双弱层烧变岩边坡失稳模式研究

李 伟

（1.煤炭科学技术研究院有限公司 安全分院，北京 100013；2.煤炭资源高效开采与洁净利用国家重点实验室（煤炭科学研究总院），北京 100013）

我国露天煤矿发展迅速，边坡稳定问题一直是我国露天矿工程中的重要研究问题。由于经济的快速发展和能源需求的增加，我国新疆地区露天矿的数量和规模越来越大，开采深度日益加深，越来越多的露天矿转入深凹开采阶段，高陡边坡数量随之增加，边坡稳定性问题日益突出。地下水是影响边坡稳定性的重要因素之一，而且地下水的活动往往成为边坡失稳的诱发因素[1-2]。新疆三道岭露天矿由于雨水入渗，工作帮边坡先后发生过3 次大的滑坡事故，仅2016 年就发生过2 次滑坡事故。滑坡事故对露天煤矿安全组织生产造成了一定影响，对作业设备和人员也构成潜在的威胁[3]。

坡体失稳的关键因素不同决定了坡体破坏的形式和规模。关于边坡的变形破坏模式研究，从20 世纪中叶至今国内外学者进行已有大量研究[4-20]，并形成了较多的分类体系。20 世纪70 年代，C O Brawner等将岩质边坡失稳模式大致分为6 个类型：整体岩石与非连续节理破坏、块状破坏、圆弧破坏平面破坏、倾倒式破坏和楔形破坏；20 世纪80 年代Hoek等[21]将坡体变形破坏类型划分为4 种：平面型、圆弧型、楔体形和倾倒型；20 世纪90 年代国际工程地质协会滑坡委员会采用Varnes 的分类方法，将坡体变形破坏形式分为崩落、滑动、倾倒、流动和侧向扩离5 种基本类型；王兰生等依据地质特征和力学机制将坡体变形概括为滑移-弯曲、滑移-拉裂、滑移-压致拉裂、塑流-拉裂和弯曲-拉裂；谷德振等[22]将坡体变形划分为顺层高速滑动、水平剪切变形、追踪平推滑移、张裂顺层追踪破坏和倾倒变形破坏；黄润秋等[23]总结高边坡变形破坏为6 种模式：倾倒变形模式、高应力-强卸荷深部破裂模式、阶梯状蠕滑-拉裂模式、滑移-拉裂-剪断3 段式模式、压缩-倾倒变形模式和“挡墙溃屈”模式。

目前，关于边坡失稳模式的研究已有系统分类方法和研究。对于含有2 个弱层的烧变岩坡体，变形失稳受上下两弱层共同决定，其破坏模式尚需开展深入研究。为此，针对我国西部地区露天煤矿的双弱层烧变岩边坡失稳模式进行了探讨。

1 双弱层坡变形破坏数值模拟分析

边坡模拟采用弹塑性本构模型，各向同性材料，模型后缘和底部为固定边界，边坡前缘和后缘设置为透水边界，坡面设置为自由排水边界，底部设置为不透水边界。边坡水平位移云图如图1，边坡水平位移速度云图如图2，边坡剪应变增量云图如图3。

图1 边坡水平位移云图Fig.1 Horizontal displacement cloud

图2 边坡水平位移速度云图Fig.2 Horizontal velocity cloud

图3 边坡剪应变增量云图Fig.3 Shear strain increment diagram

由图1 和图2 可以看出，上部弱层以上岩体及坡顶处烧变岩水平位移量明显增加，坡体下部岩体受下部弱层控制水平位移速度有所增加，上部弱层控制岩体水平位移速度明显大于下部弱层控制区域岩体，且坡顶处烧变岩水平位移速度也明显增大。

由图3 可以看出，沿上部弱层及其控制区域岩体均出现塑性变形，坡体前缘沿下部泥岩层带剪应变增量较大，坡体沿下部泥岩层出现塑性变形区域。坡体受上部泥岩层控制区域发生剪切变形破坏，下部弱层带区域塑性变形明显，控制区域岩体失稳滞后于上部岩体。

边坡上部泥岩层控制区域后缘岩体拉裂破碎，上部岩体顺层剪切滑移破坏。坡体前缘沿下部泥岩层带也产生了塑性区，其控制区域岩体水平速度明显增加，下部弱层控制区域岩体变形对上部弱层活化具有促进作用。坡体失稳过程分为2 个阶段：初始阶段上部岩体沿上部泥岩层向临空面滑移，坡体后缘拉裂破碎；第2 阶段下部岩体变形促进上部弱层活化致使上部坡体失稳，上部坡体失稳加速下部弱层控制区域岩体滑移变形，下部岩体后缘拉裂致使边坡整体失稳。坡体失稳模式为上下两弱层控制下的阶段式滑移-拉裂失稳。

2 双弱层边坡滑动模式力学分析

2.1 双弱层控制边坡稳定性力学分析

2.1.1 上部弱层控制的滑坡力学模型上部弱层控制的滑坡力学模型如图4。

图4 上部弱层控制的滑坡力学模型Fig.4 Mechanical model of landslide controlled by upper weak layer

由力学模型可知潜在滑坡体稳定性主要受上部弱层控制，作用在滑体上的力主要有：火烧区烧变岩体滑动产生的水平推力F；火烧区地下水对坡体的静水压力T11；地下水对坡体产生的扬压力T12；滑动坡体自重W1；后缘火烧区岩体滑动倾角为α；弱层长度为L1；C1、φ1分别为上部弱层黏聚力和内摩擦角。则上部弱层控制的坡体沿滑动方向的极限平衡关系为：

Ks1小于1 时，坡体发生受上部弱控制的顺层剪切失稳。由于地下水的渗透，泥岩层强度较低，火烧区地下水在两区交界处产生向临空面方向的静水压力，原岩区坡体产生向临空面的移动变形。火烧区中烧变岩孔洞裂隙发育，原岩区岩体移动对烧变岩体支撑力减小，导致烧变岩体中剪应力增加，裂隙发育最终形成贯通至坡顶的剪切面。烧变岩体沿剪切面下滑对原岩区岩体产生推动作用，加快了坡体变形，并最终引起坡体的失稳。

2.1.2 下部弱层控制的滑坡力学模型

下部弱层控制的滑坡力学模型如图5。

图5 下部弱层控制的边坡力学模型Fig.5 Mechanical model of landslide controlled by lower weak layer

由力学模型可知潜在滑坡体稳定性主要受下部弱层控制，潜在滑坡体位于坡体下部，作用在滑体上的力主要有：滑体后缘岩体的抗拉力T；地下水在坡体中产生的渗透力D；滑动坡体浮重W2；坡体变形区域下部弱层长度为L2；C2、φ2分别为下部弱层黏聚力和内摩擦角。

下部弱层控制的坡体沿滑动方向的极限平衡关系为：

当Ks2小于1 时，下部弱层控制区域岩体将向临空面移动变形，产生拉裂缝。地下水将在拉裂缝中产生静水压力，同时岩体失去抗拉力，导致下部岩体失稳。下部岩体失稳力学模型如图6。

图6 下部岩体失稳力学模型Fig.6 Mechanical model of rock mass instability in lower part

下部岩体失稳时地下水对坡体产生的静水压力T21为：

由式（16）可知，安全系数Ks2随后缘拉裂面垂直高度hw增加逐渐减小。当hw大小达到两弱层间距时，坡体后缘拉裂缝位于上部弱层下部，下部弱层对坡体的影响可能触发上部弱层活化，此时坡体稳定性由受下部弱层控制转化为两弱层同时决定。

2.1.3 双弱层控制的两弱层间岩体滑坡力学模型双弱层控制的滑坡力学模型如图7。

图7 双弱层控制的滑坡力学模型Fig.7 Mechanical model of landslide controlled by double weak layers

双弱层控制时两弱层之间岩体受到的抗滑力Fk2为：

式中：W1r为两弱层之间变形岩体对应的上部弱层之上岩体的重力；L1r为两弱层之间变形岩体对应的上部弱层长度。

双弱层控制时两弱层之间岩体滑动力Fh2为：

当Kd2小于1 时，两弱层之间岩体将发生滑动。

对上部弱层以上岩体进行单独分析，两弱层之间岩体变形移动将对上部岩体产生牵引拉力，上部岩体可能发生3 种变形结果：①两弱层之间岩体变形，上部弱层以上岩体保持稳定；②两弱层之间岩体变形，上部弱层以上岩体被拉裂，拉裂岩体随下部岩体变形移动；③上部弱层以上岩体整体随两弱层之间岩体移动。

双弱层控制边坡上部弱层以上岩体力学模型如图8。

图8 双弱层控制上部岩体破坏力学模型Fig.8 Mechanical model of landslide controlled by double weak layers

双弱层控制时上部弱层上方拉裂缝以后岩体抗滑力Fkl为：

当Kdl>1，Kdr<1 时，上部弱层以上岩体被拉裂并随两弱层之间岩体变形移动；当Kdl>1，Kdr>1 时，两弱层之间岩体分离滑动，上部弱层以上岩体保持稳定；Kdl<1，Kdr>1 时，上部弱层以上岩体整体随两弱层之间岩体移动变形。

2.2 边坡滑动模式分析

坡体中存在上下2 个弱层，边坡稳定性受2 个弱层影响，其破坏模式存在多种情况。边坡稳定性受上部弱层控制时，其上部岩体沿上部弱层移动变形，后缘烧变岩体拉裂破碎推动岩体发生顺层剪切破坏。边坡受下部弱层控制时，岩体沿下部弱层滑移，后缘拉裂，边坡发生沿下部弱层的剪切破坏。后缘拉裂面垂直高度达到两弱层间距时，拉裂面位于上部弱层下方，边坡稳定性受上下2 个弱层控制。双弱层控制边坡变形破坏不同模式如图9。

两弱层之间岩体沿弱层向临空面滑移变形，对上部弱层以上岩体产生拉力。若上部弱层以上岩体被拉裂，拉裂岩体随两弱层之间岩体变形移动，如图9（a）；若上部弱层以上岩体仍保持稳定，两弱层之间岩体滑移与上部岩体分离，如图9（b）；若上部弱层以上岩体整体失稳，则坡顶烧变岩体拉裂破碎，两弱层之间岩体沿下部弱层剪切失稳，上部弱层以上岩体整体随其下部岩体变形移动，如图9（c）。

图9 双弱层控制边坡变形图Fig.9 Deformation chart of slope controlled by double weak layers

3 算例分析

3.1 工程概况

大南湖二矿首采区南端帮外侧为Ⅲ火烧区，Ⅲ火烧区平面呈椭圆形，其长轴长4.5 km，深度238 m。长轴方向与首采区推进方向一致，最深可采煤层29 煤，火烧区水位标高+400 m。随坡体向火烧区推进，烧变岩和地下水对边坡稳定性影响逐渐突出。坡体中含有上下2 个泥岩层，受地下水入浸，泥岩层弱化对边坡稳定性具有决定作用。设计边坡到界角度为25°，+400 m 标高坡面距离火烧区35 m，上部弱层标高+394 m，弱层尺寸为40 m，弱层厚度3.4 m，下部弱层标高+330 m，弱层尺寸206 m，弱层厚度2.2 m，两弱层间距65 m。坡顶滑移烧变岩体如图10。

图10 坡顶滑移烧变岩体图Fig.10 Map of burnt rock mass due to slope top sliding

烧变岩体可分为两部分，右侧部分重力为G1，左侧部分面积大小为S，其大小随倾角α 变化而改变，关系式为：

式中：H 为上部弱层距坡顶的垂直高度；l 为上部弱层与火烧区距坡顶水平距离；α 为火烧区岩体滑动倾角。

滑移烧变岩体重力G 为：

式中：Cs为烧变岩的黏聚力；φs为烧变岩内摩擦角；ρs为烧变岩的密度；l 为滑移面底部距离坡顶的水平距离；G1为右侧部分重力；H 为上部弱层至坡顶的高度。

烧变岩内摩擦角为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°，即烧变岩体变形破碎倾角为52°。泥岩密度为1.92～2.06 g/cm3，取1.92 g/cm3；煤密度为1.10～1.33 g/cm3，取1.10 g/cm3；砂泥岩互层密度为2.27～2.47 g/cm3，取2.27 g/cm3；泥岩层黏聚力取120 kPa，内摩擦角为18.01°，上部弱层长度L1为40 m。后缘滑移烧变岩体重力为6 043.66 kN，原岩区滑坡体重力为9 773.29 kN。地下水浸润线至泥岩层高度7 m。代入式（6）可得Ks1=0.942，上部弱层控制岩体处于失稳状态。

滑动坡体后缘高度取两弱层间距65 m，细砂岩密度为1.70～1.88 g/cm3，取1.88 g/cm3，砂岩密度为1.86～2.05 g/cm3，取2.05 g/cm3，下部弱层长度L2为139 m。当岩体中抗拉强度最小的岩体断裂，岩体将在断裂位置产生应力集中现象，失去抗拉强度。岩体抗拉力取决于抗拉强度最小的岩体。泥岩抗拉强度为20～28 kPa，取20 kPa，岩体抗拉力取1 300 kPa。由于下部弱层受到地下水浸泡强度降低，力学参数会减小，下部泥岩层黏聚力取40 kPa，内摩擦角取10°，代入式（11）可得Ks2=1.070，下部弱层控制区域岩体处于滑动临界状态。考虑上部弱层以上岩体滑动失稳对两弱层之间岩体影响，两弱层之间岩体将被拉裂，沿下部弱层滑移失稳。

由计算结果可知，边坡是受上下两弱层控制，两弱层之间岩体变形促进上部弱层活化，上部弱层以上岩体失稳加速两弱层之间岩体滑移变形，坡体失稳模式阶段式滑移-拉裂失稳。

3.2 上部弱层控制下的坡体滑动形成机制

1）岩性因素。上部弱层控制的坡体变形破坏与岩性特点有密切关系。滑动结构根据岩性不同可分为3 部分：火烧区烧变岩、泥岩层、上部硬度较大的岩层。烧变岩位于潜在滑动坡体后缘，其孔洞裂隙发育，强度低，且与正常岩层边界明显。火烧区与原岩区岩体在交界面处存在相互作用力，原岩区岩体发生变形移动，对火烧区烧变岩体支撑力减小，烧变岩将发生沿一定角度的倾斜拉裂变形破碎。破碎烧变岩体沿拉裂面下滑对原岩变形坡体产生水平向临空面的推力，这是滑坡体失稳的重要因素。泥岩层即为上部弱层，透水性差，遇水后强度大幅降低。泥岩层的存在，使坡体在后缘烧变岩体推力和地下水作用下产生较大塑性变形，这对坡体的失稳起决定作用。

2）水力作用。地下水对边坡稳定性的作用主要包括3 方面：地下水对岩体强度的改变、地下水在坡体两区交界面产生的静水压力、沿弱层面对坡体产生的扬压力。地下水对岩体强度的改变体现在降低了泥岩强度，即降低了潜在滑移面的抗剪强度。坡体后缘裂隙静水压力和沿弱层面的扬压力呈三角形，随地下水深度增加静水压力增大，极值为ρwghw。

3.3 坡体滑移演变失稳过程

上部弱层控制的边坡变形破坏过程大致可分为2 个阶段：①烧变岩体拉裂破碎阶段；②区域岩体相互影响变形破坏阶段。

1）烧变岩体拉裂破碎。火烧区地下水渗透在两区交界处产生静水压力，对岩体产生向临空面的推动作用。地下水浸入渗降低泥岩层强度，沿弱层面产生垂直向上的扬压力，形成边坡失稳的潜在滑移面。坡体岩层呈近水平分布，坡体自重力基本不对滑移起推动作用。由于地下水的推动以及工程开挖扰动作用，坡体产生向临空面的位移。坡体移动使得火烧区与原岩区岩体之间作用力减弱，烧变岩体产生向临空面的变形。烧变岩裂隙发育强度较低，随变形加剧岩体中裂隙不断扩展逐渐形成一定倾角直至坡顶的贯通面。

2）区域岩体相互影响变形破坏阶段。后缘烧变岩体贯通面形成后，上部烧变岩体沿贯通面向下滑移，部分岩体重力沿贯通面的分量作用于坡体之上，对坡体产生向临空面的推力，加速坡体变形。后缘烧变岩体的推动作用是边坡失稳的触发因素。此时坡体中泥岩层受地下水浸泡强度降低成为坡体弱层，地下水在两区交界面和弱层面处产生推力和扬压力，下部岩体变形促进上部弱层活化，加之后缘烧变岩体推动作用，坡体变形速度增加，上部弱层以上岩体失稳破坏。上部弱层以上岩体破坏促进两弱层之间岩体拉裂滑移，最终导致边坡整体发生失稳。

4 结 语

1）针对烧变岩双弱层边坡采用FLAC3D进行了模拟研究，结果显示沿两弱层区域存在明显塑性变形，下部弱层控制区域岩体水平变形速度较大；上部弱层控制区域岩体及其后缘烧变岩体在水平存在较大位移，后缘烧变岩体中存在塑性变形区表明后缘烧变岩体拉裂破碎，上部以上岩体失稳加速两弱层之间岩体滑移变形，坡体失稳模式为上下两弱层控制下的阶段式滑移-拉裂失稳。

2）烧变岩双弱层边坡受上部弱层控制时，坡体上部岩体移动导致后缘烧变岩体拉裂破碎，破碎岩体推动前缘岩体沿上部弱层剪切滑动失稳；边坡受下部弱层控制时，坡体发生沿下部弱层滑动，后缘岩体拉裂的剪切滑移破坏；坡体同时受上下2 个弱层控制时，不同力学条件下，边坡可能发生下部岩体滑离、上部岩体被拉裂和上部岩体整体随下部岩体变形破坏3 种失稳模式。

3）计算得出边坡上部弱层长度为40 m，整体边坡角25°时，两弱层之间岩体变形促进上部弱层活化，上部弱层以上岩体失稳又加速了两弱层之间岩体的变形。失稳过程可分为烧变岩拉裂破碎阶段和区域岩体相互影响变形破坏阶段。