采坑型滑坡地质力学模式研究——以贵州省福泉滑坡为例

王小明，史文兵，，梁 风，马文鹏

（1.贵州大学 国土资源部喀斯特环境与地质灾害重点实验室，贵州 贵阳 550025；2.贵州大学 资源与环境工程学院，贵州 贵阳 550025；3.兰州大学 土木工程学院，甘肃 兰州 730000）

0 引言

顺层岩质滑坡[1]是全世界范围内的主要灾害之一，其危害巨大。如叙大铁路古蔺站场滑坡[2]，鸡扒子滑坡[3]，瓦伊昂滑坡等。都是顺层岩质滑坡的典型例子，这些滑坡发生后都带来了灾难性的后果，给我们留下了惨痛的教训。所以研究顺层滑坡的失稳破坏机制具有非常重大的意义。

在岩溶发育地区，矿山开采都面临着一个巨大的问题，由于岩溶发育，导致该部分地区的水文地质条件和工程地质条件都非常复杂，这在一定程度上给矿山边坡的治理带来了很大的困难，只有研究清楚斜坡失稳破坏的机制，在关键部位施加合理的工程治理措施，才能保证边坡的稳定，从而保障人们的生命财产安全。2014年8月27日晚上8点30分在贵州福泉发生小坝滑坡，滑坡总方量达到了140万方，滑动速度快，且是在夜晚发生，直接造成23人遇难，22人受伤，67户村民的77栋房屋受损，造成了不可挽回的生命、财产损失。该滑坡区是典型的岩溶发育地区，滑坡规模巨大，地质条件复杂，给地质灾害治理带来了困难。

滑坡地质力学研究成果丰硕，赵建军等[4]对贵州省马达岭滑坡的地质力学模式采用物理模拟方法进行研究，总结出该类滑坡的地质力学模式为弯曲—拉裂、塑流—拉裂和蠕滑—拉裂三个阶段。冯春等[5]运用离散元的PCMM方法结合强度折减法对观音岩滑坡的潜在失稳模式进行了探讨，得出了观音岩滑坡的失稳模式为推移式滑坡。冯文凯等[6]运用三维离散元模拟分析方法，验证了某滑坡的变形演化机制为滑移—弯曲，对评价滑坡的演化趋势和稳定性以及危险性提供了科学的依据。本文通过对小坝滑坡的地质条件进行了综合的分析，建立滑坡的数值模型，以对小坝滑坡在开挖过程中的变形特征进行数值模拟，从而分析其变形破坏模式，为科学的地质灾害治理提供参考[7]。

1 小坝滑坡工程地质条件

小坝滑坡位于贵州省福泉市道坪镇小坝组，地处云贵高原东部，区域上属于构造侵蚀剥蚀的山地地貌。滑坡区内地形呈台阶状，地形起伏较大，边坡前后缘高差约为200m，属高边坡类型。在边坡左前缘有一露天采坑，坑内积水约50m深，总方量约为21万方。滑坡区地层主要有第四系（Q）残坡积及表土层：主要为含碎石粘土、亚粘土等松散岩类；寒武系下统明心寺组、牛蹄塘组（C1m+n）之粘土岩、页岩及粉砂岩等；震旦系下统灯影组（Z1ds）之磷块岩、硅质岩等；清白口系清水江组（Qbq）之灰绿色、灰色中至厚层凝灰岩夹粉砂岩、板岩等软质类岩；震旦系上统灯影组（Z2dy）之白云岩等硬质岩类，在斜坡的中部有一条贯穿的逆断层。该区地层软硬相间，易发生滑坡等地质灾害。（工程地质平面图如图1所示）

图1小坝滑坡工程地质平面图Fig.1 Engineering geological plan of Xiaoba landslide

小坝滑坡发生后，对新湾和小坝两个村民组形成冲击之势，原本可免受滑坡灾害的小坝组却因为坡体左前缘采坑积水，在滑坡涌浪的冲击下造成了巨大的损失，该滑坡影响范围和灾害规模之大，在贵州地区的滑坡灾害中首屈一指。在对小坝滑坡的现场充分调查后，可将小坝滑坡的破坏模式概化为前缘蠕滑—后缘拉裂—前缘剪断的过程，为了将这一过程直观展现，采用离散元数值模拟方法对该地质力学模式和滑坡启动后的运动过程以及堆积特征作模拟研究。

2 滑坡特征及变形破坏过程

小坝滑坡的坡顶高程约为1450m，坡脚高程为1240～1250m，边坡高约200m，滑坡前后缘最大纵向长度约为780m，滑坡方量约为140万方。边坡左前缘有与磷矿的开采，造成地下采空区，基岩裸露，地形起伏大。小坝滑坡地质剖面图如图2所示。

图2小坝滑坡工程地质剖面图 （I-I′）Fig.2 Landslide engineering geological profile （I-I′）

3 小坝地质力学模式研究

基于滑坡形成机制的概化模型，以I-I′剖面建立离散元地质力学模型（图3），研究小坝滑坡形成的地质力学模式，进一步直观的认识小坝滑坡启动模式、运动过程。在建立概化离散元模型之后，对小坝滑坡前缘磷矿开采后的变形破坏过程进行数值模拟，在开挖的基础上多次对坡体进行降雨模拟，分析露天边坡在降雨条件下的破坏过程，分析滑坡的地质力学模式，在此基础上，对小坝滑坡的启动及启动之后的运动过程作三维离散元模拟，分析小坝滑坡启动过程和启动后的运动路径以及堆积特征。

图3地质力学概化模型Fig.3 Generalized model of geomechanics

3.1离散元参数标定

离散元模拟中往往对应的是细观参数，而实际室内试验获取的却是宏观参数（表1），为了将室内宏观参数和微观参数建立联系，故需对离散元细观参数进行参数标定，采用单轴压缩试验以匹配宏观参数。模拟采用常用于岩石模拟的平行粘结模型，该模型中需要标定的参数有接触粘结参数和平行粘结参数，标定方法采用试错法，直到宏细观参数匹配为止。

表1滑体岩石力学参数

通过建立离散元单轴压缩试验模型（图4），对滑体岩石力学参数进行标定，固定试样的其他参数不变，首先对试样的弹性模量进行标定，通过不断调整细观参数中的法向刚度和切向刚度的比值，以匹配泊松比，直到满足为止，然后固定刚度的比值，通过不断调整刚度的大小以匹配弹性模量，最后通过不断调整法向粘结强度和切向粘结强度对单轴抗压强度进行匹配，匹配结果的细观参数如表2所示。

图4离散元参数标定模型Fig.4 Discrete element parameter calibration model

表2滑体细观参数

3.2计算结果分析

3.2.1前缘坡脚开挖结果分析

将标定所得参数赋值到地质力学模型中，对开挖过程进行模拟，开挖顺序遵循矿山开采过程，其开挖顺序示意图如图5所示。

图5开挖步序示意图Fig.5 Schematic diagram of excavation steps

坡脚前缘露天开挖简化为分4步开挖，在第一次开挖完成后，坡体内部应力部分被释放，由于坡体结构上硬下软的特征，导致软弱层变形收到扰动较大，第1次开挖完成后位移几乎为零；第2次开挖后，在前缘坡脚处发生卸荷，使得坡体内部的应力重分布明显，使得软弱层最大位移达到7cm，而前缘坡脚处最大位移达到1.5cm，此时坡体内部未产生裂隙；第3次开挖后，坡脚前缘最大位移达到2cm，但是沿着软弱面的最大位移达到7.66cm，软弱层上不硬岩沿着软弱层有滑动的趋势，在前缘坡脚处应力集中；第4次开挖完成后，应力集中区向矿坑底部迁移，在持续卸荷的作用下，上部硬岩沿着软弱面的最大位移达到4cm，其中局部最大位移达到8.39cm；在开挖过程中，坡体发生沿着软弱面的蠕滑，且随着开挖的进行，卸荷增加，坡体变形增大，前缘坡脚应力集中区下移，最终导致上部硬岩沿着软弱层面发生蠕滑变形。

图6开挖过程位移变化图Fig.6 Displacement variation during excavation

3.2.2降雨作用下坡体变形破坏分析

在第4次开挖完成后，前缘坡脚处发生了蠕滑变形，坡体内部未出现破坏裂隙，所以对开挖后的模型进行降雨分析，降雨过程共分三次。第1次降雨完成后，最大位移位置发生转移，在坡脚前缘采坑中部产生了0.749m的位移，且在该部位由于剪应力较集中，产生了大量的剪切裂隙，在采坑底部，也产生了部分裂隙，由于整体沿着软弱面的最大滑移位移为0.1m，所以在坡体中部断层位置产生了平行于断层分布的拉裂隙，第1次降雨后，前缘坡脚处开始发生剪切破坏，且坡体中部被拉裂；第2次降雨后，坡体最大位移并未明显增加，破坏裂隙明显增加，在前缘坡脚位置，剪裂隙向软弱面延伸，且软弱面周围岩体也开始发生破坏，在坡体中部位置，由于拉应力的持续作用，导致拉裂隙逐渐拓宽，且向软弱面延伸，在坡体上部开始产生破坏裂隙，说明此时坡体已经进入了累进性破坏阶段，裂隙正在逐渐贯通；第3次降雨完成后，裂隙贯通，坡体破坏，滑坡启动。

图7降雨过程中变形破坏图Fig.7 Deformation and failure diagram during rainfall

3.2.3小坝滑坡运动过程分析

为了研究小坝滑坡启动之后的运动过程与堆积特征，建立三维离散元模型，将滑动区域概化为颗粒模型，研究滑坡从启动到堆积的过程。

小坝滑坡发生前，就已经对滑坡的运动路径做出了预测，但是由于未考虑积水采坑的影响，导致了之前预测不会被危害到小坝组村民遭受了极大的冲击，在滑坡发生后，大部分滑体运动到新湾组堆积，而部分滑体随着涌浪运动到小坝组，该滑坡的影响范围远超过之前的预测范围，滑坡运动路径及堆积情况如图8所示。所以对该过程的模拟重现对指导防灾减灾具有重要意义。

图8滑坡运动路径及堆积全貌图Fig.8 Landslide movement path and overall view of accumulation

图9小坝滑坡运动过程Fig.9 Xiaoba landslide movement process

露天开采完成后，在降雨作用下，坡体前缘发生蠕滑，在蠕滑初始阶段，由图9（b）可以看出，在坡体前缘和坡体顶部都有明显的位移产生，即前缘蠕滑—后缘拉裂阶段；在持续降雨后，坡体前缘剪断，宣告滑坡发生，由图9（c）可知，滑体前缘剪断，导致前缘部位产生了大量的位移，是由于前缘开挖卸荷的作用，使得滑体能量得到释放，但同时也为中厚部滑体的能量释放提供了空间，最终发生整体滑动。在滑坡发生后，左前缘滑体高速汇入采坑（图9（e）），滑坡右前缘滑体随即倾泻而下，直接向新湾组滑去，这与灾前预测结果一致，而对于左前缘而言，滑体在涌入采坑后仅有零星颗粒运动至小坝组，然而现实情况是小坝组遭受了强烈的涌浪冲击，此次模拟中由于采坑无积水情况，说明实际情况中，采坑积水为涌浪的形成提供了物质条件，采坑积水的存在为滑坡动能转化为涌浪冲击能提供了物理条件，说明采坑积水对小坝组是一个关键的灾害转换因子，最后滑坡堆积，形成堆积区，堆积区分为测压土堆积区和平推土堆积区。

4 结论

（1）本文基于福泉小坝滑坡，运用数值模拟方法对滑坡的灾害特征、成灾机理以及滑坡运动过程进行研究，总结出了该滑坡的成灾地质力学；对采坑无积水情况下的滑坡运动过程进行离散元模拟，分析滑坡影响范围，进一步突出了采坑积水是灾害转化的关键因子。

（2）小坝滑坡在露天开采后，前缘蠕滑，位移较小；降雨作用下，坡体前缘蠕滑，后缘拉裂，且位移增加剧烈，坡体中锁固段块体处于稳定破裂阶段，最终在极端暴雨作用下发生剪切破坏；滑坡的地质力学模式概括为：滑移—拉裂—剪断。

（3）在采坑无积水情况下，滑坡右前缘滑体滑至新湾组并堆积，这与滑坡发生之前的预测范围一致，而左前缘由于采坑的存在，大部分滑体堆积在采坑内，仅有零星滑体滑出采坑，滑坡运动的影响范围较小，而实际情况是采坑内部有大量积水，滑坡导致的涌浪直接对小坝组形成严重的冲击危害，造成了大量的损失，所以采坑积水的存在是小坝组受灾的关键转换因子。

（4）小坝滑坡从发生到堆积的全过程模拟，直观的展现了滑体的运动过程与最后的堆积特征，能够对滑坡的影响范围作出科学的预测，成果可为防灾减灾提供科学的理论指导。