含雙裂隙組灰巖邊坡漸進失穩過程分析①

汪志林，葉海旺，李子旋，雷 濤

（1.礦物資源加工與環境湖北省重點實驗室，湖北 武漢430070；2.武漢理工大學 資源與環境工程學院，湖北 武漢430070）

近年來，受國家基建項目對水泥和砂石骨料需求劇增的影響，我國大規模露天灰巖礦山的數量也越來越多。然而，作為一種典型的沉積巖，在后期地質運動作用下，灰巖中往往分布著兩組以上的裂隙，其穩定性更易受到裂隙組分布形式的影響，失穩機制也更加復雜。因此，如何預估含有兩組及多組裂隙巖體邊坡的破壞過程，揭示其破壞模式，采取有效的工程措施，是近年來相關學者關注的重要課題之一［1－4］。

針對裂隙的不同分布形式對巖質邊坡破壞模式的影響成果豐碩［5－14］。但對雙組裂隙邊坡尚未開展過成體系的研究。究其原因是在傳統數值模擬中，依賴于連續介質理論的強度折減難以重現邊坡動態失穩過程。

針對上述問題，本文以山西省某灰巖礦山為背景，引入可更有效呈現邊坡失穩過程的離散元法，基于MatDEM離散元軟件的二次開發功能，建立了含雙組裂隙邊坡的數值計算模型，研究了雙裂隙組灰巖邊坡的漸進失穩過程。

1 工程概況

某石灰石礦山位于山西省朔州市懷仁縣何家堡鄉悟道村南西1 km至樓子口村北西1.2 km處，地理坐標東經112°57′26″～112°59′03″，北緯39°49′08″～39°50′35″，礦區北東-南西長3.23 km，北西-南東寬0.45 km，面積1.454 km2。礦區位于大同盆地西側洪濤山山脈中部，區內山勢陡峭，西高東低，地形高差較大，最低海拔1 175 m，最高海拔1 575 m，相對高差約400 m，溝谷呈近東西向分布，切割深度較大。礦區東側集寧群分布區屬低山丘陵區。礦區巖體為石灰巖、泥灰巖等，巖質堅硬致密。在現場地質勘查過程中，未發現有大的斷裂通過，但巖體裂隙非常發育，現場典型巖體結構如圖1所示。從圖1可看出，邊坡內主要分布著兩組平行的裂隙，裂隙間距約為10 m，其中一組為豎向裂隙組，另一組為與工作平臺成45°的傾斜裂隙組，如圖中虛線所示。

圖1 典型灰巖邊坡巖體結構

2 數值模擬實驗

2.1 MatDEM顆粒離散元計算流程

MatDEM（Fast GPU Matrix computing of Discrete Element Method）軟件是南京大學自主開發的巖土體三維離散元模擬軟件，該軟件基于創新的GPU矩陣離散元法，使用MATLAB語言編寫，具有計算效率高、宏微觀力學性質明確和強大的二次開發功能等優點［15］。利用MatDEM軟件二次開發功能研發了雙裂隙組邊坡的數值模擬實驗，整個數值模擬實驗過程可分為以下步驟：

1）根據邊坡幾何尺寸確定合適的模型盒尺寸并充滿單元顆粒，接著在上部施加壓力壓實單元顆粒模擬自然堆積得到初始的地層堆積模型。

2）按照邊坡的具體尺寸對地層堆積模型進行切割并刪除多余的單元顆粒得到完整的邊坡模型。

3）根據裂隙組的位置對邊坡模型進行分組建立裂隙組單元和基質組單元，接著對兩組單元分別設置不同的材料參數，然后初始平衡得到邊坡實驗模型。

4）初始模型在邊坡自重的條件下不斷平衡迭代計算，過程中監測模型的位移和摩擦熱數值，當位移和摩擦熱數據滿足破壞判據時，停止計算。

2.2 雙裂隙巖體邊坡的離散元模型

為了探究雙裂隙組巖質邊坡的漸進失穩過程，以圖1所示的典型灰巖邊坡為藍本建立基本的離散元模型，主要用于研究雙裂隙巖質邊坡的漸進失穩動態過程。模型如圖2所示，其邊坡角60°，坡高45 m，裂隙設置區域如圖中淺色線條所示，其中顆粒單元數12 334個、平均粒徑0.25 m、分散性系數0.2。

圖2 雙裂隙組邊坡數值模型

2.3 材料參數

輸入巖石的宏觀力學參數后，根據文獻［16］給出的緊密堆積離散元模型單元力學參數與模型整體力學性質之間的解析解，經過多次材料模擬試算，確定了模型單元平均微觀力學參數，對巖體和裂隙分別設置不同的材料參數如表1所示。

表1 模型材料宏微觀參數

3 數值模擬實驗結果分析

3.1 邊坡漸進失穩過程分析

邊坡破壞是一個復雜的漸進過程，其中包含著復雜的力學變化行為，也伴隨著裂隙的形成、發展、貫通及滑移面形成。基于圖2所示的模型，從位移變化和摩擦熱特性兩個方面分析雙裂隙邊坡的漸進破壞過程。

圖3 為雙裂隙邊坡的破壞過程示意圖。根據邊坡滑移面數量和滑體運動狀態將邊坡破壞過程分為裂隙貫通、初層滑動、二層滑動和三層滑動共4個階段。從圖3可以看出，當時間步為4 000步時，邊坡很完整，沒有產生位移和摩擦熱，此時邊坡仍處于穩定狀態；當時間步為5 200步時，邊坡表面出現貫通的裂隙，在坡腳處產生少量位移且沒有摩擦熱生成，此時邊坡在剪切作用下形成貫通的圓弧剪切裂隙和初始滑體；當時間步為6 000步時，初始滑體已經脫離邊坡體，在重力作用下向下滑移，滑移體產生初始位移并在滑面上產生少量摩擦熱；當時間步為7 600步時，產生了2個滑面，滑體位移明顯增加且在2個滑面上都有大量摩擦熱生成；當時間步為10 000步時，邊坡體形成了由表及里的3層滑移體，不同滑移面在坡腳處逐漸合為一體，此時邊坡已經完全失穩，邊坡表面位移過大且在滑面上產生大量摩擦熱。對比圖3（e）和圖2還可以發現：3個滑移面的上部與3條豎向裂隙的位置重合，這是由于在邊坡后緣裂隙處的抗拉強度較低，發生張拉破壞而形成滑移面，故而形成了雙裂隙邊坡的裂隙貫通、初層滑動、二層滑動和三層滑動等4個階段。由此可以看出，含雙裂隙邊坡的破壞過程是一個由表及里逐步“剪切滑移-張拉斷裂”的漸進破壞過程。

圖3 邊坡破壞過程示意圖

3.2 現場數據對比驗證

礦山現場為保障安全生產建立了一套邊坡監測預警系統，其中為了監測邊坡變形情況、獲取邊坡位移數據，在重點區段邊坡的坡頂表面布置了位移監測點。

為了驗證數值模擬的正確性和預測邊坡位移的未來變化情況，將數值模擬中監測點數據與現場監測數據進行對比，如表2所示。從表2可以看出，現場位移數據與數值模擬監測點位移數據的變化趨勢是一致的，都是初始位移較小，變化幾乎為0，邊坡較穩定；隨著時間增長，位移逐漸增大，位移增長速度逐漸加快，邊坡處于加速變形階段。礦山現場應當根據邊坡變形情況，在重點邊坡區域做好危險警戒和針對性的工程處理，以防止出現安全事故。

表2 現場監測與數值模擬位移數據對比

圖4 為礦山邊坡破壞對比圖。由圖4可以看出，數值模擬實驗邊坡上的4條滑移面與石灰石礦山坡頂出現的如圖中虛線所示的4條平行張拉裂縫是一一對應的。現場邊坡上部靠近坡面的③號裂縫比靠近邊坡內部的④號裂縫寬度寬且貫通情況更加充分，這解釋了雙裂隙邊坡的破壞過程是一個由表及里逐步“剪切滑移-張拉斷裂”的漸進破壞過程。數值模擬結果與現場情況比較符合，充分說明MatDEM軟件在含裂隙邊坡漸進失穩過程研究上的可適用性。

圖4 邊坡破壞模式對比圖

4 結 論

1）含裂隙巖體邊坡由于裂隙的存在而與完整巖體邊坡的失穩過程有著明顯的差別，含兩組裂隙邊坡的破壞過程是一個由表及里逐步“剪切滑移-張拉斷裂”的過程，整個破壞過程在3組豎向裂隙的控制下可分為裂隙貫通、初層滑動、二層滑動和三層滑動共4個階段。

2）本文所采用的基于離散元的MatDEM軟件在邊坡破壞過程上的研究結果與礦山現場邊坡的位移變化和破壞模式比較一致，證明基于離散元的MatDEM軟件在研究裂隙邊坡上的可適用性，能預測礦山邊坡可能發生的破壞過程，可為礦山未來的監測和治理提供參考。