含軟弱夾層順層巖質(zhì)邊坡變形-滑動(dòng)演化過程研究

王來貴，馬瑋航，趙 娜，甘超超

（遼寧工程技術(shù)大學(xué) 力學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 阜新 123000）

0 引言

順層巖質(zhì)邊坡是指邊坡坡面與邊坡巖層層面二者走向和傾向一致，多發(fā)育在背斜兩翼及向斜開挖后形成的邊坡。軟弱夾層泛指顆粒較細(xì)、厚度較薄且夾雜在巖層中層狀或帶狀、力學(xué)強(qiáng)度低、遇水易軟化的軟弱結(jié)構(gòu)面或軟弱帶[1-3]。由于順層巖質(zhì)邊坡特殊的坡體結(jié)構(gòu)，在重力作用下極易發(fā)生滑坡。順層滑坡是巖質(zhì)邊坡滑坡中的一種，分布廣泛。在砂巖或灰?guī)r等硬巖中夾有多個(gè)泥巖或泥灰?guī)r軟弱夾層，相對(duì)隔水、易被軟化、強(qiáng)度較低，加之地質(zhì)構(gòu)造活動(dòng)的影響，巖間錯(cuò)動(dòng)，順層滑坡極有可能演化為滑坡[4]。因此深入研究重力作用下順層含軟弱夾層巖質(zhì)邊坡的變形-滑動(dòng)演化全過程從而及時(shí)有效地對(duì)邊坡采取治理措施十分重要。

李安洪等[5]結(jié)合工程實(shí)踐將順層路塹邊坡分別按照邊坡巖性、巖層組合特點(diǎn)、巖層傾角大小和巖層厚度進(jìn)行分類，并總結(jié)出8種順層邊坡變形破壞模式。宋玉環(huán)等[6]對(duì)西南地區(qū)軟硬互層巖質(zhì)邊坡的失穩(wěn)模式按照受不同因素控制下的情況分別進(jìn)行研究，共總結(jié)出平推式滑坡、滑移式崩塌、滑移-拉裂、蠕滑-拉裂等16種不同的變形失穩(wěn)模式。

有限元、有限差分等數(shù)值方法被應(yīng)用到邊坡失穩(wěn)模式分析中。曹蘭柱等[7]用RFPA模擬邊坡在自重應(yīng)力作用下的變形破壞過程，得到邊坡的滑移范圍與變形破壞模式。張軍新等[8]以某水電站為算例，采用FLAC3D模擬不同工況下含軟弱夾層順層巖質(zhì)邊坡的變形破壞過程，分析了邊坡變形破壞機(jī)制，并據(jù)此提出相應(yīng)的治理對(duì)策。何振杰等[9]使用PFC2D建立下蜀土顆粒流模型，模擬下蜀土邊坡的變形破壞以及滑坡全過程，并依據(jù)顆粒的滑動(dòng)速度、先后加速順序判斷邊坡滑坡模式。趙邦強(qiáng)等[10]利用Geostudio軟件中的SLOPE/W模塊分析得到軟弱夾層控制的順層巖質(zhì)邊坡由局部破壞到整體破壞滑動(dòng)的演化規(guī)律。

由以上研究可見，目前對(duì)含軟弱夾層巖質(zhì)邊坡變形失穩(wěn)后滑動(dòng)過程的研究較少，同時(shí)對(duì)邊坡變形破壞滑動(dòng)全過程研究也十分有限。由此，筆者以撫順西露天礦南幫E1200剖面為研究對(duì)象，通過GDEM軟件建立二維模型，模擬重力作用下邊坡的變形-滑動(dòng)全過程，分析相應(yīng)規(guī)律，為撫順西露天礦南幫的地質(zhì)災(zāi)害防治提供參考。

1 撫順西露天礦南幫概況

撫順西露天礦南幫為上陡下緩的含軟弱夾層順層巖質(zhì)邊坡。邊坡煤層傾向向北，呈東西走向，由西至東，煤層厚度逐漸變薄，純煤層厚為30～120 m。經(jīng)過開采，西露天礦南幫大部分的含煤地層被挖掘，凝灰?guī)r部分或全部露出。南幫邊坡的垂直深度為400～500 m，總體坡度為19°～30°。邊坡基底巖層為太古代花崗片麻巖，地表出露于地裂縫南側(cè)?；讕r層之上是風(fēng)化的玄武巖形成的太古風(fēng)化殼，風(fēng)化殼厚為2～7 m，分布于W1200至E1300的范圍內(nèi)。太古風(fēng)化殼之上為玄武巖層，其夾雜著凝灰?guī)r、煤層、破碎帶，煤層厚為4～136 m，基底玄武巖和上層玄武巖厚為5～60 m。玄武巖之上是凝灰?guī)r，巖層吸水性與可塑性較強(qiáng)，廣泛出露于礦區(qū)南幫中部，分布于西露天礦W1200至E300范圍內(nèi)，厚為6.9～115.9 m。南幫邊坡上部大量發(fā)育了雜填土和素填土，主要成分為煤矸石、玄武巖碎石、油頁巖碎片、黏土和砂土等，由人工堆積而成，厚為1～50 m；下層為松散的黏土、礫石，厚為5.2～8.9 m。圖1為撫順西露天礦南幫E1200工程地質(zhì)剖面[11]。

圖1 撫順西露天礦南幫工程地質(zhì)剖面Fig.1 engineering geological profile of south side of Fushun West open pit mine

2 GDEM數(shù)值模擬

2.1 軟件原理

連續(xù)-非連續(xù)數(shù)值模擬方法（CDEM）[12]將連續(xù)介質(zhì)數(shù)值方法與非連續(xù)介質(zhì)數(shù)值方法進(jìn)行深度融合，可描述巖體的漸進(jìn)破壞過程。CDEM方法利用塊體表征材料連續(xù)特征，塊體間的界面表征材料的非連續(xù)特征，采用基于時(shí)程的動(dòng)態(tài)松弛技術(shù)進(jìn)行顯式歐拉前向差分法進(jìn)行迭代計(jì)算，核心計(jì)算過程分為以下步驟：第1步，循環(huán)每個(gè)有限元單元，計(jì)算單元的變形力及阻尼；第2步，循環(huán)每個(gè)接觸面，計(jì)算接觸面上的連接力及阻尼力；第3步，循環(huán)所有節(jié)點(diǎn)，計(jì)算每個(gè)節(jié)點(diǎn)的合外力、加速度、速度及位移。通過3個(gè)步驟可獲知各時(shí)步塊體和界面的狀態(tài)，并進(jìn)行強(qiáng)度判斷，通過塊體邊界及塊體內(nèi)部斷裂來分析材料的漸進(jìn)破壞，進(jìn)而模擬材料從連續(xù)變形到斷裂的全過程。

GDEM軟件利用CDEM方法的上述特性，在計(jì)算模型中考慮巖體內(nèi)部與巖體間節(jié)理面的強(qiáng)度和破壞特征，對(duì)于拉張破壞采用最大拉應(yīng)力準(zhǔn)則為

式中：σn為節(jié)理面法向力，Pa；σt為節(jié)理面抗拉強(qiáng)度，Pa。

對(duì)于剪切破壞采用莫爾-庫倫準(zhǔn)則為

式中：τ為節(jié)理面切向力，Pa；φ為內(nèi)摩擦角，°；c為節(jié)理面黏聚力，Pa。

通過式（1）、式（2）獲得巖體內(nèi)部與巖體間節(jié)理面的破裂狀態(tài)，并利用給定的相同收斂指標(biāo)，不斷獲得界面和塊體的破裂狀態(tài)。圖2為GDEM單元間接觸面的法向及切向彈簧模型示意。其中1、2分別表示單元1、單元2，C1為特定單元與外部單元之間的阻尼，C2為單元1與單元2之間的阻尼。

圖2 接觸面法向、切向彈簧模型示意Fig.2 schematic of normal and tangential spring model of contact surface

由圖2可知，第j根彈簧的法向力Fnj、切向力Fsj分別為

GDEM軟件進(jìn)行破壞計(jì)算時(shí)將依據(jù)最大拉應(yīng)力準(zhǔn)則和摩爾-庫倫準(zhǔn)則對(duì)式（3）、式（4）中的彈簧力進(jìn)行修正。將式（1）、式（2）代入式（3）、式（4），修正得

式（5）中，T為節(jié)理面抗拉強(qiáng)度，Pa。

式（5）表明，當(dāng)節(jié)理面的Fnj大于抗拉力時(shí)，節(jié)理面發(fā)生拉伸破壞，塊體與塊體分離，F(xiàn)nj和Fsj均為0。式（6）表明，當(dāng)節(jié)理面的Fsj不小于抗滑力時(shí)，節(jié)理面發(fā)生剪切破壞，塊體與塊體錯(cuò)動(dòng)，黏聚力c變?yōu)?，F(xiàn)sj等于抗滑力。當(dāng)滿足上述條件其一時(shí)，巖體即產(chǎn)生裂隙，當(dāng)裂隙貫通坡體時(shí)邊坡即發(fā)生整體滑動(dòng)。

2.2 參數(shù)取值

接觸面與巖土體模型的參數(shù)[13]見表1、表2。

表1 接觸面的物理力學(xué)參數(shù)Tab.1 physical and mechanical parameters of contact surface

表2 巖土體的物理力學(xué)參數(shù)Tab. 2 values of physical and mechanical parameters of rock and soil

2.3 模型建立

采用AUTOCAD軟件繪制撫順西露天礦E1200剖面二維地質(zhì)模型，形成面域后導(dǎo)入ANSYS中進(jìn)行分組與網(wǎng)格劃分，利用插件ANSYS TO GDEM將地質(zhì)模型導(dǎo)入GDEM進(jìn)行計(jì)算。模型的邊界范圍根據(jù)邊坡的整體情況確定。X向長(zhǎng)為1293 m，其中X正向?yàn)?161 m，X負(fù)向?yàn)?132 m；Y向高為511 m，其中Y正向?yàn)?13 m，Y負(fù)向?yàn)?398 m。采用三角形與四邊形單元相結(jié)合的方式將模型劃分為2229個(gè)節(jié)點(diǎn)、2155個(gè)單元，得到撫順西露天礦南幫E1200剖面的GDEM計(jì)算模型。本文主要研究邊坡沿軟弱夾層2的變形-破壞-滑動(dòng)情況，故分析邊坡巖體變形-滑動(dòng)演化過程中，對(duì)坡底花崗片麻巖、軟弱夾層1及軟弱夾層2左側(cè)的玄武巖進(jìn)行隱藏處理。撫順西露天礦南幫數(shù)值計(jì)算模型和監(jiān)測(cè)點(diǎn)A、B、C的位置見圖3。

圖3 撫順西露天礦南幫E1200計(jì)算模型和監(jiān)測(cè)點(diǎn)Fig.3 E1200 calculation model and monitoring point of south slope in Fushun West open-pit mine

2.4 條件設(shè)置

為明確玄武巖與軟弱夾層接觸面以及軟弱夾層內(nèi)部斷層泥-斷層泥接觸面、斷層泥-煤接觸面之間的相對(duì)滑動(dòng)程度，在軟弱夾層2內(nèi)部與軟弱夾層與玄武巖交界處對(duì)4處接觸面（玄武巖-斷層泥、斷層泥-斷層泥、斷層泥-煤層、煤層-玄武巖）設(shè)置監(jiān)測(cè)點(diǎn)，進(jìn)行X、Y方向的位移監(jiān)測(cè)。通過單元序號(hào)與節(jié)點(diǎn)序號(hào)方式設(shè)置監(jiān)測(cè)點(diǎn)，將不同材料在同一位置重合的點(diǎn)區(qū)分開，更有利于研究接觸面之間的相對(duì)滑動(dòng)。依照上述方式在軟弱夾層2坡頂、坡中、坡底3處（A1-A5、B1-B5、C1-C5）設(shè)置15個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，其中坡頂A1-A5監(jiān)測(cè)點(diǎn)設(shè)置如圖4所示。坡中B1-B5、坡底C1-C5監(jiān)測(cè)點(diǎn)設(shè)置同上。

圖4 監(jiān)測(cè)點(diǎn)設(shè)置原理示意Fig.4 schematic diagram of monitoring point

對(duì)圖3模型兩側(cè)施加X方向約束，底部施加X與Y兩個(gè)方向的約束。設(shè)置本構(gòu)模型為線彈性（linear）模型，同時(shí)施加重力對(duì)邊坡進(jìn)行平衡計(jì)算。當(dāng)邊坡達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，邊坡的不平衡率Ur＜10-5。

將接觸面模型改為依據(jù)最大拉應(yīng)力準(zhǔn)則式（3）與式（4）修正的脆性斷裂的摩爾-庫倫模型（Brittle-MC），用于模擬邊坡在重力作用下的變形-滑動(dòng)情況。

3 結(jié)果分析

3.1 邊坡巖體變形-滑動(dòng)演化過程分析

撫順西露天礦南幫在重力作用下的變形-滑動(dòng)演化見圖5。

圖5 變形-滑動(dòng)演化云圖Fig.5 destruction-slip evolution cloud mapdiagram

由圖5（a）可知，在0～2000時(shí)步邊坡整體受到重力作用，使得頂部巖土體發(fā)生沉降變形差，同時(shí)裂紋在坡體內(nèi)部蔓延。邊坡頂部前緣回填土與邊坡中部玄武巖裂紋發(fā)育完全，坡頂后緣土體、坡中軟弱夾層、坡底回填土裂紋發(fā)育并不完全。說明邊坡最先在坡頂前緣回填土、坡中玄武巖發(fā)生破壞。

由圖5（b）可知，坡面玄武巖沿坡頂軟弱夾層2處發(fā)生滑動(dòng)，隨后坡頂前緣回填土底部形成臨空面。同時(shí)坡頂前緣發(fā)生微小坍落，土體離散并形成碎塊，坡頂后緣在前緣的牽引作用下從坡面自上而下產(chǎn)生拉張裂隙。坡頂回填土整體發(fā)生滑移-拉裂破壞。此時(shí)坡底回填土內(nèi)部產(chǎn)生貫通裂隙，坡面土體離散形成碎塊。說明此時(shí)由于回填土黏聚力與內(nèi)摩擦角較小，在中上部巖土體的擠壓下迅速發(fā)生破壞。坡底油母頁巖在邊坡中上部巖體的推動(dòng)下產(chǎn)生剪切裂隙。

由圖5（c）可知，坡底油母頁巖、煤及坡底前緣回填土在中上部巖土體的推動(dòng)下沿坡底軟弱夾層向上滑動(dòng)，坡底后緣回填土繼續(xù)沿軟弱夾層2向下滑動(dòng)。坡底回填土前后緣之間發(fā)生剪切破壞，隨后裂隙貫通產(chǎn)生錯(cuò)動(dòng)，坡底前緣回填土在坡底右側(cè)形成臨空面，向右傾倒發(fā)生傾倒-滑移破壞。坡底油母頁巖由于受到北幫的影響，滑動(dòng)產(chǎn)生了抑制作用，故產(chǎn)生隆起變形，在邊坡中上部巖體的推動(dòng)下裂隙貫通發(fā)生滑移-剪斷破壞。

由圖5（d）可知，坡頂前緣沿軟弱夾層2向下滑動(dòng)，并沿軟弱夾層3將油母頁巖向上推動(dòng)。后緣土體受前緣土體牽引的影響范圍由前后緣交界處擴(kuò)散至整個(gè)坡頂后緣，土體完全離散并向前緣方向傾倒滑移，之后隨坡頂前緣一同向下滑動(dòng)。軟弱夾層2、坡底軟弱夾層與周圍巖土體在坡頂、坡中和坡底各處均產(chǎn)生相對(duì)錯(cuò)動(dòng)，說明邊坡已整體向下滑動(dòng)。此時(shí)坡中玄武巖處于邊坡坡面傾角上陡下緩的交界處，玄武巖下滑受阻發(fā)生滑移-彎曲破壞；坡底軟弱夾層2處在坡底下滑受阻發(fā)生滑移-彎曲破壞。

綜合上述分析可知，邊坡頂部區(qū)域受到重力作用，使得頂部巖土體發(fā)生沉降變形差，進(jìn)而于坡頂回填土前后緣交界處形成地裂縫，隨后于交界處發(fā)生滑移，坡頂回填土整體發(fā)生滑移-拉裂破壞。在邊坡中部，玄武巖受到邊坡上部區(qū)域的推力，產(chǎn)生擠壓變形后在邊坡坡面傾角上陡下緩的交界處發(fā)生滑移-彎曲破壞。在邊坡底部，由于邊坡沿軟弱夾層2向下滑移，坑底巖土體受到北幫的影響，滑動(dòng)產(chǎn)生了抑制作用故在坡底軟弱夾層2處產(chǎn)生隆起變形，隨后發(fā)生滑移-彎曲破壞，同時(shí)坡底前緣回填土沿坡底軟弱夾層向上滑動(dòng)，坡底后緣回填土在右側(cè)臨空發(fā)生傾倒-滑移破壞，玄武巖在坡底區(qū)域剪出，發(fā)生滑移-剪斷破壞。由此可以得出撫順西露天礦南幫E1200剖面為拉裂-滑移-剪斷的破壞滑動(dòng)模式。

3.2 軟弱夾層變形-滑動(dòng)演化過程分析

變形-滑動(dòng)過程中監(jiān)測(cè)點(diǎn)A1～A5、B1～B5、C1～C5在X、Y方向的位移，見圖6。

圖6 變形-滑動(dòng)過程軟弱夾層測(cè)量點(diǎn)位移Fig.6 displacement of measuring points of weak interlayer during deformation-sliding process

由圖6可知，在0～2000時(shí)步內(nèi)，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)在X、Y方向均產(chǎn)生微小位移差，說明此時(shí)軟弱夾層2處各接觸面均產(chǎn)生破壞。由圖6（a）、圖6（b）可知，在2000～15000時(shí)步區(qū)間內(nèi)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)A1、A2之間的位移差不斷增加，15000時(shí)步區(qū)間監(jiān)測(cè)點(diǎn)A1、A2的位移差最大；在15001～17500時(shí)步區(qū)間內(nèi)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)A4、A5之間的位移差突然不斷增加，監(jiān)測(cè)點(diǎn)A1、A2之間的位移差減??；在17501～30000時(shí)步區(qū)間內(nèi)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)A3、A4之間位移差突然增加，監(jiān)測(cè)點(diǎn)A1、A2之間的位移差、監(jiān)測(cè)點(diǎn)A4、A5之間的位移差保持不變。此過程中，監(jiān)測(cè)點(diǎn)A4、A5的位移保持不變，監(jiān)測(cè)點(diǎn)A1、A2、A3的位移保持勻速增長(zhǎng)。說明邊坡頂部在重力作用下首先沿玄武巖-斷層泥接觸面處發(fā)生滑動(dòng)，隨后在斷層泥-煤接觸面滑動(dòng)，最后在煤-玄武巖接觸面處發(fā)生滑動(dòng)。坡頂玄武巖監(jiān)測(cè)點(diǎn)、斷層泥監(jiān)測(cè)點(diǎn)在煤-玄武巖接觸面的帶動(dòng)下繼續(xù)滑動(dòng)。

由圖6（c）、圖6（d）可知，在2000～12500時(shí)步區(qū)間內(nèi)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)B3、B4之間的位移差不斷增加；在12501～20000時(shí)步區(qū)間內(nèi)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)B4、B5之間的位移差不斷增加，監(jiān)測(cè)點(diǎn)B3、B4之間的位移差變化較??；在20001～30000時(shí)步區(qū)間內(nèi)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)B1、B2之間的位移差、監(jiān)測(cè)點(diǎn)B2、B3之間的位移差不斷增加，監(jiān)測(cè)點(diǎn)B3、B4之間的位移差、監(jiān)測(cè)點(diǎn)B4、B5之間的位移差變化較小。說明邊坡中部在重力作用下首先沿?cái)鄬幽?煤接觸面發(fā)生滑動(dòng)，隨后沿煤-玄武巖接觸面發(fā)生滑動(dòng)，最后沿玄武巖-斷層泥、斷層泥-斷層泥接觸面發(fā)生滑動(dòng)。

由圖6（e）、圖6（f）可知，在2000～10000時(shí)步區(qū)間內(nèi)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)C3、C4之間的位移差小于5 m，其余監(jiān)測(cè)點(diǎn)之間未出現(xiàn)明顯位移差；在10000～20000時(shí)步區(qū)間內(nèi)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)C1、C2之間的位移差、監(jiān)測(cè)點(diǎn)C3、C4之間的位移差不斷增加；在20000～30000時(shí)步區(qū)間內(nèi)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)C1、C2之間的位移差繼續(xù)增加，監(jiān)測(cè)點(diǎn)C3、C4之間的位移差微小增長(zhǎng)后保持不變。說明邊坡底部在重力作用下首先沿?cái)鄬幽?煤接觸面發(fā)生滑動(dòng)，隨后沿玄武巖-斷層泥接觸面發(fā)生滑動(dòng)。

4 結(jié)論

（1）連續(xù)-非連續(xù)方法CDEM將有限元與離散元進(jìn)行耦合，實(shí)現(xiàn)了模擬含軟弱夾層順層巖質(zhì)邊坡在連續(xù)狀態(tài)下的彈性變形、非連續(xù)狀態(tài)下的破壞及滑動(dòng)過程。

（2）撫順西露天礦南幫在變形-滑動(dòng)過程中遵從拉裂-滑移-剪斷破壞滑動(dòng)模式。其中坡頂回填土發(fā)生滑移-拉裂破壞，坡底回填土發(fā)生傾倒-滑移破壞，坡底油母頁巖發(fā)生滑移-剪斷破壞，坡中玄武巖及坡底軟弱夾層發(fā)生滑移-彎曲破壞。

（3）撫順西露天礦南幫在沿含多接觸面軟弱夾層向下滑動(dòng)的過程中主要沿煤層-斷層泥接觸面向下滑動(dòng)。邊坡不同位置在不同時(shí)段的下滑過程中分別沿不同的接觸面滑動(dòng)。