尖山營古滑坡復(fù)活變形特征及成因分析

丁 恒， 李海軍， 趙建軍， 董建輝， 朱要強(qiáng)

(1.貴州省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測院， 貴州 550000; 2.成都理工大學(xué)地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610059； 3.成都大學(xué)建筑與土木工程學(xué)院， 成都 610106)

古滑坡是斜坡長期復(fù)雜演化過程的產(chǎn)物，目前基本都處于穩(wěn)定狀態(tài)，但在外界條件擾動下有可能發(fā)生復(fù)活[1-2]。由于地質(zhì)環(huán)境、外界條件不同，引起古滑坡復(fù)活的因素也大為不同。隨著中國西南山區(qū)煤礦開采的不斷進(jìn)行，古滑坡復(fù)活越來越多。陳家興[3]通過對碎石土古滑坡復(fù)活的研究，將古滑坡復(fù)活先后順序進(jìn)行了分類；常亞婷等[4]通過現(xiàn)場地質(zhì)調(diào)查與三維數(shù)值模擬的方法，研究了坡腳開挖誘發(fā)古滑坡的成因機(jī)制與穩(wěn)定性評價(jià)；駱曉依等[5]通過二次回歸正交試驗(yàn)的方法，研究了隧道開挖對古滑坡復(fù)活的影響；成詞峰等[6]通過對溪洛渡村古滑坡地區(qū)的地質(zhì)環(huán)境與坡體結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，表明古滑坡主要由地層巖性、地形地貌、發(fā)育的節(jié)理結(jié)構(gòu)面共同控制其穩(wěn)定性；李海[7]通過現(xiàn)場的勘察和分析，發(fā)現(xiàn)了龍家?guī)r古滑坡的誘發(fā)因素為強(qiáng)降雨及其坡腳開挖；郭長寶等[8]通過在江頂崖古滑坡區(qū)內(nèi)現(xiàn)場調(diào)研的基礎(chǔ)上，對江頂崖古滑坡的復(fù)活機(jī)理進(jìn)行了研究；任三紹等[9]通過對紅花屯古滑坡現(xiàn)場的直剪試驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析，對古滑坡復(fù)活機(jī)理進(jìn)行了研究。

古滑坡的變形破壞問題受到大量學(xué)者的高度關(guān)注，研究古滑坡復(fù)活的誘發(fā)因素，對防治地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生具有重大意義[10-16]。目前中外學(xué)者對誘發(fā)古滑坡復(fù)活的因素進(jìn)行了大量研究，但是對煤層采動誘發(fā)的古滑坡復(fù)活研究甚少?，F(xiàn)以貴州省水城縣發(fā)耳煤礦尖山營古滑坡為例，以現(xiàn)場調(diào)查與監(jiān)測分析及數(shù)值模擬方法來分析古滑坡復(fù)活的成因機(jī)制，為由煤層采動引起的地質(zhì)災(zāi)害的防治提供可靠依據(jù)。

1 地質(zhì)背景

尖山營古滑坡位于貴州高原西部，地形跌宕起伏，切割強(qiáng)烈，屬于構(gòu)造侵蝕而成的低中山至中低山地貌。古滑坡后緣頂端高程1 400 m，坡腳高程1 310 m。尖山營古滑坡平面圖如圖1所示。

圖1 古滑坡工程地質(zhì)平面圖Fig.1 Palaeolandslide plan

古滑坡區(qū)域內(nèi)地層出露有第四系(Q)：厚0～80.50 m，主要以殘積物、坡積物為主，分布在同向坡及單斜谷中；下統(tǒng)飛仙關(guān)組(T1f)：主要分布于古滑坡區(qū)西部，巖性為上部為灰綠色、紫色相間，鈣質(zhì)泥巖與細(xì)砂巖互層，中部及底部夾較多的細(xì)砂巖透鏡體，中部為粉砂質(zhì)泥巖或細(xì)砂巖；底部見黑色斑粒，碳化植物化石，總厚530.03～875.16 m，平均厚632 m；二疊系上統(tǒng)龍?zhí)督M(P3l)：由灰-深灰色粉砂巖、泥巖及煤組成，主要分布于滑坡區(qū)東部。

2 古滑坡復(fù)活變形特征分析

尖山營古滑坡位于貴州省水城縣南部發(fā)耳鎮(zhèn)發(fā)耳煤礦三采區(qū)范圍內(nèi)(26°18′21″N、104°44′15″E)，古滑坡平面形態(tài)呈圈椅狀，主滑方向 45°，整體坡度約 30°，嚴(yán)重威脅下方公路及居民的生命財(cái)產(chǎn)安全。

2.1 滑坡地表變形跡象

根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查，古滑坡復(fù)活主要表現(xiàn)為前緣發(fā)生局部溜滑，中部形成拉張裂縫和兩側(cè)地表層局部破壞，且造成側(cè)面房屋損壞。在滑坡體上有許多條大小不一的裂縫，選取最明顯可見的3條張拉裂縫(LF1、LF2、LF3)、1條剪切裂縫(LF4)進(jìn)行分析。裂縫LF1、LF2處于滑坡體中部，延伸長度分別為44 m和104 m，LF1走向約為60°，LF2走向約為75°，張開度在幾厘米到一米，深度在幾十厘米到兩米，充填物主要為表層的泥巖風(fēng)化形成的黏土、粉砂質(zhì)黏土；裂縫LF3、LF4位于滑坡體后緣，延伸長度分別為64 m和57 m，LF3、LF4走向分別約為68°和89°，深度在幾十厘米到兩米之間，充填物主要為表層的泥巖風(fēng)化形成的黏土、粉砂質(zhì)黏土；其東南側(cè)有臨空面且已發(fā)生溜滑，主要由于已風(fēng)化的泥巖結(jié)構(gòu)松散，降雨通過地裂縫入滲表層導(dǎo)致臨空面土體失穩(wěn)，下部巖體失去支撐而發(fā)生溜滑，致使滑坡體側(cè)面產(chǎn)生變形破壞。從滑坡體地表變形跡象特征分析，滑坡體目前處于蠕滑階段，變形破壞范圍較小，尚未形成貫通的滑帶。尖山營古滑坡復(fù)活特征圖如圖2所示。

圖2 尖山營古滑坡復(fù)活特征圖Fig.2 Resurrection characteristics of Jianshanying ancient landslide

2.2 滑坡地表位移監(jiān)測分析

根據(jù)現(xiàn)場地質(zhì)調(diào)查資料分析，將監(jiān)測點(diǎn)布置在古滑坡坡體中下部，并將其監(jiān)測點(diǎn)命名為GPS01監(jiān)測站點(diǎn)。其主要監(jiān)測方法為地表水平位移、沉降監(jiān)測，采用一體化全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(global navigation satellite system，GNSS)監(jiān)測站、太陽能供電系統(tǒng)、一體化安裝支架、防護(hù)系統(tǒng)。一體化架構(gòu)安裝方便，可實(shí)現(xiàn)高精度定位，采集位移、沉降、傾斜、加速度、設(shè)備自檢數(shù)據(jù)等，具有多種數(shù)據(jù)傳輸方式，外置多種類傳感器和數(shù)據(jù)采集接口?，F(xiàn)對GPS01的監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行重點(diǎn)分析和研究。監(jiān)測點(diǎn)布置X表示南北方向，向北為正，向南為負(fù)；Y表示東西方向，向東為正，向西為負(fù)；Z表示重力方向，向上為正，向下為負(fù)?；鹿こ痰刭|(zhì)剖面圖如圖3所示。

圖3 滑坡工程地質(zhì)剖面圖Fig.3 Engineering geological section of landslide

圖4為GPS01監(jiān)測點(diǎn)的累計(jì)位移-時(shí)間曲線圖, 圖5為GPS01變化速率-時(shí)間曲線圖。該測點(diǎn)位于采空影響范圍內(nèi)，從圖5數(shù)據(jù)變化趨勢可以看出， 4月5日—8月31日，總計(jì)146 d，該點(diǎn)位在X、Y、Z三個(gè)方位中，X方向146 d累計(jì)變化5 187 mm, 平均每天變化35.5 mm，Y方向146 d累計(jì)變化量為1 804 mm，平均每天變化12.3 mm，Z方向146 d累計(jì)變化量-1 008 mm，平均每天變化-6.9 mm。4月5日～5月2日共27 d，滑坡體處于初始變形階段X、Y、Z三個(gè)方向曲線變化趨勢緩慢，主要受采空區(qū)頂板支撐的影響，采空區(qū)上覆影響范圍內(nèi)的巖土體產(chǎn)生少量裂縫且延伸長度較短，變形過程為冒落。

圖4 GPS01累計(jì)位移-時(shí)間變化曲線圖Fig.4 GPS01 cumulative displacement-time curve

圖5 GPS01變化速率-時(shí)間曲線圖Fig.5 GPS01 change rate-time curve

5月3日～6月5日共32 d，滑坡體處于加速變形階段X、Y、Z三個(gè)方向曲線變化速率增加，X曲線變化趨勢呈斜線上升，主要受采空區(qū)的頂板塌陷和變形導(dǎo)致坡體中巖層受到向其臨空面方向運(yùn)動，在該方向上位移變化量達(dá)到了1 522 mm，使得在滑坡體前緣發(fā)生局部溜滑；Y曲線變化趨勢相對于X方向較緩慢，該方向上主要發(fā)生水平位移，方向?yàn)闁|北方向，垂直方向變化小于水平方向；Z曲線變化趨勢呈緩慢斜線上升，由于采空區(qū)頂板失去了支護(hù)能力，導(dǎo)致頂板巖體向下塌陷，變形破壞隨著時(shí)間持續(xù)增長，上覆巖體裂縫增多且向地表延伸，出現(xiàn)采空塌陷，裂縫閉合，并伴有局部崩塌，變形過程為拉裂。

6月6日—8月31日共87 d，滑坡體處于減速變形階段，由于采空區(qū)上覆巖土體受到擾動后，將建立新的平衡，所以在X、Y、Z三個(gè)方位上變形速率都逐漸減小，變形過程為蠕變。

3 古滑坡復(fù)活成因分析

根據(jù)野外地質(zhì)調(diào)查及收集資料，分析認(rèn)為控制該古滑坡復(fù)活的主要因素有地形地貌、地層巖性、降雨、人類工程活動。

地形地貌：該滑坡體中上部為古滑坡的崩積物為滑坡提供了物質(zhì)基礎(chǔ)，滑坡地貌呈不規(guī)則傾斜簸箕形，前緣形成高差30 m的陡坎，為滑坡提供了足夠的卸荷空間。

地層巖性：滑坡體淺層為三疊系下統(tǒng)飛仙關(guān)組的灰綠色、紫紅色強(qiáng)風(fēng)化粉砂質(zhì)泥巖與泥巖互層，該巖層強(qiáng)度低，為滑坡體提供了易發(fā)滑動面；滑坡體深部為二疊系上統(tǒng)龍?zhí)督M，由深灰色粉砂巖、泥巖及煤層互層，呈軟硬相間，泥巖和煤就構(gòu)成了形成軟弱的平臺，自然條件下產(chǎn)生流變導(dǎo)致肩部拉裂，易形成滑坡的基礎(chǔ)條件。

降雨：在降雨條件下，由于在滑坡體中上部具有大量裂縫，雨水易沿著裂縫下滲，對地下水位極大的提升，降雨在滑坡體表層巖土體中具有滯后性，在滑坡體內(nèi)增加了水壓力及滑坡體自重，且淺層泥巖及粉砂質(zhì)泥巖遇水易軟化，易形成滑動面，使得巖土體向軟弱結(jié)構(gòu)面發(fā)生傾斜，如前緣臨空面、采空區(qū)方向，并產(chǎn)生滑動推力，加快了滑坡體變形破壞速率。

人類工程活動：據(jù)調(diào)查，滑坡區(qū)位于M1、M3、M5-2、M5-3、M7、M10煤層之上，煤層采空區(qū)邊界至滑坡邊界水平距離僅20 m。近期M3開采后，采空區(qū)頂板臨時(shí)支護(hù)破壞，上覆巖層發(fā)生冒落、裂縫、離層及斷裂，造成的破壞傳遞到地表，使地表原有標(biāo)高受到采動影響后下降， 由圖2(b)～圖2(e)可知，坡體出現(xiàn)了4條裂縫均表現(xiàn)為明顯下錯(cuò)。古滑坡整體在采空區(qū)影響范圍內(nèi)，使得坡體覆巖產(chǎn)生較大彎曲下沉，前緣受到較大的水平推力并產(chǎn)生水平位移，滑坡體后緣形成了拉張裂縫，且在側(cè)翼形成剪切裂縫，為滑坡的形成創(chuàng)造了有利條件。同時(shí)GPS01位移監(jiān)測點(diǎn)在X方向與裂縫下錯(cuò)方向同向，指向坡外。表明隨著煤層采動對古滑坡的變形有著直接影響，對上覆巖層應(yīng)力環(huán)境的改變，是影響古滑坡復(fù)活的決定性因素。

4 數(shù)值模擬分析

4.1 參數(shù)選取

模型的本構(gòu)力學(xué)模型采用彈塑性模型，計(jì)算選用莫爾-庫侖屈服準(zhǔn)則，巖土體相關(guān)計(jì)算參數(shù)取值參考室內(nèi)試驗(yàn)和工程地質(zhì)手冊結(jié)合滑坡簡化模型進(jìn)行參數(shù)綜合取值，具體各巖土體物理力學(xué)取值如表1所示。

表1 巖土體物理力學(xué)參數(shù)取值Table 1 Value of physical and mechanical parameters of rock and soil mass

4.2 模型建立

結(jié)合尖山營古滑坡復(fù)活坡地形地貌、巖體結(jié)構(gòu)特征及煤層開采狀況及邊界效應(yīng)等問題，采用簡化原型的形式進(jìn)行模型建立，地表有一部分殘積土，下伏基巖統(tǒng)一概化為粉砂質(zhì)泥巖和煤層互層，建模型如下：長500 m，高227 m，寬10 m，煤層從上往下依次為M1、M3、M5-2、M5-3、M7、M10，每層煤厚取2 m。計(jì)算模型采用六面體單元進(jìn)行劃分，總共有11 766個(gè)單元和7 783個(gè)節(jié)點(diǎn)。采用FLAC軟件分析古滑坡在自然狀態(tài)，煤層采動影響條件下的應(yīng)力、位移特征量的變化情況和規(guī)律，來揭示該古滑坡復(fù)活的變形破壞特征及成因，如圖6所示。

圖6 FLAC計(jì)算模型圖Fig.6 FLAC calculation model diagram

4.3 結(jié)果分析

圖7(a)、圖7(b)為天然工況下與受煤層采動影響后古滑坡體總位移云圖。在天然工況下滑坡體的最大位移為59 mm；受到采動影響后滑坡體的總位移增加到4 439 mm，主要原因?yàn)椴煽諈^(qū)頂板的損壞，引起上部巖體開裂形成裂隙帶，導(dǎo)致采空區(qū)地表發(fā)生局部塌陷，進(jìn)而對滑坡體產(chǎn)生了較大的水平推力，使得向坡體外發(fā)生了較大位移變化。圖7(c)、圖7(d)為天然工況下與受煤層采動影響后古滑坡體最大主應(yīng)力云圖?？梢钥闯?，受采動影響后采空區(qū)移動影響范圍內(nèi)的古滑坡體出現(xiàn)了應(yīng)力貫通區(qū)，最大值在0.44～0.55 MPa。采空區(qū)移動影響范圍的巖體由采動前的壓應(yīng)力為主轉(zhuǎn)為拉應(yīng)力為主，根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查的裂縫主要以拉裂為主相符合。

圖7 兩種工況下總位移、最大主應(yīng)力Fig.7 Total displacement and maximum principal stress under two working conditions

分析表明，主要由于近期在該區(qū)域進(jìn)行煤層開采，受采動影響，巖體內(nèi)部產(chǎn)生了大量裂隙，當(dāng)臨時(shí)支護(hù)失受到破壞而失去支護(hù)能力時(shí)，裂隙迅速向地表延伸，導(dǎo)致在該區(qū)域附近產(chǎn)生較大變形。采空區(qū)冒落使上覆巖層的巖體應(yīng)力重新分布，應(yīng)力集中區(qū)巖體松動破碎，后緣拉張裂縫進(jìn)一步延伸，采空塌陷擠壓著滑坡體往臨空面進(jìn)行發(fā)展，變形破壞特征主要表現(xiàn)為滑坡體前緣產(chǎn)生局部的溜滑，后緣拉裂，中部土體發(fā)生拉裂下錯(cuò)，擠壓變形體外部巖體向坡外運(yùn)動?；麦w后緣有裂縫發(fā)育，底部未發(fā)現(xiàn)明顯剪出口，無地面隆起，目前還未發(fā)生整體滑動，滑坡處于減速變形階段。

5 結(jié)論

以尖山營古滑坡復(fù)活為例，以現(xiàn)場調(diào)查及監(jiān)測資料為基礎(chǔ)，通過地表位移監(jiān)測，結(jié)合數(shù)值模擬，分析古滑坡復(fù)活變形特征，研究其成因，得到以下結(jié)論。

(1)受采空塌陷影響使得古滑坡體受到向前緣臨空面較大的水平推力，地表產(chǎn)生較大的變形，前緣已發(fā)生局部溜滑，但尚未形成貫通的滑帶。

(2)古滑坡復(fù)活變形階段分為初始變形階段—加速變形階段—減速變形階段，目前坡體處于減速變形階段。

(3)數(shù)值模擬分析結(jié)果表明，古滑坡在天然狀態(tài)下位移較小，尚未發(fā)生明顯滑動，受煤層采動影響后，古滑坡地表位移變化較大，且在前緣發(fā)生溜滑，煤層開采加快了古滑坡復(fù)活的進(jìn)程。

(4)古滑坡坡體整體在采空區(qū)影響范圍內(nèi)，采空區(qū)的頂板塌陷和變形使得坡體前緣受到較大的水平推力并產(chǎn)生水平位移，極大降低了古滑坡坡體的穩(wěn)定性，煤層開采是促進(jìn)古滑坡復(fù)活的主要因素，若淺埋煤層繼續(xù)開采，古滑坡坡體變形破壞可能進(jìn)一步加劇。