基于離散元的含軟弱夾層巖質(zhì)邊坡滑移機理分析

范昊天，孫少銳，王亞山，張紀星，劉寶生

(1.河海大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京 211100；2.江蘇省地質(zhì)調(diào)查研究院，江蘇 南京 210018)

0 引言

評價邊坡的穩(wěn)定性，查明分析滑坡體的滑移機理，研究誘發(fā)滑坡的影響因素，科學(xué)、準確地預(yù)測滑坡發(fā)生的可能性，針對不穩(wěn)定邊坡提出切實有效、經(jīng)濟合理的治理措施，能夠有效地減少滑坡地質(zhì)災(zāi)害帶來的損失，關(guān)系到經(jīng)濟社會的健康發(fā)展和人民的生命財產(chǎn)安全，具有十分重要的現(xiàn)實意義。相比于土質(zhì)邊坡的失穩(wěn)，由于巖質(zhì)邊坡的特殊地質(zhì)結(jié)構(gòu)的特殊性，導(dǎo)致目前人們對巖質(zhì)邊坡的失穩(wěn)機理認識還存在一定的局限性，對于其破壞方式還停留在現(xiàn)象描述和簡化的定性研究階段，對于其滑移機理的基礎(chǔ)研究工作開展不夠深入。原因主要在于巖體內(nèi)部分布著大量的不規(guī)則節(jié)理裂隙，這些節(jié)理裂隙構(gòu)成的復(fù)雜結(jié)構(gòu)面網(wǎng)絡(luò)又將巖體切割為不連續(xù)體，很難找到一套較為合理的理論來解釋巖體的物理和力學(xué)性質(zhì)[1]。

PFC軟件適合散粒體材料或含多組節(jié)理的巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性分析。國內(nèi)外許多學(xué)者，采用離散元程序?qū)吰碌幕破茐臋C理開展了一系列的研究工作。周健等[2]利用離散元程序?qū)ν临|(zhì)邊坡的失穩(wěn)進行了模擬，李祥龍等[3]研究了不同層面貫通參數(shù)對順層巖質(zhì)邊坡的地震動力響應(yīng)，胡訓(xùn)健等[4]針對水平厚層狀巖質(zhì)邊坡研究了巖橋長度和節(jié)理間距的不同組合形式在地震作用下的不同破壞模式，崔鐵軍等[5]研究了不同地震加速度的時間下傾斜且具有水平裂隙發(fā)育邊坡的破壞特點，賀續(xù)文等[6]討論了節(jié)理連通率對邊坡破壞形式的影響，周喻等[7]從細觀力學(xué)角度深入研究了順層斷續(xù)節(jié)理巖質(zhì)邊坡模型破壞過程的力學(xué)機制。李新坡等[8]對節(jié)理巖質(zhì)邊坡的破壞和運動過程進行了研究，分析了不同關(guān)鍵參數(shù)對破壞后的堆積形狀和運動距離的影響。SCHOLTS等[9]研究了含裂隙巖體的漸進性破壞，HUANG等[10]通過PFC2D建立了含不同形式斷續(xù)節(jié)理的巖質(zhì)邊坡模型，研究了其不同的破壞模式，LO等[11]對臺灣蘇華高速公路115.9 K滑坡的運動過程進行了模擬。隨著計算機水平的不斷提高，運算速度的不斷加快，顆粒流法在邊坡穩(wěn)定性分析中的應(yīng)用越來越廣泛[12-19]。

鑒于PFC在模擬大范圍邊坡動態(tài)破壞過程和應(yīng)力變化情況方面的優(yōu)勢，本文以蘇州市清明山關(guān)閉礦區(qū)礦山滑坡地質(zhì)災(zāi)害為例，基于顆粒流程序?qū)吰率Х€(wěn)破壞過程進行了數(shù)值模擬，對含軟弱夾層的順層巖質(zhì)邊坡的變形破壞過程和滑移機理進行了分析和研究。研究成果可為含軟弱夾層的順層巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性評價和加固設(shè)計提供參考，以便地質(zhì)災(zāi)害治理時采用更加經(jīng)濟合理的治理方案。

1 工程區(qū)概況

礦山邊坡位于蘇州市吳中區(qū)清明山北側(cè)，滑坡區(qū)邊坡走向近東西向，邊坡巖層層面傾向基本與邊坡傾向一致，巖層面傾角約30°?，F(xiàn)已發(fā)生塌滑區(qū)的整個坡面面積約13 642 m2，頂?shù)赘卟罴s86 m。塌滑區(qū)整體呈“L”型，沿邊坡傾向方向的坡面長度約150 m，沿邊坡走向方向的塌滑區(qū)下部的寬度約為86 m，上部的寬度約為120 m。已塌滑區(qū)原始山體坡度約為25°，礦山開采后的邊坡坡度約為30°～33°不等，邊坡塌滑后的塌滑堆積體在坡面形成的坡度為25°～40°不等(圖1)。

滑坡區(qū)內(nèi)出露以下幾種地層：泥盆系中統(tǒng)茅山群(D1-2ms)：灰、灰白、肉色中厚層細砂巖夾薄層粉砂巖夾灰白色粉砂質(zhì)泥巖；泥盆系上統(tǒng)五通組(D3w)：灰白色、灰黑色厚層石英砂巖，平行層理構(gòu)造，鈣質(zhì)膠結(jié)，層厚0.3～1.0 m不等，夾灰白色薄層砂質(zhì)泥巖；第四系(Q)：巖性主要為棕黃色粉質(zhì)黏土，出露厚度變化較小，一般層厚0.1～1 m，局部厚大于2 m。

滑坡區(qū)內(nèi)地表水主要類型為面流、澗谷季節(jié)性水流，地表水受大氣降水控制；地下水可分為松散巖類孔隙水和基巖裂隙水，水量均受大氣降水影響，無固定地下水位。2014年7月中旬蘇州地區(qū)連續(xù)出現(xiàn)強降雨，雨量累計達76 mm，致使滑坡險情發(fā)生。

滑塌體以及塌滑體下部穩(wěn)定的滑床均由泥盆系中統(tǒng)茅山組砂巖構(gòu)成。邊坡在發(fā)生滑動以后，發(fā)生滑動的滑坡體并未完全下滑，而是堆積于坡面和坡腳處，形成了具有一定坡度的，由松散巖土體及巨石塊構(gòu)成的坡面堆積體。此外，在邊坡坡面上存在具有一定完整性的、只下滑一段距離且目前仍位于滑坡滑動面上的部分滑體，這些殘存的部分滑體在下部松散巖土體的支撐下維持基本穩(wěn)定狀態(tài)。邊坡內(nèi)殘存的部分滑體，以及由于滑體下滑、破碎、堆積而形成的松散巖土體，在降雨等外界條件作用下，極易發(fā)生二次滑動，產(chǎn)生滑坡地質(zhì)災(zāi)害。在未發(fā)生滑動的穩(wěn)定基巖面頂部，存在多處寬約10～30 cm，深約超過1 m的張拉裂隙，且裂隙走向與邊坡走向呈小角度相交。

2 數(shù)值模擬模型構(gòu)建

顆粒流是一種基于離散單元法的數(shù)值分析方法，相比于極限平衡法，在分析邊坡穩(wěn)定的時候不需要假定滑動面形狀，也不需要假定巖土體的本構(gòu)關(guān)系，顆粒根據(jù)自身受力而不斷更新位置關(guān)系，故能更加直觀地反應(yīng)邊坡失穩(wěn)過程中滑體的移動和滑裂面的形成發(fā)展，能夠較好地分析邊坡的失穩(wěn)過程。

2.1 數(shù)值模型參數(shù)選取

由于PFC中的參數(shù)并不是諸如黏聚力、內(nèi)摩擦角等宏觀參數(shù)，需要結(jié)合試驗得到巖石的應(yīng)力應(yīng)變曲線，進而通過模擬試驗進行參數(shù)標定，使PFC中的細觀參數(shù)能夠反映巖石的宏觀力學(xué)性質(zhì)，參考文獻[20]的研究，根據(jù)現(xiàn)場勘察和室內(nèi)試驗，層間軟弱夾層內(nèi)的粉砂質(zhì)泥巖在暴雨狀態(tài)下的抗剪強度參數(shù)為黏聚力c=18 kPa，內(nèi)摩擦角φ=18°。經(jīng)過數(shù)值直剪試驗不斷調(diào)整微觀參數(shù)，可得在剛度為巖石的0.01倍，粘結(jié)強度為完整巖塊的50%時可以較好地模擬層間軟弱夾層，本文最終選取巖石的細觀參數(shù)見表1。

表1 PFC邊坡模型細觀參數(shù)

2.2 數(shù)值模型建模過程

根據(jù)邊坡典型剖面，建立PFC邊坡模型，邊坡長180 m，高110 m，采用“下落法”在180 m長的范圍內(nèi)，先分三次下落生成25 435個顆粒，構(gòu)成長方形模型，接著分兩次開挖，刪除指定位置的顆粒形成邊坡形狀，每次開挖后都進行循環(huán)一定次數(shù)以平衡邊坡表面因為卸荷回彈造成的應(yīng)力變化。通過循環(huán)和半徑擴大消除懸浮顆粒，使顆粒達到應(yīng)力平衡狀態(tài)，最后邊坡模型由13 775個顆粒和3面墻體組成。

根據(jù)滑坡現(xiàn)場勘察的地質(zhì)資料，在坡體內(nèi)部利用JSET命令設(shè)置傾角30°±5°，間距5 m，貫通率為70%的軟弱結(jié)構(gòu)面。

為監(jiān)測坡體內(nèi)的應(yīng)力應(yīng)變變化特征，沿著坡體表面均勻布置了10個測量圓，最后形成的含軟弱結(jié)構(gòu)面和節(jié)理邊坡模型見圖2。

圖2 邊坡模型及測量圓分布Fig.2 Slope model and the location of measure circle

3 模擬結(jié)果分析

3.1 動態(tài)破壞過程分析

圖3 邊坡破壞過程Fig.3 Failure process of the slope

在重力作用下，模型運行了301 286步，通過不同時步模型的狀態(tài)可以反映出邊坡破壞失穩(wěn)的全過程(圖3)。運行至50 000步時，坡體前端已經(jīng)沿平緩結(jié)構(gòu)面向坡前臨空方向產(chǎn)生蠕變性滑移，致使坡體后緣產(chǎn)生張拉裂縫，整個坡體沿著靠近坡面的一組軟弱結(jié)構(gòu)面發(fā)生滑動，隨后，在前期形成的臨空面和軟弱結(jié)構(gòu)面的共同影響下，后緣的巖體開始出現(xiàn)崩塌掉落，致使破壞逐漸向坡頂發(fā)展。

3.2 位移場分析

邊坡滑動時，首先沿著最靠近坡面的軟弱結(jié)構(gòu)面滑動，進而向深處的第二條結(jié)構(gòu)面發(fā)展。同時，根據(jù)顆粒間的相對位置可以判斷出，在滑動發(fā)生時，顆粒還存在轉(zhuǎn)動。在邊坡無明顯滑動后，平均不平衡力與平均接觸力的比值小于1×10-5時可判斷模型已處于基本穩(wěn)定狀態(tài)，該模型計算結(jié)束時運行了301 286步，結(jié)束時顆粒最大位移為54.18 m，深層滑動面深度約為20 m，滑坡體堆積形成的坡角在25°～30°，與實際情況較為吻合(圖4)。

圖4 300 000時步滑坡體水平方向位移等值線圖Fig.4 Landslide horizontal displacement contour map of 300 000 steps

3.3 應(yīng)力變化分析

通過對邊坡模型計算過程的監(jiān)測，根據(jù)監(jiān)測得到的x方向正應(yīng)力、y方向正應(yīng)力、剪應(yīng)力由下式計算出每個測量圓內(nèi)顆粒主應(yīng)力的平均值：

各圓內(nèi)σ1和σ3隨時步的變化情況見圖5。由圖5可知，測量圓1、2、3所在部位σ3逐漸減小，故主應(yīng)力差逐漸增加，超過了顆粒所能承受的最大主應(yīng)力差后致使顆粒之間的粘結(jié)被破壞，造成顆粒被擠出坡腳。測量圓4、5、6、7所在部位，σ1和σ3均逐漸增大，使σ1-σ3逐漸減小，這是由于滑坡過程中邊坡中部顆粒應(yīng)力釋放造成的。而在邊坡上部測量圓8所在位置，σ3在10 000步之前的減小造成了一條拉裂縫的形成，隨后逐漸保持穩(wěn)定，說明沒有更多的裂縫形成，測量圓9、10所在部位應(yīng)力變化均不明顯，說明該部位顆粒整體穩(wěn)定性好，受滑坡影響小，因此證明了滑坡后緣位于測量圓8所在范圍內(nèi)。

圖5 不同部位測量圓內(nèi)主應(yīng)力Fig.5 The principal stress in specified measuring circles

圖6 邊坡不同部位正應(yīng)力隨時步變化曲線Fig.6 Normal stress changing with time step in specified location of slope

通過對邊坡內(nèi)部不同部位的正應(yīng)力和剪應(yīng)力進行監(jiān)測得到圖6和圖7，將測量圓1、2、3的數(shù)據(jù)取平均值命名為邊坡下部，將測量圓4、5、6的數(shù)據(jù)取平均值命名為邊坡中部，將測量圓7、8、9的數(shù)據(jù)取平均值命名為邊坡上部，可以得到隨著邊坡滑動的進行，邊坡上部正應(yīng)力和剪應(yīng)力變化程度較小，表明上部巖體較為穩(wěn)定，未產(chǎn)生大規(guī)模滑動；邊坡中部巖體壓應(yīng)力逐漸減小，剪應(yīng)力變化介于上部和下部之間；邊坡下部巖體內(nèi)部壓應(yīng)力逐漸增大，剪應(yīng)力也維持在較高水平，表明該邊坡下部的率先滑動屬壓致拉裂產(chǎn)生。以上結(jié)果證明了下部巖體處于所受壓應(yīng)力和剪應(yīng)力較大，致使巖體結(jié)構(gòu)最先破壞，巖體在上方荷載的作用下被剪出坡腳開始產(chǎn)生滑動，進而后方巖體沿著邊坡內(nèi)的軟弱結(jié)構(gòu)面向下滑動，最后形成貫通性滑移面，造成整個邊坡的失穩(wěn)破壞。

圖7 邊坡不同部位剪應(yīng)力隨時步變化曲線Fig.7 Shear stress changing with time step in specified location of slope

4 結(jié)語

根據(jù)蘇州清明山關(guān)閉礦區(qū)邊坡的工程地質(zhì)勘察資料，利用離散單元法中的顆粒流程序，選取滑坡區(qū)典型剖面，建立了二維顆粒流數(shù)值模型，對滑坡的動態(tài)變化過程和破壞模式進行了分析。得出如下主要結(jié)論：

(1)清明山關(guān)閉礦區(qū)滑坡為降雨條件下誘發(fā)的滑移-壓致拉裂式滑坡，失穩(wěn)演變過程可大致分為如下三個階段：前緣局部崩塌階段、壓致拉裂面自下向上擴展階段、滑移面貫通階段。

(2)滑動面主要位于粉砂質(zhì)泥巖層，誘發(fā)滑坡的主要因素為：短時較大的降雨量、遇水易軟化的粉砂質(zhì)泥巖、不利于邊坡穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)面與坡面組合關(guān)系。

(3)分析了含軟弱夾層巖質(zhì)邊坡滑動時邊坡內(nèi)部的應(yīng)力狀態(tài)，為此類滑坡地質(zhì)災(zāi)害的治理提供依據(jù)。