0 引 言
断层是诱发露天矿滑坡的重要因素，尤其对于顺倾层状边坡，在断层与顺倾弱层等不利因素的共同作用下，发生了大量矿山滑坡事故[1-2]。由于断层形态对顺倾层状边坡滑移模式及稳定性的影响极为复杂，该难题已成为现阶段露天开采领域亟需解决的重要课题[3-5]。
近年来，众多学者对断层形态与边坡滑移模式及稳定性变化规律进行了深入研究，并取得了丰硕的科研成果。黄润秋等[6]从滑坡诱发因素的角度出发，分析了21世纪以来我国边坡工程领域发生的大型滑坡事故，提出地形地貌、地质结构以及地震作用是诱发滑坡的重要因素；陈凤阳等[7]采用力学理论分析的方式阐明断层倾角变化对边坡稳定性的影响规律；杨继红等[8]在分析坝体边坡断层赋存特征的基础上，通过数值模拟技术探究不同水位条件下边坡变形破坏特征，并提出合理的防渗加固措施；肖娴[9]分析了含断层边坡稳定性影响因素，并通过改进遗传算法探究断层形态对边坡滑移模式及稳定性的影响规律；李瑞青等[10]通过LS-DYNA数值模拟软件研究断层厚度、产状、断距等地质特征对边坡稳定性的影响；曹兰柱等[11]通过理论分析与数值模拟相结合的方式分析了断层形态对边坡三维稳定性的影响规律。纵观该领域研究成果，现阶段大部分研究仅分析了断层形态对边坡稳定性的影响，对于断层、顺倾弱层等不利地质结构面共同作用下边坡稳定性研究相对较少，而大量滑坡事故都是在断层、顺倾弱层等诱发因素共同影响下发生的[12-13]。例如弓长岭露天矿北帮[14]、黑山露天矿西帮[15]、哈尔乌素露天矿西帮[16]、扎哈淖尔露天矿南帮[17]等众多大型露天矿山均在断层、顺倾弱层等因素共同影响下发生过一定规模的变形及滑动。
综上所述，断层为露天矿安全生产带来严重威胁，尤其在断层与顺倾弱层共同影响下，发生了大量滑坡事故，而现阶段研究成果对于断层与顺倾弱层共同作用下边坡滑移模式及稳定性分析尚缺乏深入研究。针对该问题，笔者以元宝山露天矿东帮顺倾层状边坡为工程背景，基于现场调研、理论分析、力学测试等手段建立东帮边坡三维地质模型，并应用大型岩土工程类分析软件FLAC3D深入探究断层形态对顺倾层状边坡滑移模式及稳定性的影响规律，为该矿的东帮边坡治理提供合理化建议，同时为类似工况下边坡工程问题提供重要参考。
1 边坡工程地质条件分析
元宝山露天矿东帮边坡高度200 m，设计帮坡角20°，东帮边坡地层自上而下由第四系和侏罗系构成。其中，第四系地层岩性以砂土和砂岩为主，局部呈半胶结状；侏罗系地层岩性以细砂岩、泥岩和煤为主，为本矿山主要含煤地层。通过工程地质补堪发现，在东帮边坡坡体内部发育有4条与边坡走向方向相一致的顺倾弱层，弱层平均倾角12°，岩性以泥岩和炭质泥岩为主，具有良好的吸水性和持水性，软化程度较高。同时东帮边坡坡体内还发育有1条与边坡坡面斜交的正断层。断层倾角46°～66°，平均倾角50°，断层走向与边坡走向交角25°～40°，平均走向交角30°，断层落差200余米，走向分布长度5 km以上。东帮边坡岩体物理力学指标见表1 。元宝山露天矿东帮边坡工程地质平面图如图1所示。
表1 东帮边坡岩体物理力学指标
Table 1 Rock mass physical and mechanical index of eastern slope
地层岩性容重γ/(kN·m-3)黏聚力C/kPa内摩擦角φ/(°)第四系砂土22.2037.6砂岩21.2173.027.0侏罗系泥岩21.8109.024.7细粒砂岩20.0120.025.0煤13.160.031.0弱层18.021.516.9
由工程地质条件可知，元宝山露天矿东帮边坡属于典型的含斜交断层的顺倾层状边坡。边坡稳定性受断层和顺倾弱层共同影响，因此该边坡必然存在2种潜在滑移模式。当边坡稳定性受断层和顺倾弱层共同控制时，边坡滑移模式为剪切圆弧—断层—弱层共同构成的组合破坏；而当边坡稳定性仅受顺倾弱层控制时，边坡滑移模式为剪切圆弧—弱层共同构成的组合破坏。
2 边坡三维稳定性数值模拟
采用数值模拟技术探究断层形态对顺倾层状边坡滑移模式及稳定性影响规律。其中，数值模拟采用大型岩土工程类分析软件FLAC3D。该软件以理想弹塑性本构模型和Mohr-Coulomb强度准则为理论基础，采用混合离散技术和显式Lagrange算法，通过调整模型内网格线变形和移动的方式描述外荷载作用下材料发生的屈服流动，可真实模拟边坡岩土体应力应变关系。并基于强度折减原理循环折减岩土体强度参数直至边坡达到极限平衡状态，最终获取边坡稳定系数及最危险滑面形态[18-20]。该软件的优势在于可获取边坡剪应变增量云图、最大位移矢量云图，可准确分析边坡破坏的力学机制及滑移模式，同时该软件可真实模拟边坡工程中断层、弱层、节理等结构面，对于复杂地况具有良好的适用性[21]。
图1 东帮边坡工程地质平面图
Fig.1 Engineering geological plan of eastern slope
2.1 数值模型的建立
根据边坡工程地质条件，以前文中Ⅶ-Ⅶ′剖面和Ⅷ-Ⅷ′剖面为典型工程地质剖面，建立元宝山露天矿东帮边坡三维地质模型。模型走向长度1 200 m，倾向宽度1 200 m，高度350 m，所建立的三维地质模型如图2所示。同时，为探究断层形态对顺倾层状边坡滑移模式及稳定性的影响，通过改变断层倾角以及断层走向与边坡走向交角2种方式描述断层空间位置。改变断层倾角时，固定断层走向与边坡走向交角，以断层底界面为轴线，分别建立断层倾角为50°(初始位置)、55°、60°、65°、70°、75°、80°、85°等8种工况下数值模拟模型；改变断层走向与边坡走向交角时，固定断层倾角，以断层走向与模型交线为轴线，分别建立断层走向与边坡走向交角为30°(初始位置)、40°、50°、60°、70°、80°、90°(相当于不含断层)等7种工况下数值模拟模型。模型边界约束条件为：在模型两侧施加水平方向的约束，以保证模型在水平方向上不会发生相对错动；固定模型底界面，以保证底界面水平方向和垂直方向的位移均为0；在模型顶部和坡面不施加约束，以保证滑体可沿坡面方向自由滑出，模型中荷载的加载方式为重力加载。
图2 东帮边坡三维地质模型
Fig.2 Three-dimensional geological model of eastern slope
2.2 数值模拟结果分析
采用数值模拟技术，可获取上述15种工况下边坡滑移模式及稳定性分析结果。同时，由于三维实体模型无法直观显示边坡变形破坏特征，为更真实反映断层形态对边坡滑移模式及稳定性的影响规律，对获取的实体模型沿走向方向每隔200 m进行剖面切割。模型经过剖面切割后，断层倾角变化下边坡位移矢量云图如图3所示。
图3 断层倾角变化下边坡位移矢量
Fig.3 Slope displacement under changes of dip angles
从图3可近似描述断层倾角变化下边坡破坏模式及最危险滑面变化规律。通过对图3数值模拟结果分析可知，当断层倾角介于50°～65°时，边坡破坏模式为剪切圆弧—断层—弱层构成的组合破坏。而当断层倾角大于65°时，边坡破坏模式转变为剪切圆弧—弱层构成的组合破坏，此时断层对于边坡破坏模式及稳定性变化不产生影响。
断层走向与边坡走向交角变化下边坡位移矢量云图如图4所示，从图4可近似描述走向交角变化下边坡破坏模式及最危险滑面变化规律。通过对图4数值模拟结果分析可知，当断层走向与边坡走向交角介于30°～70°时，边坡破坏模式为剪切圆弧—断层—弱层构成的组合破坏。而当走向交角大于70°时，边坡破坏模式转变为剪切圆弧—弱层构成的组合破坏，此时断层对于边坡破坏模式及稳定性不产生影响。
断层倾角变化下及断层走向与边坡走向交角变化下稳定系数计算结果如图5所示，该图描述了断层形态对边坡稳定系数的影响规律。通过对比分析位移矢量云图和稳定系数关系曲线可知，当断层倾角小于65°时，边坡稳定系数随断层倾角的增大而增加，这是由于坡体内剪切应变逐步扩展导致断层对边坡稳定性的影响逐渐衰弱，致使边坡稳定系数有所提高。而当断层倾角大于65°时，边坡稳定系数不再发生改变，这是由于当断层倾角达到65°时，在坡体内形成了贯通的剪切圆弧滑面，边坡稳定性不再受断层控制，此时边坡稳定系数与不含断层(走向交角为90°)时边坡稳定系数完全一致。对于走向交角对边坡稳定性的影响，当走向交角小于70°时，边坡稳定系数随走向交角的增加而增大，这是由于断层走向与边坡走向相交区域内位移矢量较大，随着走向交角增加，该区域逐渐减小，因此边坡稳定系数有所提升。而当走向交角大于70°时，边坡稳定系数不再随走向交角变化而改变，这是由于此时断层走向与边坡走向相交区域较小，对边坡稳定性不产生显著影响，此时边坡稳定系数与不含断层时边坡稳定系数相等，表明断层效应彻底丧失。
图4 走向交角变化下边坡位移矢量
Fig.4 Slope displacement under changes of trend angles
图5 断层形态与边坡稳定系数关系
Fig.5 Relationship between fault morphology and slope stability coefficient
通过上述分析可知，元宝山露天矿东帮边坡破坏主要沿顺倾弱层发生相对滑移，顺倾弱层作为滑体的底滑面，提高或保持弱层强度是改善及治理边坡的关键性因素。同时当断层倾角较小或断层走向与边坡走向交角较小时，断层也是诱发东帮滑坡的重要因素，在制定边坡防护措施时也应重点考虑。
3 结 论
1)分析了元宝山露天矿东帮边坡稳定性影响因素，阐明了断层与顺倾弱层共同作用下边坡潜在滑移模式。
2)揭示了断层形态对边坡滑移模式及稳定性影响规律，当断层倾角大于65°或断层走向与边坡走向交角大于70°时，断层效应完全丧失，边坡滑移模式转变为剪切圆弧—弱层构成的组合破坏。
3)元宝山露天矿东帮边坡稳定性受顺倾弱层影响显著，保持弱层强度是治理边坡的关键性因素。同时，当断层倾角较小或断层走向与边坡走向交角较小时，断层也是东帮边坡滑坡的重要诱因。
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