长期渗水所致水位升高对露天矿边坡岩体状态的影响研究_崔铁军.pdf

文章编号:1009-6094(2023)06-1817-08长期渗水所致水位升高对露天矿边坡岩体状态的影响研究崔铁军1,2,李莎莎1,2(1 沈阳理工大学环境与化学工程学院,沈阳 110159;2 沈阳理工大学安全与应急研究院,沈阳 110159)摘 要:为研究渗水导致露天矿坑内水位升高过程中,边坡岩体状态的变化特征,通过设置模拟场景并分析结果来确定岩体状态变化及其原因。分析了水位升高对边坡岩体可能造成的影响。根据矿区实际情况设置水位由-380 m 升至20 m 的9 个均分模拟阶段,获得了每个阶段平衡时的岩体塑性区、位移和主应力情况,进而分析水位升高过程中的岩体状态变化。结果表明:水位升高对边坡岩体的塑性区影响最大,位移其次,主应力影响很小;水位上升使大高差边坡坡面的拉塑性区和位移增加;浸没岩体滑坡是下部滑坡体拖拽造成的;小高差边坡岩体水位升高过程中塑性区变化复杂,但对主应力的影响很小。研究可为露天矿长期渗水导致水位升高带来的灾害提供分析对照。关键词:安全工程;矿山安全;露天矿;渗水;水位变化;岩体状态中图分类号:X43;X936 文献标志码:ADOI:10.13637/j.issn.1009-6094.2021.2387收稿日期:20211230作者简介:崔铁军,教授,博士,博士后,博士生导师,从事系统可靠性及力学系统稳定性的研究,;李莎莎(通信作者),副教授,博士,博士后,从事安全系统工程及安全管理学研究,。基金项目:国家自然科学基金项目(52004120)0 引 言露天开采是我国矿业领域的主要生产方式之一。露天开采较井工开采有很多优势,开采方式灵活、大型设备利用率高、采出效率高等,在条件允许情况下一般优先采用露天开采形式。但露天开采也对当地环境造成了重大影响,破坏当地的大气、水文和地质环境。特别是在开采过程中形成的矿坑,使周围岩体的应力应变变化,进而导致应力重分布造成大范围的滑坡、塌方、沉陷等地质灾害。另一方面在开采期间生产所得经济效益部分可用于边坡治理,但随着生产期的结束,闭坑后的废弃矿坑可能引起更大灾害。这是由于生产结束后难以有充足的资金维护矿坑,更难以回填,这是资源型城市,特别是接近露天矿城市必然面对和必须解决的问题。露天矿的水害就是其中之一,由于开采破坏了矿区岩体结构,造成地下水系进一步发育,特别是矿坑附近有地表和地下河流时更为严重。而水害正是需要持续维护才能避免的灾害,露天矿渗水在开采时必须避免,而在闭坑后进行维护相当困难。在不维护情况下边坡渗水并持续作用,矿坑内必然水位升高直到与水力梯度持平。这不仅活化了矿坑及边坡岩体,也必然影响矿区周边岩体及地质活动。因此长期渗水所致水位升高对露天矿边坡岩体状态的影响是必须研究的。水对边坡的影响研究较多。早在 1984 年,李文秀1研究认为,影响岩质边坡、特别是高陡边坡稳定性的因素十分复杂,但水对边坡稳定性的影响却越来越引起重视,是必须进行大量研究和实践的领域。目前较新的关于水对各类边坡影响的研究包括水影响下的露天煤矿边坡稳定性研究2、参数不确定性对库水及降雨作用下边坡可靠度的影响3、岩土水理性与寒区路基边坡稳定性分析4、富水砂砾露天矿边坡稳定性分析5、岩体质量分区的石矿边坡生态重建6、岩质矿坑边坡稳定性分析及加固7、冻融作用下初始含水率对膨胀土边坡稳定性的影响8、充水软弱基底排土场稳定性分析9、不同降雨工况下红黏土边坡持水响应规律10、露天煤矿边坡涌水因素分析11、土体水中崩解对边坡稳定性的影响12、多年冻土边坡的水热力耦合分析13、水因素下土石坝溃决研究14、调水工程滑坡崩塌体灾害评价15、库水作用下公路岸坡灾害风险分析16和滑坡灾害孕育中的水 岩相互作用研究17等。这些研究从不同角度论述了水对边坡岩体的作用,并取得了丰硕成果。但另一方面,露天矿边坡在持续渗水过程中边坡岩体的状态,以及水位升高过程中岩体状态的变化规律尚不明确。本文针对这些问题,根据已有研究经验18 20及露天矿本身特点对矿坑内水位升高过程中边坡岩体状态进行分析,所选表征状态包括岩体塑性区、位移和最大主应力。将水位升高过程划分为 9 个阶段并进行模拟,确定水位升高对岩体状态的影响规律及形成规律的原因。1 水对边坡岩体的作用水是影响边坡稳定性造成滑坡的主要原因之7181第 23 卷第 6 期2023 年 6 月 安全 与 环 境 学 报Journal of Safety and Environment Vol.23 No.6Jun.,2023一。露天矿边坡岩体中水的来源有三方面:一是地表径流,二是自然降水,三是地下水系。地表径流是地表河流等由于经过特殊地质构造,水通过节理、裂隙和断层进入地下,汇入地下水系进而流往地势较低的边坡坡面。自然降水对坡面的影响最为直接,降水将直接进入坡面内部岩体,也将补充地表径流。地下水系是地下水存在和运移的主要形式,自然降水和地表径流可能都将汇入地下水系。而地下水系借助岩体的节理、裂隙和断层将水运移到更大范围,水又通过机械和化学作用等侵蚀岩体形成通路扩大水系范围。这里将水对边坡岩体的作用归结为如下3 点。1)水对边坡岩体强度的弱化。岩体的结构是复杂的,大体上可分为较为完整的岩石和岩石之间的充填物。岩石在岩体中充当骨架作用,是岩体强度的主要贡献者;岩体之间的充填物则是由各种泥质和盐类混合而成的,主要作用是连接岩石形成整体。因此水对边坡岩体的作用可从岩石和充填物两方面分析。对于水的作用,岩体可分为遇水软化和不软化岩体。遇水软化岩体主要是沉积岩,如泥岩等,沉积岩就是通过水流作用将水中携带的泥沙沉积而成。不软化岩体主要是火成岩及变质岩,由变质作用形成,如玄武岩等都不溶于水。但水使得不软化岩体的摩擦系数和黏结性降低,虽然不对岩体本身强度作用,但降低了岩体之间的黏结作用。充填物一般是泥质和盐类的混合体,来源可能是岩体形成过程中的夹层,也可能是水流经过后沉积留下的。在岩体之间充填物起到了黏结作用,使岩体整体性加强。水将带走岩体缝隙中的填充物,降低岩石之间的黏结强度,进而降低岩体强度。因此水能降低边坡岩体强度使其弱化。2)水对边坡滑坡的促进作用。边坡的主要灾害是滑坡,而滑坡系统是由滑坡体、滑面和基岩组成的。滑坡体相对完整,内部少有贯穿的节理和裂隙,在滑坡过程中作为整体滑移。基岩是相对稳定的存在,滑面将滑体与基岩分离,因此是否发生滑坡主要取决于滑面的抗滑强度与滑体的情况。具体的,滑面抗滑强度取决于摩擦力,摩擦力取决于滑体重力和摩擦系数。水改变了滑坡系统的 3 个条件,分别为滑体重力、摩擦系数和下滑力。滑坡体由于自身重力上部会形成楔形裂隙,水渗入裂缝并蓄积形成静水压力。静水压力水平向着边坡自由面,其沿滑面提供了下滑力,垂直坡面向上抵消了一部分滑体重力。静水压力也可能作用于整个滑体,提供的浮力进一步抵消了滑体重力。水渗入滑面带走了充填物,使滑面摩擦系数减小。因此水提供了下滑力、减小了滑体有效重力和滑面摩擦系数,进而促使边坡形成滑坡灾害。3)水的冻融循环对边坡的稳定性作用。水的冻融循环是水对岩体风化作用的主要形式之一。前述已说明边坡滑坡和失稳主要是由于岩体破碎和之间充填物的流失,而岩体破碎的主要途径就是岩石中的微裂隙被水侵入,当水冰转化后体积膨胀,从而扩大裂缝的宽度和长度;当冰水转化后更多水进入裂隙,循环上述过程岩石被风化破碎。同样已有的裂隙和节理也会通过同样的过程被持续扩张。经历多次后原本完整的岩体体积会逐渐增大,出现破碎直至发生滑坡和失稳。可见水对边坡岩体从基本性质、结构形式和动力作用几方面都具有明显作用。2 工程背景工程背景选取我国开采时间较早的一个露天煤矿。该矿地质条件复杂,东西长为 6.6 km,南北宽为 2.2 km,目前坑底距地表 400 m 左右。覆存岩层多样,包括花岗片麻岩、玄武岩、白垩系砂岩、绿色泥岩、油母页岩、煤岩等。同时该矿区存在多条大型断层,岩体中的节理裂隙发育较好,特别是经历长时间开采后形成的边坡风化严重。另外矿区水系发育较好,矿坑位置原有两条支流,因此部分边坡在原始河床上,河流改道从周边经过。矿坑北侧 1.3 1.7km 有较大河流经过,据勘察得到该河流到矿坑的水力梯度为 3/1000。由于北帮边坡与该河流之间存在断层和裂隙,水系发育较好,在不排水情况下预计50 a 后矿坑被注满。综合上述条件,选定北帮边坡的一部分进行模拟研究,图 1 为被研究的露天矿,图中虚线内为被模拟区域。3 模型设置图 1 中虚线内区域是北帮较为危险的区域,模型南北长为1 100 m,东西宽为600 m,模型底部边界为海拔-600 m,模型边坡最高处海拔 70 m。该地区存在较复杂的地质构造,由边坡顶部至坑底依次为白垩系砂岩、玄武岩、绿色泥岩、油母页岩、煤岩、玄武岩和花岗片麻岩,见图 2(a),同时这些岩层的8181 Vol.23 No.6 安全 与 环 境 学 报 第 23 卷第 6 期分布和参数见表 1。岩体模型采用 FLAC3D的摩尔库伦本构模型建立。图 1 露天矿矿坑Fig.1 Mining pit of opencast mine图 2 模型结构Fig.2 Model structure表 1 各组土体参数Table 1 Soil parameters of each group序号岩层区域密度/(gcm-3)抗拉强度/MPa内聚力/MPa内摩擦角/()弹性模量/GPa泊松比1花岗片麻岩ZG_0022.73452350.222玄武岩ZG_001、ZG_0052.72346250.233白垩系砂岩 ZG_007、ZG_0082.61.52.53980.254绿色泥岩ZG_0062.250.240.2281.20.285油母页岩ZG_0042.30.350.95353.40.266煤岩ZG_0031.30.241351.20.28表 2 接触面参数Table 2 Surface parameters接触面序号内聚力/MPa内摩擦角/()抗拉强度/MPa法向刚度/MPa切向刚度/MPa1031.202.42.422.436.81.67.2417.241图 2(b)中展示了两个区域,这两个区域是在模拟研究中岩体状态变化最集中的区域。区域 1 是大高差边坡,为北帮边坡坡面及其深入坡内的一定区域,主要是绿色泥岩。区域 2 是小高差边坡,是坑底以南的边坡,主要是煤层的露头。由于它们位置、组成和形态的差别,在渗水注入矿坑后的岩体状态变化不同。图 2(c)为北帮边坡顶部的断层间接触面,接触面 1 在白垩系砂岩内部,接触面 2 在白垩系砂岩与绿色泥岩之间,接触面参数见表 2。考虑到 50 a 内矿坑将被渗水注满,同时水位从坑底到地表约 400 m,因此模拟 9 次水位升高过程,第 1 次为海拔-380 m,第 2 次为-380 -330 m,以此类推第9 次为-30 20 m,见图3。考虑水源的河流位置,该河流距模型北边界平均为 1 300 m,而9181 2023 年 6 月 崔铁军,等:长期渗水所致水位升高对露天矿边坡岩体状态的影响研究 Jun.,2023河床海拔为 30 35 m,考虑到水力梯度为 3/1000,河床距模型南边界 2 400 m,那么产生的高差约为7.2 m;同时考虑到河床下部的裂隙和富水岩层,水源位置再降低 10 m,因此设定水源的实际位置距模型北边界 1 300 m,海拔高为 20 m,如图 3 中虚线位置。图 4 塑性区变化Fig.4 Change of plastic zone图 3 中由河流水源到模型南边界有 9 个平面,这些平面为 water plan,是 FLAC3D设定的浸水面。water plan 之下的岩体默认为饱和状态参与模拟过图 3 水面设置Fig.3 Water plan setting程。这些平面在设定的水源位置相交,在模型南边界分别表示不同水位。9 次模拟对应 9 个 waterplan,模拟过程依次累积上次结果,进而实现水位不断上升情况下的边坡岩体状态模拟。进一步考虑渗水对边坡的影响,塑性区表示边坡破坏,位移表示变形,最大主应力表示能量蓄积,因此用塑性区、位移和最大主应力的变化表征边坡岩体状态的变化。4 模拟结果与分析对露天矿边坡及矿坑中水位上升进行模拟,模拟分为 9 次递进式累积水位升高对边坡岩体状态的影响。如下分别对边坡的塑性区、位移和主应力的模拟结果进行分析。图 4 为塑性区变化,图 5 为位移变化,图 6 为最大主应力变化。塑性区变化主要集中在 3 个区域:一是坡顶两处断层,二是区域1,三是区域2。坡顶两处断层在9个模拟阶段都是拉塑性区且变化不大。由于坡顶两层岩体的结构相对完整,而坡面处的滑坡体有向下0281 Vol.23 No.6 安全 与 环 境 学 报 第 23 卷第 6 期运动的趋势,因此两断层区域都承受了边坡滑坡体带来的拉力。又由于断层位置使用了接触面,而接触面的强度性质远低于岩石,进而出现大变形形成拉塑性区,并在模拟过程中基本不变。进一步考虑图 4 中塑性区变化特征,可将前 4次模拟归为一个阶段,将后 5 次模拟归结为另一阶段。第一阶段前 4 次模拟的特点在于水位从-380m 到-230 m,该阶段水位均在岩体之下。由第 1 节水对边坡岩体的作用可知,当水在岩体之下时,水对岩体主要是孔隙水作用,有一定的浮力而减少岩体重力。该阶段中区域 1 边坡上部主要为拉剪塑性区,下部主要为剪塑性区。前者拉力源于上部岩体的黏结力,作用范围深入岩体;剪力源于坡面的滑坡体与基岩之间的作用,因此拉剪塑性区主要分布在边坡坡面上部和断层 2 并深入岩体中。后者剪力源于边坡下部滑体与基岩之间的作用,以及上部滑体带来的下滑力,因此这部分显现剪塑性区。区域 2主要呈现拉塑性区,前 3 次模拟基本不变,拉力源于南帮边坡对岩体的束缚,即岩体的强度。由于这段模拟中水并未渗透进入矿坑,所以该区域岩体基本上保持原有塑性区状态。但随着第 3 和 4 次模拟结束,水位逐渐升高,区域 2 的塑性区变得越发复杂。第二阶段随着水位进一步上升,坑内出现渗水,水位超过坑底,这时区域 1 中的边坡坡内岩体受到水的作用,即对滑坡体产生浮力,减小滑面摩擦系数,产生下滑力,这种现象在水位升高过程中逐渐明显。如第 5 和 6 次模拟后水面浸没坑底,区域 1 中的拉剪塑性区减少,剪塑性区减少,拉应力区增加。由于水的浮力作用,整体上增加了滑坡体的下滑趋势,而滑体与基岩之间的剪应力减小,取而代之的是整个滑坡体由坡角至坡顶各岩体之间的拉力。这些拉力源于下部滑体失去滑面支撑的下滑趋势,以及与上部滑体的黏结力。换而言之,区域 1 的边坡滑体由于水位的上升可能出现大范围滑坡,这种滑坡不再是无水时的由于滑面抗滑能力不足造成的,而是由于滑坡体下部首先失去滑面支持,后通过拉力使上部滑体逐一受拉依次滑坡。可见充水边坡滑坡机理与无水边坡的滑坡机理不同。图 4 中 6 9 次模拟结果也显示了当前拉塑性区的变化,直到水位达到最大的 20 m,拉塑性区也随之布满整个边坡。同样在这个阶段中,区域 2 和坑底的当前拉塑性区逐渐增加,这是因为水位逐渐上升,产生一定浮力使原本的压应力稳定转为拉应力且不断发展,同时伴随着剪应力区域的发展,使得这些区域的岩体不再稳定,具有活化趋势。水位变化对边坡岩体塑性区的影响:随着水位上升大高差边坡岩体由原来的塑性区状态转变为拉塑性区状态,且随着水位升高拉塑性区随之升高;饱和情况下边坡岩体滑坡的原因是受到下部滑坡体的拖拽;小高差边坡和坡底在水位升高过程中的塑性区变化复杂,但也向着受拉塑性区发展。从位移角度(图 5)分析水位升高对边坡岩体的影响。就位移变化可将 9 个模拟阶段划分为 3 个阶段。第一阶段 1 4 次模拟,结果表明变形的程度不大,基本维持了无水状态下的边坡变形分布。这主要是因为该期间水位在岩体之下,处于饱和状态下的岩体有效应力由于浮力的作用减小,导致水位之下的岩体有体积变大的趋势。露天矿区域 1、区域 2和坑底都是稳定的,位移不大。图 5 位移的变化过程Fig.5 Change process of displacement第二阶段为 5 7 次模拟,该阶段可从图 5 得知位移增加了 2 个数量级,从 cm 级跃升到 m 级变形。这时水位浸没了坡底且快速上升,对区域 1 坡面开始造成影响,坡脚处出现较大位移。同时区域 2 整体上也出现较大位移,大位移同样集中在坡角。第三阶段为 8、9 次模拟,这段时间水位继续上1281 2023 年 6 月 崔铁军,等:长期渗水所致水位升高对露天矿边坡岩体状态的影响研究 Jun.,2023升,对区域 1 而言,边坡受浸没的滑体逐渐增加,滑体位移也随之增加,坡脚处位移最大向上逐渐缩小,直到 water plan 位置位移变化结束。这表明随着水位上升,坡面滑体受到下部浸水区域岩体的拉力逐渐增加。区域 2 由于之前已经完全被水浸没,即使水位升高坡面位移也是趋于不变的。水位升高对坡面岩体位移的影响:当水位线低于岩体时,岩体变形较小并维持原有变形特征;当水位升高时,边坡滑坡体下部位移增加,且增加区域随着水位的升高而升高;小高差边坡完全浸没后岩体位移基本不变。图 6 最大主应力的变化Fig.6 Change of maximum principal stress分析水位上升过程对边坡岩体主应力的影响。图 6 显示了拉主应力和压主应力,前者主要是岩体破坏的参考量,后者是岩体蓄积能量的参考量,但两者都会造成岩体破坏。总体上,在模拟全过程中,模型中区域1、区域2 和坑底区域的主应力分布情况都没有较大变化。就最大拉主应力和最大压主应力的数值变化来看,压主应力逐渐增加,这是由于渗水导致水面上升造成的;进一步考虑基岩内部可看到有部分区域压主应力较为集中,这是由于基岩内部存在断层和不同岩体力学属性不同造成的应力集中;基岩为受压状态。拉主应力的数值变化及绝对量较压主应力小得多,差 2 个数量级;拉主应力主要存在于区域 1、区域 2 和坑底的表面区域;在第 6 步时出现拉主应力最大值,位于区域 1 边坡坡面上部,可能是因为 water plan 的角度特殊,滑坡体浸水造成拉力增加,同时上部岩体又未完全浸入水中。总体上水位升高对边坡岩体的主应力影响不大。水位升高对岩体主应力的影响:矿坑表面受到拉主应力作用,基岩受到压主应力作用,但拉压主应力的分布和数值在水位升高过程中的变化不明显。总结上述规律:渗水导致的露天矿内水位升高对边坡岩体的塑性区影响最大,位移其次,对主应力影响很小。大高差边坡随着水位上升坡面的拉塑性区增加,浸没岩体的位移增加;饱和情况下边坡岩体滑坡是受到下部滑坡体的拖拽造成的。小高差边坡水位升高后塑性区变化复杂,浸没后位移基本不变。水位升高对所有边坡及基岩的主应力影响很小。水在浸没或浸润岩体情况下改变了岩体中节理、裂隙和断层位置的物理力学性能,且一般是弱化了这些性能;而岩体自身重力通过水的压力作用于基岩,水自身重力对基岩产生的附加压力也是有限的。因此这种情况下岩体塑性区和位移变化明显,而应力变化相对较小。5 结 论本文研究了露天矿渗水后水位升高过程中边坡岩体状态的变化特征,主要结论如下。1)研究了水对边坡岩体的可能作用。水对边坡岩体强度有弱化作用,对边坡岩体滑坡有促进作用,水的冻融循环能破坏边坡的稳定性。2)研究了水位升高对边坡岩体塑性、位移和主应力的影响,并分析了产生这些变化的原因。水位升高对边坡岩体的塑性区影响最大,位移其次,主应力影响很小。随着水位上升,大高差边坡坡面的拉塑性区和位移增加。饱和情况下边坡岩体滑坡的原因是受到下部滑坡体的拖拽造成的。小高差边坡水位升高过程中塑性区变化复杂,浸没后位移基本不变。水位升高对主应力的影响很小。参考文献(References):1 李文秀.水对露天矿边坡稳定性的影响J.非金属矿,1984(3):910.LI W X.Influence of water on slope stability of open pitmineJ.Non-Metallic Mines,1984(3):910.2281 Vol.23 No.6 安全 与 环 境 学 报 第 23 卷第 6 期2吴榕真,舒应秋,李志强,等.基于水影响作用下的露天煤矿边坡稳定性研究J.露天采矿技术,2021,36(3):2629.WU R Z,SHU Y Q,LI Z Q,et al.Study on slopestability in open-pit coal mine based on the influence ofwaterJ.Opencast Mining Technology,2021,36(3):2629.3何国顺,刘飞,张健,等.抗剪强度参数不确定性对库水及降雨作用下边坡可靠度的影响研究J.三峡大学学报(自然科学版),2021,43(4):3743.HE G S,LIU F,ZHANG J,et al.Study on the influenceof uncertainty of shear strength parameters on slopereliability under the action of reservoir water and rainfallJ.Journal of China Three Gorges University(NaturalSciences),2021,43(4):3743.4 王国爱,曹君,杜耀辉.基于岩土水理性的寒区路基边坡稳定性分析J.岩土工程技术,2021,35(3):174178.WANG G A,CAO J,DU Y H.Analysis of subgradeslope stability in cold region based on rock and soil water-physicalproperties J.GeotechnicalEngineeringTechnique,2021,35(3):174178.5 韩龙强.富水砂砾露天矿边坡稳定性分析方法与处治技术研究D.北京:北京科技大学,2021.HAN L Q.Research on stability analysis method andtreatment technology for water-rich open-pit mine slope insandy gravel strataD.Beijing:University of Scienceand Technology Beijing,2021.6冯玉新,杨浩兴,夏冬,等.基于岩体质量分区的唐山某石矿边坡生态重建技术研究J.采矿技术,2021,21(3):179183.FENG Y X,YANG H X,XIA D,et al.Research onecological reconstruction technology of a rock mine slopein Tangshan based on rock mass quality division J.Mining Technology,2021,21(3):179183.7 韩国銮.岩质矿坑边坡稳定性分析及加固治理效果评价J.水科学与工程技术,2021(2):8893.HAN G L.Stability of rock mine slope and evaluation ofreinforcement effectJ.Water Sciences and EngineeringTechnology,2021(2):8893.8郭从洁,时伟,杨忠年,等.冻融作用下初始含水率对膨胀土边坡稳定性的影响研究J.西安建筑科技大学学报(自然科学版),2021,53(1):6979.GUO C J,SHI W,YANG Z N,et al.Research on theinfluence of initial moisture contents on the stability of theexpansive soil slope under freeze-thaw cyclesJ.Journalof Xian University of Architecture Technology(NaturalScience Edition),2021,53(1):6979.9 秦涛,任鹏,王志鹏.充水软弱基底排土场稳定性分析及排弃参数优化J.煤矿安全,2021,52(1):237241.QIN T,REN P,WANG Z P.Stability analysis anddumping parameter optimization of water-filled weak basedump J.Safety in Coal Mines,2021,52(1):237241.10 薛凯喜,丁辰,康国芳,等.不同降雨工况下红黏土边坡持水响应规律与稳定性分析J.水力发电,2021,47(3):3136,88.XUE K X,DING C,KANG G F,et al.Water holdingresponse and stability analysis of red clay slope underdifferent rainfall conditionsJ.Water Power,2021,47(3):3136,88.11 刘兴.西湾露天煤矿东边坡涌水因素分析及综合治理方法J.露天采矿技术,2020,35(6):7476.LIU X.Water influx factors analysis and comprehensivetreatment methods on east slope of Xiwan open-pit coalmineJ.Opencast Mining Technology,2020,35(6):7476.12 齐永正,姜朋明,刘欣怡,等.土体在水中的崩解对边坡稳定性的影响J.岩土工程学报,2020,42(增2):214218.QI Y Z,JIANG P M,LIU X Y,et al.Influences of soildisintegration in water on slope stabilityJ.ChineseJournal of Geotechnical Engineering,2020,42(S2):214218.13 董旭光,董建华,何天虎,等.多年冻土边坡的水热力耦合分析及软件开发J.中国地质灾害与防治学报,2020,31(4):7784.DONG X G,DONG J H,HE T H,et al.Couplinganalysis and software development of moisture-heat-stressfields of permafrost slopeJ.The Chinese Journal ofGeological Hazard and Control,2020,31(4):7784.14 赵洋,李守义.考虑上游洪水因素下土石坝溃决流量研究J.自然灾害学报,2019,28(4):6268.ZHAO Y,LI S Y.Research on earth rock dam breachflow based on upstream flood factors J.Journal ofNatural Disasters,2019,28(4):6268.15 黄志全,王安明,姜彤.西线调水一期工程滑坡崩塌体灾害评价J.自然灾害学报,2009,18(4):7883.HUANG ZQ,WANGAM,JIANGT.Hazardassessment of landslide and collapse in first-stage projectof west line for water-transfer from south to northJ.Journal of Natural Disasters,2009,18(4):7883.16 冯文凯,石豫川,王学武,等.库水作用下公路岸坡灾害风险分析理论体系J.自然灾害学报,2007,16(4):612.FENG W K,SHI Y C,WANG X W,et al.Risk3281 2023 年 6 月 崔铁军,等:长期渗水所致水位升高对露天矿边坡岩体状态的影响研究 Jun.,2023analysis system for highway bank slope hazard from wateraction of reservoir J.Journal of Natural Disasters,2007,16(4):612.17 徐则民,黄润秋,范柱国.滑坡灾害孕育激发过程中的水 岩相互作用J.自然灾害学报,2005,14(1):19.XU Z M,HUANG R Q,FAN Z G.Water-rockinteractioninprocessoflandslidepreparingandtriggeringJ.Journal of Natural Disasters,2005,14(1):19.18 崔铁军,马云东,王来贵.顺层或逆层岩质急倾斜边坡坡角的确定J.安全与环境学报,2017,17(2):477481.CUI T J,MA Y D,WANG L G.On the way fordetermining the slanting dip of the steep rock slope withbedding or inverse layers J.Journal of Safety andEnvironment,2017,17(2):477481.19 崔铁军,马云东,王来贵.露天煤矿边坡在地震中稳定性研究J.地震工程与工程振动,2015,35(6):219225.CUI T J,MA Y D,WANG L G.Simulation and analysisof earthquake stability for open-pit coal mine slopeJ.Earthquake EngineeringandEngineeringDynamics,2015,35(6):219225.20 崔铁军,马云东,王来贵.基于 PFC3D 的残煤自燃对露天矿边坡稳定性研究 J.自然灾害学报,2016,25(2):169175.CUI T J,MA Y D,WANG L G.PFC3D-based researchon the stability of open-pit slope in residual coalspontaneouscombustion J.JournalofNaturalDisasters,2016,25(2):169175.Influence of water level rise caused bylong-term seepage on rock mass stateof open pit slopeCUI Tiejun1,2,LI Shasha1,2(1CollegeofEnvironmentalandChemicalEngineering,ShenyangLigongUniversity,Shenyang110159,China;2 InstituteofSafetyandEmergency,ShenyangLigongUniversity,Shenyang 110159,China)Abstract:To study the change characteristics of slope rock massstate in the process of water seepage leading to the rise of waterlevel in the open pit,the change of rock mass state and itscauses are determined by setting simulation scenarios andanalyzing the results.The possible influence of water level riseon slope rock mass is analyzed.The activation of water on rockmass includes the weakening of slope rock mass strength,thepromotion of slope rock mass landslide,and the destruction ofthe stability of slope with the freeze-thaw cycle.According to theactual situation of the mining area,9 simulation stages of waterlevel rising from-380 m to 20 m are set up,the plastic zone,displacement,and principal stress of rock mass in each stage areobtained,and then the change of rock mass state in the processof water level rise is analyzed.The results show that the rise ofwater level has the greatest influence on the plastic zone of sloperock mass,followed by displacement,and the influence ofprincipal stress is very small.The rise of water level increasesthe tensile plastic zone and displacement of the slope with a largeelevation difference;the landslide of submerged rock mass iscaused by the drag of the lower landslide mass;the change ofplastic zone of rock mass in small elevation difference slope iscomplex,but it has little effect on the principal stress.Waterchanges the physicaland mechanicalproperties ofjoints,fissures,and faults in rock mass when it is immersed orinfiltrated,and generally weakens these properties;The gravityof the rock mass acts on the bedrock through the pressure ofwater,and the additional pressure generated by the gravity ofwater on the bedrock is also limited.Therefore,in this case,theplastic zone and displacement of rock mass change obviously,while the stress change is relatively small.Key words:safety engineering;mine safety;open pit mine;water seepage;water level change;rock mass state4281 Vol.23 No.6