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 ·