雙弱層燒變巖邊坡失穩模式研究

李 偉

（1.煤炭科學技術研究院有限公司 安全分院，北京 100013；2.煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點實驗室（煤炭科學研究總院），北京 100013）

我國露天煤礦發展迅速，邊坡穩定問題一直是我國露天礦工程中的重要研究問題。由于經濟的快速發展和能源需求的增加，我國新疆地區露天礦的數量和規模越來越大，開采深度日益加深，越來越多的露天礦轉入深凹開采階段，高陡邊坡數量隨之增加，邊坡穩定性問題日益突出。地下水是影響邊坡穩定性的重要因素之一，而且地下水的活動往往成為邊坡失穩的誘發因素[1-2]。新疆三道嶺露天礦由于雨水入滲，工作幫邊坡先后發生過3 次大的滑坡事故，僅2016 年就發生過2 次滑坡事故?；率鹿蕦β短烀旱V安全組織生產造成了一定影響，對作業設備和人員也構成潛在的威脅[3]。

坡體失穩的關鍵因素不同決定了坡體破壞的形式和規模。關于邊坡的變形破壞模式研究，從20 世紀中葉至今國內外學者進行已有大量研究[4-20]，并形成了較多的分類體系。20 世紀70 年代，C O Brawner等將巖質邊坡失穩模式大致分為6 個類型：整體巖石與非連續節理破壞、塊狀破壞、圓弧破壞平面破壞、傾倒式破壞和楔形破壞；20 世紀80 年代Hoek等[21]將坡體變形破壞類型劃分為4 種：平面型、圓弧型、楔體形和傾倒型；20 世紀90 年代國際工程地質協會滑坡委員會采用Varnes 的分類方法，將坡體變形破壞形式分為崩落、滑動、傾倒、流動和側向擴離5 種基本類型；王蘭生等依據地質特征和力學機制將坡體變形概括為滑移-彎曲、滑移-拉裂、滑移-壓致拉裂、塑流-拉裂和彎曲-拉裂；谷德振等[22]將坡體變形劃分為順層高速滑動、水平剪切變形、追蹤平推滑移、張裂順層追蹤破壞和傾倒變形破壞；黃潤秋等[23]總結高邊坡變形破壞為6 種模式：傾倒變形模式、高應力-強卸荷深部破裂模式、階梯狀蠕滑-拉裂模式、滑移-拉裂-剪斷3 段式模式、壓縮-傾倒變形模式和“擋墻潰屈”模式。

目前，關于邊坡失穩模式的研究已有系統分類方法和研究。對于含有2 個弱層的燒變巖坡體，變形失穩受上下兩弱層共同決定，其破壞模式尚需開展深入研究。為此，針對我國西部地區露天煤礦的雙弱層燒變巖邊坡失穩模式進行了探討。

1 雙弱層坡變形破壞數值模擬分析

邊坡模擬采用彈塑性本構模型，各向同性材料，模型后緣和底部為固定邊界，邊坡前緣和后緣設置為透水邊界，坡面設置為自由排水邊界，底部設置為不透水邊界。邊坡水平位移云圖如圖1，邊坡水平位移速度云圖如圖2，邊坡剪應變增量云圖如圖3。

圖1 邊坡水平位移云圖Fig.1 Horizontal displacement cloud

圖2 邊坡水平位移速度云圖Fig.2 Horizontal velocity cloud

圖3 邊坡剪應變增量云圖Fig.3 Shear strain increment diagram

由圖1 和圖2 可以看出，上部弱層以上巖體及坡頂處燒變巖水平位移量明顯增加，坡體下部巖體受下部弱層控制水平位移速度有所增加，上部弱層控制巖體水平位移速度明顯大于下部弱層控制區域巖體，且坡頂處燒變巖水平位移速度也明顯增大。

由圖3 可以看出，沿上部弱層及其控制區域巖體均出現塑性變形，坡體前緣沿下部泥巖層帶剪應變增量較大，坡體沿下部泥巖層出現塑性變形區域。坡體受上部泥巖層控制區域發生剪切變形破壞，下部弱層帶區域塑性變形明顯，控制區域巖體失穩滯后于上部巖體。

邊坡上部泥巖層控制區域后緣巖體拉裂破碎，上部巖體順層剪切滑移破壞。坡體前緣沿下部泥巖層帶也產生了塑性區，其控制區域巖體水平速度明顯增加，下部弱層控制區域巖體變形對上部弱層活化具有促進作用。坡體失穩過程分為2 個階段：初始階段上部巖體沿上部泥巖層向臨空面滑移，坡體后緣拉裂破碎；第2 階段下部巖體變形促進上部弱層活化致使上部坡體失穩，上部坡體失穩加速下部弱層控制區域巖體滑移變形，下部巖體后緣拉裂致使邊坡整體失穩。坡體失穩模式為上下兩弱層控制下的階段式滑移-拉裂失穩。

2 雙弱層邊坡滑動模式力學分析

2.1 雙弱層控制邊坡穩定性力學分析

2.1.1 上部弱層控制的滑坡力學模型上部弱層控制的滑坡力學模型如圖4。

圖4 上部弱層控制的滑坡力學模型Fig.4 Mechanical model of landslide controlled by upper weak layer

由力學模型可知潛在滑坡體穩定性主要受上部弱層控制，作用在滑體上的力主要有：火燒區燒變巖體滑動產生的水平推力F；火燒區地下水對坡體的靜水壓力T11；地下水對坡體產生的揚壓力T12；滑動坡體自重W1；后緣火燒區巖體滑動傾角為α；弱層長度為L1；C1、φ1分別為上部弱層黏聚力和內摩擦角。則上部弱層控制的坡體沿滑動方向的極限平衡關系為：

Ks1小于1 時，坡體發生受上部弱控制的順層剪切失穩。由于地下水的滲透，泥巖層強度較低，火燒區地下水在兩區交界處產生向臨空面方向的靜水壓力，原巖區坡體產生向臨空面的移動變形?；馃齾^中燒變巖孔洞裂隙發育，原巖區巖體移動對燒變巖體支撐力減小，導致燒變巖體中剪應力增加，裂隙發育最終形成貫通至坡頂的剪切面。燒變巖體沿剪切面下滑對原巖區巖體產生推動作用，加快了坡體變形，并最終引起坡體的失穩。

2.1.2 下部弱層控制的滑坡力學模型

下部弱層控制的滑坡力學模型如圖5。

圖5 下部弱層控制的邊坡力學模型Fig.5 Mechanical model of landslide controlled by lower weak layer

由力學模型可知潛在滑坡體穩定性主要受下部弱層控制，潛在滑坡體位于坡體下部，作用在滑體上的力主要有：滑體后緣巖體的抗拉力T；地下水在坡體中產生的滲透力D；滑動坡體浮重W2；坡體變形區域下部弱層長度為L2；C2、φ2分別為下部弱層黏聚力和內摩擦角。

下部弱層控制的坡體沿滑動方向的極限平衡關系為：

當Ks2小于1 時，下部弱層控制區域巖體將向臨空面移動變形，產生拉裂縫。地下水將在拉裂縫中產生靜水壓力，同時巖體失去抗拉力，導致下部巖體失穩。下部巖體失穩力學模型如圖6。

圖6 下部巖體失穩力學模型Fig.6 Mechanical model of rock mass instability in lower part

下部巖體失穩時地下水對坡體產生的靜水壓力T21為：

由式（16）可知，安全系數Ks2隨后緣拉裂面垂直高度hw增加逐漸減小。當hw大小達到兩弱層間距時，坡體后緣拉裂縫位于上部弱層下部，下部弱層對坡體的影響可能觸發上部弱層活化，此時坡體穩定性由受下部弱層控制轉化為兩弱層同時決定。

2.1.3 雙弱層控制的兩弱層間巖體滑坡力學模型雙弱層控制的滑坡力學模型如圖7。

圖7 雙弱層控制的滑坡力學模型Fig.7 Mechanical model of landslide controlled by double weak layers

雙弱層控制時兩弱層之間巖體受到的抗滑力Fk2為：

式中：W1r為兩弱層之間變形巖體對應的上部弱層之上巖體的重力；L1r為兩弱層之間變形巖體對應的上部弱層長度。

雙弱層控制時兩弱層之間巖體滑動力Fh2為：

當Kd2小于1 時，兩弱層之間巖體將發生滑動。

對上部弱層以上巖體進行單獨分析，兩弱層之間巖體變形移動將對上部巖體產生牽引拉力，上部巖體可能發生3 種變形結果：①兩弱層之間巖體變形，上部弱層以上巖體保持穩定；②兩弱層之間巖體變形，上部弱層以上巖體被拉裂，拉裂巖體隨下部巖體變形移動；③上部弱層以上巖體整體隨兩弱層之間巖體移動。

雙弱層控制邊坡上部弱層以上巖體力學模型如圖8。

圖8 雙弱層控制上部巖體破壞力學模型Fig.8 Mechanical model of landslide controlled by double weak layers

雙弱層控制時上部弱層上方拉裂縫以后巖體抗滑力Fkl為：

當Kdl>1，Kdr<1 時，上部弱層以上巖體被拉裂并隨兩弱層之間巖體變形移動；當Kdl>1，Kdr>1 時，兩弱層之間巖體分離滑動，上部弱層以上巖體保持穩定；Kdl<1，Kdr>1 時，上部弱層以上巖體整體隨兩弱層之間巖體移動變形。

2.2 邊坡滑動模式分析

坡體中存在上下2 個弱層，邊坡穩定性受2 個弱層影響，其破壞模式存在多種情況。邊坡穩定性受上部弱層控制時，其上部巖體沿上部弱層移動變形，后緣燒變巖體拉裂破碎推動巖體發生順層剪切破壞。邊坡受下部弱層控制時，巖體沿下部弱層滑移，后緣拉裂，邊坡發生沿下部弱層的剪切破壞。后緣拉裂面垂直高度達到兩弱層間距時，拉裂面位于上部弱層下方，邊坡穩定性受上下2 個弱層控制。雙弱層控制邊坡變形破壞不同模式如圖9。

兩弱層之間巖體沿弱層向臨空面滑移變形，對上部弱層以上巖體產生拉力。若上部弱層以上巖體被拉裂，拉裂巖體隨兩弱層之間巖體變形移動，如圖9（a）；若上部弱層以上巖體仍保持穩定，兩弱層之間巖體滑移與上部巖體分離，如圖9（b）；若上部弱層以上巖體整體失穩，則坡頂燒變巖體拉裂破碎，兩弱層之間巖體沿下部弱層剪切失穩，上部弱層以上巖體整體隨其下部巖體變形移動，如圖9（c）。

圖9 雙弱層控制邊坡變形圖Fig.9 Deformation chart of slope controlled by double weak layers

3 算例分析

3.1 工程概況

大南湖二礦首采區南端幫外側為Ⅲ火燒區，Ⅲ火燒區平面呈橢圓形，其長軸長4.5 km，深度238 m。長軸方向與首采區推進方向一致，最深可采煤層29 煤，火燒區水位標高+400 m。隨坡體向火燒區推進，燒變巖和地下水對邊坡穩定性影響逐漸突出。坡體中含有上下2 個泥巖層，受地下水入浸，泥巖層弱化對邊坡穩定性具有決定作用。設計邊坡到界角度為25°，+400 m 標高坡面距離火燒區35 m，上部弱層標高+394 m，弱層尺寸為40 m，弱層厚度3.4 m，下部弱層標高+330 m，弱層尺寸206 m，弱層厚度2.2 m，兩弱層間距65 m。坡頂滑移燒變巖體如圖10。

圖10 坡頂滑移燒變巖體圖Fig.10 Map of burnt rock mass due to slope top sliding

燒變巖體可分為兩部分，右側部分重力為G1，左側部分面積大小為S，其大小隨傾角α 變化而改變，關系式為：

式中：H 為上部弱層距坡頂的垂直高度；l 為上部弱層與火燒區距坡頂水平距離；α 為火燒區巖體滑動傾角。

滑移燒變巖體重力G 為：

式中：Cs為燒變巖的黏聚力；φs為燒變巖內摩擦角；ρs為燒變巖的密度；l 為滑移面底部距離坡頂的水平距離；G1為右側部分重力；H 為上部弱層至坡頂的高度。

燒變巖內摩擦角為23.22°，黏聚力取90 kPa，密度取2.45 g/cm3；H=30 m，l=15 m，G1=2 989 kN。代入式（28）可得α=52°，即燒變巖體變形破碎傾角為52°。泥巖密度為1.92～2.06 g/cm3，取1.92 g/cm3；煤密度為1.10～1.33 g/cm3，取1.10 g/cm3；砂泥巖互層密度為2.27～2.47 g/cm3，取2.27 g/cm3；泥巖層黏聚力取120 kPa，內摩擦角為18.01°，上部弱層長度L1為40 m。后緣滑移燒變巖體重力為6 043.66 kN，原巖區滑坡體重力為9 773.29 kN。地下水浸潤線至泥巖層高度7 m。代入式（6）可得Ks1=0.942，上部弱層控制巖體處于失穩狀態。

滑動坡體后緣高度取兩弱層間距65 m，細砂巖密度為1.70～1.88 g/cm3，取1.88 g/cm3，砂巖密度為1.86～2.05 g/cm3，取2.05 g/cm3，下部弱層長度L2為139 m。當巖體中抗拉強度最小的巖體斷裂，巖體將在斷裂位置產生應力集中現象，失去抗拉強度。巖體抗拉力取決于抗拉強度最小的巖體。泥巖抗拉強度為20～28 kPa，取20 kPa，巖體抗拉力取1 300 kPa。由于下部弱層受到地下水浸泡強度降低，力學參數會減小，下部泥巖層黏聚力取40 kPa，內摩擦角取10°，代入式（11）可得Ks2=1.070，下部弱層控制區域巖體處于滑動臨界狀態?？紤]上部弱層以上巖體滑動失穩對兩弱層之間巖體影響，兩弱層之間巖體將被拉裂，沿下部弱層滑移失穩。

由計算結果可知，邊坡是受上下兩弱層控制，兩弱層之間巖體變形促進上部弱層活化，上部弱層以上巖體失穩加速兩弱層之間巖體滑移變形，坡體失穩模式階段式滑移-拉裂失穩。

3.2 上部弱層控制下的坡體滑動形成機制

1）巖性因素。上部弱層控制的坡體變形破壞與巖性特點有密切關系?；瑒咏Y構根據巖性不同可分為3 部分：火燒區燒變巖、泥巖層、上部硬度較大的巖層。燒變巖位于潛在滑動坡體后緣，其孔洞裂隙發育，強度低，且與正常巖層邊界明顯?；馃齾^與原巖區巖體在交界面處存在相互作用力，原巖區巖體發生變形移動，對火燒區燒變巖體支撐力減小，燒變巖將發生沿一定角度的傾斜拉裂變形破碎。破碎燒變巖體沿拉裂面下滑對原巖變形坡體產生水平向臨空面的推力，這是滑坡體失穩的重要因素。泥巖層即為上部弱層，透水性差，遇水后強度大幅降低。泥巖層的存在，使坡體在后緣燒變巖體推力和地下水作用下產生較大塑性變形，這對坡體的失穩起決定作用。

2）水力作用。地下水對邊坡穩定性的作用主要包括3 方面：地下水對巖體強度的改變、地下水在坡體兩區交界面產生的靜水壓力、沿弱層面對坡體產生的揚壓力。地下水對巖體強度的改變體現在降低了泥巖強度，即降低了潛在滑移面的抗剪強度。坡體后緣裂隙靜水壓力和沿弱層面的揚壓力呈三角形，隨地下水深度增加靜水壓力增大，極值為ρwghw。

3.3 坡體滑移演變失穩過程

上部弱層控制的邊坡變形破壞過程大致可分為2 個階段：①燒變巖體拉裂破碎階段；②區域巖體相互影響變形破壞階段。

1）燒變巖體拉裂破碎?；馃齾^地下水滲透在兩區交界處產生靜水壓力，對巖體產生向臨空面的推動作用。地下水浸入滲降低泥巖層強度，沿弱層面產生垂直向上的揚壓力，形成邊坡失穩的潛在滑移面。坡體巖層呈近水平分布，坡體自重力基本不對滑移起推動作用。由于地下水的推動以及工程開挖擾動作用，坡體產生向臨空面的位移。坡體移動使得火燒區與原巖區巖體之間作用力減弱，燒變巖體產生向臨空面的變形。燒變巖裂隙發育強度較低，隨變形加劇巖體中裂隙不斷擴展逐漸形成一定傾角直至坡頂的貫通面。

2）區域巖體相互影響變形破壞階段。后緣燒變巖體貫通面形成后，上部燒變巖體沿貫通面向下滑移，部分巖體重力沿貫通面的分量作用于坡體之上，對坡體產生向臨空面的推力，加速坡體變形。后緣燒變巖體的推動作用是邊坡失穩的觸發因素。此時坡體中泥巖層受地下水浸泡強度降低成為坡體弱層，地下水在兩區交界面和弱層面處產生推力和揚壓力，下部巖體變形促進上部弱層活化，加之后緣燒變巖體推動作用，坡體變形速度增加，上部弱層以上巖體失穩破壞。上部弱層以上巖體破壞促進兩弱層之間巖體拉裂滑移，最終導致邊坡整體發生失穩。

4 結 語

1）針對燒變巖雙弱層邊坡采用FLAC3D進行了模擬研究，結果顯示沿兩弱層區域存在明顯塑性變形，下部弱層控制區域巖體水平變形速度較大；上部弱層控制區域巖體及其后緣燒變巖體在水平存在較大位移，后緣燒變巖體中存在塑性變形區表明后緣燒變巖體拉裂破碎，上部以上巖體失穩加速兩弱層之間巖體滑移變形，坡體失穩模式為上下兩弱層控制下的階段式滑移-拉裂失穩。

2）燒變巖雙弱層邊坡受上部弱層控制時，坡體上部巖體移動導致后緣燒變巖體拉裂破碎，破碎巖體推動前緣巖體沿上部弱層剪切滑動失穩；邊坡受下部弱層控制時，坡體發生沿下部弱層滑動，后緣巖體拉裂的剪切滑移破壞；坡體同時受上下2 個弱層控制時，不同力學條件下，邊坡可能發生下部巖體滑離、上部巖體被拉裂和上部巖體整體隨下部巖體變形破壞3 種失穩模式。

3）計算得出邊坡上部弱層長度為40 m，整體邊坡角25°時，兩弱層之間巖體變形促進上部弱層活化，上部弱層以上巖體失穩又加速了兩弱層之間巖體的變形。失穩過程可分為燒變巖拉裂破碎階段和區域巖體相互影響變形破壞階段。