軟弱夾層存在及傾角對邊坡穩定性的影響

鄂玉強

(1. 長沙礦山研究院有限責任公司，湖南 長沙 410012； 2. 金屬礦山安全技術國家重點實驗室，湖南 長沙 410012)

0 前 言

我國西南、南部等地區石灰石普遍存在含于軟弱夾層的露天開采礦山，據胡斌等學者研究，軟弱夾層為一種二疊系茅口組炭質泥頁巖或薄層泥質灰巖[1-3]，其主要賦存狀態如圖1所示。其力學強度低的特性常成為此類礦山邊坡安全的“薄弱環節”，此前因軟弱夾層而產生的滑坡災害層出不窮，如云南省孫家箐露采高邊坡產生重大滑坡災害，致25人死亡。

圖1 軟弱夾層

目前，諸多學者對軟弱夾層進行了試驗與研究：陳權川等[4]基于FLAC3D建立含軟弱夾層巖體邊坡模型，研究發現極限平衡法計算偏于安全，且軟弱夾層參數對邊坡穩定的敏感性為內摩擦角φ>粘聚力c；胡濤濤等[5]探究了含軟弱夾層炭質板巖的單軸強度特性，發現含軟弱夾層會降低炭質板巖單軸抗壓強度，且軟弱夾層越多，單軸抗壓強度降低越厲害；賈后省等[6]獲取了軟弱夾層不同位置的頂板離層區分布特征，表明當塑性破壞影響區內含有軟弱夾層，頂板深部軟弱薄層即出現塑性壓剪破壞，即頂板離層現象；DING等[7]研究軟弱夾層的厚度、單軸抗壓強度和傾角對具有單一自由表面的栓接巖體壓縮行為的影響，結果顯示軟弱夾層力學性能低，對試件的峰值強度和彈性模量有很大的削弱作用，并影響試件的裂紋分布和破壞模式；龍建輝等[8]建立了含雙軟弱夾層順層巖質滑坡計算模型，研究結果表明，上下兩層軟弱夾層以不同模式發生滑動，上層由軟弱夾層軟化發生起滑，下層暫時穩定；下層發生起滑，則表現為整體滑動。ZHANG等[9]對含軟弱夾層材料的泥巖進行了直接試驗，并考慮了正應力和剪切速度的影響進行了循環剪切試驗。試驗表明試樣損傷主要沿節理發育，發生剪切破壞。

軟弱夾層多數存在于順層巖質邊坡，且沿順層面發育，而順層滑坡破壞力強，危害性大，因此，結合軟弱夾層力學強度低、隔水效果好以及大體為順向巖層等物理力學特性，揭示軟弱夾層對邊坡穩定性的影響機制，探討軟弱夾層存在以及傾角變化對露天高邊坡穩定性的影響，為此類含軟弱夾層的露天礦山開采及滑坡災害防治均是十分有意義的。

1 軟弱夾層存在對邊坡穩定性的影響

針對巖質高邊坡產生滑坡的嚴重危害性，結合軟弱夾層物理力學特性[10-12]，根據已獲得的地質資料及礦山開采現狀，科學合理分析地質條件，充分體現因軟弱夾層存在對高邊坡穩定性的影響，構建存在軟弱夾層和不存在軟弱夾層的不同臺階坡面角高邊坡數值模型，計算各模型邊坡穩定性系數，對比存在軟弱夾層與不存在軟弱夾層的計算結果。分別建立不同軟弱夾層傾角計算模型，采用極限平衡法進行計算，并對比計算結果，探討傾角變化對邊坡穩定性不同程度的影響，為含軟弱夾層巖質高邊坡制滑機理研究提供借鑒。研究思路見圖2。

圖2 軟弱夾層影響機理探究思路

1.1 工程概況及構建計算模型

根據某含軟弱夾層石灰石礦山現場踏勘以及地質地形資料，礦區地勢南高北低，其巖性主要為二疊系茅口組石灰巖[12]。現開采邊坡發現，存在的軟弱夾層面沿坡面層狀發育，且由于玄武巖侵入，軟弱夾層產狀發生倒轉現象。選取先開采典型剖面見圖3，各巖體物理力學參數見表1。

圖3 典型剖面工程地質

表1 某含軟弱夾層石灰石礦山物理力學參數

為充分體現軟弱夾層對邊坡穩定性的影響，根據經驗類比發現，該類礦山開采臺階坡面角一般為60°～70°，因此，以1°逐步增陡，共計11個角度變化值。分別建立11種不存在軟弱夾層Ci(i=1～7)和存在軟弱夾層Di數值計算模型，其中D1含軟弱夾層數值計算模型及網格劃分見圖4。

圖4 含軟弱夾層數值計算模型及網格劃分

1.2 數值模型計算

基于數值模擬軟件FLAC3D，對模型計算域左右兩側進行法向位移約束，底部采用固定約束，對Ci和Di共計22種計算模型分別進行邊坡穩定性系數計算，輸出其邊坡穩定性系數及剪切應變增量矢量云圖，部分云圖見圖5～7。

圖5 C1(a)和D1(b)穩定性系數及剪切應變增量

圖6 C5(a)和D5(b)穩定性系數及剪切應變增量

圖7 C11(a)和D11(b)穩定性系數及剪切應變增量

1.3 計算結果對比分析

根據上述計算，不存在及存在軟弱夾層邊坡穩定性系數對比見圖8。

由計算結果云圖及圖8可知，未存在軟弱夾層時，剪切應變增量為由坡頂至坡腳貫通，且剪切應變增量坡腳較大，邊坡穩定性系數F由3.14下降到2.91，但依舊遠高于安全系數1.20。當邊坡存在軟弱夾層時，剪切應變增量沿著軟弱夾層形成貫通面，邊坡穩定性系數F′由1.62下降至1.11。相比不存在軟弱夾層，邊坡穩定性系數最小降低差值為1.49，下降了48.4%，最大降低差值達到1.80，下降了61.9%。存在軟弱夾層高邊坡以軟弱夾層為底滑面朝向坡外而易發生整體滑坡現象。表明在工程實踐中，軟弱夾層極大降低了邊坡穩定性的主要機理為軟弱夾層因力學強度低、水理性質差而易成為邊坡潛在滑移面，使邊坡沿層面發生剪切破壞，從而產生滑坡災害。在設計時，對埋深較淺的，需開挖掉軟弱夾層面或使其距坡面具有一定的安全距離，防止滑坡事故的發生。

圖8 未存在及存在軟弱夾層邊坡穩定性系數對比

2 軟弱夾層傾角變化對邊坡穩定性的影響

由上述研究可知，軟弱夾層以底滑面形式影響著邊坡穩定性，即其為巖質邊坡的潛在滑移面，為充分開展軟弱夾層傾角變化與邊坡穩定性的定性關系，以2°為步長建立軟弱夾層傾角20°～30°計算模型，利用極限平衡法中Morgenstern-Price法(M-P法)計算各個角度值下的邊坡穩定性系數。Morgenstern-Price法基本理論如下：

Morgenstern-Price法在一般條分法的基礎上，不但考慮了法向力與切向力的平衡，而且還考慮了每一土條力矩的平衡。其靜力平衡微分方程為：

力矩平衡方程為：

考慮E(a)=E(b)=0，可得：

從坡頂第一個界面E0=0開始，從上到下，逐條求出法向條間力Ei，對最后一土條須滿足條件，可求出唯一λ和F值：

En(F,λ)=0

(4)

6個傾角劃分值計算模型邊坡穩定性系數計算結果見圖9，以24°計算模型為例，其計算結果見圖10。

圖9 不同傾角邊坡穩定性系數計算結果

圖10 24°傾角邊坡穩定性系數計算結果

由圖9可知，邊坡穩定性系數隨軟弱夾層傾角變小逐漸變大，與之成負相關關系。雖然傾角變小，邊坡穩定性系數增大，但潛在滑移面仍舊為沿軟弱夾層至坡腳，因此不能因為軟弱夾層傾角較緩而“麻痹大意”，對其需進行位移監測，加強邊坡穩定性管理措施。

3 結 論

本文以某含軟弱夾層露天礦為例，采用強度折減法，通過分析對比11種存在軟弱夾層和不存在軟弱夾層數值模型邊坡穩定性計算結果，探討了軟弱夾層對巖質邊坡穩定性的影響，探索了軟弱夾層對巖質高邊坡的制滑機理，并對比6種不同軟弱夾層傾角對邊坡穩定性的影響，得出以下結論：

1)存在軟弱夾層時，降低了邊坡穩定性，相比不存在軟弱夾層，邊坡穩定性系數最小差值為1.49，最大差值為1.80，至少減小了48.4%，最大降低了61.9%。

2)邊坡穩定性系數隨軟弱夾層傾角變小逐漸變大，與之成負相關關系。但潛在滑移面仍舊為以軟弱夾層為底滑面發生剪切破壞，對其依舊要引起重視，重點監測此位置位移變化，避免邊坡以其為滑移面產生滑坡災害。

3)軟弱夾層極大降低了邊坡穩定性的主要機理為軟弱夾層因力學強度低、水理性質差而易成為邊坡潛在滑移面，使邊坡沿層面發生剪切破壞，從而產生滑坡災害。

4)在設計此類礦山開采時，需直接開挖掉軟弱夾層面，或使其距坡面具有一定的安全距離，防止滑坡事故的發生。