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0 引言
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排土场是将露天矿山的剥离物料用卡车运送，再用推土机将其堆入沟道或坡面，从而形成（刘泉和王晨，2024；吕琳等，2024；于韩浠和张雄彪， 2024）。国内的矿山以经济效益为第一要务，造成了目前国内的排土场多为高单台阶，坡度陡，造成了排土场的安全储备不足（谢斌，2005；康向阳等， 2017）。排土场是露天采矿过程中的一道重要工序，在降雨和地表径流的共同作用下，排土场土体岩石混合体抗剪强度下降，易于诱发破坏，降雨、降雨持续时间和降雨强度对边坡失稳具有重要影响 （陈徵，2023；和江宏等，2023；任军等，2024）。
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目前，关于降雨入渗下排土场稳定性分析已经取得了一系列成果。任军等（2024）采用室内土-岩散体渗流实验和直剪实验，获得岩质堆积体力学参数，并利用有限元分析方法，对不同降雨历时条件下边坡稳定性随时间变化的变化规律进行研究。和江宏等（2023）以饱和-非饱和土的渗流理论为基础，采用室内静态三轴实验与GeoStudio数值模拟相结合的方法，开展连续暴雨作用下饱和-非饱和土体饱和-非饱和渗流场的动力变化、变形破坏及稳定性分析。蔡雪婷等（2023）应用极限平衡理论的方法，研究基底倾角等 4 个因素对边坡稳定性的影响。朱永东等（2022）采用相似材料实验和数值模拟相结合的手段，对降雨作用下排土排土稳定性进行研究。田光等（2021）通过数值仿真，研究了不同孔压分布条件下排土场稳定性的差异性和安全系数的变化规律。
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国内针对高寒高海拔地区排土场在降雨入渗条件下的边坡稳定性研究较少，本文以西藏某露天矿山拟建排土场为工程背景，研究高寒高海拔地区雨季强降雨条件下降雨入渗对排土场边坡稳定性影响。
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1 工程概况
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1.1 地质概况
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拟建排土场位于临近露天采场东北山谷，排土场场地自然坡度 9°~12°，地表土层薄，植被稀少，天然地基基础条件好，排土场临近露天采场东北山谷布置，设计等级一级，设计容积 43000×104 m3，堆存标高 4870. 00~5420. 00 m，在矿山未来开采过程中，将会形成堆存总高度 550 m 的高边坡，设计单台阶堆置边坡角33.7°，设计综合边坡角θ=24.9°。
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研究区主要出露中侏罗统叶巴组，下白垩统，古近系—新近系花岗岩和第四系全新统与更新统地层。研究区在新构造上位于青藏高原断块（I）冈底斯—念青唐古拉山面状隆起区（I-1）之念青唐古拉山断隆区内（I-1-1）。研究区近场（25 km 范围内）断裂构造较发育，主要展布了6条规模较大的断裂，分别为：F5 纳喀断裂、F6 那林拉卡断裂、F15 色康断裂、F1 唐嘎断裂、F2 加布则断裂、F3 古布拉断裂。区域及近场断裂构造特征详见表1。由表1 可知，研究区（5. 00 km范围）无大的断裂构造通过。
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矿区年均降水量约 350 mm。全县夏季雨水集中，降雨多集中在6—9月，占全年降水的90%，日最大降水量达65. 0 mm。
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1.2 计算剖面
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排土场设计终了边坡计算剖面线垂直台阶线，选取最高最陡且具有代表性的剖面（图1）进行计算。
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图1 排土场设计边坡剖面图
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1.3 许用安全系数确定
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矿区排土场总库容为 43000×104 m3，故排土场等级为一级，根据规范指出排土场整体安全稳定性标准如（表2）所示。排土场应校核降雨工况。降雨工况下，安全标准可在表2规定的基础上降低0. 05。综上所述，根据排土场的等级、边坡的安全影响因素，确定降雨工况下排土场边坡的许用安全系数 [K]：[K]=自重+地下水+降雨= 1.25。
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2 物理力学参数确定
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2.1 岩土体参数的确定
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岩土体参数的选取，主要是以岩样室内试验成果为依据，考虑室内试验样品不能真实反映岩体中节理、裂隙等对岩体性状的影响，特别是强风化岩的影响极大。故根据相关规范规定的选取标准、经验数据，类比本地区邻近已有工程资料对其参数进行综合选取。土体参数的选取，主要是以现场和室内试验成果为依据，并结合现场取芯、取样情况，对各测试试验存在的问题进行分析，然后类比本地区邻近已有工程资料对其参数进行选取。
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2.2 排弃物料参数的确定
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经过阅读相关研究资料及文献，可直接采用勘察实验推荐的相关力学参数，黏聚力和内摩擦角根据实验所得数据，并结合《工程岩体分级标准》 （GB50218~2014）进行选取，最终确定排弃物料力学参数计算取值见表4。
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3 仿真模型构建
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3.1 排土场数值模型建立
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根据前文给出（图1）排土场设计边坡剖面建立计算时所用数值模型（图2）。采用Seep/W计算机辅助自动剖分软件，对计算剖面进行网格划分进行网格剖分，设置全局单元大概尺寸为4 m，共划分网格单元 14267 个，网格节点 14419 个。模型不同颜色代表不同岩层，自上而下分别是排弃物料、草甸土、碎石土①、碎石土②、中风化凝灰岩、中风化闪长岩。
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图2 排土场数值模型
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3.2 边界条件与岩土体参数设置
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3.2.1 边界条件
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模型两侧为透水边界，其中地下水位以下边界设定给定水头，地下水位以上边界设定零流量边界。在初始静态水位计算中，边坡表面为自由边界。在降雨过程中，坡面是渗流场的分界面，在雨强小于岩土体的渗透性时，以径流为雨强的渗流边界；相反，在斜坡上会出现地面径流，此时应将其视为固定的水头边界，一般将表面高度作为固定的水位。模型底部假定为不透水基岩，设定零流量边界。根据现场实际情况施加降雨边界。根据当地气象条件资料，日最大降水量达38. 0 mm。因此，本节渗流场分析时，分别计算降雨量为 20 mm/d、30 mm/d、40 mm/d条件下排土场边坡安全系数的变化。
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3.2.2 地下水位
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根据工程勘察情况可知，测得钻孔地下水稳定水位埋藏深度为0.80~20. 00 m不等，水位埋深受地形及地表水体影响而有所差异，但总体倾向下游，形成具有一定水力梯度潜水面。但是边坡在地下水作用下是以区域地下水位为参考水位，是一种泛化的概念。
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3.2.3 降雨入渗条件下的饱和-非饱和分析
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在非饱和非饱和区，孔隙水压力、体积含水率、渗透系数表达式、容水程度等参数均具有时变性。在进行有限元法分析时，通常采用时步长计算得到的孔压水压力场来修正渗透系数方程及容水率。通常情况下，渗透率方程与体含水率均为基质吸力的函数。根据工程勘察资料及取样试验，各岩层渗透系数见表3 和表4。各岩性使用软件内置体积含水量数据点函数估计体积含水量与基质吸力关系曲线，然后利用 Fredlund&Xing 法计算渗透系数和基质吸力关系曲线（图3~图7）。
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图3 排弃物料渗透系数和基质吸力关系曲线图
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a—体积含水率函数；b—水力传导率函数
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4 边坡稳定性分析
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4.1 排土场边坡稳定性影响因素分析
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（1）基底形态
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排土场的基础条件不同，对其稳定性有较大影响。
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图4 碎石土①渗透系数和基质吸力关系曲线图
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a—体积含水率函数；b—水力传导率函数
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图5 碎石土②渗透系数和基质吸力关系曲线图
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a—体积含水率函数；b—水力传导率函数
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图6 凝灰岩渗透系数和基质吸力关系曲线图
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a—体积含水率函数；b—水力传导率函数
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（2）排弃物料和基底岩土体性质
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在排土过程中，岩土体的物理力学特性是决定其内部变形和滑移的重要因素，特别是具有较强吸水性和保水性的软弱土，极容易产生变形，产生位移和滑移，是排土中常见的失稳形式。
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图7 闪长岩渗透系数和基质吸力关系曲线图
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a—体积含水率函数；b—水力传导率函数
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排土场排弃材料为散粒体，粒径大小差异大、孔隙率高，其排弃物及其所形成的孔隙体系为表层水入渗提供了有利条件，且地下水具有明显的渗透性。即，排弃物的物理力学强度越大，边坡越稳定，反之则越易发生滑坡。
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（3）地表水及大气降雨
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水是影响排土场稳定的重要因素之一。水不仅对排土场自身的稳定性有影响，对基底的强度也有一定的影响。
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（4）边坡形态
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边坡的坡度、断面形状等因素对边坡的稳定有重要的影响，由于边坡的形状不同，其内部受力状况也会发生相应的变化（张子光和白继元，2018；左晓欢等，2021；王东等，2023a；王晓伟等，2023）。
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4.2 排土场边坡潜在滑坡模式分析
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目前，排土场边坡主要的失稳模式有以下3种： （1）沿排土场地地表接触面发生的滑坡；（2）沿排土场地下部的软弱夹层发生的滑坡；（3）沿排土场边坡内部滑面形成的滑坡。
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根据现场踏勘及先前工作可知，排土场主要接收采场的废石排土，采取多台阶覆盖式排土方式，岩石松散破碎，经过碾压后土层瓷实。基岩表层存在粉质黏土层，当无地下水及地表水影响情况下，不属于软弱滑移面；当在长期大气降雨或地表水入渗下，排土场可能沿着排弃物料内部滑面发生滑坡 （祖国林，1994；姜立春等，2007；付相超，2017；王东等，2023b；韦忠跟等，2023）。
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4.3 排土场边坡稳定性的极限平衡分析
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因为简化 Bishop 法分析圆弧型滑动时精度高且计算速度快，最能反映边坡稳定性的实际状态，故此次将 Bishop 法作为边坡圆弧型滑动时分析计算的主要方法；非圆弧型滑动时，将 MorgensternPrice法作为边坡稳定性分析计算的方法，整体稳定性计算时滑移面主要以指定剪入剪出口为主。排土场设计边坡在不同降雨工况下安全系数计算结果如表5所示，计算结果（图8～图10）。
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图8 降雨量为20 mm/d的整体稳定性计算
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a—简化Bishop法；b—M-P法
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通过分析排土场整体稳定性分析结果可以发现，在降雨量为 20 mm/d 条件下的安全系数为 1.487，大于许用安全系数 1.25，满足规范要求；在降雨量为30 mm/d条件下的安全系数为1.421，大于许用安全系数 1.25，满足规范要求；在降雨量为 40 mm/d 条件下的安全系数为 1.396，大于许用安全系数 1.25，满足规范要求。综合可知，设计排土场边坡在多种降雨工况下整体基本保持稳定状态。
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4.4 安全系数变化特征
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通过计算获得不同降雨量下排土场边坡安全系数，在降雨时长为 24 h，降雨量分别为 20 mm/d、 30 mm/d 与 40 mm/d 条件下该排土场边坡安全系数变化（图11），可知，降雨量从20 mm/d升至30 mm/d，安全系数下降幅度大，降雨量从 30 mm/d 升至 40 mm/d，相较而言，安全系数下降幅度较小。整体来看，安全系数随降雨量增大而减小，降雨量达到一定程度之后，岩土体充水接近饱和，边坡易发生破坏。
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图9 降雨量为30 mm/d的整体稳定性计算
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a—简化Bishop法；b—M-P法
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图10 降雨量为40 mm/d的整体稳定性计算
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a—简化Bishop法；b—M-P法
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图11 安全系数与降雨量关系曲线
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5 结论
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（1）水是影响排土场稳定的重要因素之一，降雨入渗降低排土场内部软弱结构面的强度，造成排土场边坡不稳定。
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（2）安全系数随降雨量增大而减小，降雨量达到一定程度之后，岩土体充水接近饱和，边坡易发生破坏。
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摘要
为分析高寒高海拔地区降雨条件下渗流作用对露天矿山排土场边坡稳定性影响，本文选取西藏某露天矿山排土场为研究对象，通过室内实验获得岩土体的渗透系数和物理力学参数，采用数值模拟的方式，利用极限平衡计算方法，计算排土场边坡在降雨时长为24 h，降雨量分别为20 mm/d、30 mm/d和40 mm/d条件下排土场的安全系数变化特征，对该矿排土场边坡稳定性进行分析计算。研究结果表明：水是影响排土场稳定的重要因素之一，降雨入渗降低排土场内部软弱结构面的强度，造成排土场边坡不稳定，安全系数随降雨量增大而减小，降雨量达到一定程度之后，岩土体充水接近饱和，边坡易发生破坏。研究成果可为高寒高海拔地区排土场边坡稳定性工程提供参考。
Abstract
In order to analyze the influence of seepage action on the stability of open-pit pit slope under rainfall conditions in high cold and high altitude areas， an open-pit pit in Xizang Province was selected as the research object， and the permeability coefficient and physical and mechanical parameters of rock and soil mass were obtained through indoor experiments. Numerical simulation was adopted and the limit equilibrium calculation method was used to calculate the rainfall duration of the dump slope for 24 h. The variation characteristics of safety factor of the dump under the condition of rainfall of 20 mm/d，30 mm/d and 40 mm/d respectively， the stability of the dump slope was analyzed and calculated. The research results show that water is one of the important factors affecting the stability of the dump. Rainfall infiltration reduces the strength of the weak structural plane inside the dump， resulting in the instability of the dump slope， and the safety factor decreases with the increase of rainfall.After the rainfall reaches a certain level， the rock and soil body is nearly saturated with water， and the slope is prone to failure. The research results can provide reference for similar projects.
Keywords
high cold and high altitude ； rainfall ； seepage ； waste dump ； slope stability
