基于泥巖弱化的順傾邊坡失穩機理探究

李保生，楊程燁，韓 流

（1.中鐵資源蘇尼特左旗芒來礦業有限公司，內蒙古 錫林郭勒盟 011300；2.中國礦業大學 礦業工程學院，江蘇 徐州 221116）

順傾邊坡是巖層傾向與邊坡傾向相一致的特殊的邊坡構造，該構造下如果其中某一巖層強度不足，會導致該巖層之上各個巖層的錯動和位移，影響礦山正常的運輸道路和生產作業。泥巖層常見在于邊坡構造之中，但其強度遇水弱化嚴重，容易成為順傾邊坡失穩的重要原因，因此結合泥巖強度弱化機理，探究順傾邊坡失穩機理是目前需要解決的問題。

順傾邊坡結構以及控制順傾邊坡穩定性的關鍵弱層已經成為本領域研究所關注的焦點，很多專家學者聚焦于這一問題的探究，形成了比較豐富的科研成果[1-5]。前人在順傾邊坡研究當中已經意識到弱層對邊坡穩定性的影響，但是并未在根本上對其進行分析，缺少必要的弱層演化過程。因此，考慮以泥巖弱層為例，通過設計實驗，探究弱層的形成過程。

1 泥巖剪切試驗

泥巖在巖土工程領域分布廣泛，其遇水軟弱特性是相關領域研究的重點。為了準確把握泥巖遇水的力學指標變化趨勢以及做好泥巖的強度弱化認定，在泥巖遇水會導致其力學性質發生顯著改變基礎上，設計了含水率與抗剪強度的對比試驗方案，對不同含水率（具體包括干燥、25 %含水率、30 %含水率、35 %含水率和40 %的飽和含水率）分別進行抗剪強度試驗，基本做法是同時制作4 個相同試樣，并且對4 個試樣，分別在不同的垂直壓力σ 下施加水平剪切力τ 進行剪切。然后根據庫倫定律確定土的抗剪強度參數——內摩擦角φ 和黏聚力C。不同含水率狀態泥巖的力學指標如圖1。

圖1 不同含水率狀態泥巖的力學指標

從試驗結果可知，泥巖的抗剪強度參數（內摩擦角φ 和黏聚力C）均與含水率產生了相關性，而且均呈現負相關，即含水率越高對應的內摩擦角和黏聚力越小。隨著含水率的變化，泥巖C、φ 值呈現出類似的變化規律，但是有所區別，黏聚力C 在試樣含水率達到30%及以上時，才表現出下降趨勢；而摩擦角φ 從含水率25%就表現出來較為明顯的衰減。主要原因是[6-8]：充填在孔隙中分布不均的黏土礦物與水反應，使細小巖粒的吸附水膜增厚，在一定程度上弱化了泥巖的內摩擦角，含水率較低時，對黏聚力影響不大，當含水率較高時，長時間的浸潤狀態會溶解泥巖成分，使之成為自由水一部分，對泥巖內膠結狀態產生改變，從而影響黏聚力變化。

2 順傾邊坡失穩機理

順傾邊坡失穩除了巖體結構的影響之外，還與其他因素有關，按照影響機理和來源的不同，影響因素可統分為內部因素和外部因素[9-10]。內部因素包括：邊坡巖體結構、巖層巖性、走向傾向傾角、斷層構造等；外部因素包括：降雨的作用、邊坡形態的改造、開挖卸荷效應等。內部因素大多從根源上影響邊坡穩定性，因此，其影響作用長期存在且較為穩定，所以屬于根源性影響。外部因素不是固定存在，會隨著工程因素的變化而相應改變，因此，屬于外源性不穩定性因素，這種因素是難以控制，且經常影響表現為邊坡變形滑坡的誘發因素。

順傾邊坡破壞機制根據弱層及其上部巖層的漸進破壞過程可以大體分為2 類[11]：①急傾斜軟弱夾層邊坡的推移式破壞：滑帶由后緣位置率先移動，帶動上部巖層前緣破壞；②緩傾斜弱層邊坡的牽引式破壞：該破壞模式為滑體前端位置首先喪失強度，帶動上部巖層前端破壞。這2 種破壞機制都表現為后半段剪切破壞，前半段拉張破壞。順傾邊坡滑體受力分析如圖2。

圖2 順傾邊坡滑體受力分析

假設順傾某一邊坡地層順傾角度為8°～10°，屬于緩順傾弱層，煤層頂板泥巖層遇水弱化，且煤層強度較高。該地層條件下存在明顯的關鍵弱層與關鍵硬巖層，當弱層強度不足時，易發生順傾滑動。按照牽引式破壞考慮，受力狀態包括上部巖層斷裂之前產生的拉力T，弱層接觸滑動面位置提供了抗滑力f，滑體自身重力W。

極限平衡狀態下緩順傾邊坡安全系數FS：

式中：Fs為安全系數；T 為拉力，kN；f 為摩擦抗滑力，kN；F 為下滑力，kN；Rm為抗拉強度，kPa；L 為拉伸破壞長度，m；l 為剪切破壞長度，m；W 為滑體重力，kN；C 為弱層黏聚力，kPa；φ 為內摩擦角，（°）；α 為弱層與水平面夾角，（°）。

降雨的發生會導致滑體重力的增加和煤頂板泥巖層的強度弱化，使得滑體剪切段抗剪力的下降，如果原有拉伸段強度不變，則滑體整體也難以維持原有平衡狀態，從而產生位移和破壞。

3 基于泥巖弱化的芒來露天礦順傾邊坡失穩機理

3.1 芒來露天礦水文地質概況

中鐵資源蘇尼特左旗芒來露天礦位于內蒙古高原中北部，北幫邊坡為順傾地層，邊坡土巖以泥巖、砂質泥巖、第四系表土、沙土和黏土等松散層為主，土質松軟，暴露后易風化破碎，煤層頂板存在一定厚度泥巖層且遇水軟化，地層傾角在8°～12°，屬于典型緩傾斜順傾邊坡。

露天礦附近地勢北高南低，多年年平均降水量159.93 mm，最大降水量272.10 mm，24 h 最大暴雨量81 mm，降水多集中在6—8 月，常以暴雨和陣雨形式出現，區內無常年地表徑流，降水通過沙層滲入地下。露天礦北幫邊坡于2020 年8 月7 日出現1 條73 m 長裂縫，寬度在2 cm 以下，12—18 日采場北幫地表裂縫加寬變長，地表出現了沉降，多個臺階坡面出現了裂縫變形。18—20 日總體滑坡體已趨于穩定，但仍有小的蠕動變形和滑落，地表沉降累計12.90 m，總結得出邊坡失穩呈現出以下特點：蠕變性、漸進性，持久性。

3.2 芒來露天礦北幫邊坡失穩探究

芒來露天礦北幫失穩發生在雨水充足的8 月份，失穩之前存在充足的降雨條件。因此結合邊坡地層的水文特性并借助GEO—Studio 中的“seep”功能模擬降雨過程中邊坡體內雨水的入滲與流出，選擇最大降雨條件81mm/h 進行模擬分析，巖土力學指標參數見表1。邊坡降雨滲流路徑分析如圖3。

表1 巖土力學指標參數

從圖3（b）中Seep 的降雨引起的滲流路徑分析可知，各個地層滲透性的差異性與地層的順傾構造，影響了雨水在邊坡體內的滲流，水平滲流多發生在滲透性較好的巖層內，這就導致邊坡出水點多分布在第四系表土、泥巖和煤層的暴露處，易引起這3 個地層含水率的升高。對于煤層，含水率變化對力學指標影響較??；對于表土，由于其分布在坡頂位置，其強度變化對整體邊坡穩定產生的影響較??；對于泥巖，含水率增大的過程就是強度弱化的過程，同時降雨也引起了上覆巖層載荷的變化，增大了泥巖與煤層接觸面的剪切力，使得邊坡需要變形以找到新的平衡點。通過不同含水率泥巖的強度弱化過程，研究在該過程中邊坡穩定性變化。不同含水率泥巖引起的邊坡穩定性系數變化如圖4。

圖3 邊坡降雨滲流路徑分析

從圖4 中可以看出，邊坡整體的初始邊坡穩定性系數為2.04，留有充足安全余量。當降雨引起泥巖含水率達到35 %時，邊坡穩定性系數下降為1.075，安全系數弱化幅度為47.3 %，邊坡處于極限平衡狀態，易發生失穩。此時泥巖層可以被認定為演化弱層。當泥巖層達到完全飽和狀態時，安全系數降低到1.0 以下，弱化幅度為61.7 %。從邊坡穩定性隨泥巖力學指標的變化而變化的過程中看出，對于順傾地層來說，硬巖之上易軟化的巖層可視為關鍵弱層（泥巖），其強度對整體邊坡的穩定性起著關鍵作用。因此如果順傾邊坡附近降雨或地下水位較高，應該制定合理的截水、疏干與排水方案，實時監測水位變化與泥巖層含水率變化，防止演化弱層的形成。

圖4 不同含水率泥巖引起的邊坡穩定性系數變化

4 結語

1）以往對順傾邊坡的研究中雖然經意識到弱層對邊坡穩定性的影響，但是缺少集合泥巖強度遇水弱化過程的綜合分析。在已有結論的基礎上設計了不同含水率泥巖剪切試驗，研究結果發現隨著含水率的變化對泥巖黏聚力C、內摩擦角φ 值呈現出類似的變化規律，但是在下降趨勢上卻有所區別。

2）對于順傾邊坡，其破壞機制根據弱層及其上部巖層的漸進破壞過程可以大體分為2 類：推移式破壞、牽引式破壞。借助受力分析示意圖，在極限平衡法的基礎上推導出緩順傾邊坡安全系數表達式，并闡述泥巖層強度弱化對整體邊坡穩定性的影響。

3）借助Geo-studio 中的“Seep”功能模擬降雨條件下，雨水在邊坡體內的滲流路徑，邊坡出水點多分布在第四系表土、泥巖和煤層的暴露處，易引起這3個地層含水率的升高。同時結合泥巖弱化過程，對邊坡穩定性變化進行分析，得出了將硬巖之上的泥巖視為關鍵弱層的結論。