雙弱層燒變巖邊坡失穩(wěn)模式研究

李 偉

（1.煤炭科學(xué)技術(shù)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(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（煤炭科學(xué)研究總院），北京 100013）

我國(guó)露天煤礦發(fā)展迅速，邊坡穩(wěn)定問題一直是我國(guó)露天礦工程中的重要研究問題。由于經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和能源需求的增加，我國(guó)新疆地區(qū)露天礦的數(shù)量和規(guī)模越來越大，開采深度日益加深，越來越多的露天礦轉(zhuǎn)入深凹開采階段，高陡邊坡數(shù)量隨之增加，邊坡穩(wěn)定性問題日益突出。地下水是影響邊坡穩(wěn)定性的重要因素之一，而且地下水的活動(dòng)往往成為邊坡失穩(wěn)的誘發(fā)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(fā)生過3 次大的滑坡事故，僅2016 年就發(fā)生過2 次滑坡事故。滑坡事故對(duì)露天煤礦安全組織生產(chǎn)造成了一定影響，對(duì)作業(yè)設(shè)備和人員也構(gòu)成潛在的威脅[3]。

坡體失穩(wěn)的關(guān)鍵因素不同決定了坡體破壞的形式和規(guī)模。關(guān)于邊坡的變形破壞模式研究，從20 世紀(jì)中葉至今國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行已有大量研究[4-20]，并形成了較多的分類體系。20 世紀(jì)70 年代，C O Brawner等將巖質(zhì)邊坡失穩(wěn)模式大致分為6 個(gè)類型：整體巖石與非連續(xù)節(jié)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(jì)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(jì)90 年代國(guó)際工程地質(zhì)協(xié)會(huì)滑坡委員會(huì)采用Varnes 的分類方法，將坡體變形破壞形式分為崩落、滑動(dòng)、傾倒、流動(dòng)和側(cè)向擴(kuò)離5 種基本類型；王蘭生等依據(jù)地質(zhì)特征和力學(xué)機(jī)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(dòng)、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(rùn)秋等[23]總結(jié)高邊坡變形破壞為6 種模式：傾倒變形模式、高應(yīng)力-強(qiáng)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(guān)于邊坡失穩(wěn)模式的研究已有系統(tǒng)分類方法和研究。對(duì)于含有2 個(gè)弱層的燒變巖坡體，變形失穩(wěn)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(duì)我國(guó)西部地區(qū)露天煤礦的雙弱層燒變巖邊坡失穩(wěn)模式進(jìn)行了探討。

1 雙弱層坡變形破壞數(shù)值模擬分析

邊坡模擬采用彈塑性本構(gòu)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(shè)置為透水邊界，坡面設(shè)置為自由排水邊界，底部設(shè)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(yīng)變?cè)隽吭茍D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(yīng)變?cè)隽吭茍DFig.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(qū)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(qū)域巖體均出現(xiàn)塑性變形，坡體前緣沿下部泥巖層帶剪應(yīng)變?cè)隽枯^大，坡體沿下部泥巖層出現(xiàn)塑性變形區(qū)域。坡體受上部泥巖層控制區(qū)域發(fā)生剪切變形破壞，下部弱層帶區(qū)域塑性變形明顯，控制區(qū)域巖體失穩(wěn)滯后于上部巖體。

邊坡上部泥巖層控制區(qū)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(chǎn)生了塑性區(qū)，其控制區(qū)域巖體水平速度明顯增加，下部弱層控制區(qū)域巖體變形對(duì)上部弱層活化具有促進(jìn)作用。坡體失穩(wěn)過程分為2 個(gè)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(jìn)上部弱層活化致使上部坡體失穩(wěn)，上部坡體失穩(wěn)加速下部弱層控制區(qū)域巖體滑移變形，下部巖體后緣拉裂致使邊坡整體失穩(wěn)。坡體失穩(wěn)模式為上下兩弱層控制下的階段式滑移-拉裂失穩(wěn)。

2 雙弱層邊坡滑動(dòng)模式力學(xué)分析

2.1 雙弱層控制邊坡穩(wěn)定性力學(xué)分析

2.1.1 上部弱層控制的滑坡力學(xué)模型上部弱層控制的滑坡力學(xué)模型如圖4。

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

由力學(xué)模型可知潛在滑坡體穩(wěn)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(qū)燒變巖體滑動(dòng)產(chǎn)生的水平推力F；火燒區(qū)地下水對(duì)坡體的靜水壓力T11；地下水對(duì)坡體產(chǎn)生的揚(yáng)壓力T12；滑動(dòng)坡體自重W1；后緣火燒區(qū)巖體滑動(dòng)傾角為α；弱層長(zhǎng)度為L(zhǎng)1；C1、φ1分別為上部弱層黏聚力和內(nèi)摩擦角。則上部弱層控制的坡體沿滑動(dòng)方向的極限平衡關(guān)系為：

Ks1小于1 時(shí)，坡體發(fā)生受上部弱控制的順層剪切失穩(wěn)。由于地下水的滲透，泥巖層強(qiáng)度較低，火燒區(qū)地下水在兩區(qū)交界處產(chǎn)生向臨空面方向的靜水壓力，原巖區(qū)坡體產(chǎn)生向臨空面的移動(dòng)變形?；馃齾^(qū)中燒變巖孔洞裂隙發(fā)育，原巖區(qū)巖體移動(dòng)對(duì)燒變巖體支撐力減小，導(dǎo)致燒變巖體中剪應(yīng)力增加，裂隙發(fā)育最終形成貫通至坡頂?shù)募羟忻?。燒變巖體沿剪切面下滑對(duì)原巖區(qū)巖體產(chǎn)生推動(dòng)作用，加快了坡體變形，并最終引起坡體的失穩(wěn)。

2.1.2 下部弱層控制的滑坡力學(xué)模型

下部弱層控制的滑坡力學(xué)模型如圖5。

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

由力學(xué)模型可知潛在滑坡體穩(wěn)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(chǎn)生的滲透力D；滑動(dòng)坡體浮重W2；坡體變形區(qū)域下部弱層長(zhǎng)度為L(zhǎng)2；C2、φ2分別為下部弱層黏聚力和內(nèi)摩擦角。

下部弱層控制的坡體沿滑動(dòng)方向的極限平衡關(guān)系為：

當(dāng)Ks2小于1 時(shí)，下部弱層控制區(qū)域巖體將向臨空面移動(dòng)變形，產(chǎn)生拉裂縫。地下水將在拉裂縫中產(chǎn)生靜水壓力，同時(shí)巖體失去抗拉力，導(dǎo)致下部巖體失穩(wěn)。下部巖體失穩(wěn)力學(xué)模型如圖6。

圖6 下部巖體失穩(wěn)力學(xué)模型Fig.6 Mechanical model of rock mass instability in lower part

下部巖體失穩(wěn)時(shí)地下水對(duì)坡體產(chǎn)生的靜水壓力T21為：

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

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

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

雙弱層控制時(shí)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(duì)應(yīng)的上部弱層之上巖體的重力；L1r為兩弱層之間變形巖體對(duì)應(yīng)的上部弱層長(zhǎng)度。

雙弱層控制時(shí)兩弱層之間巖體滑動(dòng)力Fh2為：

當(dāng)Kd2小于1 時(shí)，兩弱層之間巖體將發(fā)生滑動(dòng)。

對(duì)上部弱層以上巖體進(jìn)行單獨(dú)分析，兩弱層之間巖體變形移動(dòng)將對(duì)上部巖體產(chǎn)生牽引拉力，上部巖體可能發(fā)生3 種變形結(jié)果：①兩弱層之間巖體變形，上部弱層以上巖體保持穩(wěn)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(dòng)；③上部弱層以上巖體整體隨兩弱層之間巖體移動(dòng)。

雙弱層控制邊坡上部弱層以上巖體力學(xué)模型如圖8。

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

雙弱層控制時(shí)上部弱層上方拉裂縫以后巖體抗滑力Fkl為：

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

2.2 邊坡滑動(dòng)模式分析

坡體中存在上下2 個(gè)弱層，邊坡穩(wěn)定性受2 個(gè)弱層影響，其破壞模式存在多種情況。邊坡穩(wěn)定性受上部弱層控制時(shí)，其上部巖體沿上部弱層移動(dòng)變形，后緣燒變巖體拉裂破碎推動(dòng)巖體發(fā)生順層剪切破壞。邊坡受下部弱層控制時(shí)，巖體沿下部弱層滑移，后緣拉裂，邊坡發(fā)生沿下部弱層的剪切破壞。后緣拉裂面垂直高度達(dá)到兩弱層間距時(shí)，拉裂面位于上部弱層下方，邊坡穩(wěn)定性受上下2 個(gè)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(duì)上部弱層以上巖體產(chǎn)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(dòng)，如圖9（a）；若上部弱層以上巖體仍保持穩(wěn)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(wěn)，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(wěn)，上部弱層以上巖體整體隨其下部巖體變形移動(dòng)，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(qū)南端幫外側(cè)為Ⅲ火燒區(qū)，Ⅲ火燒區(qū)平面呈橢圓形，其長(zhǎng)軸長(zhǎng)4.5 km，深度238 m。長(zhǎng)軸方向與首采區(qū)推進(jìn)方向一致，最深可采煤層29 煤，火燒區(qū)水位標(biāo)高+400 m。隨坡體向火燒區(qū)推進(jìn)，燒變巖和地下水對(duì)邊坡穩(wěn)定性影響逐漸突出。坡體中含有上下2 個(gè)泥巖層，受地下水入浸，泥巖層弱化對(duì)邊坡穩(wěn)定性具有決定作用。設(shè)計(jì)邊坡到界角度為25°，+400 m 標(biāo)高坡面距離火燒區(qū)35 m，上部弱層標(biāo)高+394 m，弱層尺寸為40 m，弱層厚度3.4 m，下部弱層標(biāo)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(cè)部分重力為G1，左側(cè)部分面積大小為S，其大小隨傾角α 變化而改變，關(guān)系式為：

式中：H 為上部弱層距坡頂?shù)拇怪备叨?；l 為上部弱層與火燒區(qū)距坡頂水平距離；α 為火燒區(qū)巖體滑動(dòng)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(nèi)摩擦角；ρs為燒變巖的密度；l 為滑移面底部距離坡頂?shù)乃骄嚯x；G1為右側(cè)部分重力；H 為上部弱層至坡頂?shù)母叨取?/p>

燒變巖內(nèi)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(nèi)摩擦角為18.01°，上部弱層長(zhǎng)度L1為40 m。后緣滑移燒變巖體重力為6 043.66 kN，原巖區(qū)滑坡體重力為9 773.29 kN。地下水浸潤(rùn)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(wěn)狀態(tài)。

滑動(dòng)坡體后緣高度取兩弱層間距65 m，細(xì)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(zhǎng)度L2為139 m。當(dāng)巖體中抗拉強(qiáng)度最小的巖體斷裂，巖體將在斷裂位置產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，失去抗拉強(qiáng)度。巖體抗拉力取決于抗拉強(qiáng)度最小的巖體。泥巖抗拉強(qiáng)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(qiáng)度降低，力學(xué)參數(shù)會(huì)減小，下部泥巖層黏聚力取40 kPa，內(nèi)摩擦角取10°，代入式（11）可得Ks2=1.070，下部弱層控制區(qū)域巖體處于滑動(dòng)臨界狀態(tài)?？紤]上部弱層以上巖體滑動(dòng)失穩(wěn)對(duì)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(wěn)。

由計(jì)算結(jié)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(jìn)上部弱層活化，上部弱層以上巖體失穩(wěn)加速兩弱層之間巖體滑移變形，坡體失穩(wěn)模式階段式滑移-拉裂失穩(wěn)。

3.2 上部弱層控制下的坡體滑動(dòng)形成機(jī)制

1）巖性因素。上部弱層控制的坡體變形破壞與巖性特點(diǎn)有密切關(guān)系?；瑒?dòng)結(jié)構(gòu)根據(jù)巖性不同可分為3 部分：火燒區(qū)燒變巖、泥巖層、上部硬度較大的巖層。燒變巖位于潛在滑動(dòng)坡體后緣，其孔洞裂隙發(fā)育，強(qiáng)度低，且與正常巖層邊界明顯。火燒區(qū)與原巖區(qū)巖體在交界面處存在相互作用力，原巖區(qū)巖體發(fā)生變形移動(dòng)，對(duì)火燒區(qū)燒變巖體支撐力減小，燒變巖將發(fā)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(duì)原巖變形坡體產(chǎn)生水平向臨空面的推力，這是滑坡體失穩(wěn)的重要因素。泥巖層即為上部弱層，透水性差，遇水后強(qiáng)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(chǎn)生較大塑性變形，這對(duì)坡體的失穩(wěn)起決定作用。

2）水力作用。地下水對(duì)邊坡穩(wěn)定性的作用主要包括3 方面：地下水對(duì)巖體強(qiáng)度的改變、地下水在坡體兩區(qū)交界面產(chǎn)生的靜水壓力、沿弱層面對(duì)坡體產(chǎn)生的揚(yáng)壓力。地下水對(duì)巖體強(qiáng)度的改變體現(xiàn)在降低了泥巖強(qiáng)度，即降低了潛在滑移面的抗剪強(qiáng)度。坡體后緣裂隙靜水壓力和沿弱層面的揚(yáng)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(wěn)過程

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

1）燒變巖體拉裂破碎?；馃齾^(qū)地下水滲透在兩區(qū)交界處產(chǎn)生靜水壓力，對(duì)巖體產(chǎn)生向臨空面的推動(dòng)作用。地下水浸入滲降低泥巖層強(qiáng)度，沿弱層面產(chǎn)生垂直向上的揚(yáng)壓力，形成邊坡失穩(wěn)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(duì)滑移起推動(dòng)作用。由于地下水的推動(dòng)以及工程開挖擾動(dòng)作用，坡體產(chǎn)生向臨空面的位移。坡體移動(dòng)使得火燒區(qū)與原巖區(qū)巖體之間作用力減弱，燒變巖體產(chǎn)生向臨空面的變形。燒變巖裂隙發(fā)育強(qiáng)度較低，隨變形加劇巖體中裂隙不斷擴(kuò)展逐漸形成一定傾角直至坡頂?shù)呢炌妗?/p>

2）區(qū)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(duì)坡體產(chǎn)生向臨空面的推力，加速坡體變形。后緣燒變巖體的推動(dòng)作用是邊坡失穩(wěn)的觸發(fā)因素。此時(shí)坡體中泥巖層受地下水浸泡強(qiáng)度降低成為坡體弱層，地下水在兩區(qū)交界面和弱層面處產(chǎn)生推力和揚(yáng)壓力，下部巖體變形促進(jìn)上部弱層活化，加之后緣燒變巖體推動(dòng)作用，坡體變形速度增加，上部弱層以上巖體失穩(wěn)破壞。上部弱層以上巖體破壞促進(jìn)兩弱層之間巖體拉裂滑移，最終導(dǎo)致邊坡整體發(fā)生失穩(wěn)。

4 結(jié) 語

1）針對(duì)燒變巖雙弱層邊坡采用FLAC3D進(jìn)行了模擬研究，結(jié)果顯示沿兩弱層區(qū)域存在明顯塑性變形，下部弱層控制區(qū)域巖體水平變形速度較大；上部弱層控制區(qū)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(qū)表明后緣燒變巖體拉裂破碎，上部以上巖體失穩(wěn)加速兩弱層之間巖體滑移變形，坡體失穩(wěn)模式為上下兩弱層控制下的階段式滑移-拉裂失穩(wěn)。

2）燒變巖雙弱層邊坡受上部弱層控制時(shí)，坡體上部巖體移動(dòng)導(dǎo)致后緣燒變巖體拉裂破碎，破碎巖體推動(dòng)前緣巖體沿上部弱層剪切滑動(dòng)失穩(wěn)；邊坡受下部弱層控制時(shí)，坡體發(fā)生沿下部弱層滑動(dòng)，后緣巖體拉裂的剪切滑移破壞；坡體同時(shí)受上下2 個(gè)弱層控制時(shí)，不同力學(xué)條件下，邊坡可能發(fā)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(wěn)模式。

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