采動作用下視傾向崩滑巖溶山體控滑裂隙演化特征離散元分析

羅世衛，段惠敏，欒力，楊忠平，3，4

（1重慶大學 土木工程學院，重慶 400045；2重慶大學 數學與統計學院，重慶 400045；3重慶大學山地城鎮建設與新技術教育部重點試驗室，重慶 400045；4重慶大學庫區環境地質災害防治國家地方聯合工程研究中心，重慶 400045）

0 引言

中國巖溶山區大型崩滑災害頻發，給人民生產生活和生命帶來了巨大威脅，如重慶市武隆縣鐵礦鄉雞尾山發生的大型滑坡造成74人死亡，8人受傷[1]。查清這類地質災害的誘發因素和發生機理是地質災害防治工程的重要前提。這一系列災害的孕災環境有一共同特點，即地下均有不同程度的地下礦層開采活動，已有較多學者對此類采動作用強烈的山體利用數值模擬，進行過詳細研究。殷躍平[2]利用FLAC3D研究了雞尾山底部采礦影響下山體的變形破壞特性，認為采礦活動主要通過應力環境的調整和層狀塊裂巖體的差異沉降兩種方式對滑坡構成擾動。馮振等[3]利用3DEC進行數值模擬分析后，認為采礦形成的采空區對山體的影響主要是使上覆巖體壓應力增大，但對滑體的變形無影響。李騰飛等[4]建立了雞尾山崩滑三維數值模型，從崩滑體移動和應力變化兩個方面進行分析，認為地下采掘是坡體發生“先崩-后滑-最后剪斷突破”這一失穩破壞的主要原因。此外，關于雞尾山的物理模型試驗[5-9]和坡體巖石的物理力學性能研究[6-14]都取得了可觀的成果。上述學者對雞尾山失穩破壞機理已經有了深入研究，但對于采動作用下上部山體變形、破壞的時空演化過程以及山體崩滑的裂隙發生、發展的時空規律及其力學機理解釋的研究還不多見。本文以重慶武隆雞尾山為數值模擬試驗對象，揭示其在長期采動、外界風化等因素綜合作用下山體內部新生裂隙發育、深大裂隙貫通和軟弱夾層脫離的變形破壞機制，并輔以力學模型作出解釋，可為這類厚層巖溶山體的穩定性分析提供參考。

1 雞尾山滑坡基本概況

1.1 滑坡區基本地質條件

滑坡區山體總體地形為南西高北東低，最高點在坡頂南西部，高程1600m，最低點為北東部鐵匠溝處，高程1000m，相對高差600m，地形屬中山地貌。雞尾山滑坡體東側為臨空面陡崖，北側巖溶劇烈發育，西側被T1裂縫切割，縫長約530m，深60～80m，南側被T0裂縫切割，如圖1所示。山體存在兩組優勢節理，一組與巖層走向接近平行，另一組節理與巖層走向接近垂直，在兩組優勢節理的組合和沿層面軟弱夾層的影響下，將山體切割為類似于堆砌在傾斜軟墊上的積木塊體[2]，如圖2所示，這為后續離散元建模提供了重要依據。

圖1 雞尾山滑坡概況圖

圖2 武隆雞尾山優勢節理發育情況及巖體結構

雞尾山巖溶發育特別強烈，滑體北部前沿與穩定山體交界處發育有巖溶帶，實地考察時，發現在現存穩定山體中發育著大量裸露溶洞，溶蝕裂隙在山體中廣泛發育。上述強烈的巖溶作用破壞了山體的結構，為水的侵入、裂縫進一步發育提供了通道，較大程度地降低了山體的穩定性，如圖3所示。

圖3 武隆雞尾山巖溶發育情況

崩塌區內出露的地層由新到老主要為：①二疊系下統茅口組（P1m）發育的灰色厚層狀微晶灰巖，巖溶發育強烈，溶洞廣布，巖石力學強度大，厚約50m；②二疊系下統棲霞組（P1q）分為上、中、下3段（P31q、P21q、P11q），由中厚層狀灰巖組成，厚90～130m；③二疊系下統梁山組（P1l）發育的泥巖砂巖，以泥質膠結為主，巖質較軟，含有赤鐵礦，礦石厚約2m；④志留系上統韓家店組（S2h）為灰綠色粉砂質泥頁巖，厚度大于100m，雞尾山地層結構如圖4所示。

1.2 地下采礦活動

雞尾山鐵礦有80多年的開采歷史，主要開采的是二疊系下統梁山組（P1l）中的鐵礦層。采用房柱式采掘（即在作業面保留原來的礦石作為安全柱，每個柱子高約2～3m，但是其在后期也被當作礦產遭到亂采濫挖），自山體南側向北側不斷擴展。2004年以后，開采剛好位于滑源區前沿正下方，鐵礦層平均開采厚度約2m，地下采空區面積已經超過50000m2[8]，這種長期大范圍的地下開采很難不對上覆山體造成影響，在誘發新生裂隙的同時，促進了原生節理的發育，特別是對T1、T0這兩條深大裂隙發育貫通和下臥軟弱夾層強度的削弱，對山體完整性和坡體的穩定性造成了較大的影響。選取的1-1斷面自山體東南側向西北將山體剖開，作為數值模擬對象，覆蓋三個主要時間段的開采過程，并且考慮了后部關鍵阻滑山體和T1裂隙的影響，其工程地質剖面圖如圖4所示。

圖4 武隆雞尾山剖面圖（1-1剖面）

2 數值模擬模型建立

2.1 二維離散元數值模型建立

基于雞尾山基本地質條件，依照上述選擇的雞尾山工程地質剖面圖，在進行一定簡化后，在UDEC中建立其二維離散元數值模型，模型底部高程930m，左側邊界高程1507.64m，右側邊界高程1326.15m，底部長894.26m，T1裂隙深111.82m；模型中一組優勢節理產狀統一取為345°∠20°，另一組優勢節理與第一組正交，將巖體切割成符合實際勘察情況的積木塊狀。模擬過程中，模型均采用巖體經典彈塑性理論摩爾-庫爾準則，約束左側右側邊界，定義其對應的X方向速度為0，約束下側邊界Y方向速度為0，定義初始應力場為重力場，即g=9.8 m/s2。

2.2 巖體力學參數選擇

根據對以往雞尾山礦產開采資料的調查，發現最早在1969年就對雞尾山內儲藏的鐵礦進行了開采，且主要分為三個時間段：1969—1991年、1992—2003年、2004—2009年。到2009年發生崩滑時依然在開采，每段開采均存在5年以上的時間差，很難不考慮到這個過程中由于長期采動、降雨等物理風化，以及巖溶等化學風化對整個山體物理力學性質的影響，所以在模擬過程中，以三個時間段為時間節點，將開采工作分為M-1、M-2、M-3三個階段，對巖體的節理參數進行調整，模擬各種外界因素對山體的影響，并對參數調整作如下說明：（1）由于S2h頁巖位于礦層之下，受到采動的影響較小，崩塌前后均較穩定，所以沒有調整其結構面力學參數；（2）為了防止在模擬過程中出現嵌入過度，礦道所在P1l層巖體和結構面物理力學參數保持在較高范圍；（3）在兩組優勢節理切割下，認為各個巖層的抗拉強度均很小，模擬過程中也未改變。故僅對P1m、P31q、P21q和P11q的切向剛度（JKS）、法相剛度（JKS）、粘聚力和內摩擦角的數值進行降低。根據學者們豐富的室內試驗與數值模擬試驗[2，4，15-16]結合經驗確定巖體物理力學參數（表1、表2）。

表1 武隆雞尾山體巖石物理力學參數表

表2 雞尾山各階段巖體物理力學參數表

3 結果分析與討論

3.1 上部山體變形破壞時空演化過程

在P1l地層中實施開采工作，開采高度2～3m，根據實際的開采順序分三組，分別為：1969—1991年對應的M-1，共計200m，每次開采50m，得到4種工況；1992—2003年對應的M-2，共計240m，每次開采20m，得到12種工況；2004—2009年對應的M-3，共計250m，每次開采50m，得到5種工況。總計開挖690m，得到21種工況。

為了說明隨著開采工作的進行，上部坡體的變形破壞的時空演化過程，選用M-1、M-2、M-3三個階段開采完畢時對應的X方向位移云圖（向右為正）、Y方向位移云圖（向上為正）和總位移對應的位移云圖進行說明。可以得到如下結論：（1）山體位移影響范圍隨著開采工作的推進逐漸擴大，到M-2時，已經影響到整個滑源區，M-3時逐漸影響到后部穩定的山體，削弱了阻滑山體的抗滑作用，如圖5a）—圖5 c）；（2）Y位移與位移總量發展趨勢相似，隨著開采工作的推進，位移影響范圍逐漸增大，由滑源區發展到后部阻滑穩定山體。下坐程度逐漸由最初M-1開采結束的0.5m，發展到M-2開采結束的1.0～2.0m，演變到M-3開采結束的2m，如圖5d）—圖5f）；（3）X位移突出反應了崩滑山體將沿著軟弱夾層崩滑和后部山體阻滑的關鍵作用。M-1開采結束，山體有整體前移趨勢，前移距離為0～0.5m；M-2開采結束，阻滑山體X方向位移增加到0.5～1.0m，與此同時，沿著軟弱夾層發育有三個“三角位移區”，表明軟弱夾層相對整體有更大的位移量；M-3開采結束，阻滑山體前沿位移量已經達到2.0～3.0m，“三角位移區”仍然存在，并沿著軟弱夾層出現了一條明顯的崩滑線，如圖5g）—圖5 i）。

圖5 采動作用下雞尾山位移云圖

在山體中設置2個監測點，監測點1、2分別設置在崩滑體中部和靠近T1裂隙的崩滑體一側，如圖4所示。繪出開挖距離、坡體監測點X方向位移、坡體監測點Y方向位移三個變量的三維空間位移演化圖（監測點為反映崩滑體位移情況的1、2兩點），并分別投影后，得到開挖距離-坡體監測點X方向位移圖和開挖距離-坡體監測點Y方向位移圖。監測點1、2對應的變化趨勢相似，隨著開挖的推進，監測點X方向位移先正向變大又負向迅速增大，最大值分別達到0.137和-0.165m，這種來回的錯動削弱了崩滑體與周圍穩定山體的聯系，表現為軟弱巖層與下部山體的脫離，以及T0和T1裂隙的進一步拓展。隨著開挖的推進，監測點Y方向位移呈現明顯的階梯狀，M-1階段兩監測點位移變化不明顯，均小于0.5m；到M-2階段，靠近T1的監測點2出現了較大程度的位移，最大達到1.9m；到M-3階段兩監測點位移突然增加，最大達到了3.9m。從三維的位移演變圖和投影圖均可以發現，位于崩滑體兩側的兩監測點的位移發展趨勢十分相似，印證了坡體是作為一個整體而發生崩滑。崩滑體位移有明顯的時空效應，隨著開采工作的進行，有整體下坐和背離T1裂隙的位移趨勢，這與實際情況較為符合，如圖6所示。

圖6 監測點1、2三維位移演變圖及投影圖

3.2 山體崩滑的裂隙發生、發展的時空規律分析

隨著鐵礦開采工作面的推進，裂隙首先發生在礦道上覆的巖層之中，然后沿著原始的兩組優勢節理，裂隙的發育區域和裂隙的寬度都進一步發展。裂隙由離礦道最近的P11q巖層逐漸向上發育，此時裂隙最大寬度達到0.43m，如圖7a）所示。M-2開采完畢時拓展到P31q巖層，最大裂隙寬度達到2.6m，并且已經有新生裂隙發育至軟弱夾層，如圖7b）所示。M-3階段開采完畢，裂隙已經拓展至坡表，在崩滑體前沿和后沿都形成了明顯的裂隙帶。但裂隙呈現不同的發育方式，坡體前沿向坡表方向發育主要斜裂縫，且在其周圍有數條細微裂隙并行發育，并隨開采工作面推進逐漸加寬，開采工作完畢后，都逐步發育成了大裂縫。后沿坡體主要沿巖層面發育許多橫向裂縫和短小的豎向裂縫，并有較大的整體坍落延伸到坡表，如圖7c）、圖7d）。兩條裂隙帶對山體的穩定性和整體性都造成較大削弱。

M-2開采完畢時，T1裂縫已經發育并貫穿到軟弱夾層，如圖7e）。此時對應的采空長度為440m，在重力的作用下，崩滑體發生整體錯落。此時崩滑體與西側穩定山體分開，幾乎失去了西側山體對崩滑體的阻滑作用，形成了未來崩滑體將與T1裂縫徹底脫開并沿著軟弱夾層崩滑的條件。M-3階段開采時，山體后沿的裂隙帶發育明顯，對后部穩定山體的穩定性和阻滑能力均有降低，如圖7d）。

圖7 雞尾山裂隙時空演化發展

為了進一步闡明軟弱夾層對崩滑發生產生的影響，在對模型進行全面統計后，繪制了軟弱夾層與上部崩滑體及下部穩定巖體的脫離距離與開采距離的關系圖，如圖8所示。M-1階段，前三種工況脫離距離為0，軟弱夾層與上下巖體穩定連接，開采完畢時（開采距離200m），脫離長度發生突變，這一突變來源于新生裂隙已經從采空區頂板發育到軟弱夾層所在高度，將軟弱夾層切割成細小的巖塊獨立于周圍巖體，如圖9a），長度在采空區上方12.3m范圍內。在M-2開采過程中，脫離的距離緩慢增加，到這一階段在第400m開采完畢時再次發生突變，脫離距離達到84.8m，此時新生裂隙加寬，軟弱夾層被大范圍切割成矩形塊體，并沿著軟弱夾層發育細微裂隙，如圖9b）。進入M-3階段，脫離長度馬上發生突變，發展到98.4m，并進入快速的脫離過程，認為崩滑已經開始。三個階段全部開采完畢時，長度發展到248.7m，裂隙變大，夾層與穩定山體脫離，并跨過深大裂隙延伸到穩定阻滑山體，如圖9c）。

圖8 軟弱夾層脫離長度演變圖

圖9 雞尾山軟弱夾層脫離時空演化圖

3.3 采動作用下裂隙發育、坡體隨深大裂隙貫通失穩破壞機理的力學模型解釋

將P1m、P1q和軟弱夾層簡化為存在一條大裂縫的適筋斜梁，礦層及下部的山簡化為砌體，斜梁與砌體可靠連接。未開采時，斜梁在自重和砌體支持力作用下平衡，二者穩定存在，如圖10a）。采空時，部分砌體從斜梁下部被抽出，斜梁失去了大部分支撐，被放置在砌體上，如圖10b）。因此，可以將采空范圍內的山體簡化成僅在自重作用下的簡支斜梁，如圖10c）。

圖10 崩滑體力學模型隨開采演化圖

由內力分析可知：斜梁全跨受彎，跨中最大；剪力跨中為零，支座處最大；軸力跨中為零，支座處最大，上半部分為拉應力，下半部分為壓應力。在這種復合應力狀態下，裂縫可能的發生情況提供如下分析思路：適筋斜梁水平，跨中撓度最大，支座附近彎剪區段內，下邊沿主拉應力接近水平，由于混凝土和巖體的抗拉強度均較小，當達到材料極限拉應變時，梁下邊沿出現一些豎向新生裂隙，在彎剪復合應力狀態下，主拉應力方向改變，豎向裂隙斜向發育，形成一系列彎剪斜裂縫；適筋斜梁豎直時，簡化為在自重作用下的大偏心受壓柱，截面一側受壓一側受拉，受拉一側產生橫向裂縫，并有較大的側向撓度；斜梁處于由水平梁到大偏壓柱的過渡狀態，裂隙發育情況應處于兩極端情況間的某個特定狀況，并兼具二者特點，即：在中間位置產生大撓度；上部支座處，梁在受彎、剪時發育斜裂縫，并在斜梁上部軸力表現為拉應力的情況下，裂縫加寬；偏心受壓時支座處裂隙發育不明顯。這與上述數值模擬結果的裂隙發育情況是一致的。

大裂縫對斜梁的承載力影響顯著。應在裂縫位置發生應力集中，當支座越過大裂隙時，隨采空區擴大，支座兩側出現位移差，山體可能沿著裂縫處發生巖體整體剪斷。但由于山整體的強度和剛度很大，且以軟弱夾層為界，存在剛度和強度相差很大的兩組截面，軟弱夾層與裂隙截面處剛度與強度遠遠小于相同截面處軟弱夾層與下部山體的剛度與強度，導致剪斷率先發生在裂縫與軟弱夾層之間，如圖10c），表現為崩滑體錯落。

4 結論

（1）崩滑體位移具有一定的時空效應，隨采空區域的擴大，崩滑體位移逐漸增加，并有下坐擠壓關鍵塊體的運動趨勢。

（2）軟弱夾層與下部巖體脫離長度隨開采工作面的推進而增加，并逐漸貫穿滑坡底面。開采約200m時，脫離長度發生一次突變，并在開采440m后，進入快速脫離階段。

（3）采空區前沿和后沿裂隙出現了不同的發育方式，在將采空山體簡化為簡支斜梁時，根據兩種極限狀態下裂隙發育方式，對斜梁的裂縫發育方式作出分析。認為斜梁上部斜裂縫在彎剪復合應力狀態下形成，并在軸向拉力作用下拓寬，斜梁下部的水平裂隙在大偏壓狀態下形成，但是在軸力為壓力的情況下，裂隙難以拓展。

（4）深大裂隙貫穿機理為“采空→巖體應力重分布→采空與非采空區巖體產生位移差→軟弱夾層為界存在剛度差和強度差→軟弱夾層上巖體率先剪斷→深大裂隙貫穿→崩滑體錯落”。