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 011300；2.中國礦業(yè)大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，江蘇 徐州 221116）

露天開采形成的高陡邊坡滑坡災(zāi)害直接關(guān)系到礦山的生命力[1-2]。例如，勝利東二號露天煤礦滑坡事故直接導(dǎo)致礦山停產(chǎn)，最終企業(yè)資不抵債[3]。近20年來，我國公開的20 個露天煤礦滑坡災(zāi)害情況，涉及到137 起大型滑坡事故。其中，勝利露天煤礦滑坡[4]、阜新海州露天煤礦滑坡[5]、撫順西露天煤礦滑坡[6]等都是露天煤礦邊坡失穩(wěn)破壞的典例。

滑坡失穩(wěn)破壞是一類常見的工程問題，大部分失穩(wěn)破壞不是一個突然、瞬間發(fā)生的整體破壞，而是一個局部破壞發(fā)展直至貫通的漸進破壞過程[7]。關(guān)于滑坡機理研究一直是眾多學(xué)者關(guān)注的熱點，并取得豐富的成果[8-13]。然而，目前露天煤礦邊坡滑坡模式的研究不夠系統(tǒng)，對該類邊坡破壞機制的認(rèn)識也有待深入。為此，以芒來露天煤礦北幫滑坡為研究對象，結(jié)合北幫地質(zhì)概況、巖性特征和水文條件狀況及現(xiàn)場踏勘情況，基于大變形有限元理論[14]，采用FLAC3D軟件模擬了滑坡過程與破壞特性，對邊坡塑性區(qū)發(fā)展情況和滑坡漸進式破壞過程[15-16]進行了詳細(xì)描述，并采用強度折減法進行了穩(wěn)定性分析，揭示出該次滑坡變形破壞機理，為該邊坡的治理提供參考依據(jù)。

1 工程地質(zhì)概況

芒來露天礦位于內(nèi)蒙古高原北部，其北側(cè)為低山丘陵區(qū)，南側(cè)為新近系階地高平原，區(qū)內(nèi)地勢北東高，南西低，最高點海拔966 m，最低點海拔935 m，相對高差31 m，礦坑處于轉(zhuǎn)向期間呈現(xiàn)不規(guī)則的多邊形。

北幫滑坡區(qū)位于白音烏拉向斜的西部北翼，為一向SW 傾斜的單斜構(gòu)造，地層傾向203°，傾角8°～9°，走向SE 的正斷層，傾角60°，斷層沿采區(qū)南北方向全線貫通。礦區(qū)未發(fā)現(xiàn)緊密褶皺和斷裂構(gòu)造，構(gòu)造復(fù)雜程度屬于簡單類型。

根據(jù)野外調(diào)查，地質(zhì)調(diào)查和裸露巖體，對北幫邊坡巖土體的特征和組成進行了詳細(xì)研究。據(jù)現(xiàn)場鉆孔揭露情況由上至下為：①第四系表土（Q）：巖性以沖積、湖積、沼澤、淤積和洪積、風(fēng)積物為主；②新生界第三系上新統(tǒng)（N2）：巖性主要為暗灰色、灰白色細(xì)砂巖、砂礫巖夾砂質(zhì)泥巖；③白堊系下統(tǒng)巴彥花組（K1b）：巖性由淺灰色、灰綠色、灰紫色泥巖、砂質(zhì)泥巖、粉砂巖、砂巖、砂礫巖和礫巖組成，局部夾薄層炭質(zhì)泥巖；④二疊系下統(tǒng)（P1）：巖性由灰綠色安山巖、玄武巖及灰?guī)r、晶屑凝灰?guī)r組成。

滑坡區(qū)揭露的巖土性質(zhì)主要為青灰色泥巖、灰白色泥巖、砂巖及煤層組成，其泥巖主要成分含有大量黏土礦物。砂巖為粗粒結(jié)構(gòu)，含礫石，成分為石英、長石及泥質(zhì)，成熟度不高。北幫邊坡結(jié)構(gòu)及巖性分布如圖1。北幫邊坡各巖性的物理力學(xué)參數(shù)見表1。各巖性的黏聚力都比較小，其中泥巖的黏聚力和內(nèi)摩角較小。

圖1 北幫邊坡結(jié)構(gòu)及巖性分布

表1 北幫邊坡巖土的物理力學(xué)參數(shù)

上部灰白色泥巖中分散分布厚度不等的新近系碎屑巖類孔隙承壓含水層，厚度約為2 m，邊坡伴有出水情況。該含水層水位埋深8.07～18.02 m，水位標(biāo)高931.21～941.02 m，北幫邊坡巖體中的靜止水位出現(xiàn)在標(biāo)高940 m 左右，單位涌水量為0.001 64～0.017 23 L/（s·m），滲透系數(shù)為0.042 0～0.053 6 m/d，屬弱富水性含水層。

2 北幫滑坡成因

2.1 滑坡概況

2019 年8 月，工作幫發(fā)生了2 次大規(guī)模的滑坡事故，滑體體積約為70～80 萬m3，整個滑坡處于工作幫的中段區(qū)域，從上到下貫穿了整個工作幫，切斷了數(shù)條斜坡道和工作平盤，嚴(yán)重影響了正常的采剝作業(yè)和生產(chǎn)接續(xù)，造成了較大的經(jīng)濟損失?；聟^(qū)在采場北幫中東部，東邊界與工作幫地表邊界相距多于300 m。滑坡區(qū)東西平均長度435 m，南北方向?qū)挾?50 m，滑落邊坡高度54 m，滑坡面積88 760 m2。北幫為最終邊幫，形成2 個滑坡區(qū)，由5 個剝離臺階組成，單臺階高度10 m，坡面角45°，940、920 平盤為運輸平盤，寬度22 m，實際邊坡角21°。目前，對于工作幫滑坡的形成機理和根本性原因尚不明確，迫切需要進一步研究查明。

2.2 滑坡成因

1）斷層破碎帶對邊坡穩(wěn)定的影響。滑坡區(qū)處在斷層破碎帶影響范圍內(nèi)，滑體的西邊界及其產(chǎn)狀與該斷層產(chǎn)狀相近，剝離作業(yè)揭露斷層之后，邊坡臨空面提供了地層沿著斷層分界面滑動的條件?；聟^(qū)為順坡地層，傾角8°～9°，邊坡巖土強度低，暴露后易風(fēng)化破碎，遇水軟化。斷層破碎帶內(nèi)巖體破碎嚴(yán)重，其松散性為降雨入滲提供了便利條件，是本次滑坡發(fā)生的主要原因之一。

2）軟弱巖層對滑坡的控制作用分析。芒來露天煤礦煤層上覆巖層中存在4 層泥巖層，厚度在2.25～15.04 m，該巖層含水量較大，強度較低，且為隔水層，其下部為承壓水。在降雨入滲導(dǎo)致地下水位迅速上漲以及地下水的長期滲透浸潤作用下，該層發(fā)展成塑性軟弱帶，隨著時間的推移，泥巖層內(nèi)部的滑面加速蠕動，直至邊坡整體滑動。這是本次滑坡發(fā)生的主要原因之一。

3）降雨、地下水入滲對邊坡的作用機制分析。芒來露天煤礦北幫邊坡巖體由第四系表土、砂巖、泥巖和斷層組成，表土和砂巖的滲透系數(shù)較大，大氣降水及地表水直接經(jīng)過這2 層滲透至泥巖層中，導(dǎo)致邊坡滲流場的變化，從而引起作用在土體上的動載荷和靜水載荷的增大和土體抗剪參數(shù)的降低。2019年，內(nèi)蒙古高原北部地區(qū)的降水量大持續(xù)時間長，進入8 月份礦區(qū)普降暴雨，大部分降水垂直滲透到巖土內(nèi)部，其強度短期內(nèi)快速弱化?；聟^(qū)范圍內(nèi)存在含水層，常年有弱徑流，含水層以下的泥巖層長期處于浸潤狀態(tài)，連續(xù)強降雨入滲在短時間內(nèi)增加了邊坡上部巖土重力荷載、增大了邊坡內(nèi)部的水壓力，造成邊坡處于應(yīng)力失衡狀態(tài)，最終導(dǎo)致北幫邊坡滑坡、坍塌。

3 滑坡機理

3.1 數(shù)值模型

連續(xù)降雨導(dǎo)致地下水位抬升是導(dǎo)致本次滑坡發(fā)生的最主要原因。因此，采用FLAC3D軟件對地下水位抬升造成北幫滑坡的破壞機制進行大變形有限元數(shù)值模擬研究，其能比較真實的反應(yīng)滑坡情況。

基于北幫邊坡的真實地質(zhì)條件，建立的滑坡區(qū)三維地質(zhì)模型如圖2，模型尺寸為332 m×310 m，共計291 298 個單元體，282 296 個節(jié)點。對模型進行邊界條件約束，邊界下部固定，左右兩側(cè)水平約束，上部為自有邊界面，采用彈塑性模型平衡初始應(yīng)力，基于Mohr－Coulom 破壞準(zhǔn)則對北幫邊坡進行數(shù)值計算，并計算收斂準(zhǔn)則為不平衡力比率小于10－5的求解要求。

圖2 滑坡區(qū)三維地質(zhì)模型

由于滑坡前后的水文數(shù)據(jù)資料缺失，通過設(shè)置潛水面位置模擬地下水位線如。將潛水面以上巖土體參數(shù)設(shè)置為天然狀態(tài)下的物理力學(xué)參數(shù)，潛水面以下的巖土體參數(shù)設(shè)置為飽和狀態(tài)下的物理力學(xué)參數(shù)。根據(jù)以往的水文監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，北幫巖體靜止水位出現(xiàn)在標(biāo)高＋940 m。因此，本次數(shù)值模擬設(shè)置不同標(biāo)高位置（＋950、＋945、＋940、＋935 m）的水位線，隨著水位線抬升，邊坡巖體內(nèi)部的孔隙水壓力不斷增大。

3.2 結(jié)果分析

為了研究北幫邊坡在水位抬升情況下邊坡變形破壞的程度，在坡頂位置布置監(jiān)測點A（112，150，90）和坡腳位置布置監(jiān)測點B（225，150，45）不同水位線下的位移變化曲線及云圖如圖3。其中監(jiān)測點A 與B 分別對應(yīng)圖3 中的紅色線條和青色線條。

從圖3 中位移曲線可以看出，隨著模型求解步驟的增大，x 方向上的位移數(shù)值總體上不斷增大直至穩(wěn)定不變。水位線在標(biāo)高945 m 以下時，隨著水位線標(biāo)高增大，其位移值最大值不斷增大，其值都比較小。監(jiān)測點A 的位移值在3 600 步之前都為負(fù)值，且絕對值大小在3 300～3 500 步時出現(xiàn)拐點，在3 600步時的位置值變?yōu)?，從拐點處到4 000 步之間的位移值呈現(xiàn)快速增長的態(tài)勢，之后逐漸緩和達(dá)到最大。監(jiān)測點B 的位移值在3 250 步左右之前幾乎接近0，之后在迅速增大，在3 500 步左右出現(xiàn)明顯的位移拐點。從位移云圖中可以看出，滑體內(nèi)部的最大位移值由滑體后緣逐漸向滑體臨空面轉(zhuǎn)移，其水位線標(biāo)高945 m 時表現(xiàn)明顯。

圖3 不同水位線下的位移變化曲線及云圖

不同水位線下的剪切應(yīng)變云圖如圖4。邊坡塑性區(qū)發(fā)展的漸進破壞過程如圖5。

圖4 不同水位線下的剪切應(yīng)變云圖

圖5 邊坡塑性區(qū)發(fā)展的漸進破壞過程

由圖4 可以看出最大剪切應(yīng)變范圍隨著水位線抬升逐漸擴大，且滑體受斷層影響呈現(xiàn)明顯以斷層帶為界限的滑動面，最大剪切應(yīng)變值由滑體后緣逐漸向滑體前緣擴展。這是因為邊坡開始時就發(fā)生主動土壓力破裂，滑坡后緣滑動帶向后下方擴展，監(jiān)測點A 呈現(xiàn)出位移負(fù)值，隨著塑性區(qū)的擴大，應(yīng)力集中范圍向中前部擴大，監(jiān)測點A 的位移值不斷增大。隨著應(yīng)力的不斷調(diào)整過程中變形逐漸向前緣累積，監(jiān)測點A、B 的位移值不斷增大直至穩(wěn)定。隨著計算步驟的積累，滑坡前緣發(fā)生變形破壞并伴隨著推移式滑坡整體變形破壞，為前進式漸進破壞過程。當(dāng)水位線標(biāo)高達(dá)到950 m 時，其監(jiān)測點的位移曲線變化趨勢和其他的截然不同，隨著計算不增的增大，監(jiān)測點A、B 的位移值都較為平滑的不斷增大直至穩(wěn)定且都為正值，其中監(jiān)測點A 的值明顯大于監(jiān)測點B 的值，監(jiān)測點A 的最大值約為3.40 m，監(jiān)測點B 的最大值約為0.25 m。但是在模型計算初始階段，監(jiān)測點B 的值略大于監(jiān)測點A 的值如圖3（d）中放大區(qū)域。從圖3（d）中位移云圖可以看出，滑體的位移最大值出現(xiàn)在滑體前緣且達(dá)到11.67 m，滑體呈現(xiàn)圓弧型滑動。從圖4（d）可以得到，滑體從＋910 平盤沿著泥巖底板剪出，滑體出現(xiàn)明顯的大變形，最大剪切應(yīng)變由滑體前緣逐漸向后部擴展。

由圖5 可知，該邊坡塑性區(qū)發(fā)展的漸進破壞過程為在滑體的中前段主要以剪切破壞為主，在滑體的后端呈現(xiàn)拉張破壞，這些特征都符合牽引式滑坡漸進破壞過程。北幫邊坡腳位置的煤層逐漸被采出，加上8 月份的持續(xù)降雨，滑坡前部首先變形，隨著邊坡巖體不斷軟化，滑坡由前至后逐步產(chǎn)生主動土壓破壞，到達(dá)一定程度時出現(xiàn)滑坡由下往上逐漸產(chǎn)生拉裂縫等現(xiàn)象，在一定時間內(nèi)滑坡后緣發(fā)生變形并伴隨著牽引式滑坡整體破壞，為后退式漸進破壞過程。

根據(jù)FLAC3D內(nèi)嵌的強度折減法求解得不同水位線（＋935、＋940、＋945、＋950 m）下的邊坡安全系數(shù)分別為：1.253、1.236、1.191、1.005。隨著水位線抬升，邊坡安全系數(shù)不斷降低，當(dāng)持續(xù)降雨水位線抬升至＋950 m 時，邊坡巖體內(nèi)部的孔隙水壓力不斷增大，巖土抗剪強度等參數(shù)不斷劣化，致使邊坡處于極限平衡狀態(tài)，隨著時間的推移，造成北幫邊坡于2019年8 月發(fā)生滑坡事故。

4 結(jié)語

1）從滑坡歷史來看，多次滑坡位于同一位置，說明原始滑帶上的巖土頻繁被激活，造成滑坡。邊坡巖體以泥巖、砂巖為主，斷層破碎帶內(nèi)巖體破碎嚴(yán)重，其松散性為降雨入滲提供了便利條件，導(dǎo)致地下水位迅速上漲，增加了邊坡上部巖土重力荷載，增大了邊坡內(nèi)部的水壓力，該層發(fā)展成塑性軟弱帶，在短時間內(nèi)造成邊坡處于應(yīng)力失衡狀態(tài)，最終導(dǎo)致邊坡滑坡、坍塌。

2）水位線在標(biāo)高945 m 以下時，隨著水位線標(biāo)高增大，位移值最大值不斷增大，但值都比較小，滑體內(nèi)部的最大位移值由滑體后緣逐漸向滑體臨空面轉(zhuǎn)移。最大剪切應(yīng)變范圍隨著水位線抬升逐漸擴大，且滑體受斷層影響呈現(xiàn)明顯以斷層帶為界限的滑動面，最大剪切應(yīng)變值由滑體后緣逐漸向滑體前緣擴展。邊坡破壞類型為：推移式滑坡整體變形破壞。

3）水位線標(biāo)高達(dá)到950 m 時，邊坡坡頂和坡腳的位移值都較為平滑的不斷增大直至穩(wěn)定且都為正值，其中坡頂?shù)淖畲笾导s為3.40 m 明顯大于坡腳的最大值約為0.25 m，但在模型計算初始階段，坡腳的值略大于坡頂?shù)闹??；w從＋910 m 平盤沿著泥巖底板剪出，出現(xiàn)明顯的大變形，最大剪切應(yīng)變由滑體前緣逐漸向后部擴展，在滑體的中前段主要以剪切破壞為主，在滑體的后端呈現(xiàn)拉張破壞，邊坡破壞類型為：牽引式滑坡整體變形破壞。