露天礦順傾層狀邊坡穩(wěn)定性的斷層效應(yīng)

尚文凱，王 東，曹蘭柱，宋子嶺

（1.遼寧工程技術(shù)大學(xué)力學(xué)與工程學(xué)院，遼寧阜新123000；2.中煤集團(tuán)山西金海洋能源有限公司，山西朔州036900；3.遼寧工程技術(shù)大學(xué)礦業(yè)學(xué)院，遼寧阜新123000）

露天礦順傾層狀邊坡穩(wěn)定性的斷層效應(yīng)

尚文凱1，2，王 東3，曹蘭柱3，宋子嶺3

（1.遼寧工程技術(shù)大學(xué)力學(xué)與工程學(xué)院，遼寧阜新123000；2.中煤集團(tuán)山西金海洋能源有限公司，山西朔州036900；3.遼寧工程技術(shù)大學(xué)礦業(yè)學(xué)院，遼寧阜新123000）

作為一種典型的露天礦山邊坡，含斷層順傾層狀邊坡的變形破壞機(jī)理及穩(wěn)定性等問(wèn)題尤為復(fù)雜。結(jié)合元寶山露天礦東幫邊坡工程實(shí)際，基于強(qiáng)度折減理論，同時(shí)考慮巖體剪切和拉伸兩種破壞機(jī)制，應(yīng)用RFPA軟件模擬研究了斷層處于不同位置及無(wú)斷層條件下順傾層狀邊坡的動(dòng)態(tài)失穩(wěn)過(guò)程，分析了斷層對(duì)邊坡滑移模式、穩(wěn)定性以及滑坡力學(xué)成因機(jī)制的影響，闡明了斷層效應(yīng)。研究結(jié)果表明，元寶山露天礦東幫邊坡的滑移模式及穩(wěn)定性主要受F1斷層和順傾弱層控制，斷層的存在與偏移導(dǎo)致的坡體內(nèi)剪應(yīng)力狀態(tài)改變以及斷層自身的抗剪強(qiáng)度是邊坡滑移模式和穩(wěn)定性發(fā)生變化的根本原因；邊坡的滑坡力學(xué)成因類型與斷層無(wú)關(guān)。研究結(jié)果可為露天礦合理滑坡防治措施的提出及剝采工程設(shè)計(jì)與施工提供參考。

露天礦；邊坡穩(wěn)定性；順傾層狀邊坡；斷層效應(yīng)；數(shù)值模擬

邊坡穩(wěn)定性分析理論與方法已發(fā)展百余年［1］，經(jīng)幾代人的不懈努力，涌現(xiàn)出了許多經(jīng)典計(jì)算方法并成功應(yīng)用于工程實(shí)踐［2-8］；特別在近20余年，有限元、有限差分、離散元等各種數(shù)值方法的廣泛應(yīng)用進(jìn)一步推動(dòng)了相關(guān)理論和方法的進(jìn)步［9-13］，尤其在分析邊坡應(yīng)力、應(yīng)變狀態(tài)和揭示滑坡機(jī)理方面做出了巨大的貢獻(xiàn)。盡管如此，對(duì)于一些復(fù)雜條件下的工程開(kāi)挖邊坡穩(wěn)定性及相關(guān)問(wèn)題研究較少，仍未得到很好的解決。

露天礦邊坡區(qū)別于其他類型邊坡的顯著特點(diǎn)之一就是對(duì)地質(zhì)條件沒(méi)有選擇的余地，造成一些邊坡由于含斷層、弱層而使得自身的變形破壞機(jī)制及穩(wěn)定性問(wèn)題變得極為復(fù)雜，尤其弱層順傾時(shí)，給生產(chǎn)帶來(lái)較大的安全隱患。元寶山露天礦東幫邊坡為典型的含斷層、弱層發(fā)育的順傾層狀邊坡，在建設(shè)和生產(chǎn)過(guò)程中多次發(fā)生大變形及滑坡，嚴(yán)重影響和制約著露天礦的持續(xù)、正常生產(chǎn)。對(duì)于這類復(fù)雜條件下的邊坡穩(wěn)定性問(wèn)題，采用傳統(tǒng)的剛體極限平衡理論無(wú)法分析邊坡破壞的啟動(dòng)和發(fā)展過(guò)程以及地質(zhì)構(gòu)造等因素對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響，因而不能揭示滑坡機(jī)理；實(shí)驗(yàn)分析法成本高、可重復(fù)性差，更重要的是，由于受到模型尺寸的限制，其定量分析結(jié)果的精度無(wú)法滿足工程要求，僅僅能對(duì)邊坡變形破壞模式做出預(yù)判；現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)能夠反映邊坡的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性，但就目前來(lái)看，多采用表面位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)且監(jiān)測(cè)點(diǎn)個(gè)數(shù)非常有限，仍不能實(shí)現(xiàn)對(duì)坡體內(nèi)部變形破壞機(jī)制的準(zhǔn)確闡釋，尤其是無(wú)法實(shí)現(xiàn)邊坡穩(wěn)定性的預(yù)判。鑒于此，本文以元寶山露天礦東幫為研究對(duì)象，在分析邊坡工程地質(zhì)條件的基礎(chǔ)上，采用數(shù)值模擬手段，對(duì)含斷層順傾層狀邊坡失穩(wěn)特征進(jìn)行研究，分析斷層及其位置對(duì)順傾層狀邊坡滑移模式及穩(wěn)定性的影響，闡明邊坡變形破壞機(jī)理與斷層效應(yīng)，為礦山制定合理的滑坡防治措施提供參考，為類似邊坡工程提供借鑒。

1 邊坡工程地質(zhì)環(huán)境

元寶山露天礦東幫邊坡地層自下而上由侏羅系、第四系地層組成。侏羅系元寶山含煤地層以泥巖、炭質(zhì)泥巖、砂巖、煤為主；第三系主要由細(xì)砂巖、粉砂巖、泥礫巖組成，黏土質(zhì)膠結(jié)，半固結(jié)狀態(tài)；第四系地層以砂礫、圓礫、泥礫為主，泥礫局部半膠結(jié)。通過(guò)工程地質(zhì)補(bǔ)勘及現(xiàn)場(chǎng)寫實(shí)發(fā)現(xiàn)，邊坡內(nèi)發(fā)育有4個(gè)順傾軟弱夾層，走向基本與邊坡一致，該弱層以泥巖和炭質(zhì)泥巖為主，其吸水性和持水性較強(qiáng)、軟化程度較高。東部有一與邊坡斜交的大型順傾正斷層F1，傾角46°～64°，落差大于200m，走向延長(zhǎng)5km以上。坡體內(nèi)賦存4個(gè)連續(xù)性順傾弱層（自上而下編號(hào)為①、②、③、④），傾角大約12°。該區(qū)巖體結(jié)構(gòu)類型主要有3種：第四系松散砂礫石可視為均質(zhì)連續(xù)的松散土體；淺部巖層由于受風(fēng)化、地下水、構(gòu)造運(yùn)動(dòng)等各種內(nèi)外應(yīng)力作用的影響，結(jié)構(gòu)松散破碎、完整性很差，為破碎松散結(jié)構(gòu)巖體；煤層以馬尾狀分布，與巖石互層沉積，形成層狀巖體結(jié)構(gòu)。本區(qū)主要有第四系含水層和基巖含水層兩個(gè)含水單元，其中第四系含水層分為第四系孔隙潛水富含水層和孔隙承壓弱含水層，基巖含水層分為第三系孔隙中等富含水層和侏羅系孔隙裂隙承壓弱含水層；充水因素主要為大氣降水、第四系潛水疏干殘余水涌水、煤系砂巖孔隙裂隙含水層涌水。邊坡高度約200m，設(shè)計(jì)邊坡角20°。邊坡的空間幾何形態(tài)、地層及構(gòu)造分布如圖1所示，巖土體物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 邊坡巖土體物理力學(xué)參數(shù)Table 1 Geotechnical physical mechanics parameters of slope

顯然，該礦東幫為一典型的含斜交斷層順傾層狀邊坡，影響邊坡穩(wěn)定的控制性因素為邊坡內(nèi)部的一系列順傾弱層及F1斷層。當(dāng)斷層距離邊坡面較遠(yuǎn)時(shí)，基本不會(huì)涉及邊坡的穩(wěn)定性，而距離較近時(shí)，必然會(huì)影響邊坡的滑移模式，進(jìn)而影響邊坡的穩(wěn)定性。因此，元寶山露天礦東幫邊坡的潛在滑移模式有兩種：受斷層影響時(shí)，易發(fā)生以剪切圓弧、斷層為側(cè)界面、弱層為底界面的組合滑動(dòng)；不受到斷層影響時(shí)，易發(fā)生以剪切圓弧為側(cè)界面、弱層為底界面的組合滑動(dòng)。

2 邊坡穩(wěn)定性數(shù)值模擬

數(shù)值模擬采用唐春安教授帶頭研發(fā)的RFPA強(qiáng)度折減法（RFPA-SRM）軟件，它基于有限元作為應(yīng)力分析工具，全面滿足靜力平衡、應(yīng)變相容及巖土體的非線性應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系，同時(shí)運(yùn)用拉伸破壞和剪切破壞兩種準(zhǔn)則實(shí)現(xiàn)對(duì)巖土細(xì)觀破壞的判斷，采用折減計(jì)算步中出現(xiàn)基元破壞數(shù)最大時(shí)的時(shí)刻作為邊坡失穩(wěn)的臨界點(diǎn)［14］。該軟件的最大優(yōu)點(diǎn)是考慮了單元破壞后的相變，可描述巖體變形到破壞的動(dòng)態(tài)過(guò)程與破裂面形態(tài)，更適合于分析復(fù)雜工程條件下的邊坡巖體穩(wěn)定性問(wèn)題。本文通過(guò)模擬分析斷層處于不同位置及無(wú)斷層條件下邊坡動(dòng)態(tài)失穩(wěn)過(guò)程中的位移分布及演化規(guī)律、變形破壞特征，揭示斷層順傾層狀邊坡滑移模式及穩(wěn)定性的影響，并闡明斷層效應(yīng)與滑坡機(jī)理。

2.1 I-I剖面邊坡

以元寶山露天礦東幫I-I剖面邊坡為參照建立數(shù)值模擬模型，其兩側(cè)和底部采用位移約束，加載方式為自重加載。通過(guò)模擬，再現(xiàn)了I-I剖面邊坡變形到破壞的動(dòng)態(tài)過(guò)程。經(jīng)過(guò)4步計(jì)算，即巖體抗剪強(qiáng)度參數(shù)折減3次時(shí)，邊坡失穩(wěn)。按照RFPA-SRM對(duì)邊坡穩(wěn)定系數(shù)的定義，得出穩(wěn)定系數(shù)Fs（折減系數(shù)為0.01）為：

圖1 邊坡工程地質(zhì)平、剖面圖Fig.1 Slope engineering geological plan and profile maps

1）位移分布及演化特征

圖2（a）、圖2（b）分別為I-I剖面邊坡穩(wěn)定性模擬過(guò)程中的位移矢量場(chǎng)和應(yīng)變帶云圖，描述了邊坡從變形到破壞的整個(gè)動(dòng)態(tài)過(guò)程。分析可知，上部巖體受重力作用以沉降變形為主，進(jìn)而擠壓下部巖體沿弱層向臨空面滑移，當(dāng)位移累積至一定程度時(shí)，滑坡發(fā)生，表明滑坡的力學(xué)成因類型為推動(dòng)式；滑坡過(guò)程中經(jīng)歷了局部裂縫發(fā)生、大范圍擴(kuò)展和貫通階段；滑坡模式為以圓弧剪切面與F1斷層為側(cè)界面、4號(hào)弱層為底界面的組合滑動(dòng)，同時(shí)，2號(hào)、3號(hào)弱層上、下盤巖體也發(fā)生不同程度的錯(cuò)動(dòng)，說(shuō)明坡體出露弱層，尤其是最下部的4號(hào)弱層，是控制順傾層狀邊坡穩(wěn)定性的重要因素［15］。

2）變形破壞特征

圖2（c）描述了I-I剖面邊坡穩(wěn)定性模擬過(guò)程中的聲發(fā)射特征，表明邊坡巖體破壞方式有兩種類型：坡面附近巖體以拉破裂為主，深部巖體主要以剪切滑移為主，即邊坡是在張拉-剪切復(fù)合作用下發(fā)生破壞的（深灰色代表拉張破壞，灰白色代表壓剪破壞）；在邊坡失穩(wěn)過(guò)程中，弱層附近巖土體破壞范圍逐漸擴(kuò)展，累積至一定范圍后，滑坡發(fā)生。

圖2 I-I剖面邊坡穩(wěn)定性數(shù)值模擬結(jié)果Fig.2 Numerical test results of I-I profile slope stability

2.2 Ⅱ-Ⅱ剖面邊坡

以Ⅱ-Ⅱ剖面邊坡為參照建立邊坡數(shù)值模擬模型，邊界條件同前。經(jīng)過(guò)5步計(jì)算，即巖體抗剪強(qiáng)度參數(shù)折減4次時(shí)，邊坡失穩(wěn)。經(jīng)計(jì)算，邊坡的穩(wěn)定系數(shù)Fs為1.042。

1）位移分布及演化特征

圖3（a）、圖3（b）分別為Ⅱ-Ⅱ剖面邊坡穩(wěn)定性模擬過(guò)程中的位移矢量場(chǎng)和應(yīng)變帶云圖。與I-I剖面邊坡相比，同樣是上部巖體受自重作用沉降，擠壓下部巖體沿弱層向臨空面滑移，當(dāng)位移累積至一定程度時(shí)，滑坡發(fā)生，滑坡的力學(xué)成因類型為推動(dòng)式；滑移模式仍為以剪切圓弧和F1斷層為側(cè)界面、4號(hào)弱層為底界面的組合滑動(dòng)；2號(hào)、3號(hào)弱層上、下盤巖體也發(fā)生了一定程度的錯(cuò)動(dòng)，進(jìn)一步說(shuō)明坡體出露弱層是控制順傾層狀邊坡穩(wěn)定性的重要因素。

2）變形破壞特征

圖3（c）描述了Ⅱ-Ⅱ剖面邊坡穩(wěn)定性模擬過(guò)程中的聲發(fā)射特征，同樣表明邊坡是在拉、剪的復(fù)合作用下發(fā)生破壞的，當(dāng)坡體內(nèi)弱層附近巖土體破壞范圍逐漸擴(kuò)展并累積至一定范圍后，滑坡發(fā)生。

2.3 無(wú)斷層邊坡

不考慮斷層的影響，以I-I剖面邊坡為參照建立數(shù)值模擬模型。經(jīng)過(guò)5步計(jì)算，即巖體抗剪強(qiáng)度參數(shù)折減4次時(shí)，邊坡失穩(wěn)。經(jīng)計(jì)算，無(wú)斷層條件下I-I剖面邊坡的穩(wěn)定系數(shù)Fs為1.042。

1）位移分布及演化特征

圖4（a）、圖4（b）分別為無(wú)斷層條件下I-I剖面邊坡開(kāi)挖到失穩(wěn)過(guò)程中的位移矢量場(chǎng)演變過(guò)程圖和應(yīng)變帶云圖。對(duì)比分析可知，不考慮斷層作用時(shí)，滑移模式發(fā)生了一定的變化，為以剪切圓弧為側(cè)界面、4號(hào)弱層為底界面的組合滑動(dòng)；對(duì)于位移場(chǎng)的演變及裂縫的發(fā)生、發(fā)展過(guò)程和有斷層時(shí)無(wú)明顯差異，滑坡的力學(xué)成因類型仍為推動(dòng)式。

2）變形破壞特征

圖4（c）為無(wú)斷層作用下I-I剖面邊坡邊坡穩(wěn)定性模擬過(guò)程中的聲發(fā)射特征圖，表明無(wú)斷層時(shí)邊坡巖體破壞類型、滑坡演變過(guò)程及力學(xué)成因類型與有斷層時(shí)基本一致；只是沒(méi)有了斷層，對(duì)滑體邊界有一定的影響，這也是相對(duì)于有斷層時(shí)邊坡穩(wěn)定性有所提高的重要原因。

2.4 斷層效應(yīng)及滑坡機(jī)理分析

對(duì)比分析圖2～4所示的數(shù)值模擬結(jié)果可知，斷層的存在與否及其位置僅對(duì)邊坡的滑移模式與穩(wěn)定性有一定影響，即斷層向邊坡內(nèi)側(cè)偏移后，盡管未改變滑坡模式，但造成了滑體的側(cè)界面隨之偏移，邊坡穩(wěn)定性有所增加；當(dāng)斷層偏移至一定距離時(shí)，邊坡的穩(wěn)定性同無(wú)斷層時(shí)基本一致。斷層處于不同位置或者無(wú)斷層條件下順傾層狀邊坡的滑坡力學(xué)成因類型為推動(dòng)式，與斷層無(wú)關(guān)。

圖3 Ⅱ-Ⅱ剖面邊坡穩(wěn)定性數(shù)值模擬結(jié)果Fig.3 Numerical test results ofⅡ-Ⅱprofile slope stability

圖4 無(wú)斷層I-I剖面邊坡數(shù)值模擬結(jié)果Fig.4 Numerical test results of unfaultedⅠ-Ⅰprofile slope stability

另一方面，巖體發(fā)生變形是由于開(kāi)挖造成的原巖體內(nèi)應(yīng)力狀態(tài)的改變和調(diào)整，若應(yīng)力值未超出巖體的強(qiáng)度，巖體僅發(fā)生變形，一旦超出其強(qiáng)度，則發(fā)生破壞。根據(jù)模擬結(jié)果，繪制了三種不同條件下邊坡體內(nèi)的剪應(yīng)力分布等值線圖（見(jiàn)圖5），通過(guò)分析不同斷層處于不同位置和無(wú)斷層條件下邊坡體內(nèi)的應(yīng)力分布狀態(tài)的差異，便可發(fā)現(xiàn)斷層對(duì)順傾層狀邊坡穩(wěn)定性的影響，以闡明滑坡機(jī)理。

圖5 坡體內(nèi)剪應(yīng)力分布規(guī)律（單位：MPa）Fig.5 Shear stressdistribution in slope masses

顯然，斷層的存在及其位置的偏移對(duì)邊坡內(nèi)剪應(yīng)力分布有一定影響。有斷層時(shí)，斷層和弱層交叉區(qū)域的剪應(yīng)力相對(duì)集中，再加上斷層自身強(qiáng)度較差，斷層上下盤巖體易發(fā)生剪切錯(cuò)動(dòng)；當(dāng)斷層向邊坡內(nèi)側(cè)偏移而逐漸遠(yuǎn)離邊坡面時(shí)，對(duì)坡面附近巖體的剪應(yīng)力狀態(tài)影響也逐漸越小，此時(shí)將不再影響邊坡的穩(wěn)定性。因此，斷層的存在及其空間位置會(huì)影響邊坡的滑移模式，改變滑體的邊界，進(jìn)而影響其穩(wěn)定性，即斷層的存在及其位置偏移所導(dǎo)致的坡體內(nèi)剪應(yīng)力狀態(tài)改變和斷層自身的強(qiáng)度特性是邊坡滑移模式和穩(wěn)定性發(fā)生變化的根本原因。

3 結(jié)論

1）元寶山露天礦東幫邊坡的滑移模式及穩(wěn)定性主要受F1斷層和順傾弱層控制；斷層存在時(shí)，滑坡模式為以剪切圓弧和F1斷層為側(cè)界面、4號(hào)弱層為底界面的組合滑動(dòng)；無(wú)斷層時(shí)，滑坡模式為以剪切圓弧為側(cè)界面、4號(hào)弱層為底界面的組合滑動(dòng)；巖體沿2號(hào)、3號(hào)弱層也發(fā)生一定程度的錯(cuò)動(dòng)，在制定滑坡防治措施時(shí)應(yīng)予以考慮。

2）斷層向邊坡內(nèi)側(cè)偏移會(huì)造成滑體的側(cè)界面隨之偏移，進(jìn)而使邊坡穩(wěn)定性有所增加；隨著斷層不斷向坡體內(nèi)側(cè)偏移，對(duì)邊坡滑移模式與穩(wěn)定性的影響逐漸消失；斷層的存在與偏移導(dǎo)致的坡體內(nèi)剪應(yīng)力狀態(tài)改變以及斷層自身的抗剪強(qiáng)度是邊坡滑移模式和穩(wěn)定性發(fā)生變化的根本原因。

3）元寶山露天礦東幫邊坡的滑坡力學(xué)成因類型與斷層的存在及其位置無(wú)關(guān)，為推動(dòng)式滑坡。

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Fault effect on stability of dip bedded slope in open pit mine

SHANG Wenkai1，2，WANG Dong3，CAO Lanzhu3，SONG Ziling3
（1.College of Mechanics and Engineering，Liaoning Technical University，F(xiàn)uxin Liaoning 123000，China；2.China Coal Group Shanxi G-ocean Energy Co.，Ltd.，Shuozhou Shanxi 036900，China；3.College of Mines，Liaoning Technical University，F(xiàn)uxin Liaoning 123000，China）

As a kind of typical slope in open pit mine，the deformation failure mechanism and stability of dip bedded slope with faults is particularly complicated.According to the engineering practice of Eastern Slope in Yuanbaoshan Open Pit Mine，based on shear strength reduction theory，taking into account both tension and shear failure criterion，the dynamic failure process of the dip bedded slope when the fault locates at different positions or there is no fault studied by numerical simulation with RFPA，then the impact of the fault on the failure mode，stability and landslide mechanical cause of the slope are analyzed and the fault effects are demonstrated.It is shown that the failure mode and the stability of the slope are controlled by fault F1and the dip bedded weak layer，the change of shearing stress state caused by the existence，shift of the fault and its strength are the root cause that the failure mode and the stability of the slope change and the landslide mechanical cause is irrelevant to the fault，which can provide some references for landslide prevention and the engineering design and construction in Yuanbaoshan Open Pit Mine.

open pit mine；slope stability；dip bedded slope；fault effect；numerical simulation

TD854＋.6

Α

1671-4172（2015）03-0092-06

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（51104084，51474119）；國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)資助項(xiàng)目（U1361211）

尚文凱（1968-），男，教授級(jí)高級(jí)工程師，博士研究生，主要從事巖土力學(xué)領(lǐng)域的研究工作。

王 東（1978-），男，副教授，博士，主要從事露天開(kāi)采及邊坡工程領(lǐng)域的教學(xué)和科研工作。

10.3969/j.issn.1671-4172.2015.03.021