软弱夹层存在及倾角对边坡稳定性的影响

鄂玉强

(1. 长沙矿山研究院有限责任公司，湖南 长沙 410012； 2. 金属矿山安全技术国家重点实验室，湖南 长沙 410012)

0 前 言

我国西南、南部等地区石灰石普遍存在含于软弱夹层的露天开采矿山，据胡斌等学者研究，软弱夹层为一种二叠系茅口组炭质泥页岩或薄层泥质灰岩[1-3]，其主要赋存状态如图1所示。其力学强度低的特性常成为此类矿山边坡安全的“薄弱环节”，此前因软弱夹层而产生的滑坡灾害层出不穷，如云南省孙家箐露采高边坡产生重大滑坡灾害，致25人死亡。

图1 软弱夹层

目前，诸多学者对软弱夹层进行了试验与研究：陈权川等[4]基于FLAC3D建立含软弱夹层岩体边坡模型，研究发现极限平衡法计算偏于安全，且软弱夹层参数对边坡稳定的敏感性为内摩擦角φ>粘聚力c；胡涛涛等[5]探究了含软弱夹层炭质板岩的单轴强度特性，发现含软弱夹层会降低炭质板岩单轴抗压强度，且软弱夹层越多，单轴抗压强度降低越厉害；贾后省等[6]获取了软弱夹层不同位置的顶板离层区分布特征，表明当塑性破坏影响区内含有软弱夹层，顶板深部软弱薄层即出现塑性压剪破坏，即顶板离层现象；DING等[7]研究软弱夹层的厚度、单轴抗压强度和倾角对具有单一自由表面的栓接岩体压缩行为的影响，结果显示软弱夹层力学性能低，对试件的峰值强度和弹性模量有很大的削弱作用，并影响试件的裂纹分布和破坏模式；龙建辉等[8]建立了含双软弱夹层顺层岩质滑坡计算模型，研究结果表明，上下两层软弱夹层以不同模式发生滑动，上层由软弱夹层软化发生起滑，下层暂时稳定；下层发生起滑，则表现为整体滑动。ZHANG等[9]对含软弱夹层材料的泥岩进行了直接试验，并考虑了正应力和剪切速度的影响进行了循环剪切试验。试验表明试样损伤主要沿节理发育，发生剪切破坏。

软弱夹层多数存在于顺层岩质边坡，且沿顺层面发育，而顺层滑坡破坏力强，危害性大，因此，结合软弱夹层力学强度低、隔水效果好以及大体为顺向岩层等物理力学特性，揭示软弱夹层对边坡稳定性的影响机制，探讨软弱夹层存在以及倾角变化对露天高边坡稳定性的影响，为此类含软弱夹层的露天矿山开采及滑坡灾害防治均是十分有意义的。

1 软弱夹层存在对边坡稳定性的影响

针对岩质高边坡产生滑坡的严重危害性，结合软弱夹层物理力学特性[10-12]，根据已获得的地质资料及矿山开采现状，科学合理分析地质条件，充分体现因软弱夹层存在对高边坡稳定性的影响，构建存在软弱夹层和不存在软弱夹层的不同台阶坡面角高边坡数值模型，计算各模型边坡稳定性系数，对比存在软弱夹层与不存在软弱夹层的计算结果。分别建立不同软弱夹层倾角计算模型，采用极限平衡法进行计算，并对比计算结果，探讨倾角变化对边坡稳定性不同程度的影响，为含软弱夹层岩质高边坡制滑机理研究提供借鉴。研究思路见图2。

图2 软弱夹层影响机理探究思路

1.1 工程概况及构建计算模型

根据某含软弱夹层石灰石矿山现场踏勘以及地质地形资料，矿区地势南高北低，其岩性主要为二叠系茅口组石灰岩[12]。现开采边坡发现，存在的软弱夹层面沿坡面层状发育，且由于玄武岩侵入，软弱夹层产状发生倒转现象。选取先开采典型剖面见图3，各岩体物理力学参数见表1。

图3 典型剖面工程地质

表1 某含软弱夹层石灰石矿山物理力学参数

为充分体现软弱夹层对边坡稳定性的影响，根据经验类比发现，该类矿山开采台阶坡面角一般为60°～70°，因此，以1°逐步增陡，共计11个角度变化值。分别建立11种不存在软弱夹层Ci(i=1～7)和存在软弱夹层Di数值计算模型，其中D1含软弱夹层数值计算模型及网格划分见图4。

图4 含软弱夹层数值计算模型及网格划分

1.2 数值模型计算

基于数值模拟软件FLAC3D，对模型计算域左右两侧进行法向位移约束，底部采用固定约束，对Ci和Di共计22种计算模型分别进行边坡稳定性系数计算，输出其边坡稳定性系数及剪切应变增量矢量云图，部分云图见图5～7。

图5 C1(a)和D1(b)稳定性系数及剪切应变增量

图6 C5(a)和D5(b)稳定性系数及剪切应变增量

图7 C11(a)和D11(b)稳定性系数及剪切应变增量

1.3 计算结果对比分析

根据上述计算，不存在及存在软弱夹层边坡稳定性系数对比见图8。

由计算结果云图及图8可知，未存在软弱夹层时，剪切应变增量为由坡顶至坡脚贯通，且剪切应变增量坡脚较大，边坡稳定性系数F由3.14下降到2.91，但依旧远高于安全系数1.20。当边坡存在软弱夹层时，剪切应变增量沿着软弱夹层形成贯通面，边坡稳定性系数F′由1.62下降至1.11。相比不存在软弱夹层，边坡稳定性系数最小降低差值为1.49，下降了48.4%，最大降低差值达到1.80，下降了61.9%。存在软弱夹层高边坡以软弱夹层为底滑面朝向坡外而易发生整体滑坡现象。表明在工程实践中，软弱夹层极大降低了边坡稳定性的主要机理为软弱夹层因力学强度低、水理性质差而易成为边坡潜在滑移面，使边坡沿层面发生剪切破坏，从而产生滑坡灾害。在设计时，对埋深较浅的，需开挖掉软弱夹层面或使其距坡面具有一定的安全距离，防止滑坡事故的发生。

图8 未存在及存在软弱夹层边坡稳定性系数对比

2 软弱夹层倾角变化对边坡稳定性的影响

由上述研究可知，软弱夹层以底滑面形式影响着边坡稳定性，即其为岩质边坡的潜在滑移面，为充分开展软弱夹层倾角变化与边坡稳定性的定性关系，以2°为步长建立软弱夹层倾角20°～30°计算模型，利用极限平衡法中Morgenstern-Price法(M-P法)计算各个角度值下的边坡稳定性系数。Morgenstern-Price法基本理论如下：

Morgenstern-Price法在一般条分法的基础上，不但考虑了法向力与切向力的平衡，而且还考虑了每一土条力矩的平衡。其静力平衡微分方程为：

力矩平衡方程为：

考虑E(a)=E(b)=0，可得：

从坡顶第一个界面E0=0开始，从上到下，逐条求出法向条间力Ei，对最后一土条须满足条件，可求出唯一λ和F值：

En(F,λ)=0

(4)

6个倾角划分值计算模型边坡稳定性系数计算结果见图9，以24°计算模型为例，其计算结果见图10。

图9 不同倾角边坡稳定性系数计算结果

图10 24°倾角边坡稳定性系数计算结果

由图9可知，边坡稳定性系数随软弱夹层倾角变小逐渐变大，与之成负相关关系。虽然倾角变小，边坡稳定性系数增大，但潜在滑移面仍旧为沿软弱夹层至坡脚，因此不能因为软弱夹层倾角较缓而“麻痹大意”，对其需进行位移监测，加强边坡稳定性管理措施。

3 结 论

本文以某含软弱夹层露天矿为例，采用强度折减法，通过分析对比11种存在软弱夹层和不存在软弱夹层数值模型边坡稳定性计算结果，探讨了软弱夹层对岩质边坡稳定性的影响，探索了软弱夹层对岩质高边坡的制滑机理，并对比6种不同软弱夹层倾角对边坡稳定性的影响，得出以下结论：

1)存在软弱夹层时，降低了边坡稳定性，相比不存在软弱夹层，边坡稳定性系数最小差值为1.49，最大差值为1.80，至少减小了48.4%，最大降低了61.9%。

2)边坡稳定性系数随软弱夹层倾角变小逐渐变大，与之成负相关关系。但潜在滑移面仍旧为以软弱夹层为底滑面发生剪切破坏，对其依旧要引起重视，重点监测此位置位移变化，避免边坡以其为滑移面产生滑坡灾害。

3)软弱夹层极大降低了边坡稳定性的主要机理为软弱夹层因力学强度低、水理性质差而易成为边坡潜在滑移面，使边坡沿层面发生剪切破坏，从而产生滑坡灾害。

4)在设计此类矿山开采时，需直接开挖掉软弱夹层面，或使其距坡面具有一定的安全距离，防止滑坡事故的发生。