含软弱夹层顺层岩质边坡变形-滑动演化过程研究

王来贵，马玮航，赵 娜，甘超超

（辽宁工程技术大学 力学与工程学院，辽宁 阜新 123000）

0 引言

顺层岩质边坡是指边坡坡面与边坡岩层层面二者走向和倾向一致，多发育在背斜两翼及向斜开挖后形成的边坡。软弱夹层泛指颗粒较细、厚度较薄且夹杂在岩层中层状或带状、力学强度低、遇水易软化的软弱结构面或软弱带[1-3]。由于顺层岩质边坡特殊的坡体结构，在重力作用下极易发生滑坡。顺层滑坡是岩质边坡滑坡中的一种，分布广泛。在砂岩或灰岩等硬岩中夹有多个泥岩或泥灰岩软弱夹层，相对隔水、易被软化、强度较低，加之地质构造活动的影响，岩间错动，顺层滑坡极有可能演化为滑坡[4]。因此深入研究重力作用下顺层含软弱夹层岩质边坡的变形-滑动演化全过程从而及时有效地对边坡采取治理措施十分重要。

李安洪等[5]结合工程实践将顺层路堑边坡分别按照边坡岩性、岩层组合特点、岩层倾角大小和岩层厚度进行分类，并总结出8种顺层边坡变形破坏模式。宋玉环等[6]对西南地区软硬互层岩质边坡的失稳模式按照受不同因素控制下的情况分别进行研究，共总结出平推式滑坡、滑移式崩塌、滑移-拉裂、蠕滑-拉裂等16种不同的变形失稳模式。

有限元、有限差分等数值方法被应用到边坡失稳模式分析中。曹兰柱等[7]用RFPA模拟边坡在自重应力作用下的变形破坏过程，得到边坡的滑移范围与变形破坏模式。张军新等[8]以某水电站为算例，采用FLAC3D模拟不同工况下含软弱夹层顺层岩质边坡的变形破坏过程，分析了边坡变形破坏机制，并据此提出相应的治理对策。何振杰等[9]使用PFC2D建立下蜀土颗粒流模型，模拟下蜀土边坡的变形破坏以及滑坡全过程，并依据颗粒的滑动速度、先后加速顺序判断边坡滑坡模式。赵邦强等[10]利用Geostudio软件中的SLOPE/W模块分析得到软弱夹层控制的顺层岩质边坡由局部破坏到整体破坏滑动的演化规律。

由以上研究可见，目前对含软弱夹层岩质边坡变形失稳后滑动过程的研究较少，同时对边坡变形破坏滑动全过程研究也十分有限。由此，笔者以抚顺西露天矿南帮E1200剖面为研究对象，通过GDEM软件建立二维模型，模拟重力作用下边坡的变形-滑动全过程，分析相应规律，为抚顺西露天矿南帮的地质灾害防治提供参考。

1 抚顺西露天矿南帮概况

抚顺西露天矿南帮为上陡下缓的含软弱夹层顺层岩质边坡。边坡煤层倾向向北，呈东西走向，由西至东，煤层厚度逐渐变薄，纯煤层厚为30～120 m。经过开采，西露天矿南帮大部分的含煤地层被挖掘，凝灰岩部分或全部露出。南帮边坡的垂直深度为400～500 m，总体坡度为19°～30°。边坡基底岩层为太古代花岗片麻岩，地表出露于地裂缝南侧。基底岩层之上是风化的玄武岩形成的太古风化壳，风化壳厚为2～7 m，分布于W1200至E1300的范围内。太古风化壳之上为玄武岩层，其夹杂着凝灰岩、煤层、破碎带，煤层厚为4～136 m，基底玄武岩和上层玄武岩厚为5～60 m。玄武岩之上是凝灰岩，岩层吸水性与可塑性较强，广泛出露于矿区南帮中部，分布于西露天矿W1200至E300范围内，厚为6.9～115.9 m。南帮边坡上部大量发育了杂填土和素填土，主要成分为煤矸石、玄武岩碎石、油页岩碎片、黏土和砂土等，由人工堆积而成，厚为1～50 m；下层为松散的黏土、砾石，厚为5.2～8.9 m。图1为抚顺西露天矿南帮E1200工程地质剖面[11]。

图1 抚顺西露天矿南帮工程地质剖面Fig.1 engineering geological profile of south side of Fushun West open pit mine

2 GDEM数值模拟

2.1 软件原理

连续-非连续数值模拟方法（CDEM）[12]将连续介质数值方法与非连续介质数值方法进行深度融合，可描述岩体的渐进破坏过程。CDEM方法利用块体表征材料连续特征，块体间的界面表征材料的非连续特征，采用基于时程的动态松弛技术进行显式欧拉前向差分法进行迭代计算，核心计算过程分为以下步骤：第1步，循环每个有限元单元，计算单元的变形力及阻尼；第2步，循环每个接触面，计算接触面上的连接力及阻尼力；第3步，循环所有节点，计算每个节点的合外力、加速度、速度及位移。通过3个步骤可获知各时步块体和界面的状态，并进行强度判断，通过块体边界及块体内部断裂来分析材料的渐进破坏，进而模拟材料从连续变形到断裂的全过程。

GDEM软件利用CDEM方法的上述特性，在计算模型中考虑岩体内部与岩体间节理面的强度和破坏特征，对于拉张破坏采用最大拉应力准则为

式中：σn为节理面法向力，Pa；σt为节理面抗拉强度，Pa。

对于剪切破坏采用莫尔-库伦准则为

式中：τ为节理面切向力，Pa；φ为内摩擦角，°；c为节理面黏聚力，Pa。

通过式（1）、式（2）获得岩体内部与岩体间节理面的破裂状态，并利用给定的相同收敛指标，不断获得界面和块体的破裂状态。图2为GDEM单元间接触面的法向及切向弹簧模型示意。其中1、2分别表示单元1、单元2，C1为特定单元与外部单元之间的阻尼，C2为单元1与单元2之间的阻尼。

图2 接触面法向、切向弹簧模型示意Fig.2 schematic of normal and tangential spring model of contact surface

由图2可知，第j根弹簧的法向力Fnj、切向力Fsj分别为

GDEM软件进行破坏计算时将依据最大拉应力准则和摩尔-库伦准则对式（3）、式（4）中的弹簧力进行修正。将式（1）、式（2）代入式（3）、式（4），修正得

式（5）中，T为节理面抗拉强度，Pa。

式（5）表明，当节理面的Fnj大于抗拉力时，节理面发生拉伸破坏，块体与块体分离，Fnj和Fsj均为0。式（6）表明，当节理面的Fsj不小于抗滑力时，节理面发生剪切破坏，块体与块体错动，黏聚力c变为0，Fsj等于抗滑力。当满足上述条件其一时，岩体即产生裂隙，当裂隙贯通坡体时边坡即发生整体滑动。

2.2 参数取值

接触面与岩土体模型的参数[13]见表1、表2。

表1 接触面的物理力学参数Tab.1 physical and mechanical parameters of contact surface

表2 岩土体的物理力学参数Tab. 2 values of physical and mechanical parameters of rock and soil

2.3 模型建立

采用AUTOCAD软件绘制抚顺西露天矿E1200剖面二维地质模型，形成面域后导入ANSYS中进行分组与网格划分，利用插件ANSYS TO GDEM将地质模型导入GDEM进行计算。模型的边界范围根据边坡的整体情况确定。X向长为1293 m，其中X正向为1161 m，X负向为-132 m；Y向高为511 m，其中Y正向为113 m，Y负向为-398 m。采用三角形与四边形单元相结合的方式将模型划分为2229个节点、2155个单元，得到抚顺西露天矿南帮E1200剖面的GDEM计算模型。本文主要研究边坡沿软弱夹层2的变形-破坏-滑动情况，故分析边坡岩体变形-滑动演化过程中，对坡底花岗片麻岩、软弱夹层1及软弱夹层2左侧的玄武岩进行隐藏处理。抚顺西露天矿南帮数值计算模型和监测点A、B、C的位置见图3。

图3 抚顺西露天矿南帮E1200计算模型和监测点Fig.3 E1200 calculation model and monitoring point of south slope in Fushun West open-pit mine

2.4 条件设置

为明确玄武岩与软弱夹层接触面以及软弱夹层内部断层泥-断层泥接触面、断层泥-煤接触面之间的相对滑动程度，在软弱夹层2内部与软弱夹层与玄武岩交界处对4处接触面（玄武岩-断层泥、断层泥-断层泥、断层泥-煤层、煤层-玄武岩）设置监测点，进行X、Y方向的位移监测。通过单元序号与节点序号方式设置监测点，将不同材料在同一位置重合的点区分开，更有利于研究接触面之间的相对滑动。依照上述方式在软弱夹层2坡顶、坡中、坡底3处（A1-A5、B1-B5、C1-C5）设置15个监测点，其中坡顶A1-A5监测点设置如图4所示。坡中B1-B5、坡底C1-C5监测点设置同上。

图4 监测点设置原理示意Fig.4 schematic diagram of monitoring point

对图3模型两侧施加X方向约束，底部施加X与Y两个方向的约束。设置本构模型为线弹性（linear）模型，同时施加重力对边坡进行平衡计算。当边坡达到稳定状态时，边坡的不平衡率Ur＜10-5。

将接触面模型改为依据最大拉应力准则式（3）与式（4）修正的脆性断裂的摩尔-库伦模型（Brittle-MC），用于模拟边坡在重力作用下的变形-滑动情况。

3 结果分析

3.1 边坡岩体变形-滑动演化过程分析

抚顺西露天矿南帮在重力作用下的变形-滑动演化见图5。

图5 变形-滑动演化云图Fig.5 destruction-slip evolution cloud mapdiagram

由图5（a）可知，在0～2000时步边坡整体受到重力作用，使得顶部岩土体发生沉降变形差，同时裂纹在坡体内部蔓延。边坡顶部前缘回填土与边坡中部玄武岩裂纹发育完全，坡顶后缘土体、坡中软弱夹层、坡底回填土裂纹发育并不完全。说明边坡最先在坡顶前缘回填土、坡中玄武岩发生破坏。

由图5（b）可知，坡面玄武岩沿坡顶软弱夹层2处发生滑动，随后坡顶前缘回填土底部形成临空面。同时坡顶前缘发生微小坍落，土体离散并形成碎块，坡顶后缘在前缘的牵引作用下从坡面自上而下产生拉张裂隙。坡顶回填土整体发生滑移-拉裂破坏。此时坡底回填土内部产生贯通裂隙，坡面土体离散形成碎块。说明此时由于回填土黏聚力与内摩擦角较小，在中上部岩土体的挤压下迅速发生破坏。坡底油母页岩在边坡中上部岩体的推动下产生剪切裂隙。

由图5（c）可知，坡底油母页岩、煤及坡底前缘回填土在中上部岩土体的推动下沿坡底软弱夹层向上滑动，坡底后缘回填土继续沿软弱夹层2向下滑动。坡底回填土前后缘之间发生剪切破坏，随后裂隙贯通产生错动，坡底前缘回填土在坡底右侧形成临空面，向右倾倒发生倾倒-滑移破坏。坡底油母页岩由于受到北帮的影响，滑动产生了抑制作用，故产生隆起变形，在边坡中上部岩体的推动下裂隙贯通发生滑移-剪断破坏。

由图5（d）可知，坡顶前缘沿软弱夹层2向下滑动，并沿软弱夹层3将油母页岩向上推动。后缘土体受前缘土体牵引的影响范围由前后缘交界处扩散至整个坡顶后缘，土体完全离散并向前缘方向倾倒滑移，之后随坡顶前缘一同向下滑动。软弱夹层2、坡底软弱夹层与周围岩土体在坡顶、坡中和坡底各处均产生相对错动，说明边坡已整体向下滑动。此时坡中玄武岩处于边坡坡面倾角上陡下缓的交界处，玄武岩下滑受阻发生滑移-弯曲破坏；坡底软弱夹层2处在坡底下滑受阻发生滑移-弯曲破坏。

综合上述分析可知，边坡顶部区域受到重力作用，使得顶部岩土体发生沉降变形差，进而于坡顶回填土前后缘交界处形成地裂缝，随后于交界处发生滑移，坡顶回填土整体发生滑移-拉裂破坏。在边坡中部，玄武岩受到边坡上部区域的推力，产生挤压变形后在边坡坡面倾角上陡下缓的交界处发生滑移-弯曲破坏。在边坡底部，由于边坡沿软弱夹层2向下滑移，坑底岩土体受到北帮的影响，滑动产生了抑制作用故在坡底软弱夹层2处产生隆起变形，随后发生滑移-弯曲破坏，同时坡底前缘回填土沿坡底软弱夹层向上滑动，坡底后缘回填土在右侧临空发生倾倒-滑移破坏，玄武岩在坡底区域剪出，发生滑移-剪断破坏。由此可以得出抚顺西露天矿南帮E1200剖面为拉裂-滑移-剪断的破坏滑动模式。

3.2 软弱夹层变形-滑动演化过程分析

变形-滑动过程中监测点A1～A5、B1～B5、C1～C5在X、Y方向的位移，见图6。

图6 变形-滑动过程软弱夹层测量点位移Fig.6 displacement of measuring points of weak interlayer during deformation-sliding process

由图6可知，在0～2000时步内，各监测点在X、Y方向均产生微小位移差，说明此时软弱夹层2处各接触面均产生破坏。由图6（a）、图6（b）可知，在2000～15000时步区间内，监测点A1、A2之间的位移差不断增加，15000时步区间监测点A1、A2的位移差最大；在15001～17500时步区间内，监测点A4、A5之间的位移差突然不断增加，监测点A1、A2之间的位移差减小；在17501～30000时步区间内，监测点A3、A4之间位移差突然增加，监测点A1、A2之间的位移差、监测点A4、A5之间的位移差保持不变。此过程中，监测点A4、A5的位移保持不变，监测点A1、A2、A3的位移保持匀速增长。说明边坡顶部在重力作用下首先沿玄武岩-断层泥接触面处发生滑动，随后在断层泥-煤接触面滑动，最后在煤-玄武岩接触面处发生滑动。坡顶玄武岩监测点、断层泥监测点在煤-玄武岩接触面的带动下继续滑动。

由图6（c）、图6（d）可知，在2000～12500时步区间内，监测点B3、B4之间的位移差不断增加；在12501～20000时步区间内，监测点B4、B5之间的位移差不断增加，监测点B3、B4之间的位移差变化较小；在20001～30000时步区间内，监测点B1、B2之间的位移差、监测点B2、B3之间的位移差不断增加，监测点B3、B4之间的位移差、监测点B4、B5之间的位移差变化较小。说明边坡中部在重力作用下首先沿断层泥-煤接触面发生滑动，随后沿煤-玄武岩接触面发生滑动，最后沿玄武岩-断层泥、断层泥-断层泥接触面发生滑动。

由图6（e）、图6（f）可知，在2000～10000时步区间内，监测点C3、C4之间的位移差小于5 m，其余监测点之间未出现明显位移差；在10000～20000时步区间内，监测点C1、C2之间的位移差、监测点C3、C4之间的位移差不断增加；在20000～30000时步区间内，监测点C1、C2之间的位移差继续增加，监测点C3、C4之间的位移差微小增长后保持不变。说明边坡底部在重力作用下首先沿断层泥-煤接触面发生滑动，随后沿玄武岩-断层泥接触面发生滑动。

4 结论

（1）连续-非连续方法CDEM将有限元与离散元进行耦合，实现了模拟含软弱夹层顺层岩质边坡在连续状态下的弹性变形、非连续状态下的破坏及滑动过程。

（2）抚顺西露天矿南帮在变形-滑动过程中遵从拉裂-滑移-剪断破坏滑动模式。其中坡顶回填土发生滑移-拉裂破坏，坡底回填土发生倾倒-滑移破坏，坡底油母页岩发生滑移-剪断破坏，坡中玄武岩及坡底软弱夹层发生滑移-弯曲破坏。

（3）抚顺西露天矿南帮在沿含多接触面软弱夹层向下滑动的过程中主要沿煤层-断层泥接触面向下滑动。边坡不同位置在不同时段的下滑过程中分别沿不同的接触面滑动。