含軟弱夾層順層巖質邊坡變形-滑動演化過程研究

王來貴，馬瑋航，趙 娜，甘超超

（遼寧工程技術大學 力學與工程學院，遼寧 阜新 123000）

0 引言

順層巖質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、厚度較薄且夾雜在巖層中層狀或帶狀、力學強度低、遇水易軟化的軟弱結構面或軟弱帶[1-3]。由于順層巖質邊坡特殊的坡體結構，在重力作用下極易發生滑坡。順層滑坡是巖質邊坡滑坡中的一種，分布廣泛。在砂巖或灰巖等硬巖中夾有多個泥巖或泥灰巖軟弱夾層，相對隔水、易被軟化、強度較低，加之地質構造活動的影響，巖間錯動，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邊坡的變形-滑動演化全過程從而及時有效地對邊坡采取治理措施十分重要。

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

有限元、有限差分等數值方法被應用到邊坡失穩模式分析中。曹蘭柱等[7]用RFPA模擬邊坡在自重應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邊坡的變形破壞過程，分析了邊坡變形破壞機制，并據此提出相應的治理對策。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，并依據顆粒的滑動速度、先后加速順序判斷邊坡滑坡模式。趙邦強等[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邊坡由局部破壞到整體破壞滑動的演化規律。

由以上研究可見，目前對含軟弱夾層巖質邊坡變形失穩后滑動過程的研究較少，同時對邊坡變形破壞滑動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-滑動全過程，分析相應規律，為撫順西露天礦南幫的地質災害防治提供參考。

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。經過開采，西露天礦南幫大部分的含煤地層被挖掘，凝灰巖部分或全部露出。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?；讕r層之上是風化的玄武巖形成的太古風化殼，風化殼厚為2～7 m，分布于W1200至E1300的范圍內。太古風化殼之上為玄武巖層，其夾雜著凝灰巖、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。玄武巖之上是凝灰巖，巖層吸水性與可塑性較強，廣泛出露于礦區南幫中部，分布于西露天礦W1200至E300范圍內，厚為6.9～115.9 m。南幫邊坡上部大量發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工程地質剖面[11]。

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

2 GDEM數值模擬

2.1 軟件原理

連續-非連續數值模擬方法（CDEM）[12]將連續介質數值方法與非連續介質數值方法進行深度融合，可描述巖體的漸進破壞過程。CDEM方法利用塊體表征材料連續特征，塊體間的界面表征材料的非連續特征，采用基于時程的動態松弛技術進行顯式歐拉前向差分法進行迭代計算，核心計算過程分為以下步驟：第1步，循環每個有限元單元，計算單元的變形力及阻尼；第2步，循環每個接觸面，計算接觸面上的連接力及阻尼力；第3步，循環所有節點，計算每個節點的合外力、加速度、速度及位移。通過3個步驟可獲知各時步塊體和界面的狀態，并進行強度判斷，通過塊體邊界及塊體內部斷裂來分析材料的漸進破壞，進而模擬材料從連續變形到斷裂的全過程。

GDEM軟件利用CDEM方法的上述特性，在計算模型中考慮巖體內部與巖體間節理面的強度和破壞特征，對于拉張破壞采用最大拉應力準則為

式中：σn為節理面法向力，Pa；σt為節理面抗拉強度，Pa。

對于剪切破壞采用莫爾-庫倫準則為

式中：τ為節理面切向力，Pa；φ為內摩擦角，°；c為節理面黏聚力，Pa。

通過式（1）、式（2）獲得巖體內部與巖體間節理面的破裂狀態，并利用給定的相同收斂指標，不斷獲得界面和塊體的破裂狀態。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軟件進行破壞計算時將依據最大拉應力準則和摩爾-庫倫準則對式（3）、式（4）中的彈簧力進行修正。將式（1）、式（2）代入式（3）、式（4），修正得

式（5）中，T為節理面抗拉強度，Pa。

式（5）表明，當節理面的Fnj大于抗拉力時，節理面發生拉伸破壞，塊體與塊體分離，Fnj和Fsj均為0。式（6）表明，當節理面的Fsj不小于抗滑力時，節理面發生剪切破壞，塊體與塊體錯動，黏聚力c變為0，Fsj等于抗滑力。當滿足上述條件其一時，巖體即產生裂隙，當裂隙貫通坡體時邊坡即發生整體滑動。

2.2 參數取值

接觸面與巖土體模型的參數[13]見表1、表2。

表1 接觸面的物理力學參數Tab.1 physical and mechanical parameters of contact surface

表2 巖土體的物理力學參數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剖面二維地質模型，形成面域后導入ANSYS中進行分組與網格劃分，利用插件ANSYS TO GDEM將地質模型導入GDEM進行計算。模型的邊界范圍根據邊坡的整體情況確定。X向長為1293 m，其中X正向為1161 m，X負向為-132 m；Y向高為511 m，其中Y正向為113 m，Y負向為-398 m。采用三角形與四邊形單元相結合的方式將模型劃分為2229個節點、2155個單元，得到撫順西露天礦南幫E1200剖面的GDEM計算模型。本文主要研究邊坡沿軟弱夾層2的變形-破壞-滑動情況，故分析邊坡巖體變形-滑動演化過程中，對坡底花崗片麻巖、軟弱夾層1及軟弱夾層2左側的玄武巖進行隱藏處理。撫順西露天礦南幫數值計算模型和監測點A、B、C的位置見圖3。

圖3 撫順西露天礦南幫E1200計算模型和監測點Fig.3 E1200 calculation model and monitoring point of south slope in Fushun West open-pit mine

2.4 條件設置

為明確玄武巖與軟弱夾層接觸面以及軟弱夾層內部斷層泥-斷層泥接觸面、斷層泥-煤接觸面之間的相對滑動程度，在軟弱夾層2內部與軟弱夾層與玄武巖交界處對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）設置監測點，進行X、Y方向的位移監測。通過單元序號與節點序號方式設置監測點，將不同材料在同一位置重合的點區分開，更有利于研究接觸面之間的相對滑動。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）設置15個監測點，其中坡頂A1-A5監測點設置如圖4所示。坡中B1-B5、坡底C1-C5監測點設置同上。

圖4 監測點設置原理示意Fig.4 schematic diagram of monitoring point

對圖3模型兩側施加X方向約束，底部施加X與Y兩個方向的約束。設置本構模型為線彈性（linear）模型，同時施加重力對邊坡進行平衡計算。當邊坡達到穩定狀態時，邊坡的不平衡率Ur＜10-5。

將接觸面模型改為依據最大拉應力準則式（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-滑動情況。

3 結果分析

3.1 邊坡巖體變形-滑動演化過程分析

撫順西露天礦南幫在重力作用下的變形-滑動演化見圖5。

圖5 變形-滑動演化云圖Fig.5 destruction-slip evolution cloud mapdiagram

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

由圖5（b）可知，坡面玄武巖沿坡頂軟弱夾層2處發生滑動，隨后坡頂前緣回填土底部形成臨空面。同時坡頂前緣發生微小坍落，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生拉張裂隙。坡頂回填土整體發生滑移-拉裂破壞。此時坡底回填土內部產生貫通裂隙，坡面土體離散形成碎塊。說明此時由于回填土黏聚力與內摩擦角較小，在中上部巖土體的擠壓下迅速發生破壞。坡底油母頁巖在邊坡中上部巖體的推動下產生剪切裂隙。

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下沿坡底軟弱夾層向上滑動，坡底后緣回填土繼續沿軟弱夾層2向下滑動。坡底回填土前后緣之間發生剪切破壞，隨后裂隙貫通產生錯動，坡底前緣回填土在坡底右側形成臨空面，向右傾倒發生傾倒-滑移破壞。坡底油母頁巖由于受到北幫的影響，滑動產生了抑制作用，故產生隆起變形，在邊坡中上部巖體的推動下裂隙貫通發生滑移-剪斷破壞。

由圖5（d）可知，坡頂前緣沿軟弱夾層2向下滑動，并沿軟弱夾層3將油母頁巖向上推動。后緣土體受前緣土體牽引的影響范圍由前后緣交界處擴散至整個坡頂后緣，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。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生相對錯動，說明邊坡已整體向下滑動。此時坡中玄武巖處于邊坡坡面傾角上陡下緩的交界處，玄武巖下滑受阻發生滑移-彎曲破壞；坡底軟弱夾層2處在坡底下滑受阻發生滑移-彎曲破壞。

綜合上述分析可知，邊坡頂部區域受到重力作用，使得頂部巖土體發生沉降變形差，進而于坡頂回填土前后緣交界處形成地裂縫，隨后于交界處發生滑移，坡頂回填土整體發生滑移-拉裂破壞。在邊坡中部，玄武巖受到邊坡上部區域的推力，產生擠壓變形后在邊坡坡面傾角上陡下緩的交界處發生滑移-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，滑動產生了抑制作用故在坡底軟弱夾層2處產生隆起變形，隨后發生滑移-彎曲破壞，同時坡底前緣回填土沿坡底軟弱夾層向上滑動，坡底后緣回填土在右側臨空發生傾倒-滑移破壞，玄武巖在坡底區域剪出，發生滑移-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-剪斷的破壞滑動模式。

3.2 軟弱夾層變形-滑動演化過程分析

變形-滑動過程中監測點A1～A5、B1～B5、C1～C5在X、Y方向的位移，見圖6。

圖6 變形-滑動過程軟弱夾層測量點位移Fig.6 displacement of measuring points of weak interlayer during deformation-sliding process

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

由圖6（c）、圖6（d）可知，在2000～12500時步區間內，監測點B3、B4之間的位移差不斷增加；在12501～20000時步區間內，監測點B4、B5之間的位移差不斷增加，監測點B3、B4之間的位移差變化較??；在20001～30000時步區間內，監測點B1、B2之間的位移差、監測點B2、B3之間的位移差不斷增加，監測點B3、B4之間的位移差、監測點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斷層泥-煤接觸面發生滑動，隨后沿煤-玄武巖接觸面發生滑動，最后沿玄武巖-斷層泥、斷層泥-斷層泥接觸面發生滑動。

由圖6（e）、圖6（f）可知，在2000～10000時步區間內，監測點C3、C4之間的位移差小于5 m，其余監測點之間未出現明顯位移差；在10000～20000時步區間內，監測點C1、C2之間的位移差、監測點C3、C4之間的位移差不斷增加；在20000～30000時步區間內，監測點C1、C2之間的位移差繼續增加，監測點C3、C4之間的位移差微小增長后保持不變。說明邊坡底部在重力作用下首先沿斷層泥-煤接觸面發生滑動，隨后沿玄武巖-斷層泥接觸面發生滑動。

4 結論

（1）連續-非連續方法CDEM將有限元與離散元進行耦合，實現了模擬含軟弱夾層順層巖質邊坡在連續狀態下的彈性變形、非連續狀態下的破壞及滑動過程。

（2）撫順西露天礦南幫在變形-滑動過程中遵從拉裂-滑移-剪斷破壞滑動模式。其中坡頂回填土發生滑移-拉裂破壞，坡底回填土發生傾倒-滑移破壞，坡底油母頁巖發生滑移-剪斷破壞，坡中玄武巖及坡底軟弱夾層發生滑移-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的過程中主要沿煤層-斷層泥接觸面向下滑動。邊坡不同位置在不同時段的下滑過程中分別沿不同的接觸面滑動。