Characteristics of strength reduction in the weak layer and large-slip displacement of the cut slope on the Fushun west open-pit mining area
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摘要: 软弱夹层的强度衰减特性是顺层岩质边坡失稳的关键因素之一。选取抚顺西露天矿南帮边坡为研究对象，通过UDEC数值模拟方法，结合离散元理论，建立南帮顺层边坡二维离散元模型，开展南帮边坡弱层强度衰减特性及滑坡大变形规律研究。通过不同围压下的三轴试验，拟合得到弱层残余强度随时间衰减曲线，并通过FISH语言实现数值计算过程中弱层强度随拟合方程进行衰减。数值模拟结果表明：坡脚处最先产生变形，随着开挖的不断进行，弱层强度逐渐衰减，坡顶后缘被拉裂，原有应力平衡被破坏，滑坡体沿弱层产生滑动。通过建立回填数值模型进行边坡稳定性得知，采取压脚回填100 m以后，边坡稳定系数得到了明显的提高，边坡处于基本稳定状态。Abstract: The strength attenuation characteristics of the weak interlayers are one of the key factors leading to instability of the bedding rock slopes. In this study, the Nanbang slope of Fushun west open-pit mine was selected as the research object. A two-dimensional discrete element model of the Nanbang bedding slope was established using the UDEC numerical simulation method in combination with the discrete element theory, and the strength attenuation characteristics and large deformation law of the weak layer were studied. The residual strength decay curve of the weak layer over time was obtained by fitting the results of triaxial tests conducted under different confining pressures, and the FISH language was used to implement the attenuation of weak layer strength during numerical calculations according to the fitting equation. The numerical simulation results showed that deformation first occurred at the toe of the slope. As excavation continued, the strength of the weak layer gradually decreased, resulting in the trailing edge of the slope top being pulled apart, and the original stress balance being destroyed. Eventually, the landslide body slides along the weak layer. By establishing a backfilling numerical model for slope stability, it was found that after backfilling with a presser foot for 100 m, the slope stability coefficient had significantly improved, and the slope was in a basically stable state.
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Keywords:
- layered slope /
- numerical simulation /
- discrete element /
- weak interlayer /
- strain softened
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0. 引言
地面沉降是世界范围内普遍发生的缓变地质灾害[1]，中国已有超过50 个地区均发生过不同程度的地面沉降[2-4]，其中京津冀平原是中国地面沉降影响面积最大的区域。天津作为京津冀地区的重要港口城市，地面沉降灾害具有松散层巨厚、含水层结构极其复杂、地下水开发历史久、沉降监测序列长等特点，是展现地面沉降灾害发生、发展、治理全过程的最具代表性的城市之一[5]。
天津市地下水开发利用历史悠久，1898年第一口供水井在中心城区建成，到1948年天津市年平均抽水量达到4.00×104 m3/a[6]，1949年以来天津市经历了快速的经济发展和城市化建设，天津市地面沉降主要经历了6个阶段[7-8]：
① 沉降发生（1923—1957年）：中心城区地下水开采量为2.00×106～1.20×107 m3/a，平均沉降速率7～12 mm/a；
② 分散式发展（1958—1966年）：中心城区地下水开采量增加至1.20×107～4.70×107 m3/a，平均沉降速率30～50 mm/a；
③ 急剧发展（1967—1985年）：中心城区地下水开采量达到1.00×108～1.20×108 m3/a，平均沉降速率达到80～100 mm/a，沉降中心范围进一步扩大；
④ 初步治理（1986—1995年）：天津市实施三期三年控沉计划，集中治理地面沉降，将中心城区的地下水开采量降至1.30×107 m3/a左右，平均沉降速率降至15 mm/a左右；
⑤ 综合治理（1996—2010年）：寻找替代水源，沉降速率明显减缓，中心城区地下水开采量降至1.30×106 m3/a，平均沉降速率降至10～15 mm/a；
⑥ 沉降新形势（2010—）：通过采取一系列积极有效的综合防治措施，天津市平均沉降量持续减小，全市平原区年平均沉降量控制在18 mm以内，中心城区地面沉降速率降低到10 mm/a以下。
经过几十年的努力，天津市的控沉工作取得了一定的成果，但作为滨海城市，与上海等地年沉降速率控制在6 mm以下相比，天津市用水短缺问题仍然存在，地下水超采问题依然突出，地面沉降防控形势依然严峻。
天津市的地面沉降问题得到了学者们的广泛关注[9-10]，针对天津市地面沉降监测、地面沉降成因、地面沉降治理等方面也开展了诸多研究。张姣姣等[11]利用分层标监测数据和地下水位长期观测数据，结合地层固结特征以及黏性土物理力学性质，详细阐述了天津市西青区地面沉降特征；Cui等[12]建立了天津平原地下水与地面沉降耦合数值模型，研究1998—2008年的地下水资源及其变化，并预测未来地下水位和相关地面沉降的变化模式；郑玉萍等[13]研究了各类自然因素对天津市地面沉降的影响；朱庆川等[14]利用层次分析法等多种数学方法对天津市地面沉降影响因素进行定量分析。针对天津市全市域的地面沉降演化研究，多数仍集中于地面沉降综合治理阶段，且并未重点关注地面沉降严重区（年沉降量大于50 mm区域）的演化规律研究。目前，天津市大范围的地面沉降已得到基本控制，天津市地面沉降从大面积治理过渡到小区域精准防控，为实现地面沉降“削峰”的目标，有针对性地实施控沉措施，地面沉降年沉降量不再是衡量沉降严重性和沉降治理成效的唯一指标，地面沉降严重区面积也是一个十分重要的衡量标准。准确掌握新形势下地面沉降严重区分布特征及演化规律，对于预测未来地面沉降发展趋势、采取主动、有效的沉降控制对策以及天津市安全、绿色、健康发展均具有重要意义。
1. 研究区概况
天津市地处华北平原东北部，东南临渤海，北依燕山山脉，西北部为我国首都北京市和河北省，区内水运、铁路、航空、公路四通八达，交通十分便捷。天津市属暖温带半湿润大陆季风气候，四季分明，夏季炎热多雨，冬季寒冷干燥，年平均气温11～12 °C。全区多年平均降水量为582 mm/a。天津市基岩仅出露于北部低山丘陵及残丘地带，其余大部分平原地区被第四系覆盖，一般认为，第四系厚度可达550 m。天津市地面沉降多发于南部平原区松散地层地下水超采区域，北部山区主要开采基岩地下水，地面沉降现象轻微[15]。
2. 研究方法
天津市已形成一套完善的地面沉降监测网络体系，平面上以水准监测网为主，GPS和InSAR监测为辅，垂向上以分层标组监测为主要手段，并和均布全市的地下水位长期观测井结果相互验证。自1985年开始，天津市开展大范围地面沉降水准监测工作，监测频率为每年一次，截至2020年，已积累了35年的地面沉降水准监测资料，监测面积由最初的2400 km2扩展到现在的约1.1×104 km2，覆盖天津市全部地面沉降区域[16]。每年地面沉降水准监测工作集中于秋季开展，历时约2月，通过将水准测量数据与全市范围内23个GPS连续监测站的同期观测数据联合处理获取地面沉降监测结果。本文通过收集整理2010—2020年地面沉降水准监测、地下水位动态监测、地下水开采量数据，利用数理统计和ArcGIS软件空间分析的方法分析新形势下天津市地面沉降严重区的分布特征及演化规律。为减少因极端气候变化对地面沉降防控评估工作的影响，当年地面沉降值采用近3年平均值（以2019年为例：2019年现状值即为2017—2019年平均值）。
3. 地面沉降严重区分布及演化特征分析
自2010年起，天津市地面沉降严重区面积以2012年为分界线，整体呈现先增大后减小的趋势，由2012年的1722 km2减小至2020年的576 km2。全市年平均沉降量（区域年平均沉降量：区域范围内每年发生的地面沉降总体积与区域面积的比值）变化趋势与地面沉降严重区面积基本相似，由2012年的27 mm降至2020年的17 mm（图1）。
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图 1 天津市年平均沉降量及沉降严重区面积变化趋势图Figure 1. Time-history curve of annual average subsidence and changes in severe subsidence zone area in Tianjin from 2010 to 2020由图2、图3可见，天津市地面沉降严重区集中分布于环城四区（东丽区、西青区、津南区、北辰区）、滨海新区、武清区和静海区等区域。2010—2012年，各区地面沉降严重区面积均呈现增大趋势；2012—2014年间，环城四区、滨海新区沉降严重区面积开始稳步减小，而武清区、静海区沉降严重区面积仍持续增大，因此，2010—2015年，天津市全市平均沉降量基本持平，环城四区等老地面沉降严重区沉降形势有所减缓，但武清区南部、滨海新区东北部等新地面沉降严重区也在逐步显现。2016年起，天津市各区地面沉降严重区面积减幅明显，特别是环城四区和滨海新区，地面沉降严重区面积基本控制在50 km2以下，全市平均沉降量也持续减小，地面沉降治理成效显著。至2020年，天津市基本形成了如图2（d）所示的5个沉降严重区，多数集中分布于天津市西南部。
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图 2 天津市平原区地面沉降情况对比图Figure 2. Comparison of land subsidence distribution in the plain area of Tianjin![]()
图 3 天津市各区地面沉降严重区面积变化趋势图Figure 3. Time-history curve of areas with severe land subsidence in Tianjin from 2010 to 20204. 地下水漏斗分布及演化特征分析
天津市地面沉降与地下水开发利用存在密切联系。如图4、图5所示，天津市平原区深部含水组地下水位降落漏斗（水位埋深等值线大于40 m的区域）分布范围与地面沉降严重区基本位置一致，覆盖了A-E 5个沉降区。
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图 4 天津市第Ⅱ含水组水位等值线图注：据2013、2016、2019年《天津市水资源公报》。Figure 4. Groundwater level contour map of the second water-bearing group in Tianjin![]()
图 5 天津市第Ⅲ含水组水位等值线图注：据2013、2016、2019年《天津市水资源公报》。Figure 5. Groundwater level contour map of the third water-bearing group in Tianjin结合图6可见，自2010—2012年起，天津市平原区深部第Ⅱ含水组地下水位降落漏斗面积呈现波动变化，先增大后减小；2012年以后地下水位降落漏斗面积整体呈现减小趋势，与地面沉降严重区面积和全市年平均沉降量变化趋势一致，而且沉降的峰值出现时间明显晚于水位的峰值出现时间，也体现了地面沉降对地下水开采的滞后效应。第Ⅲ含水组地下水位降落漏斗面积呈现先减小后增大趋势，这主要是由武清—宝坻—宁河一带埋深等值线大于40 m区域面积增大引起的；第Ⅲ含水组水位埋深等值线大于60 m的漏斗区域面积整体呈现先增大后减小趋势，2016年出现拐点，与前述分析的2016年之后天津市地面沉降严重区面积和年平均沉降量减小相对应。
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图 6 天津市深部含水组地下水位漏斗面积变化趋势图（2010—2020年）Figure 6. Time-history curve of groundwater level drop funnel area in deep water-bearing group of Tianjin from 2010 to 2020同时，2013—2019年，第Ⅱ、Ⅲ含水组地下水位降落漏斗中心水位整体呈现减小趋势。2019年，第Ⅱ含水组已不存在埋深大于80 m区域，第Ⅲ含水组已不存在埋深大于90 m区域。
5. 地面沉降防治措施及建议
深层地下水的主要排泄方式是人工开采，其水位变化主要取决于人工开采量，针对地下水超采是影响天津市地面沉降的主要因素这一现状，天津市实行一系列的有效控沉措施，包括地下水开采控沉预审、地下水压采、水源转换等。由图7和图8可见，受地下水压采等多项措施的影响，自2010年起天津市深层地下水开采量呈现逐年递减的趋势，地下水位整体呈现波动式回升的趋势，与年平均沉降量减缓和地面沉降严重区面积减小的趋势相符，其中2017年以前，地下水位整体处于波动式回升，水位变化幅度较小，地面沉降减小趋势趋缓，2017年以后，地下水位开始大幅度回升，地面沉降也开始迅速下降。
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图 7 天津市深层地下水开采量变化趋势图（2010—2020年）Figure 7. Time-history curve of deep groundwater exploitation quantity in Tianjin from 2010 to 2020![]()
图 8 沉降严重区内某观测井水位及沉降动态曲线图Figure 8. Changes of ground water level and land subsidence of an observation well in severe land subsidence area in Tianjin自2010年起，在各项控制地面沉降措施和地下水压采取措施的影响下，天津市地面沉降开始呈现波动式发展；2014年，天津市正式颁布实施了《天津市控制地面沉降管理办法》，同年《天津市地下水压采方案》获批，南水北调中线工程正式通水，既缓解了用水紧张的现状，又大力压采地下水，实行地面沉降速率、地下水位、地下水开采量三元控制，天津市地面沉降形势稳中向好；2016年，天津市实施控制地面沉降分区管理，并逐步将控沉指标纳入到市政府对区政府的绩效考核评价体系中，地下水压采和控沉力度逐步加大，2017年开始，天津市地面沉降开始快速减缓，控制地面沉降工作取得了显著成效。2010—2020年，地面沉降严重区面积大幅减小，减小了67%，年平均沉降量下降了37%（沉降严重面积及年平均沉降量变化均由以下公式计算获得）。
$$ C=\frac{B-A}{A}\times 100 $$ 式中：C—地面沉降严重区面积（年平均沉降量）变化 百分比/%；
B—2020年地面沉降严重区面积（年平均沉降量）/km2（mm）；
A—2010年地面沉降严重区面积（年平均沉降量）/km2（mm）。
总结地面沉降防治措施的历史经验，结合地面沉降现状，针对天津市地面沉降的特点，对地面沉降防治措施提出建议：①完善地面沉降监测体系，实现地面沉降多频次、多手段融合监测；②加强地下水资源管理与保护，加大以地面沉降防治为导向的地下水超采治理力度，开展向地面沉降严重区调配地表水的输水工程，切实减少地面沉降严重区地下水开采量，大力推进农业节水，寻找替代水源；③开展地下水人工回灌的相关技术研究，为在地面沉降严重区开展回灌工程做技术储备，并积累运行管理经验；④建立京津冀地面沉降联防联控机制，实现信息共享，同步治理[17-20]。
6. 结论
本文通过长序列的地面沉降监测数据整理及分析，对天津市新形势下地面沉降严重区分布特征及演化规律进行归纳总结，主要得到以下结论：
（1）自2010年起，天津市地面沉降可划分为3个阶段：①2010—2012年：沉降波动期；②2013—2016年：稳中向好期；③2017—2020年：快速减缓期，且各阶段沉降变化规律与地下水开采量变化关系密切。
（2）至2020年，天津市基本形成了集中分布于西南部的5个沉降严重区，且与深部含水组地下水漏斗分布范围基本一致，10 a间地面沉降严重区面积整体呈下降趋势，减小了67%。
近年来，虽然天津市地面沉降年平均沉降量和严重区面积均完成了相关规划指标，天津市控制地面沉降工作取得了显著成效，但部分水资源严重匮乏地区的产业结构、产业布局与区域水资源条件不适应，压采难度大，周边省市地下水超采对天津市地面沉降影响明显等问题仍然存在，地面沉降问题仍然不容忽视。
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图 5 常规三轴压缩试验破坏岩样
Figure 5. Damaged rock samples in conventional triaxial compression test
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图 6 不同围压下应力应变曲线
Figure 6. Stress-strain relationship curves under different confining pressures
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图 11 南帮回填数值模型
Figure 11. Numerical model of cross-section diagram for Nanbang backfilling
表 1 弱层强度拟合参数
Table 1 Fitting parameters for weak layer strength
目标参数 a b c R2 残余强度 0.15736 0.81446 0.6931 0.99969 峰值强度 0.17003 0.34714 4.89517 0.99155 
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表 2 岩体力学参数
Table 2 Summary table of rock mechanical parameters
岩性 密度
/（kg·m−3）弹性模量
/GPa泊松比 抗剪断强度 内摩擦角/（°） 黏聚力/MPa 玄武岩 2800 7 0.14 42 0.300 花岗片麻岩 2800 8 0.2 45 0.400 弱层 2300 0.1 0.4 16.9 0.075 煤层 1300 1.2 0.24 35 0.140 油母页岩 2300 3.4 0.26 35 0.200 断层 2300 0.1 0.4 16.9 0.075 杂填土 1800 0.1 0.4 18 0.100 凝灰岩 2600 8 0.25 39 0.250
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表 3 节理力学参数
Table 3 Summary table of joint mechanical parameters
岩性 刚度参数 抗剪断强度 法向刚度
/（GPa·m−1）切向刚度
/（GPa·m−1）节理面
摩擦角/（°）节理面黏聚力
/kPa玄武岩 3.33 3.33 25 90 花岗片麻岩 5.93 5.93 45 150 弱层 1.81 1.81 20 10 煤层 2.43 2.43 25 40 油母页岩 2.77 2.77 25 40 断层 1.81 1.81 20 10 凝灰岩 3.67 3.67 28 100
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表 4 滑坡稳定状态划分
Table 4 Division of landslide stable state
滑坡稳定系数 F<1.00 1.00≤F<1.05 1.05≤F<1.15 F≥1.15 滑坡稳定状态 不稳定 欠稳定 基本稳定 稳定
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