南山滑坡機(jī)理及穩(wěn)定性研究

秦瑞森，余 哲

（1.太原煤氣化股份有限公司，山西 太原 030024；2.太原理工大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，山西 太原 030024）

南山滑坡機(jī)理及穩(wěn)定性研究

秦瑞森1，余 哲2

（1.太原煤氣化股份有限公司，山西 太原 030024；2.太原理工大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，山西 太原 030024）

經(jīng)對南山滑坡體勘探、監(jiān)測資料的分析，查明滑坡體的形態(tài)、規(guī)模、結(jié)構(gòu)，并對滑坡體產(chǎn)生的原因進(jìn)行了剖析，闡明了滑坡體的穩(wěn)定狀態(tài)，提出了滑坡體治理措施，可為類似條件滑坡體的防治有所借鑒。

滑坡；機(jī)理；穩(wěn)定性；災(zāi)害治理

在山區(qū)，尤其有采礦行為的山區(qū),滑坡災(zāi)害已成為僅次于地震和火山之后的全球性三大地質(zhì)災(zāi)害之一，滑坡帶來的問題是非常嚴(yán)重的。近年來隨著，煤炭開采速度加快，采空區(qū)越來越多，山區(qū)滑坡問題也顯得越來越突出,南山滑坡就是其中極具代表性的一個。2008年9月中下旬，南山山頂出現(xiàn)多處地表裂縫，在山腳部位形成地面隆起或下陷，鐵路專用線外移變形，公路路基開裂、排水溝上隆、護(hù)坡變形，山頂處移動公司信號轉(zhuǎn)播塔傾斜，附近洗煤廠職工生活用房地基下沉、房屋破裂、嚴(yán)重?fù)p壞。南山坡體的移動和變形嚴(yán)重威脅著公路、鐵路交通安全。為了弄清楚該滑坡體的滑坡機(jī)理，首先對滑坡體進(jìn)行了現(xiàn)場調(diào)查，同時采取了地球物理探測等必要的技術(shù)手段。通過瑞典圓弧法數(shù)值分析、力學(xué)分析及定期現(xiàn)場監(jiān)測對滑坡體滑坡機(jī)理及穩(wěn)定性進(jìn)行了全面的評價研究。

1 滑坡的工程地質(zhì)狀況

1.1 滑坡地貌

滑坡體東西長約334 m，南北長約210 m，高差110 m左右，滑坡體坡面走向?yàn)镹W 54°，傾角約30°，滑坡區(qū)面積約7萬m2，體積約385萬m3。頂部有20m多的黃土覆蓋層，下部為易分化的松軟巖層?；麦w坡角部位有鐵路專運(yùn)線、鄉(xiāng)鎮(zhèn)公路以及季節(jié)性河流。見圖1。

1.2 滑坡體的巖土組成

滑坡區(qū)分布的地層為第四系全新統(tǒng)地層和侏羅系下統(tǒng)珍珠沖組（J1z）、自流井組（J1-2z）和三疊系上統(tǒng)須家河組（T3xj）?；轮饕l(fā)生在第四系滑坡堆積層（Q4del）和第四系全新統(tǒng)崩坡積層（Q4col+dl）?；麦w主要由粉質(zhì)粘土夾碎塊石及強(qiáng)風(fēng)化砂泥巖組成,屬于土巖混合型滑坡,滑體范圍內(nèi)的巖體結(jié)構(gòu)松散,含水量高,不穩(wěn)定、易變形。

區(qū)內(nèi)主要含煤地層為石炭系上統(tǒng)太原組和二疊系下統(tǒng)山西組。太原組平均厚度113.13m，含煤6層，即 8、8下、9、10、12 號煤層，煤層總厚度 5.93 m，含煤系數(shù)5.2%，其中可采煤層2層（8、9號煤層）。山西組平均厚度41.5 m，含煤6層，即02、03、1、2+3、4、6、7、7下號煤層，煤層總厚度 4.56 m，含煤系數(shù)11.0%，其中可采煤層2層（2+3、4號煤層）。

圖1 滑坡體的地形、地貌

2 地面地球物理探測

地球物理探測采用了地面氡氣測量和地面瞬變電磁測量（TEM）探測。為能有效地得到地下采空區(qū)和斷層的位置，地面測點(diǎn)的布設(shè)原則是：根據(jù)已有的采掘工程平面圖，結(jié)合地形的具體情況進(jìn)行布設(shè)。測線具體布設(shè)是根據(jù)地形的情況，各測線長短不一；在有建筑物處、地形復(fù)雜地帶不能布設(shè)測線。

2.1 氡氣測量

布設(shè)2條測線，進(jìn)行氡氣測量探測。S1測線北西～南東向布置，通過分析測量數(shù)據(jù)，劃定2、10、18和24號點(diǎn)為采空區(qū)邊界；11～17、25～34號點(diǎn)為采空區(qū)，3、7、16號點(diǎn)為斷層經(jīng)過點(diǎn)。S2測線北西～南東向布置，劃定2、7、15號點(diǎn)為采空區(qū)邊界，2～7號、15～20號點(diǎn)為采空區(qū)，6號點(diǎn)為斷層經(jīng)過點(diǎn)。

2.2 瞬變電磁法試驗(yàn)

瞬變電磁法觀測數(shù)據(jù)經(jīng)校正和處理后，根據(jù)瞬變電磁電壓測道曲線計算出視電阻率，輸出了視電阻率剖面圖（見圖2），同時做出了測氡剖面圖。

通過活性炭測氡剖面、瞬變電磁中晚期測道的曲線（見圖3）、瞬變電磁測線視電阻率剖面等手段，根據(jù)分布不同區(qū)域16條測線的測點(diǎn)數(shù)據(jù)，得出了采空區(qū)位置、采空區(qū)邊界點(diǎn)以及斷層經(jīng)過點(diǎn)。

由視電阻率剖面圖知，在深度約160m處，瞬變電磁測線測點(diǎn)均出現(xiàn)高阻異常或現(xiàn)低阻異常，推斷是由地下采空引起。

圖2 瞬變電磁視電阻率剖面圖

圖3 瞬變電磁多測道剖面圖

3 瑞典圓弧法數(shù)值分析

邊坡穩(wěn)定性分析采用極限平衡法，采用瑞典圓弧法進(jìn)行計算分析。確定最危險滑弧的位置及最小安全系數(shù)。

按條分法對不穩(wěn)定地質(zhì)體進(jìn)行穩(wěn)定性分析，將不穩(wěn)定地質(zhì)體分為若干寬度為b=0.1R的巖土條（R為滑弧半徑），0號巖土條中線應(yīng)與過滑弧圓心O的垂線重合。計算示意圖，見圖4。

圖4 瑞典圓弧法計算示意圖

求出各巖土條的重量、滑動力、抗滑力，則不穩(wěn)定地質(zhì)體的穩(wěn)定安全系數(shù)可以按下式計算：

K=阻止各巖土條滑動的抗滑力矩總和/各巖土條的滑動力矩總和＝∑｛（Wi+Vi）comαit anφi+cili｝/∑｛（Wi+Vi）si nαi｝.

式中：Wi為各巖土條的重量，Wi=γibhi；αi為過各巖土條中線的滑弧半徑與滑弧圓心線的法線的夾角；φi為各層巖土的內(nèi)摩擦角，ci為各層巖土的粘聚力；li－αi所對應(yīng)的滑弧長度，γi為各層巖土的重度；hi為第i條巖土高度，Vi為第i條巖土受到的地震慣力根據(jù)對不穩(wěn)定地質(zhì)體數(shù)值模擬得出，在自然狀態(tài)下，不穩(wěn)定地質(zhì)體處于準(zhǔn)穩(wěn)定狀態(tài)，由于采煤沉陷影響，加劇了山體不穩(wěn)定程度，導(dǎo)致不穩(wěn)定地質(zhì)體的滑移。

4 力學(xué)分析

由于山頂區(qū)域有地下采煤沉陷影響，采空區(qū)上部沉陷帶垂向塌陷過程中，向兩側(cè)產(chǎn)生側(cè)向擠壓力，加劇了山體不穩(wěn)定程度。山體下沉中，應(yīng)力轉(zhuǎn)移、釋放，使山體側(cè)部由下沉轉(zhuǎn)為向北西方向側(cè)向滑移，形成不穩(wěn)定地質(zhì)體。

公路和鐵路的護(hù)坡坡腳巖性以砂巖為主，巖層較為堅硬，本身就是應(yīng)力集中區(qū)，在該處極容易形成裂隙比較發(fā)育的破碎塊體，加上地質(zhì)體本身存在較大的下傾斷層面。

由于采煤形成采空區(qū)，導(dǎo)致采空區(qū)上覆巖層應(yīng)力分布形成彈性區(qū)與塑性區(qū)分段分布，在交接處形成應(yīng)力峰區(qū)，即上覆巖層減壓帶與增壓帶的交界面。該交界面是采空引起巖層破斷應(yīng)力轉(zhuǎn)移的關(guān)鍵部位，是卸壓拱腳的上覆巖層。采空區(qū)上覆巖層形成卸壓拱，承受上覆巖層載荷并把其傳遞給拱腳巖層。基于這樣的力學(xué)傳遞規(guī)律，加上本身地質(zhì)體中斷層面的存在，在巖層斜向下的壓力（傳遞合力）分解為上滑分力和支撐分力，其上滑分力會推動破碎塊體沿著結(jié)構(gòu)面或斷層面上移（圖5）?；谝陨显颍谄履_處就會出現(xiàn)隆起、地裂縫等現(xiàn)象。

圖5 滑移變形受力分析示意圖

5 結(jié)束語

通過對南山滑坡體的勘測及數(shù)值力學(xué)分析可得出以下結(jié)論:

1）南山滑坡體地處河流附近，滑坡體北西方向和南東方向地貌形態(tài)存在著不均衡性差異，山腳地帶的筑路活動，破壞了山體穩(wěn)定性，使得山體處于準(zhǔn)穩(wěn)定狀態(tài)。滑坡區(qū)域巖石破碎，風(fēng)化強(qiáng)烈，巖性軟弱，透水性差,遇水易軟化變形，具膨脹性為山體的滑坡提供了有利的地質(zhì)結(jié)構(gòu)條件。

2）通過物理探測，探明了該滑坡體周邊區(qū)域巖層組成、巖性特征、地質(zhì)構(gòu)造以及開采情況。

3）由于滑坡體上部存在采空區(qū)，通過力學(xué)分析，采空區(qū)上部沉陷帶垂向塌陷過程中向兩側(cè)產(chǎn)生側(cè)向擠壓力，加劇了山體不穩(wěn)定程度，使得處于準(zhǔn)穩(wěn)定狀態(tài)的山體下沉應(yīng)力轉(zhuǎn)移、釋放，山體側(cè)部由下沉轉(zhuǎn)為向北西方向側(cè)向滑移，形成不穩(wěn)定地質(zhì)體。采空區(qū)上方山頂部位沉陷帶以垂向下沉為主，側(cè)方山坡部位水平位移與垂直下沉速率相近，山腳部位以水平位移為主。公路位于開采移動變形影響的邊界處，在坡體向北西方向推移后，公路與坡體相交處出現(xiàn)地表拱起現(xiàn)象。

4）通過取典型斷面對邊坡進(jìn)行數(shù)值模擬分析表明，邊坡處于蠕動狀態(tài)。變形主要處于巖土體表層，即只有淺層和中層滑面，以拉裂破壞為主，潛在滑面未見變形。

5）滑坡體治理采取對不穩(wěn)定的頂部刷方減載，坡體裂縫進(jìn)行回填并修建地表截排水系統(tǒng)，對鐵路北側(cè)護(hù)坡采取錨桿加固措施。

[1]巖土工程勘察規(guī)范(GB50021-2001)[S].北京:中國建筑工業(yè)出版社，2002.

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[4]徐邦棟.滑坡分析與防治[M].北京:中國鐵道出版社，2001.

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Study on Mechanismand Stability of Nanshan Landslide

QIN Rui-sen1,YU Zhe2
（1.Geol ogi calSurvey Depart mentofTai yuan CoalGasi f i cat i on Co.,Tai yuan Shanxi030024，Chi na;2.Col l ege ofmi ni ng Engi neeri ng,Tai yuan Uni versi t y ofTechnol ogy,Tai yuan Shanxi030024,Chi na）

B y the analysis on the exploring and monitoring data of Nanshan landslide, the study determines the form,scale and structure of the landslide,analyzes the reasons,presents the stability situation,and proposes the treatment measures,which could be useful for the similar landslide hazard prevention.

landslide;mechanism;stability;hazard controlling

TD824.7

A

1672-5050（2010）12-0051-03

編輯：徐樹文

2010-09-14

秦瑞森（1960—），男，河北獻(xiàn)縣人，大學(xué)本科，高級工程師，從事地質(zhì)測量管理工作。