李保生，楊程燁，韓 流

（1.中鐵資源蘇尼特左旗芒來礦業(yè)有限公司，內(nèi)蒙古 錫林郭勒盟 011300；2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，江蘇 徐州 221116）

順傾邊坡是巖層傾向與邊坡傾向相一致的特殊的邊坡構(gòu)造，該構(gòu)造下如果其中某一巖層強(qiáng)度不足，會(huì)導(dǎo)致該巖層之上各個(gè)巖層的錯(cuò)動(dòng)和位移，影響礦山正常的運(yùn)輸?shù)缆泛蜕a(chǎn)作業(yè)。泥巖層常見在于邊坡構(gòu)造之中，但其強(qiáng)度遇水弱化嚴(yán)重，容易成為順傾邊坡失穩(wěn)的重要原因，因此結(jié)合泥巖強(qiáng)度弱化機(jī)理，探究順傾邊坡失穩(wěn)機(jī)理是目前需要解決的問題。

順傾邊坡結(jié)構(gòu)以及控制順傾邊坡穩(wěn)定性的關(guān)鍵弱層已經(jīng)成為本領(lǐng)域研究所關(guān)注的焦點(diǎn)，很多專家學(xué)者聚焦于這一問題的探究，形成了比較豐富的科研成果[1-5]。前人在順傾邊坡研究當(dāng)中已經(jīng)意識(shí)到弱層對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響，但是并未在根本上對(duì)其進(jìn)行分析，缺少必要的弱層演化過程。因此，考慮以泥巖弱層為例，通過設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，探究弱層的形成過程。

1 泥巖剪切試驗(yàn)

泥巖在巖土工程領(lǐng)域分布廣泛，其遇水軟弱特性是相關(guān)領(lǐng)域研究的重點(diǎn)。為了準(zhǔn)確把握泥巖遇水的力學(xué)指標(biāo)變化趨勢(shì)以及做好泥巖的強(qiáng)度弱化認(rèn)定，在泥巖遇水會(huì)導(dǎo)致其力學(xué)性質(zhì)發(fā)生顯著改變基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了含水率與抗剪強(qiáng)度的對(duì)比試驗(yàn)方案，對(duì)不同含水率（具體包括干燥、25 %含水率、30 %含水率、35 %含水率和40 %的飽和含水率）分別進(jìn)行抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)，基本做法是同時(shí)制作4 個(gè)相同試樣，并且對(duì)4 個(gè)試樣，分別在不同的垂直壓力σ 下施加水平剪切力τ 進(jìn)行剪切。然后根據(jù)庫倫定律確定土的抗剪強(qiáng)度參數(shù)——內(nèi)摩擦角φ 和黏聚力C。不同含水率狀態(tài)泥巖的力學(xué)指標(biāo)如圖1。

圖1 不同含水率狀態(tài)泥巖的力學(xué)指標(biāo)

從試驗(yàn)結(jié)果可知，泥巖的抗剪強(qiáng)度參數(shù)（內(nèi)摩擦角φ 和黏聚力C）均與含水率產(chǎn)生了相關(guān)性，而且均呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)，即含水率越高對(duì)應(yīng)的內(nèi)摩擦角和黏聚力越小。隨著含水率的變化，泥巖C、φ 值呈現(xiàn)出類似的變化規(guī)律，但是有所區(qū)別，黏聚力C 在試樣含水率達(dá)到30%及以上時(shí)，才表現(xiàn)出下降趨勢(shì)；而摩擦角φ 從含水率25%就表現(xiàn)出來較為明顯的衰減。主要原因是[6-8]：充填在孔隙中分布不均的黏土礦物與水反應(yīng)，使細(xì)小巖粒的吸附水膜增厚，在一定程度上弱化了泥巖的內(nèi)摩擦角，含水率較低時(shí)，對(duì)黏聚力影響不大，當(dāng)含水率較高時(shí)，長(zhǎng)時(shí)間的浸潤(rùn)狀態(tài)會(huì)溶解泥巖成分，使之成為自由水一部分，對(duì)泥巖內(nèi)膠結(jié)狀態(tài)產(chǎn)生改變，從而影響?zhàn)ぞ哿ψ兓?/p>

2 順傾邊坡失穩(wěn)機(jī)理

順傾邊坡失穩(wěn)除了巖體結(jié)構(gòu)的影響之外，還與其他因素有關(guān)，按照影響機(jī)理和來源的不同，影響因素可統(tǒng)分為內(nèi)部因素和外部因素[9-10]。內(nèi)部因素包括：邊坡巖體結(jié)構(gòu)、巖層巖性、走向傾向傾角、斷層構(gòu)造等；外部因素包括：降雨的作用、邊坡形態(tài)的改造、開挖卸荷效應(yīng)等。內(nèi)部因素大多從根源上影響邊坡穩(wěn)定性，因此，其影響作用長(zhǎng)期存在且較為穩(wěn)定，所以屬于根源性影響。外部因素不是固定存在，會(huì)隨著工程因素的變化而相應(yīng)改變，因此，屬于外源性不穩(wěn)定性因素，這種因素是難以控制，且經(jīng)常影響表現(xiàn)為邊坡變形滑坡的誘發(fā)因素。

順傾邊坡破壞機(jī)制根據(jù)弱層及其上部巖層的漸進(jìn)破壞過程可以大體分為2 類[11]：①急傾斜軟弱夾層邊坡的推移式破壞：滑帶由后緣位置率先移動(dòng)，帶動(dòng)上部巖層前緣破壞；②緩傾斜弱層邊坡的牽引式破壞：該破壞模式為滑體前端位置首先喪失強(qiáng)度，帶動(dòng)上部巖層前端破壞。這2 種破壞機(jī)制都表現(xiàn)為后半段剪切破壞，前半段拉張破壞。順傾邊坡滑體受力分析如圖2。

圖2 順傾邊坡滑體受力分析

假設(shè)順傾某一邊坡地層順傾角度為8°～10°，屬于緩順傾弱層，煤層頂板泥巖層遇水弱化，且煤層強(qiáng)度較高。該地層條件下存在明顯的關(guān)鍵弱層與關(guān)鍵硬巖層，當(dāng)弱層強(qiáng)度不足時(shí)，易發(fā)生順傾滑動(dòng)。按照牽引式破壞考慮，受力狀態(tài)包括上部巖層斷裂之前產(chǎn)生的拉力T，弱層接觸滑動(dòng)面位置提供了抗滑力f，滑體自身重力W。

極限平衡狀態(tài)下緩順傾邊坡安全系數(shù)FS：

式中：Fs為安全系數(shù)；T 為拉力，kN；f 為摩擦抗滑力，kN；F 為下滑力，kN；Rm為抗拉強(qiáng)度，kPa；L 為拉伸破壞長(zhǎng)度，m；l 為剪切破壞長(zhǎng)度，m；W 為滑體重力，kN；C 為弱層黏聚力，kPa；φ 為內(nèi)摩擦角，（°）；α 為弱層與水平面夾角，（°）。

降雨的發(fā)生會(huì)導(dǎo)致滑體重力的增加和煤頂板泥巖層的強(qiáng)度弱化，使得滑體剪切段抗剪力的下降，如果原有拉伸段強(qiáng)度不變，則滑體整體也難以維持原有平衡狀態(tài)，從而產(chǎn)生位移和破壞。

3 基于泥巖弱化的芒來露天礦順傾邊坡失穩(wěn)機(jī)理

3.1 芒來露天礦水文地質(zhì)概況

中鐵資源蘇尼特左旗芒來露天礦位于內(nèi)蒙古高原中北部，北幫邊坡為順傾地層，邊坡土巖以泥巖、砂質(zhì)泥巖、第四系表土、沙土和黏土等松散層為主，土質(zhì)松軟，暴露后易風(fēng)化破碎，煤層頂板存在一定厚度泥巖層且遇水軟化，地層傾角在8°～12°，屬于典型緩傾斜順傾邊坡。

露天礦附近地勢(shì)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，常以暴雨和陣雨形式出現(xiàn)，區(qū)內(nèi)無常年地表徑流，降水通過沙層滲入地下。露天礦北幫邊坡于2020 年8 月7 日出現(xiàn)1 條73 m 長(zhǎng)裂縫，寬度在2 cm 以下，12—18 日采場(chǎng)北幫地表裂縫加寬變長(zhǎng)，地表出現(xiàn)了沉降，多個(gè)臺(tái)階坡面出現(xiàn)了裂縫變形。18—20 日總體滑坡體已趨于穩(wěn)定，但仍有小的蠕動(dòng)變形和滑落，地表沉降累計(jì)12.90 m，總結(jié)得出邊坡失穩(wěn)呈現(xiàn)出以下特點(diǎn)：蠕變性、漸進(jìn)性，持久性。

3.2 芒來露天礦北幫邊坡失穩(wěn)探究

芒來露天礦北幫失穩(wěn)發(fā)生在雨水充足的8 月份，失穩(wěn)之前存在充足的降雨條件。因此結(jié)合邊坡地層的水文特性并借助GEO—Studio 中的“seep”功能模擬降雨過程中邊坡體內(nèi)雨水的入滲與流出，選擇最大降雨條件81mm/h 進(jìn)行模擬分析，巖土力學(xué)指標(biāo)參數(shù)見表1。邊坡降雨滲流路徑分析如圖3。

表1 巖土力學(xué)指標(biāo)參數(shù)

從圖3（b）中Seep 的降雨引起的滲流路徑分析可知，各個(gè)地層滲透性的差異性與地層的順傾構(gòu)造，影響了雨水在邊坡體內(nèi)的滲流，水平滲流多發(fā)生在滲透性較好的巖層內(nèi)，這就導(dǎo)致邊坡出水點(diǎn)多分布在第四系表土、泥巖和煤層的暴露處，易引起這3 個(gè)地層含水率的升高。對(duì)于煤層，含水率變化對(duì)力學(xué)指標(biāo)影響較??；對(duì)于表土，由于其分布在坡頂位置，其強(qiáng)度變化對(duì)整體邊坡穩(wěn)定產(chǎn)生的影響較小；對(duì)于泥巖，含水率增大的過程就是強(qiáng)度弱化的過程，同時(shí)降雨也引起了上覆巖層載荷的變化，增大了泥巖與煤層接觸面的剪切力，使得邊坡需要變形以找到新的平衡點(diǎn)。通過不同含水率泥巖的強(qiáng)度弱化過程，研究在該過程中邊坡穩(wěn)定性變化。不同含水率泥巖引起的邊坡穩(wěn)定性系數(shù)變化如圖4。

圖3 邊坡降雨滲流路徑分析

從圖4 中可以看出，邊坡整體的初始邊坡穩(wěn)定性系數(shù)為2.04，留有充足安全余量。當(dāng)降雨引起泥巖含水率達(dá)到35 %時(shí)，邊坡穩(wěn)定性系數(shù)下降為1.075，安全系數(shù)弱化幅度為47.3 %，邊坡處于極限平衡狀態(tài)，易發(fā)生失穩(wěn)。此時(shí)泥巖層可以被認(rèn)定為演化弱層。當(dāng)泥巖層達(dá)到完全飽和狀態(tài)時(shí)，安全系數(shù)降低到1.0 以下，弱化幅度為61.7 %。從邊坡穩(wěn)定性隨泥巖力學(xué)指標(biāo)的變化而變化的過程中看出，對(duì)于順傾地層來說，硬巖之上易軟化的巖層可視為關(guān)鍵弱層（泥巖），其強(qiáng)度對(duì)整體邊坡的穩(wěn)定性起著關(guān)鍵作用。因此如果順傾邊坡附近降雨或地下水位較高，應(yīng)該制定合理的截水、疏干與排水方案，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)水位變化與泥巖層含水率變化，防止演化弱層的形成。

圖4 不同含水率泥巖引起的邊坡穩(wěn)定性系數(shù)變化

4 結(jié)語

1）以往對(duì)順傾邊坡的研究中雖然經(jīng)意識(shí)到弱層對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響，但是缺少集合泥巖強(qiáng)度遇水弱化過程的綜合分析。在已有結(jié)論的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了不同含水率泥巖剪切試驗(yàn)，研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)隨著含水率的變化對(duì)泥巖黏聚力C、內(nèi)摩擦角φ 值呈現(xiàn)出類似的變化規(guī)律，但是在下降趨勢(shì)上卻有所區(qū)別。

2）對(duì)于順傾邊坡，其破壞機(jī)制根據(jù)弱層及其上部巖層的漸進(jìn)破壞過程可以大體分為2 類：推移式破壞、牽引式破壞。借助受力分析示意圖，在極限平衡法的基礎(chǔ)上推導(dǎo)出緩順傾邊坡安全系數(shù)表達(dá)式，并闡述泥巖層強(qiáng)度弱化對(duì)整體邊坡穩(wěn)定性的影響。

3）借助Geo-studio 中的“Seep”功能模擬降雨條件下，雨水在邊坡體內(nèi)的滲流路徑，邊坡出水點(diǎn)多分布在第四系表土、泥巖和煤層的暴露處，易引起這3個(gè)地層含水率的升高。同時(shí)結(jié)合泥巖弱化過程，對(duì)邊坡穩(wěn)定性變化進(jìn)行分析，得出了將硬巖之上的泥巖視為關(guān)鍵弱層的結(jié)論。