吴榕真，舒应秋，李志强，关云泽

（华能伊敏煤电有限责任公司 伊敏露天矿，内蒙古 呼伦贝尔 021134）

在露天矿山治理工程中，边坡的治理问题占有重要的地位，沉积地层的特点使得含有弱层的边坡成了矿山建设中的棘手问题[1-3]。泥岩弱层的力学性质通常较差，强度较小，对边坡的上部岩土体稳定性有着严重的影响[4]。同时在降雨条件下，随着雨水入渗，坡内土体含水率增加，孔隙水压力上升，基质吸力减小，胶结物质受到侵蚀，抗剪强度进一步降低，甚至有可能在边坡内形成更加软弱的弱层，进一步降低边坡的稳定性，易产生失稳现象[5-6]。

边坡稳定性极易受到外界气候的影响，尤其是大气降雨，导致大量边坡滑坡失稳事故都发生在降雨天气[7-8]。目前有关水对边坡稳定性影响的研究基本都集中在水压力作用上，因为水压力能够使原本发育不完全的裂隙发生持续的受压张裂，加剧岩体的不完整性，可见水压力对边坡稳定性有着不可忽视的影响。王述红等[9]研究了浅层强透水的双层土质边坡降雨渗流特征，通过实验室实验的方法对2 种类型的土进行了建模分析，根据土体内的基质吸力情况研究了饱和与不饱和区域的影响。在关于降雨影响露天矿边坡稳定性的问题上也有了很多相关研究，胡静云[10]针对某萤石露天矿受到强降雨停产这一问题，采取了临滑体表面位移监测、滑裂面工勘、强风化岩室内物理力学参数试验、应急剥离临时境界设计与剥离施工等应急治理措施。

然而目前在研究水对边坡稳定性的影响问题时，基本都是集中在研究孔隙水压力的影响上，对岩体遇水软化这一问题的考虑并不够充分，未能将孔隙水压力的影响与岩体遇水软化相结合，并在边坡稳定性研究中进行分析。水对泥岩的弱化作用是十分明显的，泥岩内含水量的增加加剧了泥化程度，而且开采活动造成的卸荷效果也会给泥岩的蠕滑变形带来促进作用。如张彧等[11]通过实验推导出了盐渍土的含水量和抗剪强度变化关系函数，建立了简化的路基含水量-强度参数等值分层计算模型，利用GeoStudio 中SLOPE/W 模块对盐渍土边坡稳定性进行了分析，该研究仅为岩体遇水后的强度变化对稳定性影响，而未结合孔隙水压力进行研究。

结合上述研究发现，目前大多数针对边坡水体对稳定性影响的研究中，均未能实现对孔隙水压力作用和软岩遇水后强度弱化的全面综合研究。在FLAC3D软件中，可以通过对岩体赋值来进行边坡稳定性的分析，同时也能实现孔隙水压力的耦合分析，并模拟出边坡的宏观变形及失稳模式[12-13]。

1 基于极限平衡理论的稳定性计算方法

1.1 含水边坡滑移理论模型

在露天煤矿的沉积岩岩层中，往往会存在着渗透性极差的泥岩弱层，潜在滑移面的下部一般都是出现在泥岩弱层与相对较硬下部岩层的接触位置，同时，因为泥岩渗透性差的这一性质，使得降雨后形成的浸润线位于泥岩弱层上方，从而对滑移条块的底部产生弱化作用。含水边坡滑移示意图如图1。

图1 含水边坡滑移示意图

图中：Wi为条块的重力，kN；Ti、Ti+1为竖直面上的剪切反力，kN；Ei，Ei+1为竖直面上的水平反力，kN；αi为条块底面中点处的倾角，（°）；li为条块的底部弧长，m；Ui为底滑面上的平均压强，kPa；Si、Ni为底滑面上的剪切及垂直反力，kN。

1.2 含水边坡的稳定性计算方法

将圆弧滑面进行分条，边坡的安全系数Fs计算公式为：

式中：c 为转动滑面上的单位黏聚力，kPa；φ 为转动滑面上的内摩擦角，（°）。

简化Bishop 法中Ei-Ei+1=0，分析其受力状态，由此可以得到每个条块受力的平衡状态为：

式中：Fsi为i 各条块的安全系数。

令Ti-Ti+1=0，得到转动滑移范围的安全系数Fs的Bishop 简化计算式：

由式（4）可见，滑面位置岩体的黏聚力和内摩擦角决定了安全系数的值，而饱水的极限理想黏土的内摩擦角为0，因此式（4）可简化为：

由此可见水会对黏性土抗剪强度参数c、φ 产生极大的减弱作用[14]，且在式（4）中可以发现同时增加水压力Ui，能够明显降低安全系数的值，从而影响边坡稳定性。所以水对边坡稳定性的影响是从降低岩体力学强度和增加水压力2 个方面产生作用的。

3 东帮的FLAC3D 模拟分析

3.1 各岩层的性质及力学参数

1）地层的原岩力学参数。研究对象为伊敏露天矿东帮采掘结束后未排土时的最终边帮状态，边坡所含岩层主要有杂黏土、泥岩、泥质粉砂、砂砾石、粉细砂、砂岩。东帮各岩层的力学参数见表1。

表1 东帮各岩层的力学参数

2）泥岩层遇水弱化后的强度。其中泥岩层作为边坡体中的相对弱层，其强度参数受到水的影响也最大，饱水后的黏聚力c 衰减到59.28×104kPa，内摩擦角φ 衰减到15.69°。因此在进行对孔隙水压力作用和软岩遇水后强度弱化作用的综合研究时，可作为重点研究对象加以分析。

3.2 FLAC3D 中复杂水体的流固耦合方法

1）流固耦合参数赋值流程。FLAC3D软件需要先将实体模型进行网格划分，再对划分出来的每个单元体进行赋值、计算。基于此可以通过单元遍历的方法将饱水单元体和无水单元体区分开来，对饱水单元体进行特定的参数赋值，增加对岩体遇水后强度弱化问题的考虑，来提高计算结果的真实度。将地层中的泥岩弱层作为研究对象，单独研究其饱水状态所带来的强度变化对边坡稳定性产生的影响，流固耦合参数赋值流程如图2。

图2 流固耦合参数赋值流程

2）FLAC3D流固耦合参数赋值实现方法。赋值过程进行了2 次条件判断，分别是弱层分组与饱水状态的判断。当分组为弱层时，继续下一步的孔隙水压力判断，进行饱和与干燥强度参数的赋值，实现了对饱水弱层岩土体的精准赋值。当分组为其他岩层时，则直接赋予相应的强度参数。饱和强度参数的赋值是通过自编fish 程序实现的，编程思路为：判断弱层的单元体水压力是否为0，将水压力不为0 的单元体放入一个全新的分组内，最后对该分组进行重新赋值。

3.3 FLAC3D 建模及模拟计算

3.3.1 FLAC3D流固耦合模型

根据平盘的标高，边坡整体上可以划分为地表的674 m 水平及下部的662、650、638、626、614、602 m 水平共7 个水平。为了在FLAC3D中进行建模分析水体产生的孔隙水压力作用和对软岩的强度弱化作用，利用seep 模块求解强降雨时的边坡体内水位线分布情况，选取降雨强度为暴雨时的极限降水量80 mm/d。从seep 模块水位线求解结果（图略）中可以看出利用seep 模块模拟出的水位线分布结果比较复杂，并非单一的1 条水位线，也正是因此使得利用FLAC3D软件进行耦合分析时，仅通过代码难以进行非常贴合的模拟。所以通过外部建模导入的方式，同时结合水位线圈中的所述代码，实现较为全面的耦合分析，得到模型边坡体中的复杂水位线（图略）。

3.3.2 FLAC3D模型计算结果

得到的边坡内孔隙水压力分布情况如图3。含孔隙水压力的区域主要分为2 部分，分别是低渗透性泥岩上部的滞水区以及下部的均匀水压力分布区。水体耦合后对边坡稳定性的影响图4。

图3 水体耦合后边坡内孔隙水压力分布情况

东帮边坡不含水的计算结果如图4（a），利用图4 中求解得到的水压力分布情况求得水体耦合后的边坡稳定性计算结果如图4（b），该计算结果展示的是东帮边坡体的x 方向位移，并将两种状态的位移值调整为相同的云阶同时展示。

图4 水体耦合后对边坡稳定性的影响

3.3.3 模拟分析

根据图4 中的位移计算结果可以发现，在没有水的影响时，边坡产生较大位移的位置仅在662 m水平和650 m 水平（2 个台阶的岩性主要为泥岩），而且向下部延伸的范围很小。然而当水体单元耦合后，边坡坡面出现了很大范围的位移，从最高的674 m 水平一直延伸到下部的602 m 水平，可见降雨对边坡稳定性的影响是整体性的，而且会加剧局部危险台阶的滑坡风险。此时边坡上的最大位移台阶依然是岩性为泥岩的662 m 水平，但是最大位移量增加了近0.2 m。无水状态下的东帮使用强度折减法计算得到的安全系数为1.965，当水体耦合后，安全系数降到了1.512，降低了18 %，可见水对边坡稳定性的影响是很大的。因此在发生强降雨时，应该着重关注边坡的位移监测，防止出现滑坡事故。

4 结语

1）通过总结当前含水体边坡稳定性的研究现状，总结出了目前只单独研究孔隙水压力的局限性和弊端，由此提出了水体对边坡稳定性产生影响是通过产生的孔隙水压力作用和对软岩的强度弱化作用共同实现的。

2）通过分析和推导边坡的安全系数计算公式发现，水对边坡安全系数的影响主要是通过增加水压力和降低岩体强度参数来进行的，与研究探讨的假设一致。

3）通过使用FLAC3D软件，提出了一种新的水体单元耦合方法。该方法能够快速的耦合复杂形状的水体单元，使得模拟结果与实际更为贴切，降低了模拟的误差，并能够通过自编代码实现了对含水岩体的弱化强度参数单独赋值。

4）在FLAC3D数值分析软件中，x 方向位移云图展现出了强降雨对东帮边坡位移特征的影响，由无水状态下的局部台阶变形转变成了由上至下的大范围滑移变形。