大冶鐵礦滑坡破壞特征及判據(jù)

肖 云，李先福，周春梅

(武漢工程大學(xué)環(huán)境與城市建設(shè)學(xué)院，湖北 武漢 430074)

0 引 言

滑坡的預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)和監(jiān)測(cè)預(yù)警一直是世界難題.目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者提出了多種滑坡預(yù)報(bào)的模型和方法，并取得了一定成果，實(shí)現(xiàn)了成功預(yù)報(bào)的可能，但臨界極限值判據(jù)國(guó)內(nèi)外仍處于探索階段.斜坡變形演化過(guò)程復(fù)雜、不確定，真正推廣的滑坡預(yù)警判據(jù)還不多[1].本文從滑坡的特征、誘發(fā)因素和大量歷年監(jiān)測(cè)信息統(tǒng)計(jì)入手，依據(jù)各參數(shù)變化的綜合趨勢(shì)分析，探討滑坡的預(yù)警判據(jù)，為滑坡災(zāi)害的防治提供理論和現(xiàn)實(shí)的依據(jù).

1 工程概況

大冶鐵礦滑坡位于獅子山北幫，包括A1及A2滑坡，如圖1圖2所示.A1號(hào)滑坡發(fā)生于1990年4月30日獅子山北幫，平面坐標(biāo)為X∶87 359～87 410，Y∶44 839～44 909.滑坡規(guī)模6 000 m3，滑體及其西北側(cè)和下部巖體主要向東南(120°左右)方向位移[2].A2滑坡發(fā)生的時(shí)間為1996年7月1日～13日，平面坐標(biāo)為X∶87 240～87 400，Y∶44 800～45 000.

1.1 滑坡區(qū)巖組及巖體結(jié)構(gòu)類型

滑坡區(qū)區(qū)內(nèi)出露巖層為燕山期(三疊系中上統(tǒng))閃長(zhǎng)巖侵入體.巖性主要有黑云母透輝石閃長(zhǎng)巖.其次為蝕變形成的鉀納長(zhǎng)石化閃長(zhǎng)巖.蝕變透輝石閃長(zhǎng)巖和高嶺土綠泥石化閃長(zhǎng)巖.其中蝕變透輝石閃長(zhǎng)巖分布于尖F9斷層以西，呈碎裂、散體結(jié)構(gòu)，具有吸水膨脹崩解的特點(diǎn)[3].

區(qū)內(nèi)的巖石中等風(fēng)化，發(fā)育有兩組區(qū)域性節(jié)理J3、J4，這兩組主節(jié)理將該區(qū)劃分為上下兩個(gè)部分，上部形似楔形體，下部形似正三角形體.另外還有兩組節(jié)理發(fā)育，一組節(jié)理與區(qū)域性節(jié)理近于平行，產(chǎn)狀320°∠75°，密集發(fā)育；另一組節(jié)理順坡面發(fā)育，兩組節(jié)理面將巖體切割成碎裂結(jié)構(gòu)，為滑坡的發(fā)生提供了臨空面條件[4].

1.2 滑體監(jiān)測(cè)情況

對(duì)獅子山北幫A2滑坡的監(jiān)測(cè)，其監(jiān)測(cè)點(diǎn)主要分布在坡面△180 m到△-60 m高程(如圖2)，其中每一高程點(diǎn)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的數(shù)量根據(jù)坡面巖性、節(jié)理裂隙而定，一般都有3～5個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn).監(jiān)測(cè)時(shí)間主要是從1990年5月份到1996年6月份，以及部分點(diǎn)后續(xù)時(shí)間有間斷監(jiān)測(cè).

圖1 滑坡體現(xiàn)狀及其節(jié)理分布

圖2 A1及A2滑坡體地表位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)

2 滑坡破壞形式及成因分析

2.1 滑坡破壞特征

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研，A1滑體主要向東南120°左右方向位移.A2滑體地表總體呈現(xiàn)三角狀，上窄下寬，滑體底部寬約160 m，滑坡體長(zhǎng)約200 m.滑坡規(guī)模86 000 m3，該滑坡體頂部高程+192 m，剪出口高程-22 m，垂直高差達(dá)214 m，主滑方向SE150°左右.A區(qū)滑坡體現(xiàn)狀如圖2所示.研究歷年A2滑坡體監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，A2滑體在發(fā)生破壞前后緣的位移量最大，前緣最小，由此可推斷A2是推移式巖質(zhì)滑坡，滑坡后緣首先發(fā)生破壞，由后緣的運(yùn)動(dòng)推動(dòng)了前緣的運(yùn)動(dòng)[5].

2.2 滑坡成因分析

深入的工程地質(zhì)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，有較多影響因素影響該滑體的穩(wěn)定性.主要分為主控因素和誘發(fā)因素兩類.主控因素：區(qū)域地質(zhì)環(huán)境、巖石的抗變形能力、邊坡角度及風(fēng)化程度、軟弱結(jié)構(gòu)面、等；誘發(fā)的不確定因素包含：爆破、地下開(kāi)采及人類工程活動(dòng)、坡底地面塌陷可能引起局部巖體發(fā)生崩塌、氣候條件中的降雪、溫差與水文條件等因素.

滑坡變形破壞原因：①對(duì)邊坡穩(wěn)定不利的巖性(強(qiáng)蝕變綠泥石化透輝石閃長(zhǎng)巖)，易吸水膨脹崩解.巖體受強(qiáng)風(fēng)化和降雨，抗變形能力弱；②碎裂巖體結(jié)構(gòu)和地質(zhì)構(gòu)造弱面(巖體的碎裂結(jié)構(gòu)和大的斷裂構(gòu)造F9和F25活動(dòng)).地質(zhì)構(gòu)造弱面削弱了巖體強(qiáng)度，巖體整體穩(wěn)定性較差.

3 滑坡判據(jù)的討論

滑坡預(yù)報(bào)判據(jù)研究可以根據(jù)滑坡發(fā)展過(guò)程表現(xiàn)出來(lái)的破裂擴(kuò)展極限、位移(速率)極限作為臨界標(biāo)志來(lái)判定滑坡發(fā)生的時(shí)間.本文根據(jù)歷史上發(fā)生過(guò)的獅子山北幫A2滑坡滑動(dòng)前從1990年5月份到1996年6月份的位移監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，通過(guò)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的預(yù)處理技術(shù)，建立臨滑階段的五種各單因子判據(jù)：位移判據(jù)、變形速率判據(jù)、蠕變切線角判據(jù)、位移加速度判據(jù)、位移矢量角變化判據(jù).根據(jù)各單因子的綜合分析，結(jié)合多參數(shù)進(jìn)行聯(lián)合預(yù)報(bào).

3.1 臨滑階段的位移判據(jù)

根據(jù)各測(cè)點(diǎn)水平位移隨監(jiān)測(cè)時(shí)間的變化曲線，該區(qū)巖質(zhì)滑坡運(yùn)動(dòng)可分三個(gè)階段，即蠕滑階段，加速階段，破壞階段.滑坡在蠕滑階段到加速階段，位移緩慢由零增加到一定的位移，從加速階段向破壞階段轉(zhuǎn)變是量變到質(zhì)變的過(guò)程，位移曲線明顯陡升，所以當(dāng)滑坡從加速階段向破壞階段發(fā)展時(shí)，就要預(yù)警預(yù)報(bào)，滑坡可能發(fā)生.

從典型測(cè)點(diǎn)位移歷時(shí)曲線特點(diǎn)看，隨著監(jiān)測(cè)時(shí)間增長(zhǎng)，位移量增大.監(jiān)測(cè)點(diǎn)破壞前加速滑動(dòng)位移臨界值(即位移翹尾值)如圖3～圖6.不同測(cè)點(diǎn)破壞前加速滑動(dòng)位移臨界值(即位移翹尾值)變化如下：測(cè)點(diǎn)-48-2，-60-4，-36-2的位移突變值都在60 mm～90 mm之間；測(cè)點(diǎn)-60-1-1，-60-2，-60-3，-60-5，-48-1，-36-1，-24-3的位移突變值都在120 mm～200 mm之間；測(cè)點(diǎn)-24-2，0-3，0-4，42-1，108-9，108-12，132-12的位移突變值都在250 mm～350 mm之間；測(cè)點(diǎn)48-8-1，48-9X，48-10，72-11，72-10′X，72-11′X，84-10，84-11，96-9，108-8，132-11，156-12的位移突變值都在520 mm～900 mm之間；另外僅有測(cè)點(diǎn)96-8的位移突變值為1 300 mm.

根據(jù)滑體不同部位的位移值研究，A2滑坡體在發(fā)生破壞前后緣的位移量最大，前緣最小，由此可推斷A2是推移式巖質(zhì)滑坡，滑坡發(fā)生前首先從后緣發(fā)生破壞，由于后緣的運(yùn)動(dòng)破壞推動(dòng)了前緣的運(yùn)動(dòng).

圖3 48-8-1水平位移歷時(shí)曲線圖

圖4 48-9X水平位移歷時(shí)曲線圖

圖5 84-10水平位移歷時(shí)曲線圖

圖6 84-11水平位移歷時(shí)曲線圖

根據(jù)滑坡變形破壞階段的劃分，結(jié)合推移式滑坡的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)，其滑坡的后緣，中部，前緣的位移判據(jù)不一樣.

3.2 變形速率判據(jù)

最常用的滑坡預(yù)報(bào)方法就是臨界位移速率法，變形速率即位移對(duì)時(shí)間的導(dǎo)數(shù)，依據(jù)邊坡不同變形階段的位移速率變化規(guī)律，尋找位移速率突變值，即作為速率判據(jù)，此方法對(duì)于礦山滑坡預(yù)報(bào)實(shí)用性強(qiáng).根據(jù)監(jiān)測(cè)點(diǎn)速率曲線可知：

a.在-60 m，-48 m，-36 m，-24 m高程處，蠕滑階段滑坡運(yùn)動(dòng)速率在0.10～0.20 mm/d，加速階段速率在0.30～0.76 mm/d，破壞階段速率在1.2～2.2 mm/d范圍內(nèi).

b.在0 m高程處，0-3和0-4兩點(diǎn)蠕滑階段滑坡運(yùn)動(dòng)速率相近約為0.20 mm/d，加速階段速率約0.7 mm/d，破壞階段速率約為5.0 mm/d.

c.在48 m，72 m，84 m，96 m高程處，蠕滑階段滑坡運(yùn)動(dòng)速率相近，均為0.4～0.6 mm/d，加速階段速率在1.50～2.5 mm/d范圍內(nèi)，破壞階段速率在14.8～22.4 mm/d之間.

d.自108 m，132 m，156 m，180 m高程處，蠕滑階段滑坡運(yùn)動(dòng)速率均在0.10～0.28 mm/d范圍，加速階段速率在0.42～0.75 mm/d，破壞階段速率除個(gè)別點(diǎn)外，范圍在3.0～6.2 mm/d之間.

3.3 蠕變切線角判據(jù)

蠕變曲線切線角即蠕變曲線上某點(diǎn)的切線與橫坐標(biāo)的夾角α，即tg-1(dx/dt)趨于90°時(shí)，所對(duì)應(yīng)的時(shí)間即為滑坡預(yù)報(bào)破壞時(shí)間.但一些滑坡往往由于某種誘發(fā)作用的影響，使失穩(wěn)破壞的時(shí)間提前.此時(shí)，滑坡宏觀預(yù)報(bào)判據(jù)進(jìn)入加速變形、臨滑階段后的切線角α大于70°時(shí)和位移矢量角突然增大或減小時(shí)，也可將其作為滑坡時(shí)間預(yù)報(bào)的判據(jù).以下表為各典型測(cè)點(diǎn)加速階段-臨滑階段位移曲線突變點(diǎn)的切線角值，如表1.

由表知滑前一個(gè)月內(nèi)，各測(cè)點(diǎn)的蠕變曲線臨界切線角分布在四個(gè)區(qū)域值內(nèi).

a.測(cè)點(diǎn)-60-3，-60-4，-48-2的臨界切線角均在21.8°～39.7°范圍內(nèi).

b.測(cè)點(diǎn)-60-1-1，-60-2，-60-5，-48-1，-36-2的臨界切線角均在51.1°～55.8°范圍內(nèi).

c.測(cè)點(diǎn)-36-1，-24-2，-24-3的臨界切線角均在61.3°～66.4°范圍內(nèi).

d.測(cè)點(diǎn)0-3，0-4，48-8-1，48-9X，48-10，72-11，72-10X，72-11′X，84-10，84-11，96-9，108-8，108-9，132-12，156-12，180-12的臨界切線角均在72.1°～88.0°范圍內(nèi).

研究發(fā)現(xiàn)滑坡體蠕變切線角后緣值較大，前緣和中部相對(duì)偏小.

表1 加速階段蠕變曲線切線角

3.4 位移加速度判據(jù)

位移加速度即d2u/dt2，通過(guò)對(duì)位移時(shí)間曲線加速變形及破壞階段的研究，尋找翹尾點(diǎn).結(jié)果表明在臨滑前一個(gè)月內(nèi)，各測(cè)點(diǎn)的蠕變曲線變形速率不斷增大，其位移加速度值均大于0.

3.5 位移矢量角變化判據(jù)

由運(yùn)動(dòng)學(xué)可知，描述一個(gè)物體運(yùn)動(dòng)，不但需要速率的大小，而且需要運(yùn)動(dòng)的方向.在滑坡研究中，常用垂直位移與水平位移之比即位移矢量角來(lái)表示滑體位移矢量的方向[6].在滑坡孕育發(fā)展過(guò)程中，滑體上位移矢量方向的改變與滑坡發(fā)展階段及失穩(wěn)動(dòng)力密切相關(guān).從變形角度看，滑坡在其發(fā)展過(guò)程中一般都經(jīng)歷了壓密——趨勢(shì)性整體位移——剪切膨脹——破壞(大位移)的過(guò)程.

典型測(cè)點(diǎn)的位移矢量圖如圖7～圖10.(本文中空間位移矢量角為測(cè)點(diǎn)空間運(yùn)動(dòng)方向與垂直位移的夾角).根據(jù)各典型監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移大小變化及矢量角變化曲線可知，在滑體緩慢變形階段，測(cè)點(diǎn)空間運(yùn)動(dòng)方向與垂直方向的夾角一直在減小，曲線較圓滑，無(wú)明顯突變，說(shuō)明邊坡一直處于緩慢變形破壞，沒(méi)有崩落發(fā)生.但隨變形的發(fā)展，位移矢量角出現(xiàn)平直，后期有翹尾趨勢(shì).整個(gè)變形發(fā)展階段，空間位移大小一直增大，并且前期緩慢變形，到達(dá)一定變形破壞階段后數(shù)值突然增大，有明顯拐點(diǎn)，斜坡向失穩(wěn)方向加速滑動(dòng).與前面巖體劃分的三個(gè)變形階段數(shù)據(jù)吻合.

圖7 156-12位移矢量圖

圖8 108-8位移矢量圖

圖9 0-3位移矢量圖

圖10 48-8X位移矢量圖

3.6 綜合判據(jù)

對(duì)歷年監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)，研究滑坡體不同部位的位移、速率、加速度、位移矢量角(本文中空間位移矢量角為測(cè)點(diǎn)空間運(yùn)動(dòng)方向與垂直位移的夾角)變化曲線規(guī)律知，滑坡體不同階段其變形發(fā)展特征不同.在滑坡的蠕滑階段，變形速率、位移一直增大，位移矢量角一直減小.在加速階段，變形速率、位移明顯增大，位移矢量角出現(xiàn)平直.在破壞階段，變形速率、位移均有突變和拐點(diǎn)，位移矢量值也明顯翹尾.因此，在滑體變形破壞過(guò)程中，根據(jù)臨滑前位移速率、位移，結(jié)合位移矢量角的變化來(lái)預(yù)報(bào)滑坡，根據(jù)各參數(shù)的綜合分析，提出滑體不同部位的綜合判據(jù)值如表2.

表2 各參數(shù)變形破壞判據(jù)值

4 結(jié) 語(yǔ)

a.根據(jù)對(duì)滑坡的工程地質(zhì)調(diào)研，總結(jié)滑坡變形破壞原因①?gòu)?qiáng)蝕變綠泥石化透輝石閃長(zhǎng)巖，易吸水膨脹崩解，抗變形能力弱；②碎裂巖體結(jié)構(gòu)和地質(zhì)構(gòu)造弱面削弱了巖體強(qiáng)度，巖體整體穩(wěn)定性較差.

b.統(tǒng)計(jì)滑體變形發(fā)展監(jiān)測(cè)曲線知，滑坡體變形發(fā)展破壞分為三階段：即蠕滑階段、加速階段、破壞階段.通過(guò)對(duì)地表位移監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，A2滑坡體在發(fā)生破壞前后緣的位移量最大，前緣最小，由此可推斷A2是推移式巖質(zhì)滑坡，滑坡發(fā)生前首先從后緣發(fā)生破壞，由于后緣的運(yùn)動(dòng)破壞推動(dòng)了前緣的運(yùn)動(dòng).

c.通過(guò)對(duì)滑坡體不同部位的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的綜合分析，在滑坡的蠕滑階段，變形速率、位移一直增大，位移矢量角一直減小.在加速階段，變形速率、位移明顯增大，位移矢量角出現(xiàn)平直.在破壞階段，變形速率、位移均有突變和拐點(diǎn)，位移矢量值也明顯翹尾.根據(jù)各參數(shù)的聯(lián)合，提出了大冶鐵礦滑坡的判據(jù)，為滑坡災(zāi)害的防治提供理論和現(xiàn)實(shí)的依據(jù)

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