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 ·