平朔露天礦某黃土高邊坡滑坡成因機(jī)理分析

吳西臣，徐楊青

(中煤國(guó)際工程集團(tuán)武漢設(shè)計(jì)研究院，湖北武漢 430064)

平朔露天礦某黃土高邊坡滑坡成因機(jī)理分析

吳西臣，徐楊青

(中煤國(guó)際工程集團(tuán)武漢設(shè)計(jì)研究院，湖北武漢 430064)

從工程地質(zhì)條件、水文地質(zhì)條件及人類工程活動(dòng)等方面入手，對(duì)山西平朔煤炭工業(yè)公司某露天礦黃土高邊坡發(fā)生滑坡的成因機(jī)理進(jìn)行分析。該滑坡表現(xiàn)出明顯的牽引式破壞特征，其變形破壞過(guò)程可分為卸荷變形、蠕滑—拉裂、劇滑及趨穩(wěn)等四個(gè)階段?；诨碌某梢驒C(jī)理，提出了相應(yīng)的防治對(duì)策。

黃土高邊坡;滑坡;成因機(jī)理;防治對(duì)策

0 引言

山西平朔煤炭工業(yè)公司安家?guī)X露天礦北幫邊坡發(fā)生滑坡，滑坡體面積約6×104m2，體積約64×104m3，共有5級(jí)黃土高邊坡發(fā)生滑坡，滑體厚度最大達(dá)75 m，最大滑距達(dá)150 m，屬中型深層黃土滑坡［1］。由于預(yù)報(bào)及時(shí)，未發(fā)生人員、機(jī)械設(shè)備損壞事件，將滑坡所引起的直接經(jīng)濟(jì)損失降至最低。

本文將從滑坡區(qū)工程地質(zhì)條件、水文地質(zhì)條件和人類工程活動(dòng)等方面入手，分析該黃土高邊坡發(fā)生滑坡的成因機(jī)理，并提出一些防治對(duì)策建議。

1 滑坡區(qū)工程地質(zhì)條件

1.1 地形地貌

安家?guī)X露天礦地處低山丘陵區(qū)，為典型的黃土高原地貌，黃土廣布，溝壑縱橫。受露天開(kāi)采影響，滑坡所在露天礦邊坡坡肩高程約1 400 m，坡腳高程約1 260 m，坡高達(dá)140 m。邊坡共分為7級(jí)，總體坡度約35°;坡中平臺(tái)寬6～40 m不等，單級(jí)坡高約15 m，坡面角60°～65°?；碌暮缶壐叱? 375 m，剪出口高程1 300 m，相對(duì)高差75 m，共破壞五級(jí)臺(tái)階。

1.2 地質(zhì)構(gòu)造

滑坡位于二鋪背斜和白家辛窯向斜之間，受其控制和影響，基巖產(chǎn)狀為110°∠18°，傾向坡外，為邊坡發(fā)生順層滑坡提供了內(nèi)在條件。

滑坡區(qū)基巖中節(jié)理裂隙以構(gòu)造裂隙為主，主要發(fā)育有兩組，即：210°∠88°、107°∠87°，與邊坡呈順向坡斜交關(guān)系。

1.3 地層巖性

滑坡區(qū)的地層自上而下主要由第四系馬蘭黃土、離石黃土、午城黃土及二疊系上、下石盒子組砂巖、泥巖和煤系地層組成。

①馬蘭黃土(Q3)：淺黃色，以粉土為主，稍密，土質(zhì)均勻，手捏易碎，含云母，垂直向節(jié)理裂隙發(fā)育，厚度約10～25 m。

②離石黃土(Q2)：由黃褐色粉質(zhì)粘土、粉土組成，粉土為中密狀態(tài)，粉質(zhì)粘土為硬塑狀態(tài)，垂直向節(jié)理裂隙發(fā)育，厚度達(dá)45 m以上。

③午城黃土(Q1)：由紅褐色粘土組成，硬塑—堅(jiān)硬狀態(tài)，夾少量姜石、礫石，有少量孔隙，垂直向節(jié)理裂隙發(fā)育，厚約20～25.5 m。底部與下伏基巖接觸處呈可塑狀態(tài)，濕—飽和，構(gòu)成了滑坡體的滑帶，厚度約5～10cm，具有明顯的擦痕和摩擦鏡面。

④1石盒子組砂巖、泥巖強(qiáng)風(fēng)化層(P)：灰黃色，砂巖主要為細(xì)砂巖和粉砂巖，中厚層狀，沿節(jié)理面風(fēng)化較為嚴(yán)重，與覆蓋層接觸處局部已風(fēng)化為砂狀;泥巖為中薄層狀，已風(fēng)化呈頁(yè)片狀，局部已風(fēng)化成粘土?；鶐r強(qiáng)風(fēng)化層的厚度由西向東隨覆蓋層的厚度增大而變薄。在滑坡體的東側(cè)，強(qiáng)風(fēng)化層的厚度可達(dá)20～25 m，而西側(cè)厚度一般為5～10 m。

④2石盒子組砂巖、泥巖中—弱風(fēng)化層(P)：青灰色，砂巖主要為細(xì)砂巖和粉砂巖，泥巖為中薄層狀。

滑坡區(qū)地層分布詳見(jiàn)工程地質(zhì)平面圖(圖1)及剖面圖(圖2)。

圖1 滑坡區(qū)工程地質(zhì)平面圖及監(jiān)測(cè)點(diǎn)平面布置圖Fig.1 Engineering geological plane of landslide area and plane arrangement chart of monitoring point

圖2 滑坡區(qū)工程地質(zhì)剖面圖及結(jié)構(gòu)面赤平極射投影圖Fig.2 Engineering geological profile of landslide area and struvtural plane of equatorial horizon projection

1.4 水文地質(zhì)條件

受露天開(kāi)采影響，滑坡區(qū)附近基本無(wú)地表水。

滑坡區(qū)地下水主要以第四系土層中的上層滯水及基巖裂隙水的形式存在，其補(bǔ)給來(lái)源主要是大氣降雨，并通過(guò)廣泛發(fā)育于巖土體中的節(jié)理、裂隙順坡面排泄?；麦w西側(cè)順坡面1 335 m標(biāo)高線有多處滲流，流量最大處可達(dá)1～2 L/min。

1.5 人類工程活動(dòng)

滑坡區(qū)人類工程活動(dòng)強(qiáng)烈。一是露天開(kāi)采致使邊坡高度不斷加大;二是采掘爆破作業(yè)及坡中平臺(tái)運(yùn)土車輛的長(zhǎng)期動(dòng)荷載作用等，均對(duì)邊坡穩(wěn)定性不利。

2 滑坡基本特征

2.1 滑坡空間形態(tài)及結(jié)構(gòu)特征

滑坡在平面上呈圈椅狀，縱向長(zhǎng)120 m，橫向?qū)?90 m;滑體厚度在橫向上表現(xiàn)為由中間向兩側(cè)逐漸減小，在縱向上由前緣向后緣逐漸減小，呈現(xiàn)為一寬緩的“鍋狀”古地形。

在滑坡體的主滑線附近，上部主要為馬蘭和離石黃土，最大厚度達(dá)65 m，厚度在空間上變化不大;而午城黃土在滑坡體的主滑線附近厚度最大(達(dá)25.5 m)，向滑坡體兩側(cè)變薄，西側(cè)厚度僅4～5 m，東側(cè)厚度10 m左右。相應(yīng)地，基巖強(qiáng)風(fēng)化層的埋深也是滑坡體主滑線上最大。滑坡體古地形坡度達(dá)18°。

滑帶土為紅褐色粘土，濕—飽和，可塑狀態(tài)，分布于巖、土接觸面處，厚度一般為10～15 cm，具有明顯的擦痕和摩擦鏡面。

滑床巖性主要為強(qiáng)—中風(fēng)化砂巖、泥巖，砂巖中厚層狀，泥巖為中薄層狀，其內(nèi)節(jié)理裂隙發(fā)育。

滑坡前緣剪出口位于巖、土接觸面處，滑動(dòng)面切穿馬蘭黃土及離石黃土。

2.2 滑坡區(qū)變形特征

邊坡發(fā)生滑坡前，其后緣的1 360 m及1 375 m平臺(tái)發(fā)育多條環(huán)狀裂隙，長(zhǎng)10～125 m不等，其徑向與主滑方向基本一致。

圖3 滑坡區(qū)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移曲線圖Fig.3 Displace curve of monitoring point in landslide area

根據(jù)滑坡區(qū)位移監(jiān)測(cè)資料(圖3)，邊坡變形是從10月16日開(kāi)始加速移動(dòng)的，此前一直處于蠕動(dòng)變形中;10月16日～11月18日南(X)向的位移量為54 mm，平均位移速率為1.69 mm/d;11月18日～12月2日位移量為65 mm，平均位移速率為3.25 mm/d，表明邊坡從10月16日已開(kāi)始加速變形;12月2日～6日，4天的位移量達(dá)到300 mm，平均位移速率高達(dá)75 mm/d，表明邊坡已完成滑動(dòng)面的剪切擴(kuò)容，進(jìn)入快速變形階段，最終于12月10日發(fā)生滑坡。

滑坡后，由于形成的新臨空面，為后部邊坡滑動(dòng)提供了空間，滑坡后緣邊坡上又出現(xiàn)多級(jí)環(huán)形裂縫：一級(jí)環(huán)形裂縫分布在1 375 m平臺(tái)上，長(zhǎng)30～55 m，徑向約162°，指向滑坡后所形成的新臨空面;二級(jí)環(huán)形裂縫發(fā)育于1 390 m平臺(tái)，長(zhǎng)10～45 m，徑向約184°，指向原有邊坡傾向;三級(jí)裂縫發(fā)育在1 405 m平臺(tái)之上，長(zhǎng)約20 m左右，徑向同原有邊坡傾向。各地面裂縫仍然有加寬、加長(zhǎng)并有貫通的趨勢(shì)。

圖4 潛在滑坡區(qū)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移曲線圖Fig.4 Displacement curve of monitoring point in potential landslide area

根據(jù)設(shè)置于滑坡體周邊的監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移曲線(圖4)，滑坡體周邊邊坡仍然有較大的變形，西側(cè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移指向165°～175°，北側(cè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移指向151°～162°，監(jiān)測(cè)到的最大位移達(dá)到了285.6 mm，位移方向與裂縫完全吻合，表明下方邊坡滑動(dòng)后所形成的高陡臨空面為后部邊坡繼續(xù)滑動(dòng)提供了空間，使后方邊坡繼續(xù)滑動(dòng)成為可能。

2.3 滑坡巖土體物理力學(xué)參數(shù)

根據(jù)滑坡區(qū)巖土樣室內(nèi)土工試驗(yàn)、滑動(dòng)面(土、巖接觸面)的原位剪切試驗(yàn)及采用恢復(fù)山體的極限平衡反分析［1］成果綜合確定邊坡巖土體的物理力學(xué)參數(shù)，見(jiàn)表1。

表1 邊坡巖土體物理力學(xué)參數(shù)Table 1 Physical and mechanical parameters of slope of rock and soil mass

3 滑坡的成因機(jī)理分析

3.1 滑坡形成條件

3.1.1 地形地貌

滑坡區(qū)邊坡整體坡度35°，單級(jí)邊坡坡度可達(dá)60°～65°，高陡邊坡為滑坡提供了滑移變形及潛在剪出口的臨空條件。

3.1.2 巖土體性質(zhì)

邊坡巖土體受水軟化作用非常明顯，其飽和狀態(tài)下抗剪強(qiáng)度相對(duì)于天然狀態(tài)下降約25%左右，是邊坡出現(xiàn)滑坡最主要的原因。

3.1.3 邊坡結(jié)構(gòu)

黃土邊坡中垂直節(jié)理發(fā)育，大氣降雨時(shí)地表水入滲快;第四系在橫向上呈鍋狀分布，且下伏基巖產(chǎn)狀110°∠18°，在縱向上略傾向坡外，具有易于產(chǎn)生順層滑坡的地層結(jié)構(gòu)。

3.1.4 水文地質(zhì)條件

滑坡體西側(cè)基巖強(qiáng)風(fēng)化層中富含風(fēng)化裂隙水，順坡面滲流點(diǎn)高出滑坡剪出口約35 m，對(duì)滑坡體前緣位于這一標(biāo)高之下的巖土體強(qiáng)度軟化作用明顯。

3.2 滑坡誘發(fā)因素

3.2.1 大氣降雪

變形監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，每一次加速變形均與氣候有關(guān)，11月23日～26日小雪天氣后，邊坡變形速率明顯加快;而12月7日小雪后邊坡于12月10日發(fā)生了滑動(dòng)破壞，表明雪水對(duì)邊坡變形的誘發(fā)作用明顯。

3.2.2 露天開(kāi)采及采礦爆破影響

隨著露天開(kāi)挖的進(jìn)行，邊坡高度不斷加大，邊坡巖土體內(nèi)部應(yīng)力分布狀態(tài)不斷發(fā)生重分布，為達(dá)到一個(gè)新的平衡點(diǎn)，邊坡將調(diào)解自身姿態(tài)來(lái)尋求穩(wěn)定，這個(gè)調(diào)解的過(guò)程就是邊坡變形及至滑坡的過(guò)程。

邊坡滑動(dòng)前，在坡腳進(jìn)行的爆破作業(yè)及坡中平臺(tái)上大量運(yùn)土車輛動(dòng)荷載，對(duì)邊坡破壞起到了重要作用。

3.3 滑坡穩(wěn)定性敏感因素分析

首先運(yùn)用傳遞系數(shù)法計(jì)算出基準(zhǔn)條件之下的滑坡穩(wěn)定系數(shù)Fso，在此基礎(chǔ)上變動(dòng)其中某一變量，其它參數(shù)固定不變，計(jì)算該參數(shù)在其變動(dòng)范圍內(nèi)變動(dòng)時(shí)滑坡穩(wěn)定性系數(shù)隨之變化的結(jié)果，最后根據(jù)上述結(jié)果得出敏感系數(shù)S：

式中：△X為某因素的變化量;Xmax～Xmin為某因素的變化范圍;△Fs為Fs對(duì)應(yīng)△X的變化量;Fso為Fs的基準(zhǔn)值，在此取C=30 kPa、φ=14°及不考慮爆破震動(dòng)作用(6 度以下)條件下，F(xiàn)so=0.973。

由于滑坡對(duì)其外部條件的敏感性難以預(yù)測(cè)，在此主要分析滑坡穩(wěn)定性系數(shù)對(duì)C、φ值及爆破振動(dòng)烈度變化的敏感性。敏感性分析結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 滑坡敏感性分析結(jié)果表Table 2 Analysis results of landslide sensitivity

從上表可知，滑坡穩(wěn)定性系數(shù)對(duì)地震烈度最為敏感，當(dāng)發(fā)生地震烈度為7度時(shí)，滑坡的穩(wěn)定系數(shù)降低達(dá)6.7%。

3.4 滑坡成因機(jī)理

邊坡下伏基巖在縱向上傾向坡外，易于滑坡的形成;滑坡體西側(cè)基巖強(qiáng)風(fēng)化層中富含風(fēng)化裂隙水，對(duì)位于其下的滑坡體強(qiáng)度軟化作用明顯。特殊的地質(zhì)結(jié)構(gòu)及水文地質(zhì)條件是滑坡發(fā)生的內(nèi)在條件。

因采礦所形成的高陡邊坡為滑坡提供了滑移變形及多級(jí)潛在剪出口條件，而邊坡中的應(yīng)力狀態(tài)改變所引起的變形是滑坡發(fā)生的根本原因。

降雨(雪)和長(zhǎng)期爆破震動(dòng)是滑坡發(fā)生的主要誘發(fā)因素。大氣降雨(雪)沿邊坡巖土體中的節(jié)理裂縫快速入滲，使其抗剪強(qiáng)度明顯降低;而地下水所產(chǎn)生靜水壓力和動(dòng)水壓力，也增加巖土體沿滲流方向的下滑力，降低了滑坡的穩(wěn)定性。長(zhǎng)期爆破震動(dòng)對(duì)邊坡的作用主要表現(xiàn)在二個(gè)方面：一是產(chǎn)生的地震波相當(dāng)于給邊坡增加了一種具有致滑作用的動(dòng)態(tài)荷載，降低了邊坡的穩(wěn)定性;二是長(zhǎng)期爆破震動(dòng)的不斷作用使邊坡中原生結(jié)構(gòu)面、構(gòu)造結(jié)構(gòu)面、原有的裂紋裂隙擴(kuò)展和延伸，甚至產(chǎn)生新的爆破裂紋，使其物理力學(xué)性能下降，從而影響了邊坡的整體穩(wěn)定性。

3.5 滑坡變形破壞過(guò)程

根據(jù)滑坡區(qū)位移監(jiān)測(cè)資料所反映出的各監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移大小及速率、裂縫分布及變形特征，滑坡前緣位移大于后緣，即滑坡表現(xiàn)出明顯的牽引式破壞特征，其變形表現(xiàn)為“犁”式變形破壞特點(diǎn)(見(jiàn)圖2)，破壞次序可用圖中的數(shù)字表示，變形破壞的次序從小到大依次進(jìn)行。邊坡變形破壞過(guò)程可分為四個(gè)階段：

第一階段——卸荷變形階段。邊坡開(kāi)挖后，處于坡腳的午城黃土邊坡坡面在失水的條件下，發(fā)生龜裂、片幫等破壞形式;而露天開(kāi)挖卸荷導(dǎo)致臨近坡肩的垂直節(jié)理張開(kāi)，在坡肩形成拉張裂縫，這種拉張裂縫一般發(fā)育在距坡肩3～5 m范圍內(nèi)(見(jiàn)照片1、照片2)。

第二階段——蠕滑—拉裂階段。坡腳午城黃土邊坡的片幫、崩塌使上一級(jí)臺(tái)階的寬度變窄，所能提供的抗滑力逐漸減小，致使上一級(jí)臺(tái)階也開(kāi)始出現(xiàn)變形。隨該級(jí)臺(tái)階的向前移動(dòng)，后一級(jí)臺(tái)階的變形也宣告開(kāi)始。邊坡的變形就這樣遞進(jìn)，午城黃土底部的破裂面也開(kāi)始從下向上沿基巖面逐級(jí)貫通(見(jiàn)照片3、照片4)。

第三階段——?jiǎng)×一瑒?dòng)階段。當(dāng)破裂面貫通一定程度后，由于上部基巖面較緩，其不再沿基巖面向后發(fā)展，而是向上切穿離石黃土和馬蘭黃土。所有蠕動(dòng)變形塊體的位能聚集到午城黃土達(dá)力學(xué)強(qiáng)度極限后，便出現(xiàn)大規(guī)模的快速滑動(dòng)變形。

第四階段——趨穩(wěn)階段。當(dāng)出現(xiàn)劇烈滑動(dòng)之后，滑坡體中的位能得以釋放，滑坡體趨于穩(wěn)定。

4 防治對(duì)策建議

露天高邊坡下部滑坡后，為后部邊坡繼續(xù)滑動(dòng)提供了空間，使后方邊坡繼續(xù)滑動(dòng)成為可能。為了避免新一輪、更大范圍的滑坡，依據(jù)滑坡的成因機(jī)理及變形特征，提出了工程措施與監(jiān)測(cè)預(yù)警預(yù)報(bào)相結(jié)合的滑坡防治對(duì)策建議。

工程措施主要包括邊坡上部的削坡減載及坡腳的壓腳回填，同時(shí)輔以坡面防排水措施。削坡減載可有效地減小邊坡的下滑力，而壓腳回填可以增加邊坡的抗滑力，兩者共同作用增加邊坡的穩(wěn)定性;對(duì)地表裂隙的及時(shí)填平壓實(shí)，避免雨水下滲對(duì)邊坡穩(wěn)定性的不利影響。

監(jiān)測(cè)預(yù)警則是通過(guò)合理布置一定數(shù)量的位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)，獲取各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位移量、位移方向、位移速率，為邊坡的穩(wěn)定性分析提供重要依據(jù);用于確定不穩(wěn)定邊坡的滑移方向和速度，掌握邊坡發(fā)展變化規(guī)律，為采取必要的防護(hù)措施提供重要的依據(jù)。監(jiān)測(cè)內(nèi)容主要為地表水平位移及垂直位移監(jiān)測(cè)、巖土體深層位移監(jiān)測(cè)(測(cè)斜管)。

5 結(jié)論

通過(guò)對(duì)滑坡區(qū)的工程地質(zhì)條件、水文地質(zhì)條件、邊坡空間形態(tài)及結(jié)構(gòu)特征、變形特征、人類工程活動(dòng)等進(jìn)行分析，認(rèn)為該露天礦黃土高邊坡發(fā)生滑坡是內(nèi)在條件與外在誘發(fā)因素綜合作用的結(jié)果，其中內(nèi)在條件包括巖土性質(zhì)、邊坡結(jié)構(gòu)及水文地質(zhì)條件，外在誘發(fā)因素主要為大氣降雨(雪)及人類工程活動(dòng)(露天采礦、采礦爆破等)等。

滑坡變形破壞表現(xiàn)為遞進(jìn)變形破壞的特點(diǎn)，變形破壞表現(xiàn)為明顯的“犁”式破壞特征，具有明顯的牽引式破壞特征，其變形破壞過(guò)程可分為卸荷變形、蠕滑—拉裂、劇滑及趨穩(wěn)等四個(gè)階段。依據(jù)滑坡的成因機(jī)理及變形特征，提出了工程措施與監(jiān)測(cè)預(yù)警相結(jié)合的滑坡防治對(duì)策。

［1］工程地質(zhì)手冊(cè)編寫委員會(huì).工程地質(zhì)手冊(cè)［S］.第四版.北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2007.

Analysis of Formation Mechanism of a High Loess Slope at an Open-pit Mine in Pingshuo

WU Xicheng，XU Yangqing
(Wuhan Design and Research Institute of Sinocoal International Engineering Group，Wuhan，Hubei430064)

Starting from engineering geologic conditions，hydrogeologic conditions，the human engineering activity and etc.，the paper analyzes the formation mechanism of the high loess slope at an open－pit mine of Shanxi Pingshuo Coal Industry Corporation.The deformation of the landslide presents remarkable failure character of trail，the deformation and failure process can be divided into the unloading deformation，creep－crack，sliding quickly and stabilizing gradually.According to the formation mechanism of the landslide，some preventive countermeasures have been put forward.

high loess slope;landslide;formation mechanism;prevention countermeasure

TD854.6;P642.22

A

1671－1211(2011)03－0236－05

2010－11－26;改回日期：2011－01－10

吳西臣 (1980－)，男，工程師，碩士，巖土工程專業(yè)，從事工程地質(zhì)、巖土工程設(shè)計(jì)與研究工作。E－mail：wuxichen1031@163.com

于繼紅)