采动作用下视倾向崩滑岩溶山体控滑裂隙演化特征离散元分析

2021-07-08罗世卫段惠敏栾力杨忠平

重庆建筑 2021年6期

罗世卫，段惠敏，栾力，杨忠平，3，4

（1重庆大学土木工程学院，重庆 400045；2重庆大学数学与统计学院，重庆 400045；3重庆大学山地城镇建设与新技术教育部重点试验室，重庆 400045；4重庆大学库区环境地质灾害防治国家地方联合工程研究中心，重庆 400045）

0 引言

中国岩溶山区大型崩滑灾害频发，给人民生产生活和生命带来了巨大威胁，如重庆市武隆县铁矿乡鸡尾山发生的大型滑坡造成74人死亡，8人受伤[1]。查清这类地质灾害的诱发因素和发生机理是地质灾害防治工程的重要前提。这一系列灾害的孕灾环境有一共同特点，即地下均有不同程度的地下矿层开采活动，已有较多学者对此类采动作用强烈的山体利用数值模拟，进行过详细研究。殷跃平[2]利用FLAC3D研究了鸡尾山底部采矿影响下山体的变形破坏特性，认为采矿活动主要通过应力环境的调整和层状块裂岩体的差异沉降两种方式对滑坡构成扰动。冯振等[3]利用3DEC进行数值模拟分析后，认为采矿形成的采空区对山体的影响主要是使上覆岩体压应力增大，但对滑体的变形无影响。李腾飞等[4]建立了鸡尾山崩滑三维数值模型，从崩滑体移动和应力变化两个方面进行分析，认为地下采掘是坡体发生“先崩-后滑-最后剪断突破”这一失稳破坏的主要原因。此外，关于鸡尾山的物理模型试验[5-9]和坡体岩石的物理力学性能研究[6-14]都取得了可观的成果。上述学者对鸡尾山失稳破坏机理已经有了深入研究，但对于采动作用下上部山体变形、破坏的时空演化过程以及山体崩滑的裂隙发生、发展的时空规律及其力学机理解释的研究还不多见。本文以重庆武隆鸡尾山为数值模拟试验对象，揭示其在长期采动、外界风化等因素综合作用下山体内部新生裂隙发育、深大裂隙贯通和软弱夹层脱离的变形破坏机制，并辅以力学模型作出解释，可为这类厚层岩溶山体的稳定性分析提供参考。

1 鸡尾山滑坡基本概况

1.1 滑坡区基本地质条件

滑坡区山体总体地形为南西高北东低，最高点在坡顶南西部，高程1600m，最低点为北东部铁匠沟处，高程1000m，相对高差600m，地形属中山地貌。鸡尾山滑坡体东侧为临空面陡崖，北侧岩溶剧烈发育，西侧被T1裂缝切割，缝长约530m，深60～80m，南侧被T0裂缝切割，如图1所示。山体存在两组优势节理，一组与岩层走向接近平行，另一组节理与岩层走向接近垂直，在两组优势节理的组合和沿层面软弱夹层的影响下，将山体切割为类似于堆砌在倾斜软垫上的积木块体[2]，如图2所示，这为后续离散元建模提供了重要依据。

图1 鸡尾山滑坡概况图

图2 武隆鸡尾山优势节理发育情况及岩体结构

鸡尾山岩溶发育特别强烈，滑体北部前沿与稳定山体交界处发育有岩溶带，实地考察时，发现在现存稳定山体中发育着大量裸露溶洞，溶蚀裂隙在山体中广泛发育。上述强烈的岩溶作用破坏了山体的结构，为水的侵入、裂缝进一步发育提供了通道，较大程度地降低了山体的稳定性，如图3所示。

图3 武隆鸡尾山岩溶发育情况

崩塌区内出露的地层由新到老主要为：①二叠系下统茅口组（P1m）发育的灰色厚层状微晶灰岩，岩溶发育强烈，溶洞广布，岩石力学强度大，厚约50m；②二叠系下统栖霞组（P1q）分为上、中、下3段（P31q、P21q、P11q），由中厚层状灰岩组成，厚90～130m；③二叠系下统梁山组（P1l）发育的泥岩砂岩，以泥质胶结为主，岩质较软，含有赤铁矿，矿石厚约2m；④志留系上统韩家店组（S2h）为灰绿色粉砂质泥页岩，厚度大于100m，鸡尾山地层结构如图4所示。

1.2 地下采矿活动

鸡尾山铁矿有80多年的开采历史，主要开采的是二叠系下统梁山组（P1l）中的铁矿层。采用房柱式采掘（即在作业面保留原来的矿石作为安全柱，每个柱子高约2～3m，但是其在后期也被当作矿产遭到乱采滥挖），自山体南侧向北侧不断扩展。2004年以后，开采刚好位于滑源区前沿正下方，铁矿层平均开采厚度约2m，地下采空区面积已经超过50000m2[8]，这种长期大范围的地下开采很难不对上覆山体造成影响，在诱发新生裂隙的同时，促进了原生节理的发育，特别是对T1、T0这两条深大裂隙发育贯通和下卧软弱夹层强度的削弱，对山体完整性和坡体的稳定性造成了较大的影响。选取的1-1断面自山体东南侧向西北将山体剖开，作为数值模拟对象，覆盖三个主要时间段的开采过程，并且考虑了后部关键阻滑山体和T1裂隙的影响，其工程地质剖面图如图4所示。

图4 武隆鸡尾山剖面图（1-1剖面）

2 数值模拟模型建立

2.1 二维离散元数值模型建立

基于鸡尾山基本地质条件，依照上述选择的鸡尾山工程地质剖面图，在进行一定简化后，在UDEC中建立其二维离散元数值模型，模型底部高程930m，左侧边界高程1507.64m，右侧边界高程1326.15m，底部长894.26m，T1裂隙深111.82m；模型中一组优势节理产状统一取为345°∠20°，另一组优势节理与第一组正交，将岩体切割成符合实际勘察情况的积木块状。模拟过程中，模型均采用岩体经典弹塑性理论摩尔-库尔准则，约束左侧右侧边界，定义其对应的X方向速度为0，约束下侧边界Y方向速度为0，定义初始应力场为重力场，即g=9.8 m/s2。

2.2 岩体力学参数选择

根据对以往鸡尾山矿产开采资料的调查，发现最早在1969年就对鸡尾山内储藏的铁矿进行了开采，且主要分为三个时间段：1969—1991年、1992—2003年、2004—2009年。到2009年发生崩滑时依然在开采，每段开采均存在5年以上的时间差，很难不考虑到这个过程中由于长期采动、降雨等物理风化，以及岩溶等化学风化对整个山体物理力学性质的影响，所以在模拟过程中，以三个时间段为时间节点，将开采工作分为M-1、M-2、M-3三个阶段，对岩体的节理参数进行调整，模拟各种外界因素对山体的影响，并对参数调整作如下说明：（1）由于S2h页岩位于矿层之下，受到采动的影响较小，崩塌前后均较稳定，所以没有调整其结构面力学参数；（2）为了防止在模拟过程中出现嵌入过度，矿道所在P1l层岩体和结构面物理力学参数保持在较高范围；（3）在两组优势节理切割下，认为各个岩层的抗拉强度均很小，模拟过程中也未改变。故仅对P1m、P31q、P21q和P11q的切向刚度（JKS）、法相刚度（JKS）、粘聚力和内摩擦角的数值进行降低。根据学者们丰富的室内试验与数值模拟试验[2，4，15-16]结合经验确定岩体物理力学参数（表1、表2）。

表1 武隆鸡尾山体岩石物理力学参数表

表2 鸡尾山各阶段岩体物理力学参数表

3 结果分析与讨论

3.1 上部山体变形破坏时空演化过程

在P1l地层中实施开采工作，开采高度2～3m，根据实际的开采顺序分三组，分别为：1969—1991年对应的M-1，共计200m，每次开采50m，得到4种工况；1992—2003年对应的M-2，共计240m，每次开采20m，得到12种工况；2004—2009年对应的M-3，共计250m，每次开采50m，得到5种工况。总计开挖690m，得到21种工况。

为了说明随着开采工作的进行，上部坡体的变形破坏的时空演化过程，选用M-1、M-2、M-3三个阶段开采完毕时对应的X方向位移云图（向右为正）、Y方向位移云图（向上为正）和总位移对应的位移云图进行说明。可以得到如下结论：（1）山体位移影响范围随着开采工作的推进逐渐扩大，到M-2时，已经影响到整个滑源区，M-3时逐渐影响到后部稳定的山体，削弱了阻滑山体的抗滑作用，如图5a）—图5 c）；（2）Y位移与位移总量发展趋势相似，随着开采工作的推进，位移影响范围逐渐增大，由滑源区发展到后部阻滑稳定山体。下坐程度逐渐由最初M-1开采结束的0.5m，发展到M-2开采结束的1.0～2.0m，演变到M-3开采结束的2m，如图5d）—图5f）；（3）X位移突出反应了崩滑山体将沿着软弱夹层崩滑和后部山体阻滑的关键作用。M-1开采结束，山体有整体前移趋势，前移距离为0～0.5m；M-2开采结束，阻滑山体X方向位移增加到0.5～1.0m，与此同时，沿着软弱夹层发育有三个“三角位移区”，表明软弱夹层相对整体有更大的位移量；M-3开采结束，阻滑山体前沿位移量已经达到2.0～3.0m，“三角位移区”仍然存在，并沿着软弱夹层出现了一条明显的崩滑线，如图5g）—图5 i）。

图5 采动作用下鸡尾山位移云图

在山体中设置2个监测点，监测点1、2分别设置在崩滑体中部和靠近T1裂隙的崩滑体一侧，如图4所示。绘出开挖距离、坡体监测点X方向位移、坡体监测点Y方向位移三个变量的三维空间位移演化图（监测点为反映崩滑体位移情况的1、2两点），并分别投影后，得到开挖距离-坡体监测点X方向位移图和开挖距离-坡体监测点Y方向位移图。监测点1、2对应的变化趋势相似，随着开挖的推进，监测点X方向位移先正向变大又负向迅速增大，最大值分别达到0.137和-0.165m，这种来回的错动削弱了崩滑体与周围稳定山体的联系，表现为软弱岩层与下部山体的脱离，以及T0和T1裂隙的进一步拓展。随着开挖的推进，监测点Y方向位移呈现明显的阶梯状，M-1阶段两监测点位移变化不明显，均小于0.5m；到M-2阶段，靠近T1的监测点2出现了较大程度的位移，最大达到1.9m；到M-3阶段两监测点位移突然增加，最大达到了3.9m。从三维的位移演变图和投影图均可以发现，位于崩滑体两侧的两监测点的位移发展趋势十分相似，印证了坡体是作为一个整体而发生崩滑。崩滑体位移有明显的时空效应，随着开采工作的进行，有整体下坐和背离T1裂隙的位移趋势，这与实际情况较为符合，如图6所示。

图6 监测点1、2三维位移演变图及投影图

3.2 山体崩滑的裂隙发生、发展的时空规律分析

随着铁矿开采工作面的推进，裂隙首先发生在矿道上覆的岩层之中，然后沿着原始的两组优势节理，裂隙的发育区域和裂隙的宽度都进一步发展。裂隙由离矿道最近的P11q岩层逐渐向上发育，此时裂隙最大宽度达到0.43m，如图7a）所示。M-2开采完毕时拓展到P31q岩层，最大裂隙宽度达到2.6m，并且已经有新生裂隙发育至软弱夹层，如图7b）所示。M-3阶段开采完毕，裂隙已经拓展至坡表，在崩滑体前沿和后沿都形成了明显的裂隙带。但裂隙呈现不同的发育方式，坡体前沿向坡表方向发育主要斜裂缝，且在其周围有数条细微裂隙并行发育，并随开采工作面推进逐渐加宽，开采工作完毕后，都逐步发育成了大裂缝。后沿坡体主要沿岩层面发育许多横向裂缝和短小的竖向裂缝，并有较大的整体坍落延伸到坡表，如图7c）、图7d）。两条裂隙带对山体的稳定性和整体性都造成较大削弱。

M-2开采完毕时，T1裂缝已经发育并贯穿到软弱夹层，如图7e）。此时对应的采空长度为440m，在重力的作用下，崩滑体发生整体错落。此时崩滑体与西侧稳定山体分开，几乎失去了西侧山体对崩滑体的阻滑作用，形成了未来崩滑体将与T1裂缝彻底脱开并沿着软弱夹层崩滑的条件。M-3阶段开采时，山体后沿的裂隙带发育明显，对后部稳定山体的稳定性和阻滑能力均有降低，如图7d）。

图7 鸡尾山裂隙时空演化发展

为了进一步阐明软弱夹层对崩滑发生产生的影响，在对模型进行全面统计后，绘制了软弱夹层与上部崩滑体及下部稳定岩体的脱离距离与开采距离的关系图，如图8所示。M-1阶段，前三种工况脱离距离为0，软弱夹层与上下岩体稳定连接，开采完毕时（开采距离200m），脱离长度发生突变，这一突变来源于新生裂隙已经从采空区顶板发育到软弱夹层所在高度，将软弱夹层切割成细小的岩块独立于周围岩体，如图9a），长度在采空区上方12.3m范围内。在M-2开采过程中，脱离的距离缓慢增加，到这一阶段在第400m开采完毕时再次发生突变，脱离距离达到84.8m，此时新生裂隙加宽，软弱夹层被大范围切割成矩形块体，并沿着软弱夹层发育细微裂隙，如图9b）。进入M-3阶段，脱离长度马上发生突变，发展到98.4m，并进入快速的脱离过程，认为崩滑已经开始。三个阶段全部开采完毕时，长度发展到248.7m，裂隙变大，夹层与稳定山体脱离，并跨过深大裂隙延伸到稳定阻滑山体，如图9c）。

图8 软弱夹层脱离长度演变图

图9 鸡尾山软弱夹层脱离时空演化图

3.3 采动作用下裂隙发育、坡体随深大裂隙贯通失稳破坏机理的力学模型解释

将P1m、P1q和软弱夹层简化为存在一条大裂缝的适筋斜梁，矿层及下部的山简化为砌体，斜梁与砌体可靠连接。未开采时，斜梁在自重和砌体支持力作用下平衡，二者稳定存在，如图10a）。采空时，部分砌体从斜梁下部被抽出，斜梁失去了大部分支撑，被放置在砌体上，如图10b）。因此，可以将采空范围内的山体简化成仅在自重作用下的简支斜梁，如图10c）。

图10 崩滑体力学模型随开采演化图

由内力分析可知：斜梁全跨受弯，跨中最大；剪力跨中为零，支座处最大；轴力跨中为零，支座处最大，上半部分为拉应力，下半部分为压应力。在这种复合应力状态下，裂缝可能的发生情况提供如下分析思路：适筋斜梁水平，跨中挠度最大，支座附近弯剪区段内，下边沿主拉应力接近水平，由于混凝土和岩体的抗拉强度均较小，当达到材料极限拉应变时，梁下边沿出现一些竖向新生裂隙，在弯剪复合应力状态下，主拉应力方向改变，竖向裂隙斜向发育，形成一系列弯剪斜裂缝；适筋斜梁竖直时，简化为在自重作用下的大偏心受压柱，截面一侧受压一侧受拉，受拉一侧产生横向裂缝，并有较大的侧向挠度；斜梁处于由水平梁到大偏压柱的过渡状态，裂隙发育情况应处于两极端情况间的某个特定状况，并兼具二者特点，即：在中间位置产生大挠度；上部支座处，梁在受弯、剪时发育斜裂缝，并在斜梁上部轴力表现为拉应力的情况下，裂缝加宽；偏心受压时支座处裂隙发育不明显。这与上述数值模拟结果的裂隙发育情况是一致的。

大裂缝对斜梁的承载力影响显著。应在裂缝位置发生应力集中，当支座越过大裂隙时，随采空区扩大，支座两侧出现位移差，山体可能沿着裂缝处发生岩体整体剪断。但由于山整体的强度和刚度很大，且以软弱夹层为界，存在刚度和强度相差很大的两组截面，软弱夹层与裂隙截面处刚度与强度远远小于相同截面处软弱夹层与下部山体的刚度与强度，导致剪断率先发生在裂缝与软弱夹层之间，如图10c），表现为崩滑体错落。