基于泥岩弱化的顺倾边坡失稳机理探究

李保生，杨程烨，韩 流

（1.中铁资源苏尼特左旗芒来矿业有限公司，内蒙古 锡林郭勒盟 011300；2.中国矿业大学 矿业工程学院，江苏 徐州 221116）

顺倾边坡是岩层倾向与边坡倾向相一致的特殊的边坡构造，该构造下如果其中某一岩层强度不足，会导致该岩层之上各个岩层的错动和位移，影响矿山正常的运输道路和生产作业。泥岩层常见在于边坡构造之中，但其强度遇水弱化严重，容易成为顺倾边坡失稳的重要原因，因此结合泥岩强度弱化机理，探究顺倾边坡失稳机理是目前需要解决的问题。

顺倾边坡结构以及控制顺倾边坡稳定性的关键弱层已经成为本领域研究所关注的焦点，很多专家学者聚焦于这一问题的探究，形成了比较丰富的科研成果[1-5]。前人在顺倾边坡研究当中已经意识到弱层对边坡稳定性的影响，但是并未在根本上对其进行分析，缺少必要的弱层演化过程。因此，考虑以泥岩弱层为例，通过设计实验，探究弱层的形成过程。

1 泥岩剪切试验

泥岩在岩土工程领域分布广泛，其遇水软弱特性是相关领域研究的重点。为了准确把握泥岩遇水的力学指标变化趋势以及做好泥岩的强度弱化认定，在泥岩遇水会导致其力学性质发生显著改变基础上，设计了含水率与抗剪强度的对比试验方案，对不同含水率（具体包括干燥、25 %含水率、30 %含水率、35 %含水率和40 %的饱和含水率）分别进行抗剪强度试验，基本做法是同时制作4 个相同试样，并且对4 个试样，分别在不同的垂直压力σ 下施加水平剪切力τ 进行剪切。然后根据库伦定律确定土的抗剪强度参数——内摩擦角φ 和黏聚力C。不同含水率状态泥岩的力学指标如图1。

图1 不同含水率状态泥岩的力学指标

从试验结果可知，泥岩的抗剪强度参数（内摩擦角φ 和黏聚力C）均与含水率产生了相关性，而且均呈现负相关，即含水率越高对应的内摩擦角和黏聚力越小。随着含水率的变化，泥岩C、φ 值呈现出类似的变化规律，但是有所区别，黏聚力C 在试样含水率达到30%及以上时，才表现出下降趋势；而摩擦角φ 从含水率25%就表现出来较为明显的衰减。主要原因是[6-8]：充填在孔隙中分布不均的黏土矿物与水反应，使细小岩粒的吸附水膜增厚，在一定程度上弱化了泥岩的内摩擦角，含水率较低时，对黏聚力影响不大，当含水率较高时，长时间的浸润状态会溶解泥岩成分，使之成为自由水一部分，对泥岩内胶结状态产生改变，从而影响黏聚力变化。

2 顺倾边坡失稳机理

顺倾边坡失稳除了岩体结构的影响之外，还与其他因素有关，按照影响机理和来源的不同，影响因素可统分为内部因素和外部因素[9-10]。内部因素包括：边坡岩体结构、岩层岩性、走向倾向倾角、断层构造等；外部因素包括：降雨的作用、边坡形态的改造、开挖卸荷效应等。内部因素大多从根源上影响边坡稳定性，因此，其影响作用长期存在且较为稳定，所以属于根源性影响。外部因素不是固定存在，会随着工程因素的变化而相应改变，因此，属于外源性不稳定性因素，这种因素是难以控制，且经常影响表现为边坡变形滑坡的诱发因素。

顺倾边坡破坏机制根据弱层及其上部岩层的渐进破坏过程可以大体分为2 类[11]：①急倾斜软弱夹层边坡的推移式破坏：滑带由后缘位置率先移动，带动上部岩层前缘破坏；②缓倾斜弱层边坡的牵引式破坏：该破坏模式为滑体前端位置首先丧失强度，带动上部岩层前端破坏。这2 种破坏机制都表现为后半段剪切破坏，前半段拉张破坏。顺倾边坡滑体受力分析如图2。

图2 顺倾边坡滑体受力分析

假设顺倾某一边坡地层顺倾角度为8°～10°，属于缓顺倾弱层，煤层顶板泥岩层遇水弱化，且煤层强度较高。该地层条件下存在明显的关键弱层与关键硬岩层，当弱层强度不足时，易发生顺倾滑动。按照牵引式破坏考虑，受力状态包括上部岩层断裂之前产生的拉力T，弱层接触滑动面位置提供了抗滑力f，滑体自身重力W。

极限平衡状态下缓顺倾边坡安全系数FS：

式中：Fs为安全系数；T 为拉力，kN；f 为摩擦抗滑力，kN；F 为下滑力，kN；Rm为抗拉强度，kPa；L 为拉伸破坏长度，m；l 为剪切破坏长度，m；W 为滑体重力，kN；C 为弱层黏聚力，kPa；φ 为内摩擦角，（°）；α 为弱层与水平面夹角，（°）。

降雨的发生会导致滑体重力的增加和煤顶板泥岩层的强度弱化，使得滑体剪切段抗剪力的下降，如果原有拉伸段强度不变，则滑体整体也难以维持原有平衡状态，从而产生位移和破坏。

3 基于泥岩弱化的芒来露天矿顺倾边坡失稳机理

3.1 芒来露天矿水文地质概况

中铁资源苏尼特左旗芒来露天矿位于内蒙古高原中北部，北帮边坡为顺倾地层，边坡土岩以泥岩、砂质泥岩、第四系表土、沙土和黏土等松散层为主，土质松软，暴露后易风化破碎，煤层顶板存在一定厚度泥岩层且遇水软化，地层倾角在8°～12°，属于典型缓倾斜顺倾边坡。

露天矿附近地势北高南低，多年年平均降水量159.93 mm，最大降水量272.10 mm，24 h 最大暴雨量81 mm，降水多集中在6—8 月，常以暴雨和阵雨形式出现，区内无常年地表径流，降水通过沙层渗入地下。露天矿北帮边坡于2020 年8 月7 日出现1 条73 m 长裂缝，宽度在2 cm 以下，12—18 日采场北帮地表裂缝加宽变长，地表出现了沉降，多个台阶坡面出现了裂缝变形。18—20 日总体滑坡体已趋于稳定，但仍有小的蠕动变形和滑落，地表沉降累计12.90 m，总结得出边坡失稳呈现出以下特点：蠕变性、渐进性，持久性。

3.2 芒来露天矿北帮边坡失稳探究

芒来露天矿北帮失稳发生在雨水充足的8 月份，失稳之前存在充足的降雨条件。因此结合边坡地层的水文特性并借助GEO—Studio 中的“seep”功能模拟降雨过程中边坡体内雨水的入渗与流出，选择最大降雨条件81mm/h 进行模拟分析，岩土力学指标参数见表1。边坡降雨渗流路径分析如图3。

表1 岩土力学指标参数

从图3（b）中Seep 的降雨引起的渗流路径分析可知，各个地层渗透性的差异性与地层的顺倾构造，影响了雨水在边坡体内的渗流，水平渗流多发生在渗透性较好的岩层内，这就导致边坡出水点多分布在第四系表土、泥岩和煤层的暴露处，易引起这3 个地层含水率的升高。对于煤层，含水率变化对力学指标影响较小；对于表土，由于其分布在坡顶位置，其强度变化对整体边坡稳定产生的影响较小；对于泥岩，含水率增大的过程就是强度弱化的过程，同时降雨也引起了上覆岩层载荷的变化，增大了泥岩与煤层接触面的剪切力，使得边坡需要变形以找到新的平衡点。通过不同含水率泥岩的强度弱化过程，研究在该过程中边坡稳定性变化。不同含水率泥岩引起的边坡稳定性系数变化如图4。

图3 边坡降雨渗流路径分析

从图4 中可以看出，边坡整体的初始边坡稳定性系数为2.04，留有充足安全余量。当降雨引起泥岩含水率达到35 %时，边坡稳定性系数下降为1.075，安全系数弱化幅度为47.3 %，边坡处于极限平衡状态，易发生失稳。此时泥岩层可以被认定为演化弱层。当泥岩层达到完全饱和状态时，安全系数降低到1.0 以下，弱化幅度为61.7 %。从边坡稳定性随泥岩力学指标的变化而变化的过程中看出，对于顺倾地层来说，硬岩之上易软化的岩层可视为关键弱层（泥岩），其强度对整体边坡的稳定性起着关键作用。因此如果顺倾边坡附近降雨或地下水位较高，应该制定合理的截水、疏干与排水方案，实时监测水位变化与泥岩层含水率变化，防止演化弱层的形成。

图4 不同含水率泥岩引起的边坡稳定性系数变化

4 结语

1）以往对顺倾边坡的研究中虽然经意识到弱层对边坡稳定性的影响，但是缺少集合泥岩强度遇水弱化过程的综合分析。在已有结论的基础上设计了不同含水率泥岩剪切试验，研究结果发现随着含水率的变化对泥岩黏聚力C、内摩擦角φ 值呈现出类似的变化规律，但是在下降趋势上却有所区别。

2）对于顺倾边坡，其破坏机制根据弱层及其上部岩层的渐进破坏过程可以大体分为2 类：推移式破坏、牵引式破坏。借助受力分析示意图，在极限平衡法的基础上推导出缓顺倾边坡安全系数表达式，并阐述泥岩层强度弱化对整体边坡稳定性的影响。

3）借助Geo-studio 中的“Seep”功能模拟降雨条件下，雨水在边坡体内的渗流路径，边坡出水点多分布在第四系表土、泥岩和煤层的暴露处，易引起这3个地层含水率的升高。同时结合泥岩弱化过程，对边坡稳定性变化进行分析，得出了将硬岩之上的泥岩视为关键弱层的结论。