采坑型滑坡地質(zhì)力學(xué)模式研究
——以貴州省福泉滑坡為例

王小明，史文兵，，梁 風(fēng)，馬文鵬

（1.貴州大學(xué) 國土資源部喀斯特環(huán)境與地質(zhì)災(zāi)害重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，貴州 貴陽 550025；2.貴州大學(xué) 資源與環(huán)境工程學(xué)院，貴州 貴陽 550025；3.蘭州大學(xué) 土木工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730000）

0 引言

順層巖質(zhì)滑坡[1]是全世界范圍內(nèi)的主要災(zāi)害之一，其危害巨大。如敘大鐵路古藺站場滑坡[2]，雞扒子滑坡[3]，瓦伊昂滑坡等。都是順層巖質(zhì)滑坡的典型例子，這些滑坡發(fā)生后都帶來了災(zāi)難性的后果，給我們留下了慘痛的教訓(xùn)。所以研究順層滑坡的失穩(wěn)破壞機(jī)制具有非常重大的意義。

在巖溶發(fā)育地區(qū)，礦山開采都面臨著一個巨大的問題，由于巖溶發(fā)育，導(dǎo)致該部分地區(qū)的水文地質(zhì)條件和工程地質(zhì)條件都非常復(fù)雜，這在一定程度上給礦山邊坡的治理帶來了很大的困難，只有研究清楚斜坡失穩(wěn)破壞的機(jī)制，在關(guān)鍵部位施加合理的工程治理措施，才能保證邊坡的穩(wěn)定，從而保障人們的生命財(cái)產(chǎn)安全。2014年8月27日晚上8點(diǎn)30分在貴州福泉發(fā)生小壩滑坡，滑坡總方量達(dá)到了140萬方，滑動速度快，且是在夜晚發(fā)生，直接造成23人遇難，22人受傷，67戶村民的77棟房屋受損，造成了不可挽回的生命、財(cái)產(chǎn)損失。該滑坡區(qū)是典型的巖溶發(fā)育地區(qū)，滑坡規(guī)模巨大，地質(zhì)條件復(fù)雜，給地質(zhì)災(zāi)害治理帶來了困難。

滑坡地質(zhì)力學(xué)研究成果豐碩，趙建軍等[4]對貴州省馬達(dá)嶺滑坡的地質(zhì)力學(xué)模式采用物理模擬方法進(jìn)行研究，總結(jié)出該類滑坡的地質(zhì)力學(xué)模式為彎曲—拉裂、塑流—拉裂和蠕滑—拉裂三個階段。馮春等[5]運(yùn)用離散元的PCMM方法結(jié)合強(qiáng)度折減法對觀音巖滑坡的潛在失穩(wěn)模式進(jìn)行了探討，得出了觀音巖滑坡的失穩(wěn)模式為推移式滑坡。馮文凱等[6]運(yùn)用三維離散元模擬分析方法，驗(yàn)證了某滑坡的變形演化機(jī)制為滑移—彎曲，對評價滑坡的演化趨勢和穩(wěn)定性以及危險性提供了科學(xué)的依據(jù)。本文通過對小壩滑坡的地質(zhì)條件進(jìn)行了綜合的分析，建立滑坡的數(shù)值模型，以對小壩滑坡在開挖過程中的變形特征進(jìn)行數(shù)值模擬，從而分析其變形破壞模式，為科學(xué)的地質(zhì)災(zāi)害治理提供參考[7]。

1 小壩滑坡工程地質(zhì)條件

小壩滑坡位于貴州省福泉市道坪鎮(zhèn)小壩組，地處云貴高原東部，區(qū)域上屬于構(gòu)造侵蝕剝蝕的山地地貌?；聟^(qū)內(nèi)地形呈臺階狀，地形起伏較大，邊坡前后緣高差約為200m，屬高邊坡類型。在邊坡左前緣有一露天采坑，坑內(nèi)積水約50m深，總方量約為21萬方?；聟^(qū)地層主要有第四系（Q）殘坡積及表土層：主要為含碎石粘土、亞粘土等松散巖類；寒武系下統(tǒng)明心寺組、牛蹄塘組（C1m+n）之粘土巖、頁巖及粉砂巖等；震旦系下統(tǒng)燈影組（Z1ds）之磷塊巖、硅質(zhì)巖等；清白口系清水江組（Qbq）之灰綠色、灰色中至厚層凝灰?guī)r夾粉砂巖、板巖等軟質(zhì)類巖；震旦系上統(tǒng)燈影組（Z2dy）之白云巖等硬質(zhì)巖類，在斜坡的中部有一條貫穿的逆斷層。該區(qū)地層軟硬相間，易發(fā)生滑坡等地質(zhì)災(zāi)害。（工程地質(zhì)平面圖如圖1所示）

圖1小壩滑坡工程地質(zhì)平面圖Fig.1 Engineering geological plan of Xiaoba landslide

小壩滑坡發(fā)生后，對新灣和小壩兩個村民組形成沖擊之勢，原本可免受滑坡災(zāi)害的小壩組卻因?yàn)槠麦w左前緣采坑積水，在滑坡涌浪的沖擊下造成了巨大的損失，該滑坡影響范圍和災(zāi)害規(guī)模之大，在貴州地區(qū)的滑坡災(zāi)害中首屈一指。在對小壩滑坡的現(xiàn)場充分調(diào)查后，可將小壩滑坡的破壞模式概化為前緣蠕滑—后緣拉裂—前緣剪斷的過程，為了將這一過程直觀展現(xiàn)，采用離散元數(shù)值模擬方法對該地質(zhì)力學(xué)模式和滑坡啟動后的運(yùn)動過程以及堆積特征作模擬研究。

2 滑坡特征及變形破壞過程

小壩滑坡的坡頂高程約為1450m，坡腳高程為1240～1250m，邊坡高約200m，滑坡前后緣最大縱向長度約為780m，滑坡方量約為140萬方。邊坡左前緣有與磷礦的開采，造成地下采空區(qū)，基巖裸露，地形起伏大。小壩滑坡地質(zhì)剖面圖如圖2所示。

圖2小壩滑坡工程地質(zhì)剖面圖 （I-I′）Fig.2 Landslide engineering geological profile （I-I′）

3 小壩地質(zhì)力學(xué)模式研究

基于滑坡形成機(jī)制的概化模型，以I-I′剖面建立離散元地質(zhì)力學(xué)模型（圖3），研究小壩滑坡形成的地質(zhì)力學(xué)模式，進(jìn)一步直觀的認(rèn)識小壩滑坡啟動模式、運(yùn)動過程。在建立概化離散元模型之后，對小壩滑坡前緣磷礦開采后的變形破壞過程進(jìn)行數(shù)值模擬，在開挖的基礎(chǔ)上多次對坡體進(jìn)行降雨模擬，分析露天邊坡在降雨條件下的破壞過程，分析滑坡的地質(zhì)力學(xué)模式，在此基礎(chǔ)上，對小壩滑坡的啟動及啟動之后的運(yùn)動過程作三維離散元模擬，分析小壩滑坡啟動過程和啟動后的運(yùn)動路徑以及堆積特征。

圖3地質(zhì)力學(xué)概化模型Fig.3 Generalized model of geomechanics

3.1離散元參數(shù)標(biāo)定

離散元模擬中往往對應(yīng)的是細(xì)觀參數(shù)，而實(shí)際室內(nèi)試驗(yàn)獲取的卻是宏觀參數(shù)（表1），為了將室內(nèi)宏觀參數(shù)和微觀參數(shù)建立聯(lián)系，故需對離散元細(xì)觀參數(shù)進(jìn)行參數(shù)標(biāo)定，采用單軸壓縮試驗(yàn)以匹配宏觀參數(shù)。模擬采用常用于巖石模擬的平行粘結(jié)模型，該模型中需要標(biāo)定的參數(shù)有接觸粘結(jié)參數(shù)和平行粘結(jié)參數(shù)，標(biāo)定方法采用試錯法，直到宏細(xì)觀參數(shù)匹配為止。

表1滑體巖石力學(xué)參數(shù)

通過建立離散元單軸壓縮試驗(yàn)?zāi)Ｐ停▓D4），對滑體巖石力學(xué)參數(shù)進(jìn)行標(biāo)定，固定試樣的其他參數(shù)不變，首先對試樣的彈性模量進(jìn)行標(biāo)定，通過不斷調(diào)整細(xì)觀參數(shù)中的法向剛度和切向剛度的比值，以匹配泊松比，直到滿足為止，然后固定剛度的比值，通過不斷調(diào)整剛度的大小以匹配彈性模量，最后通過不斷調(diào)整法向粘結(jié)強(qiáng)度和切向粘結(jié)強(qiáng)度對單軸抗壓強(qiáng)度進(jìn)行匹配，匹配結(jié)果的細(xì)觀參數(shù)如表2所示。

圖4離散元參數(shù)標(biāo)定模型Fig.4 Discrete element parameter calibration model

表2滑體細(xì)觀參數(shù)

3.2計(jì)算結(jié)果分析

3.2.1前緣坡腳開挖結(jié)果分析

將標(biāo)定所得參數(shù)賦值到地質(zhì)力學(xué)模型中，對開挖過程進(jìn)行模擬，開挖順序遵循礦山開采過程，其開挖順序示意圖如圖5所示。

圖5開挖步序示意圖Fig.5 Schematic diagram of excavation steps

坡腳前緣露天開挖簡化為分4步開挖，在第一次開挖完成后，坡體內(nèi)部應(yīng)力部分被釋放，由于坡體結(jié)構(gòu)上硬下軟的特征，導(dǎo)致軟弱層變形收到擾動較大，第1次開挖完成后位移幾乎為零；第2次開挖后，在前緣坡腳處發(fā)生卸荷，使得坡體內(nèi)部的應(yīng)力重分布明顯，使得軟弱層最大位移達(dá)到7cm，而前緣坡腳處最大位移達(dá)到1.5cm，此時坡體內(nèi)部未產(chǎn)生裂隙；第3次開挖后，坡腳前緣最大位移達(dá)到2cm，但是沿著軟弱面的最大位移達(dá)到7.66cm，軟弱層上不硬巖沿著軟弱層有滑動的趨勢，在前緣坡腳處應(yīng)力集中；第4次開挖完成后，應(yīng)力集中區(qū)向礦坑底部遷移，在持續(xù)卸荷的作用下，上部硬巖沿著軟弱面的最大位移達(dá)到4cm，其中局部最大位移達(dá)到8.39cm；在開挖過程中，坡體發(fā)生沿著軟弱面的蠕滑，且隨著開挖的進(jìn)行，卸荷增加，坡體變形增大，前緣坡腳應(yīng)力集中區(qū)下移，最終導(dǎo)致上部硬巖沿著軟弱層面發(fā)生蠕滑變形。

圖6開挖過程位移變化圖Fig.6 Displacement variation during excavation

3.2.2降雨作用下坡體變形破壞分析

在第4次開挖完成后，前緣坡腳處發(fā)生了蠕滑變形，坡體內(nèi)部未出現(xiàn)破壞裂隙，所以對開挖后的模型進(jìn)行降雨分析，降雨過程共分三次。第1次降雨完成后，最大位移位置發(fā)生轉(zhuǎn)移，在坡腳前緣采坑中部產(chǎn)生了0.749m的位移，且在該部位由于剪應(yīng)力較集中，產(chǎn)生了大量的剪切裂隙，在采坑底部，也產(chǎn)生了部分裂隙，由于整體沿著軟弱面的最大滑移位移為0.1m，所以在坡體中部斷層位置產(chǎn)生了平行于斷層分布的拉裂隙，第1次降雨后，前緣坡腳處開始發(fā)生剪切破壞，且坡體中部被拉裂；第2次降雨后，坡體最大位移并未明顯增加，破壞裂隙明顯增加，在前緣坡腳位置，剪裂隙向軟弱面延伸，且軟弱面周圍巖體也開始發(fā)生破壞，在坡體中部位置，由于拉應(yīng)力的持續(xù)作用，導(dǎo)致拉裂隙逐漸拓寬，且向軟弱面延伸，在坡體上部開始產(chǎn)生破壞裂隙，說明此時坡體已經(jīng)進(jìn)入了累進(jìn)性破壞階段，裂隙正在逐漸貫通；第3次降雨完成后，裂隙貫通，坡體破壞，滑坡啟動。

圖7降雨過程中變形破壞圖Fig.7 Deformation and failure diagram during rainfall

3.2.3小壩滑坡運(yùn)動過程分析

為了研究小壩滑坡啟動之后的運(yùn)動過程與堆積特征，建立三維離散元模型，將滑動區(qū)域概化為顆粒模型，研究滑坡從啟動到堆積的過程。

小壩滑坡發(fā)生前，就已經(jīng)對滑坡的運(yùn)動路徑做出了預(yù)測，但是由于未考慮積水采坑的影響，導(dǎo)致了之前預(yù)測不會被危害到小壩組村民遭受了極大的沖擊，在滑坡發(fā)生后，大部分滑體運(yùn)動到新灣組堆積，而部分滑體隨著涌浪運(yùn)動到小壩組，該滑坡的影響范圍遠(yuǎn)超過之前的預(yù)測范圍，滑坡運(yùn)動路徑及堆積情況如圖8所示。所以對該過程的模擬重現(xiàn)對指導(dǎo)防災(zāi)減災(zāi)具有重要意義。

圖8滑坡運(yùn)動路徑及堆積全貌圖Fig.8 Landslide movement path and overall view of accumulation

圖9小壩滑坡運(yùn)動過程Fig.9 Xiaoba landslide movement process

露天開采完成后，在降雨作用下，坡體前緣發(fā)生蠕滑，在蠕滑初始階段，由圖9（b）可以看出，在坡體前緣和坡體頂部都有明顯的位移產(chǎn)生，即前緣蠕滑—后緣拉裂階段；在持續(xù)降雨后，坡體前緣剪斷，宣告滑坡發(fā)生，由圖9（c）可知，滑體前緣剪斷，導(dǎo)致前緣部位產(chǎn)生了大量的位移，是由于前緣開挖卸荷的作用，使得滑體能量得到釋放，但同時也為中厚部滑體的能量釋放提供了空間，最終發(fā)生整體滑動。在滑坡發(fā)生后，左前緣滑體高速匯入采坑（圖9（e）），滑坡右前緣滑體隨即傾瀉而下，直接向新灣組滑去，這與災(zāi)前預(yù)測結(jié)果一致，而對于左前緣而言，滑體在涌入采坑后僅有零星顆粒運(yùn)動至小壩組，然而現(xiàn)實(shí)情況是小壩組遭受了強(qiáng)烈的涌浪沖擊，此次模擬中由于采坑無積水情況，說明實(shí)際情況中，采坑積水為涌浪的形成提供了物質(zhì)條件，采坑積水的存在為滑坡動能轉(zhuǎn)化為涌浪沖擊能提供了物理?xiàng)l件，說明采坑積水對小壩組是一個關(guān)鍵的災(zāi)害轉(zhuǎn)換因子，最后滑坡堆積，形成堆積區(qū)，堆積區(qū)分為測壓土堆積區(qū)和平推土堆積區(qū)。

4 結(jié)論

（1）本文基于福泉小壩滑坡，運(yùn)用數(shù)值模擬方法對滑坡的災(zāi)害特征、成災(zāi)機(jī)理以及滑坡運(yùn)動過程進(jìn)行研究，總結(jié)出了該滑坡的成災(zāi)地質(zhì)力學(xué)；對采坑無積水情況下的滑坡運(yùn)動過程進(jìn)行離散元模擬，分析滑坡影響范圍，進(jìn)一步突出了采坑積水是災(zāi)害轉(zhuǎn)化的關(guān)鍵因子。

（2）小壩滑坡在露天開采后，前緣蠕滑，位移較小；降雨作用下，坡體前緣蠕滑，后緣拉裂，且位移增加劇烈，坡體中鎖固段塊體處于穩(wěn)定破裂階段，最終在極端暴雨作用下發(fā)生剪切破壞；滑坡的地質(zhì)力學(xué)模式概括為：滑移—拉裂—剪斷。

（3）在采坑無積水情況下，滑坡右前緣滑體滑至新灣組并堆積，這與滑坡發(fā)生之前的預(yù)測范圍一致，而左前緣由于采坑的存在，大部分滑體堆積在采坑內(nèi)，僅有零星滑體滑出采坑，滑坡運(yùn)動的影響范圍較小，而實(shí)際情況是采坑內(nèi)部有大量積水，滑坡導(dǎo)致的涌浪直接對小壩組形成嚴(yán)重的沖擊危害，造成了大量的損失，所以采坑積水的存在是小壩組受災(zāi)的關(guān)鍵轉(zhuǎn)換因子。

（4）小壩滑坡從發(fā)生到堆積的全過程模擬，直觀的展現(xiàn)了滑體的運(yùn)動過程與最后的堆積特征，能夠?qū)碌挠绊懛秶鞒隹茖W(xué)的預(yù)測，成果可為防災(zāi)減災(zāi)提供科學(xué)的理論指導(dǎo)。