考虑孔隙气压力的情况下，在降雨入渗初 2-2 profile 1.309 1.384 5.42 期(0h≤K3h),由于高台阶排土场内的孔隙气压 8 1.253 力近似等于大气压力，对高台阶排土场的稳定性 1.302 4.76 品 1.210 1.245 2.81 影响较小：随着降雨入渗(3h≤K11h)孔隙气压力 30 1.194 迅速增大使得雨水入渗降低，湿润锋下移深度变 1.218 1.98 缓，对安全系数的降低有延时效应：孔隙气压力不 同时，此处还对高台阶排土场降雨各个时段 断地排出与压缩会基本恒定在H+H,其对高台阶 考虑孔隙气压力与不考虑气压力的稳定性系数进 排土场稳定性的延时效应会随着雨水入渗而增 行了对比分析，探讨了降雨时长、湿润锋与高台阶 加：当湿润锋到达高台阶排土场分层临界面时 排土场安全系数的变化规律.由图11和12可知， (=11h、=24h),孔隙气压原有的平衡状态被破 在不考虑孔隙气压力的情况下，强降雨入渗导致 坏，在原有基础上孔隙气压会继续增大直至达到 高台阶排土场含水量增大，基质吸力迅速降低，出 新的平衡，对高台阶排土场稳定性的影响与之前 现暂态饱和区，使得土体下滑力增加，弱化了土体 相比更加显著.另一方面，在湿润锋到达相同深度 强度参数引起了非饱和土的抗剪强度减弱，边坡 时，考虑孔隙气压力的排土场稳定性安全系数小 安全系数下降，且当湿润锋到达堆积料中部时 于不考虑孔隙气压力的安全系数，说明孔隙气压 (=9h),土体渗透系数变大导致入渗速率加快，使 力降低了高台阶排土场的安全系数，需把孔隙气 得安全系数的降低变快：当湿润锋到达堆积料下 压力当成影响其稳定性的一项重要因素

逐渐接近饱和状态，孔隙水压持续增长，导致基质 吸力逐渐减小，抗剪强度逐渐减弱，下滑力不断增 大，使高台阶排土场逐渐失稳；考虑孔隙气压力对 高台阶排土场入渗的影响时，由于孔隙气压对湿 润锋的延时作用，使得孔隙水压上升变缓，当湿润 锋下移至高台阶排土场分层临界面时，由于孔隙 气压的变化导致湿润锋下移变慢，孔隙水压较之 前相比上升也变缓，但整体趋势没有改变. 4.2    边坡稳定性分析 通过高台阶排土场两个典型剖面的稳定性数 值分析，获得了强降雨条件下考虑孔隙气压与不 考虑孔隙气压作用的高台阶排土场的边坡稳定性 系数如表 4 所示. 表 4 高台阶排土场安全系数计算结果 Table 4   Safety factor of the high dump Profile Duration of rainfall/h Safety factor Influence degree of pore air pressure/% Without considering pore air pressure Considering pore air pressure 1-1 profile 0 1.815 1.815 0 3 1.638 1.656 1.06 6 1.545 1.600 3.44 12 1.426 1.486 4.01 18 1.364 1.425 4.26 24 1.343 1.377 2.45 30 1.339 1.355 1.20 2-2 profile 0 1.789 1.789 0 3 1.581 1.597 1.00 6 1.464 1.525 3.98 12 1.309 1.384 5.42 18 1.253 1.302 4.76 24 1.210 1.245 2.81 30 1.194 1.218 1.98 同时，此处还对高台阶排土场降雨各个时段 考虑孔隙气压力与不考虑气压力的稳定性系数进 行了对比分析，探讨了降雨时长、湿润锋与高台阶 排土场安全系数的变化规律. 由图 11 和 12 可知， 在不考虑孔隙气压力的情况下，强降雨入渗导致 高台阶排土场含水量增大，基质吸力迅速降低，出 现暂态饱和区，使得土体下滑力增加，弱化了土体 强度参数引起了非饱和土的抗剪强度减弱，边坡 安全系数下降. 且当湿润锋到达堆积料中部时 （t=9 h），土体渗透系数变大导致入渗速率加快，使 得安全系数的降低变快；当湿润锋到达堆积料下 部时（t=21 h），土体渗透系数继续增大入渗速率更快， 较之前相比高台阶排土场安全系数的降低加快. 0 3 6 9 12 15 18 21 24 27 30 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8 1.9 Safety factor, Fs Safety factor, Fs Rainfall duration, t/h Considering pore air pressure Without considering pore air pressure Initial rainfall stage 1-1 profile 2-2 profile 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0 2.2 图 11    降雨时长与安全系数的关系 Fig.11    Relationship between rainfall duration and safety factor Without considering pore air pressure Considering pore air pressure 0 10 20 30 40 50 60 70 80 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8 1.9 2-2 profile 1-1 profile Safety factor, Fs Safety factor, Fs Wetting front, z/m Top of the packing material Middle of the packing material Bottom of the packing material 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0 2.2 图 12    湿润锋与安全系数的关系 Fig.12    Relationship between wetting front and safety factor 在考虑孔隙气压力的情况下，在降雨入渗初 期（0 h≤t<3 h），由于高台阶排土场内的孔隙气压 力近似等于大气压力，对高台阶排土场的稳定性 影响较小；随着降雨入渗（3 h≤t<11 h）孔隙气压力 迅速增大使得雨水入渗降低，湿润锋下移深度变 缓，对安全系数的降低有延时效应；孔隙气压力不 断地排出与压缩会基本恒定在 H+Hc，其对高台阶 排土场稳定性的延时效应会随着雨水入渗而增 加；当湿润锋到达高台阶排土场分层临界面时 （t=11 h、t=24 h），孔隙气压原有的平衡状态被破 坏，在原有基础上孔隙气压会继续增大直至达到 新的平衡，对高台阶排土场稳定性的影响与之前 相比更加显著. 另一方面，在湿润锋到达相同深度 时，考虑孔隙气压力的排土场稳定性安全系数小 于不考虑孔隙气压力的安全系数，说明孔隙气压 力降低了高台阶排土场的安全系数，需把孔隙气 压力当成影响其稳定性的一项重要因素. · 372 · 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 373· 5结论 某特定的高台阶排土场开展了有限研究，但在不 同土性、不同堆排工艺、不同地形条件下的排土 (1)高台阶排土场现场调查与渗透试验结果 场产生的孔隙气压、入渗规律和边坡稳定也不相 表明：对于“一坡到底”的高台阶排土场具有明显 同，且在降雨后孔隙气压的变化规律尚不明确，故 的粒径分级现象，即细小颗粒主要分布在排土场 还需开展进一步的系统深入研究 上部，中部主要为中等块度颗粒，下部多为粗大颗 粒.高台阶排土场的明显粒径分级现象会对强降 参考文献 雨条件下堆积体内的孔隙气压产生影响，从而影 [1]Zheng K H,Luo Z Q,Luo C Y,et al.Layered gravel soil slope 响高台阶排土场边坡的安全稳定性 stability of a waste dump considering long-term hard rain.ChinJ (2)强降雨作用下的排土场孔隙气压分析结 Eg,2016,38(9):1204 果表明：强降雨初期，降雨入渗对孔隙气压的影响 (郑开欢，罗周全，罗成彦，等.持续暴雨作用下排土场层状碎石 较小，其对高台阶排土场稳定性不产生直接影响： 土边坡稳定性.工程科学学报，2016,38(9)：1204) 但随着降雨的持续，孔隙气压作用开始显现，使得 [2 Su Y H,Li CC.Slope stability analysis based on Green-Ampt 高台阶排土场的入渗速率降低，湿润锋下移速度 infiltration model under intermittent heavy rainfall.J Hunan Univ 变慢，孔隙水压上升变缓，强降雨对高台阶排土场 Nat Sci,2020,47(3):28 稳定性的影响也出现一定延时：在降雨入渗中期， (苏永华，李减诚.间歇性强降雨下基于Geen-Ampt人渗模型的 孔隙气压将保持恒定，延时效应会随入渗深度的 边坡稳定性分析.湖南大学学报（自然科学版），2020,47(3)：28) 增加而增强：在降雨入渗后期，当雨水入渗下移至 [3] Wang G J,Tian S,Hu B,et al.An experimental study on tailings 分层临界面时，孔隙气压的变化会对高台阶排土 deposition characteristics and variation of tailings dam saturation 场的影响会加剧：在湿润锋下移至相同深度时，孔 line.Geomech Eng,2020,23(1):85 [4] Wang S H,He J,Yang T J.Numerical Analysis on stability of 隙气压作用下的高台阶排土场安全系数明显降 slope considering rainfall infiltration.J Northeast Uniy (Nat Sci), 低.由此可知，强降雨入渗作用下的孔隙气压会对 2018.39(8):1196 高台阶排土场的稳定性产生直接影响 (王述红，何坚，杨天娇.考虑降雨入渗的边坡稳定性数值分析 (3)分层（土层性质突变）会对孔隙气压产生 东北大学学报（自然科学版），2018,39(8)：1196) 直接影响.即当降雨入渗到堆积料中分层位置时， [5]Hu Q G,Yuan N,Liu D S,et al.Analysis of rainfall infiltration 土体力学参数的增大破坏了原孔隙气压平衡，导 process and stability of soil slop with multilayer structure.China 致其不再保持恒定，孔隙气压在原基础上不断地 High Transp,2018,31(2):67 排出与压缩且迅速增大，当达到H+H1后孔隙气 (胡庆国，袁宁，刘登生，等.多层结构土质边坡降雨入渗过程及 压不再改变，湿润锋下移变慢，孔隙水压上升变 稳定性影响分析.中国公路学报，2018,31(2)：67) 缓，对高台阶排土场稳定性的影响也更加显著：当 [6]Kong Y F,Song E X,Yang J,et al.Rainfall's effect on the 降雨入渗到达堆积料下分层位置时，土体力学参 stability of unsaturated slopes.J Civil Architect Emviron Eng, 数继续增大，孔隙气压从H+H!迅速增大至新的 2013,35(6):16 恒定值H+H2后保持不变，对湿润锋、孔隙水压 (孔郁斐，宋二祥，杨军，等.降雨人渗对非饱和土边坡稳定性的 和排土场稳定性的影响更显著.引入孔隙气压并 影响.土木建筑与环境工程，2013.35(6)：16) 考虑水平分层（土层性质突变）所产生的影响能更 [7] Wang L.Research on the Key Technique of Stability and Safety 准确获取高台阶排土场湿润锋、孔隙水压和边坡 Control of the Large Dump in Open-Pit Mine[Dissertation]. Beijing:University of Science and Technology Beijing,2015 安全系数等相关参数，可以显著提高计算的排土 (王莉.露天矿大型排土场稳定性及安全控制关键技术研究学 场边坡安全系数的可靠性 位论文1.北京：北京科技大学，2015) 强降雨条件下的孔隙气压会对高台阶排土场 [8]Huang G H.Stability analysis of waste dump with complex terrain 边坡产生直接影响，其也是分析强降雨条件下高 under heavy rainfall infiltration.Chin J Geotech Eng,2013, 台阶排土场稳定性的重要考量因素，即考虑孔隙 35(Suppl 2):292 气压作用下的排土场安全稳定性更接近于实际工 (黄刚海.强降雨入渗下复杂地形排土场稳定性分析.岩土工程 程的情况.因此，考虑强降雨条件下孔隙气压对高 学报，2013,35（增刊2）：292) 台阶排土场边坡稳定性的作用具有重要意义.尽 [9]Wang G J,Gao Y W,Tang Y J.Research on the mechanism for 管如此，由于时间和条件的限制，本文仅针对江西 chemical clogging and its effect on the stability of tailing dam

5    结论 （1）高台阶排土场现场调查与渗透试验结果 表明：对于“一坡到底”的高台阶排土场具有明显 的粒径分级现象，即细小颗粒主要分布在排土场 上部，中部主要为中等块度颗粒，下部多为粗大颗 粒. 高台阶排土场的明显粒径分级现象会对强降 雨条件下堆积体内的孔隙气压产生影响，从而影 响高台阶排土场边坡的安全稳定性. （2）强降雨作用下的排土场孔隙气压分析结 果表明：强降雨初期，降雨入渗对孔隙气压的影响 较小，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，当雨水入渗下移至 分层临界面时，孔隙气压的变化会对高台阶排土 场的影响会加剧；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. 由此可知，强降雨入渗作用下的孔隙气压会对 高台阶排土场的稳定性产生直接影响. （3）分层（土层性质突变）会对孔隙气压产生 直接影响. 即当降雨入渗到堆积料中分层位置时， 土体力学参数的增大破坏了原孔隙气压平衡，导 致其不再保持恒定，孔隙气压在原基础上不断地 排出与压缩且迅速增大，当达到 H1+Hc1 后孔隙气 压不再改变，湿润锋下移变慢，孔隙水压上升变 缓，对高台阶排土场稳定性的影响也更加显著；当 降雨入渗到达堆积料下分层位置时，土体力学参 数继续增大，孔隙气压从 H1+Hc1 迅速增大至新的 恒定值 H2+Hc2 后保持不变，对湿润锋、孔隙水压 和排土场稳定性的影响更显著. 引入孔隙气压并 考虑水平分层（土层性质突变）所产生的影响能更 准确获取高台阶排土场湿润锋、孔隙水压和边坡 安全系数等相关参数，可以显著提高计算的排土 场边坡安全系数的可靠性. 强降雨条件下的孔隙气压会对高台阶排土场 边坡产生直接影响，其也是分析强降雨条件下高 台阶排土场稳定性的重要考量因素，即考虑孔隙 气压作用下的排土场安全稳定性更接近于实际工 程的情况. 因此，考虑强降雨条件下孔隙气压对高 台阶排土场边坡稳定性的作用具有重要意义. 尽 管如此，由于时间和条件的限制，本文仅针对江西 某特定的高台阶排土场开展了有限研究，但在不 同土性、不同堆排工艺、不同地形条件下的排土 场产生的孔隙气压、入渗规律和边坡稳定也不相 同，且在降雨后孔隙气压的变化规律尚不明确，故 还需开展进一步的系统深入研究. 参    考    文    献 Zheng  K  H,  Luo  Z  Q,  Luo  C  Y,  et  al.  Layered  gravel  soil  slope stability of a waste dump considering long-term hard rain. Chin J Eng, 2016, 38（9）: 1204 （郑开欢, 罗周全, 罗成彦, 等. 持续暴雨作用下排土场层状碎石 土边坡稳定性. 工程科学学报, 2016, 38（9）：1204） [1] Su  Y  H,  Li  C  C.  Slope  stability  analysis  based  on  Green-Ampt infiltration model under intermittent heavy rainfall. J Hunan Univ (Nat Sci), 2020, 47（3）: 28 （苏永华, 李诚诚. 间歇性强降雨下基于Green-Ampt入渗模型的 边坡稳定性分析. 湖南大学学报(自然科学版), 2020, 47（3）：28） [2] Wang G J, Tian S, Hu B, et al. An experimental study on tailings deposition  characteristics  and  variation  of  tailings  dam  saturation line. Geomech Eng, 2020, 23（1）: 85 [3] Wang  S  H,  He  J,  Yang  T  J.  Numerical  Analysis  on  stability  of slope considering rainfall infiltration. J Northeast Univ (Nat Sci), 2018, 39（8）: 1196 （王述红, 何坚, 杨天娇. 考虑降雨入渗的边坡稳定性数值分析. 东北大学学报 (自然科学版), 2018, 39（8）：1196） [4] Hu Q G, Yuan N, Liu D S, et al. Analysis of rainfall infiltration process and stability of soil slop with multilayer structure. China J Highw Transp, 2018, 31（2）: 67 （胡庆国, 袁宁, 刘登生, 等. 多层结构土质边坡降雨入渗过程及 稳定性影响分析. 中国公路学报, 2018, 31（2）：67） [5] Kong  Y  F,  Song  E  X,  Yang  J,  et  al.  Rainfall ’s  effect  on  the stability  of  unsaturated  slopes. J Civil Architect Environ Eng, 2013, 35（6）: 16 （孔郁斐, 宋二祥, 杨军, 等. 降雨入渗对非饱和土边坡稳定性的 影响. 土木建筑与环境工程, 2013, 35（6）：16） [6] Wang  L. Research on the Key Technique of Stability and Safety Control of the Large Dump in Open-Pit Mine[Dissertation]. Beijing: University of Science and Technology Beijing, 2015 （王莉. 露天矿大型排土场稳定性及安全控制关键技术研究[学 位论文]. 北京: 北京科技大学, 2015） [7] Huang G H. Stability analysis of waste dump with complex terrain under  heavy  rainfall  infiltration. Chin J Geotech Eng,  2013, 35(Suppl 2): 292 （黄刚海. 强降雨入渗下复杂地形排土场稳定性分析. 岩土工程 学报, 2013, 35(增刊2): 292） [8] Wang G J, Gao Y W, Tang Y J. Research on the mechanism for chemical  clogging  and  its  effect  on  the  stability  of  tailing  dam. [9] 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 · 373 ·