基于离散元的含软弱夹层岩质边坡滑移机理分析

范昊天，孙少锐，王亚山，张纪星，刘宝生

(1.河海大学地球科学与工程学院，江苏 南京 211100；2.江苏省地质调查研究院，江苏 南京 210018)

0 引言

评价边坡的稳定性，查明分析滑坡体的滑移机理，研究诱发滑坡的影响因素，科学、准确地预测滑坡发生的可能性，针对不稳定边坡提出切实有效、经济合理的治理措施，能够有效地减少滑坡地质灾害带来的损失，关系到经济社会的健康发展和人民的生命财产安全，具有十分重要的现实意义。相比于土质边坡的失稳，由于岩质边坡的特殊地质结构的特殊性，导致目前人们对岩质边坡的失稳机理认识还存在一定的局限性，对于其破坏方式还停留在现象描述和简化的定性研究阶段，对于其滑移机理的基础研究工作开展不够深入。原因主要在于岩体内部分布着大量的不规则节理裂隙，这些节理裂隙构成的复杂结构面网络又将岩体切割为不连续体，很难找到一套较为合理的理论来解释岩体的物理和力学性质[1]。

PFC软件适合散粒体材料或含多组节理的岩质边坡稳定性分析。国内外许多学者，采用离散元程序对边坡的滑移破坏机理开展了一系列的研究工作。周健等[2]利用离散元程序对土质边坡的失稳进行了模拟，李祥龙等[3]研究了不同层面贯通参数对顺层岩质边坡的地震动力响应，胡训健等[4]针对水平厚层状岩质边坡研究了岩桥长度和节理间距的不同组合形式在地震作用下的不同破坏模式，崔铁军等[5]研究了不同地震加速度的时间下倾斜且具有水平裂隙发育边坡的破坏特点，贺续文等[6]讨论了节理连通率对边坡破坏形式的影响，周喻等[7]从细观力学角度深入研究了顺层断续节理岩质边坡模型破坏过程的力学机制。李新坡等[8]对节理岩质边坡的破坏和运动过程进行了研究，分析了不同关键参数对破坏后的堆积形状和运动距离的影响。SCHOLTS等[9]研究了含裂隙岩体的渐进性破坏，HUANG等[10]通过PFC2D建立了含不同形式断续节理的岩质边坡模型，研究了其不同的破坏模式，LO等[11]对台湾苏华高速公路115.9 K滑坡的运动过程进行了模拟。随着计算机水平的不断提高，运算速度的不断加快，颗粒流法在边坡稳定性分析中的应用越来越广泛[12-19]。

鉴于PFC在模拟大范围边坡动态破坏过程和应力变化情况方面的优势，本文以苏州市清明山关闭矿区矿山滑坡地质灾害为例，基于颗粒流程序对边坡失稳破坏过程进行了数值模拟，对含软弱夹层的顺层岩质边坡的变形破坏过程和滑移机理进行了分析和研究。研究成果可为含软弱夹层的顺层岩质边坡稳定性评价和加固设计提供参考，以便地质灾害治理时采用更加经济合理的治理方案。

1 工程区概况

矿山边坡位于苏州市吴中区清明山北侧，滑坡区边坡走向近东西向，边坡岩层层面倾向基本与边坡倾向一致，岩层面倾角约30°。现已发生塌滑区的整个坡面面积约13 642 m2，顶底高差约86 m。塌滑区整体呈“L”型，沿边坡倾向方向的坡面长度约150 m，沿边坡走向方向的塌滑区下部的宽度约为86 m，上部的宽度约为120 m。已塌滑区原始山体坡度约为25°，矿山开采后的边坡坡度约为30°～33°不等，边坡塌滑后的塌滑堆积体在坡面形成的坡度为25°～40°不等(图1)。

滑坡区内出露以下几种地层：泥盆系中统茅山群(D1-2ms)：灰、灰白、肉色中厚层细砂岩夹薄层粉砂岩夹灰白色粉砂质泥岩；泥盆系上统五通组(D3w)：灰白色、灰黑色厚层石英砂岩，平行层理构造，钙质胶结，层厚0.3～1.0 m不等，夹灰白色薄层砂质泥岩；第四系(Q)：岩性主要为棕黄色粉质黏土，出露厚度变化较小，一般层厚0.1～1 m，局部厚大于2 m。

滑坡区内地表水主要类型为面流、涧谷季节性水流，地表水受大气降水控制；地下水可分为松散岩类孔隙水和基岩裂隙水，水量均受大气降水影响，无固定地下水位。2014年7月中旬苏州地区连续出现强降雨，雨量累计达76 mm，致使滑坡险情发生。

滑塌体以及塌滑体下部稳定的滑床均由泥盆系中统茅山组砂岩构成。边坡在发生滑动以后，发生滑动的滑坡体并未完全下滑，而是堆积于坡面和坡脚处，形成了具有一定坡度的，由松散岩土体及巨石块构成的坡面堆积体。此外，在边坡坡面上存在具有一定完整性的、只下滑一段距离且目前仍位于滑坡滑动面上的部分滑体，这些残存的部分滑体在下部松散岩土体的支撑下维持基本稳定状态。边坡内残存的部分滑体，以及由于滑体下滑、破碎、堆积而形成的松散岩土体，在降雨等外界条件作用下，极易发生二次滑动，产生滑坡地质灾害。在未发生滑动的稳定基岩面顶部，存在多处宽约10～30 cm，深约超过1 m的张拉裂隙，且裂隙走向与边坡走向呈小角度相交。

2 数值模拟模型构建

颗粒流是一种基于离散单元法的数值分析方法，相比于极限平衡法，在分析边坡稳定的时候不需要假定滑动面形状，也不需要假定岩土体的本构关系，颗粒根据自身受力而不断更新位置关系，故能更加直观地反应边坡失稳过程中滑体的移动和滑裂面的形成发展，能够较好地分析边坡的失稳过程。

2.1 数值模型参数选取

由于PFC中的参数并不是诸如黏聚力、内摩擦角等宏观参数，需要结合试验得到岩石的应力应变曲线，进而通过模拟试验进行参数标定，使PFC中的细观参数能够反映岩石的宏观力学性质，参考文献[20]的研究，根据现场勘察和室内试验，层间软弱夹层内的粉砂质泥岩在暴雨状态下的抗剪强度参数为黏聚力c=18 kPa，内摩擦角φ=18°。经过数值直剪试验不断调整微观参数，可得在刚度为岩石的0.01倍，粘结强度为完整岩块的50%时可以较好地模拟层间软弱夹层，本文最终选取岩石的细观参数见表1。

表1 PFC边坡模型细观参数

2.2 数值模型建模过程

根据边坡典型剖面，建立PFC边坡模型，边坡长180 m，高110 m，采用“下落法”在180 m长的范围内，先分三次下落生成25 435个颗粒，构成长方形模型，接着分两次开挖，删除指定位置的颗粒形成边坡形状，每次开挖后都进行循环一定次数以平衡边坡表面因为卸荷回弹造成的应力变化。通过循环和半径扩大消除悬浮颗粒，使颗粒达到应力平衡状态，最后边坡模型由13 775个颗粒和3面墙体组成。

根据滑坡现场勘察的地质资料，在坡体内部利用JSET命令设置倾角30°±5°，间距5 m，贯通率为70%的软弱结构面。

为监测坡体内的应力应变变化特征，沿着坡体表面均匀布置了10个测量圆，最后形成的含软弱结构面和节理边坡模型见图2。

图2 边坡模型及测量圆分布Fig.2 Slope model and the location of measure circle

3 模拟结果分析

3.1 动态破坏过程分析

图3 边坡破坏过程Fig.3 Failure process of the slope

在重力作用下，模型运行了301 286步，通过不同时步模型的状态可以反映出边坡破坏失稳的全过程(图3)。运行至50 000步时，坡体前端已经沿平缓结构面向坡前临空方向产生蠕变性滑移，致使坡体后缘产生张拉裂缝，整个坡体沿着靠近坡面的一组软弱结构面发生滑动，随后，在前期形成的临空面和软弱结构面的共同影响下，后缘的岩体开始出现崩塌掉落，致使破坏逐渐向坡顶发展。

3.2 位移场分析

边坡滑动时，首先沿着最靠近坡面的软弱结构面滑动，进而向深处的第二条结构面发展。同时，根据颗粒间的相对位置可以判断出，在滑动发生时，颗粒还存在转动。在边坡无明显滑动后，平均不平衡力与平均接触力的比值小于1×10-5时可判断模型已处于基本稳定状态，该模型计算结束时运行了301 286步，结束时颗粒最大位移为54.18 m，深层滑动面深度约为20 m，滑坡体堆积形成的坡角在25°～30°，与实际情况较为吻合(图4)。

图4 300 000时步滑坡体水平方向位移等值线图Fig.4 Landslide horizontal displacement contour map of 300 000 steps

3.3 应力变化分析

通过对边坡模型计算过程的监测，根据监测得到的x方向正应力、y方向正应力、剪应力由下式计算出每个测量圆内颗粒主应力的平均值：

各圆内σ1和σ3随时步的变化情况见图5。由图5可知，测量圆1、2、3所在部位σ3逐渐减小，故主应力差逐渐增加，超过了颗粒所能承受的最大主应力差后致使颗粒之间的粘结被破坏，造成颗粒被挤出坡脚。测量圆4、5、6、7所在部位，σ1和σ3均逐渐增大，使σ1-σ3逐渐减小，这是由于滑坡过程中边坡中部颗粒应力释放造成的。而在边坡上部测量圆8所在位置，σ3在10 000步之前的减小造成了一条拉裂缝的形成，随后逐渐保持稳定，说明没有更多的裂缝形成，测量圆9、10所在部位应力变化均不明显，说明该部位颗粒整体稳定性好，受滑坡影响小，因此证明了滑坡后缘位于测量圆8所在范围内。

图5 不同部位测量圆内主应力Fig.5 The principal stress in specified measuring circles

图6 边坡不同部位正应力随时步变化曲线Fig.6 Normal stress changing with time step in specified location of slope

通过对边坡内部不同部位的正应力和剪应力进行监测得到图6和图7，将测量圆1、2、3的数据取平均值命名为边坡下部，将测量圆4、5、6的数据取平均值命名为边坡中部，将测量圆7、8、9的数据取平均值命名为边坡上部，可以得到随着边坡滑动的进行，边坡上部正应力和剪应力变化程度较小，表明上部岩体较为稳定，未产生大规模滑动；边坡中部岩体压应力逐渐减小，剪应力变化介于上部和下部之间；边坡下部岩体内部压应力逐渐增大，剪应力也维持在较高水平，表明该边坡下部的率先滑动属压致拉裂产生。以上结果证明了下部岩体处于所受压应力和剪应力较大，致使岩体结构最先破坏，岩体在上方荷载的作用下被剪出坡脚开始产生滑动，进而后方岩体沿着边坡内的软弱结构面向下滑动，最后形成贯通性滑移面，造成整个边坡的失稳破坏。

图7 边坡不同部位剪应力随时步变化曲线Fig.7 Shear stress changing with time step in specified location of slope

4 结语

根据苏州清明山关闭矿区边坡的工程地质勘察资料，利用离散单元法中的颗粒流程序，选取滑坡区典型剖面，建立了二维颗粒流数值模型，对滑坡的动态变化过程和破坏模式进行了分析。得出如下主要结论：

(1)清明山关闭矿区滑坡为降雨条件下诱发的滑移-压致拉裂式滑坡，失稳演变过程可大致分为如下三个阶段：前缘局部崩塌阶段、压致拉裂面自下向上扩展阶段、滑移面贯通阶段。

(2)滑动面主要位于粉砂质泥岩层，诱发滑坡的主要因素为：短时较大的降雨量、遇水易软化的粉砂质泥岩、不利于边坡稳定的结构面与坡面组合关系。

(3)分析了含软弱夹层岩质边坡滑动时边坡内部的应力状态，为此类滑坡地质灾害的治理提供依据。