摘要
降雨入渗可造成边坡失稳，引起巨大经济损失。本文以布沼坝露天矿西帮局部边坡为对象，针对其建立平面计算模型，采用数值模拟分析对降雨入渗下矿山破裂结构岩质边坡滑坡成灾机理进行了研究，提出边坡位移场-渗流场耦合模型，探明连续降雨条件下边坡滑坡位移场演化机制。结果表明：连续降雨引起渗流压明显增加，对边坡内部结构产生弱化作用，逐渐引起滑坡变形发生，边坡中下部位移不断增加，在5 h降雨后位移达到11 mm，边坡出现滑动行为，降雨持续入渗到土体后，边坡坡脚剪切破坏严重，最终造成边坡底部发生滑塌。总的来看，降雨入渗条件下边坡位移、渗透压、剪切破坏三者的共同作用导致了滑坡灾害的发生。
Abstract
Rainfall infiltration can cause slope instability and cause huge economic losses. Taking the local slope of the western slope of the Bunnuoba open-pit mine as the object, a plane calculation model is established for it in this paper. Numerical simulation analysis is used to study the disaster mechanism of rock slope landslides with fractured structures under rainfall infiltration. A slope displacement field seepage field coupling model is proposed to explore the evolution mechanism of slope displacement field under continuous rainfall conditions. The results show that continuous rainfall causes a significant increase in seepage pressure, which weakens the internal structure of the slope and gradually causes landslide deformation. The displacement in the middle and lower parts of the slope continues to increase, reaching 11mm after 5 hours of rainfall. The slope exhibits sliding behavior, and after continuous rainfall infiltrates the soil, the shear failure at the foot of the slope is severe, ultimately leading to collapse at the bottom of the slope. Overall, the combined effect of slope displacement, seepage pressure, and shear failure under rainfall infiltration conditions has led to the occurrence of landslide disasters.
0 引言
为保证能源结构调整符合可持续发展要求，当前矿山开采工作得到大力整合，出现了越来越多的大型化露天开采矿山，与地下开采工作相比，这种采矿模式具备更高的安全性和回采率（彭浩然和廖小平，2023）。但在露天煤矿实际开采过程中，形成了众多矿山破裂结构岩质边坡，在降雨、地下水等条件的影响下，可造成边坡滑坡坍塌问题。由于降雨入渗造成边坡失稳，造成巨大的经济损失（栗嘉彬等，2022）。众多学者针对露天矿边坡的滑坡成灾机理进行深入分析，了解滑坡形成规律，以期更好地保障露天矿安全生产。
崔松军等（2022）在分析矿山边坡滑坡灾害发生机理时，选定典型的露天采场滑坡作为研究对象，了解各种滑坡影响因素。利用数值模拟方法，分析不同环境下的边坡稳定性变化情况，明确滑坡产生机理。研究结果表明，该方法分析结果不够全面。朱涛等（2022）采用现场测绘、资料查询、原位试验等方式获取研究区域的地层力学参数。再构建一个边坡有限元模型，经过数值模拟分析不断降雨条件下的滑坡变形演化机制。研究表明，该方法分析结果易受研究环境的影响，可能与真实情况出现偏差。刘建国等（2021）针对矿山边坡区域进行考察，明确边坡区域的地层特点和地质条件，绘制露天矿内排土场地下水渗流走向图。针对某一处地质剖面建立对应的渗流分析模型，模拟降雨条件下地下水渗流引起的滑坡变形情况。但是，该方法分析过程中需要耗费大量时间。
为了更好地分析降雨入渗下矿山破裂结构岩质边坡滑坡成灾机理，本研究将布沼坝露天矿西帮局部边坡看做研究区域，针对其建立平面计算模型，并提出边坡位移场-渗流场耦合模型，分析连续降雨条件下边坡滑坡位移场、渗透场、剪应变变化，以此来展示滑坡成灾机理。
1 工程概况
针对布沼坝露天矿进行调查可以发现，矿山西帮边坡区域出现了 2 处明显的滑坡变形和滑塌问题，分别发生于 2021 年 7 月 14 日和 2021 年 8 月 27 日，滑坡位置分别位于 336~338 线、1125~1090 线，具体的边坡滑坡变形区域所处位置如图1所示。
图1矿山边坡变形滑塌区
图1所示的两个区域发生边坡变形滑塌后，在变形区的后缘、前缘、南翼和北翼分别出现裂缝，各个方向的裂缝图像如图2所示。
以西帮 336~338 一线发生的边坡滑坡问题为例，在降雨入渗导致的滑坡滑动结束后，形成了图3所示的东西向滑动带，该滑动带的长度和宽度分别为570 m、145 m，滑坡影响的周界面积为9.44万 m2。
据图3所示的滑动形态特征进行推测，可以发现该边坡滑坡情况的出现，主要诱发因素是降雨入渗和古河道渗水，边坡内部软弱结构面发育，抗滑力大幅下降，最终引起边坡变形和滑塌。
2 滑坡成灾机理分析方法
2.1 建立模型
为了更好地模拟边坡滑坡发生情况，本研究在实验边坡区域现场采取 150件试样，将 CAD 图形导入到 ANSYS，采用 FLAC 3D 软件分析（张卢明等，2021），获取矿山破裂结构岩质边坡的各地层力学参数（汪发武和宋琨，2021），得到表1所示的统计数据。考虑到降雨入渗对边坡滑坡的影响，设置初始地下水位和大气降雨强度分别为 6.5 m、20 mm/h。分别在未降雨和降雨 1～5 h条件下，针对边坡研究区域收集现场工程地质资料，并使用FLAC软件，输入表1，以此为基础建立一个长700 m、高300 m的平面计算模型，该模型表达了整个坡体的纵向剖面 （胡华等，2021），通过逐步增加网格单元数量，每个区域的尺寸和特性不变，结合边坡的几何特征和地质结构，考虑到参数敏感性，当添加新单元后，不再改变不同区域的变化和相互作用，此时，暂停在 17000个单元，据此得到具体的网格划分情况如图4所示。
图2各方向裂缝图
a—后缘裂缝区；b—后缘裂缝区；c—后缘裂缝区；d—后缘裂缝区
图3边坡滑坡形成的滑动带
表1各地层力学参数统计
图4网格划分示意图
2.2 设计边坡稳定性分析方法
考虑到矿山附近边坡的主要地质层是破裂结构岩质，将其看做多孔介质（李有三等，2022），结合质量守恒定律定义考虑降雨入渗条件的边坡非饱和渗流控制数学表达式：
(1)
式（1）中，i、j表示坐标轴编号，共包括 3 个坐标轴；λ表示渗透张量（m/s）；k表示相对透水率；α表示水头（m）；θ表示体积含水量（m3）；S表示为单位贮水率（L-1）；β表示容水度；δ表示饱和度；ψ表示体积含水率（m3）；T表示时间变量（s）。
考虑位移分量与孔隙水应力之间的关系，建立式（2）所示的控制方程。
(2)
式（2）中，F表示剪切模量（Pa）；表示泊松比； ε 表示体积应变；u 表示位移（m）；σ 表示常数（Pa）； p、X分别表示孔隙水压力（Pa）和体力（N/m³）。
将式（1）和式（2）结合起来，构成边坡位移场-渗流场耦合模型，并假设降雨强度即为降雨入渗边界，全部降雨落下后，部分降雨会渗入地下，在边坡表面形成一层水膜（张恒通等，2021；刘洪华等， 2023）。
同时，考虑了基质吸力对边坡滑动面的影响，建立式（3）和式（4）所示的抗剪强度和剪应力计算公式。
(3)
(4)
式（3）、（4）中，τ表示抗剪强度（Pa）；v表示有效黏聚力（Pa）；φ表示坡面的法向总应力（Pa）；w表示标准大气压（Pa）；ϕ 表示有效内摩擦角（°）（陈敬业等，2023；刘凡等，2023）；w'表示坡面的孔隙水压力 （Pa）；ϕ'表示抗剪强度曲线的平均倾角（°）；ϑ 表示剪应力（Pa）；φ1、φ2分别表示 x 方向和 y 方向的法向应力（Pa）（柴利蒙等，2022；冯忠居等，2022）；Φ表示滑动面与水平面的夹角（°）（吴丽丽等，2022；李兆宇等，2023）。
3 边坡滑坡成灾机理分析结果展示
3.1 滑坡位移场分析
依托于上述计算公式，计算未降雨条件下和多小时连续降雨条件下边坡滑坡位移情况。以未降雨、降雨l h、降雨3 h、降雨5 h为例，绘制图5所示的边坡位移矢量图。
图5未降雨（a）和降雨l h（b）、3 h（c）、5 h（d）的边坡位移矢量
据图5可知，不考虑降雨因素的情况下，边坡只受到重力影响，坡体位移表现出竖直向下的特点。经过连续1 h的降雨后，部分降雨入渗到矿山破裂结构岩质边坡，坡体的中下部坡面朝向坡外出现明显位移，最大位移值为 5 mm，边坡上部却并没发生明显变化。在降雨 3 h和 5 h后，边坡的中下部滑坡趋势区域更加明显，最大位移量分别达到 9.3 mm、11 mm，在无支护的情况下坡体在降雨入渗条件下会发生滑动和变形，最终形成滑坡灾害。降雨入渗下，矿山破裂结构岩质边坡现场破坏情况如图6所示。
图6现场边坡破坏图
图7降雨l h（a）、3 h（b）、5 h（c）的边坡渗流压力图
从现场破坏情况来看，其与图6所示的位移场分析结果相吻合，代表上述分析的边坡滑坡成灾机理符合实际情况。
3.2 滑坡渗流场分析
分别在降雨 l h、3 h 和 5 h 后，分析边坡滑坡的渗流压力变化情况，可得到图7所示的渗流压力变化图。
降雨入渗条件下，边坡坡顶区 5 m 范围内出现明显的正压，坡面则存在负压。据图7可知，降雨并未引起坡面负压的改变，但在持续降雨 1 h 后坡顶的渗流压力最大值为 0.04 MPa，在降雨时间延长到 3 h、5 h 后，坡顶区最大渗流压力分别为 0.05 MPa、 0.06 MPa。综上所述，降雨发生后边坡渗流压力不断增加，引起边坡内部结构失稳，是引起滑坡变形坍塌问题的基础。
为了进一步分析滑坡渗流场，分别在边坡的顶部、中部和底部选定一个节点，以 850 节点、1023 节点、1142 节点为例，分析降雨历时对节点渗流压力的影响，绘制图8所示的渗流压力变化图像。
图8不同降雨历时下部分节点的渗流压力变化
根据图8可知，节点 850 所示的坡面负压始终保持不变，降雨历时小于 3 h 时，节点 1023 和 1142 表现出渗流压力为 0，3 h 后渗流压力迅速增加，且越靠近顶部，渗流压力增加趋势越明显。
连续降雨过程中，边坡无法将所有入渗的雨水及时排除，可能会引起边坡孔隙水压力的不断提升，同样针对上述选定的三个节点进行分析，得到图9所示的体积含水量变化曲线。
据图9可知，3个节点的体积含水量随着降雨历时的增长都会提升，但在一段时间后土体进入饱和状态，体积含水量又会保持稳定不变。3个节点中，处于坡面顶部的节点1142体积含水量最高，中部和底部分节点体积含水量则以此降低，这也验证了上文研究出的渗流压力分布特征是正确的。
图9不同降雨历时下部分节点的体积含水量变化
图10未降雨（a）和降雨l h（b）、5 h（c）的边坡剪应变
综上所述，降雨入渗情况下，矿山破裂结构岩质边坡面临的渗流压力不断提升，对边坡内部的脆弱结构产生影响，会逐渐引起滑坡变形情况。
3.3 边坡剪应变分析
在不同降雨历时条件下，分别计算边坡不同区域的剪应力，绘制图10所示的边坡剪应变图。
根据图10可知，降雨时间的延长，使得边坡的坡脚区域出现越来越大的剪应变，从而造成矿山边坡的坡脚出现剪切破坏，最终引起整个坡体出现滑坡坍塌情况。
4 结果
在降雨入渗条件下，边坡中下部向外位移不断增加，在 5 h 降雨后位移达到 11 mm，使得边坡出现滑动情况。而降雨的持续也会引起渗流正压的明显增加，对边坡内部的脆弱结构产生影响，会逐渐引起滑坡变形情况。在降雨持续入渗到土体后，边坡坡脚发生越来越严重的剪切破坏，最终造成边坡底部发生滑塌情况。在边坡位移、渗透压力、剪切破坏的共同作用下，最终形成了边坡滑坡灾害。
5 结束语
为了保证矿山安全开采，本文考虑降雨入渗条件，提出边坡位移场-渗流场耦合模型，分析连续降雨条件下边坡滑坡位移场等变化，得出降雨入渗对矿山破裂结构岩质边坡位移、渗透压力、剪应力等产生直接的负面影响，导致滑坡灾害的发生。该分析有利于制定更加科学的滑坡治理方案。