采動-裂隙水耦合下含深大裂隙巖溶山體失穩(wěn)破壞機理

熊 飛，劉新榮,3，冉 喬，李 濱，鐘祖良,3，楊忠平,3，周小涵,3

(1.重慶大學(xué) 土木工程學(xué)院，重慶 400045；2.重慶大學(xué) 煤礦災(zāi)害動力學(xué)與控制國家重點實驗室，重慶 400044； 3.庫區(qū)環(huán)境地質(zhì)災(zāi)害防治國家地方聯(lián)合工程研究中心(重慶)，重慶 400045；4.中國地質(zhì)科學(xué)院 地質(zhì)力學(xué)研究所，北京 100081)

在我國西南地區(qū)巖溶地貌分布廣泛，巖溶作用強烈、降雨集中、河谷深切，常形成高陡斜坡[1]。在漫長的地質(zhì)作用下，山體中形成了控制性深大裂隙結(jié)構(gòu)面[1]。深大裂隙是坡體穩(wěn)定的關(guān)鍵，一方面為采動滑坡創(chuàng)造了有利條件，另一方面為地下水的匯集提供了空間，使地下水成為誘發(fā)大型山體崩滑的重要因素[2]。而采動和裂隙水聯(lián)合作用下山體的失穩(wěn)破壞機制更為復(fù)雜。因此，深入研究采動和水力作用下含深大裂隙山體的穩(wěn)定性和失穩(wěn)破壞特征顯得尤為重要。

采動是導(dǎo)致滑坡的人為因素。地下開采形成大面積采空區(qū)，引起上覆巖體移動，應(yīng)力條件改變。開采擾動傳遞至上部坡體，造成坡體變形和破壞[3-5]。典型的采動滑坡有武隆雞冠嶺滑坡[6]、武隆雞尾山滑坡[7-8]、湖北鶴峰紅蓮池鐵礦山體崩塌[9]、貴州馬達嶺滑坡[10-11]等。上述滑坡均是由開采擾動引起的大型巖質(zhì)滑坡。而巖質(zhì)滑坡中，巖體結(jié)構(gòu)面發(fā)揮重要作用[12-13]。馮振等[14]發(fā)現(xiàn)雞尾山滑坡視向滑動的一個重要原因是軟弱夾層軟化，驅(qū)動塊體沿軟弱夾層蠕滑擠壓關(guān)鍵塊體導(dǎo)致坡體失穩(wěn)。層狀巖質(zhì)邊坡的破壞形式還受到巖層的內(nèi)摩擦角控制[15]。順層滑坡中，層面傾角10°～25°的坡體對順層巖質(zhì)滑坡貢獻率最高[16]。采動作用下巖體結(jié)構(gòu)面最先破壞，其中控制性結(jié)構(gòu)面決定了采動滑坡的形成方式[17]。開采發(fā)生在巖層陡傾的坡體內(nèi)時，可使層面發(fā)生分離而降低斜坡的穩(wěn)定性[6]。目前關(guān)于結(jié)構(gòu)面控制型巖質(zhì)滑坡的失穩(wěn)機制已經(jīng)取得了一定的認識[9]，但是對于采動作用誘發(fā)坡體深大裂隙的擴展、貫通導(dǎo)致的坡體失穩(wěn)破壞機制研究較少，還需進一步工作。

另外，水是誘發(fā)滑坡的重要因素之一。研究表明，90%的滑坡與水有關(guān)，并有“十坡九水”之說[18]。水的入滲，一方面使巖體質(zhì)量增大，滑體滑動力增大；同時水的潤滑、軟化、溶蝕和水-巖相互作用使巖體強度降低，導(dǎo)致邊坡的安全系數(shù)降低[19-20]。水在巖體結(jié)構(gòu)面中形成的靜水壓力、動水壓力改變了結(jié)構(gòu)面的力學(xué)狀態(tài)，使結(jié)構(gòu)面受到水的推力、揚壓力和劈裂作用，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)面處于不穩(wěn)定狀態(tài)，從而使坡體的穩(wěn)定性劣化[21-22]。關(guān)于水力作用對巖質(zhì)邊坡的破壞機制已得到了廣泛而深入的研究[23-25]。但是采動聯(lián)合水力作用下含深大裂隙山體的失穩(wěn)破壞機制鮮有報道。在我國西南山區(qū)，采礦活動頻繁，地下水長期賦存于山體內(nèi)，采動和地下水耦合下山體的變形規(guī)律尚不清楚。鑒于此，筆者以貴州普灑“8·28”特大崩滑為研究對象，基于地質(zhì)調(diào)查資料，利用UDEC離散元數(shù)值軟件，建立含深大裂隙巖溶山體二維模型，模擬地下開采和裂隙水滲流過程，研究采動和裂隙水作用下含深大裂隙山體的失穩(wěn)破壞特征，揭示采動和水力聯(lián)合作用機制。

1 滑坡基本概況

1.1 基本地質(zhì)條件

2017-08-28貴州省畢節(jié)市普灑村老鷹巖發(fā)生特大崩滑。崩塌區(qū)內(nèi)地勢南高北低，坡頂標(biāo)高+2 147 m，坡底標(biāo)高+1 842 m，相對高差305 m[1,3]。崩塌體位于坡體上部，自然坡度為55°～75°，坡體下部為平緩的坡地，坡度10°～25°，是典型的“靴”型地貌(圖 1)[1,3]。

崩塌區(qū)地層由新到老主要為第四系(Q)，三疊系下統(tǒng)夜郎組(T1y)、二疊系上統(tǒng)長興—大隆組(P2c+d)、二疊系上統(tǒng)龍?zhí)督M(P3l)(表1和圖 2)。山體上部的T1y，P2c+d灰?guī)r、泥灰?guī)r結(jié)構(gòu)致密，力學(xué)強度高，下部的P3l泥巖、粉砂質(zhì)泥巖強度較低，構(gòu)成上硬下軟工程地質(zhì)特征[1,3]。崩塌區(qū)下部發(fā)育2條斷層：F1和F2，均為逆斷層(圖2)。

圖1 崩塌區(qū)地貌Fig.1 Landform of collapse zone

圖2 普灑崩塌工程地質(zhì)剖面示意[1-3]Fig.2 Engineering geological profile of the Pusa collapse[1-3]

1.2 氣象水文條件

納雍縣地處貴州西北部，多年平均氣溫13.6 ℃，平均降雨1 243.9 mm。暴雨一般集中在5—9月份，特大暴雨出現(xiàn)在6—7月份，月最大降水量520.5 mm，日最大降水量為131.2 mm[26]。

地下水受大氣降水的補給，雨水通過巖石裂隙、孔隙滲入。地下水的徑流、排泄受巖性、構(gòu)造及地形地貌控制，多沿裂隙、孔隙呈脈狀流及分散流的形式短距離徑流，以下降泉、散流的方式排泄于地表，最終匯入水公河。

區(qū)內(nèi)地下水類型以碳酸鹽巖巖溶水為主，含水地層單元巖性為灰?guī)r、白云巖。基巖裂隙水次之，含水地層單元巖性為砂巖、砂質(zhì)頁巖、粉砂巖等。松散巖類孔隙水主要賦存于殘坡積、沖洪積物的孔隙中。崩塌堆積區(qū)域緩斜坡地段，地表水徑流較豐富[26]。

1.3 巖溶及裂隙發(fā)育特征

老鷹巖上部為可溶灰?guī)r，下部為非可溶砂巖、泥巖。下部弱透水泥巖形成相對隔水底板，有利于地下水匯集[1,27]。地下水侵蝕、沖蝕著上部可溶灰?guī)r，形成大量的溶蝕管道、裂隙，裂隙擴展貫通形成了跨度較大的深大裂隙(圖 3)，對坡體的穩(wěn)定性有著重要影響。

圖3 山體巖溶裂隙[1]Fig.3 Karst fissure in mountain[1]

現(xiàn)場調(diào)查發(fā)現(xiàn)，崩塌后的坡體壁面為米黃色，可見清晰的溶蝕裂隙和管道(圖 4)，說明灰?guī)r溶蝕強烈，且溶蝕和裂隙水壓力對此裂隙的擴展有促進作用。

圖4 崩塌后坡體壁面Fig.4 Wall of slope after collapse

1.4 采礦活動

普灑煤礦礦區(qū)面積0.96 km2，煤層傾角在7°～12°。共6層可采煤層，從上到下分別為M6，M10，M14，M16，M18，M20(圖 2)，平均厚度1.6 m。煤層頂板巖性主要為砂巖類(夾薄層偽頂)和砂質(zhì)泥巖類。煤層直接頂較薄，多屬于不穩(wěn)定巖層，易出現(xiàn)冒頂、掉塊等情況[1,3]。

區(qū)內(nèi)主要開采M10，M14和M16煤層。M10號煤層厚度0.79～2.95 m，平均2.12 m，直接頂一般為粉砂質(zhì)泥巖，底板為泥質(zhì)粉砂巖；M14煤層厚度0.77～1.95 m，平均厚度1.23 m，直接頂板一般為粉砂質(zhì)泥巖，直接底一般為淺灰色團塊泥巖；M16號煤層厚度0.76～2.04 m，平均厚度1.48 m，煤層直接頂大多為粉砂巖、細砂巖，直接底一般為粉砂質(zhì)泥巖或泥質(zhì)粉砂巖。開采煤層屬于薄及中厚煤層。

根據(jù)煤層特點，普灑煤礦采用斜井開拓，礦井采用走向長壁后退式采煤方法，全部垮塌法管理頂板，回采工藝為炮采，掘進工藝為炮掘[1,3]。從2007年到2010年12月，普灑煤礦主要開采M16號煤層，開采面積約6.95×104m2。M16采空區(qū)整體位于斜坡前部，對斜坡變形影響較小[3]。從2013年11月至2017年8月崩塌發(fā)生，普灑煤礦主要開采M10和M14煤層，總開采面積約18.22×104m2。M10和M14采空區(qū)整體位于坡體正下方，如圖2所示。M10和M14煤層開采后山體變形劇烈直至崩塌[3]。

2 坡體變形失穩(wěn)過程

根據(jù)歷史勘測資料，崩塌發(fā)生前，崩塌源區(qū)經(jīng)歷了較長的變形過程。從山體開始變形到崩塌的發(fā)生，山體的演變過程可分為2個階段：沉陷-拉裂變形和山體整體潰屈。

2.1 沉陷-拉裂變形階段

老鷹巖自2006年開始變形，2009年山體內(nèi)形成了一條走向為N30°～35°E的長大裂縫，切割出潛在崩塌體[2]。由于開采沉陷、降雨和溶蝕作用，至2014年時山體后緣已發(fā)育數(shù)條裂縫，如圖 5所示[2]。其中，2009年形成的1號裂縫延伸至180 m左右，寬度達到34 m。2號和3號裂縫位于崩塌體正后方，4號和5號裂縫位于崩塌體左后方。在7號裂縫下部堆積了崩塌堆積物。山體持續(xù)變形，裂隙擴展，2016年山體變形加劇，小型崩塌頻繁發(fā)生，山體表面植被已被刮產(chǎn)干凈。2017年坡腳已被崩塌堆積物完全覆蓋(圖 1(a))。此階段一直持續(xù)到崩塌發(fā)生前。

圖5 2014年3月普灑村崩塌源區(qū)后部的裂縫特征[2]Fig.5 Characteristics of cracks in the back of the collapse source area of Pusa Village in March 2014[2]

2.2 山體整體潰屈階段

隨著坡體變形累計和深大裂隙擴展，坡體進入失穩(wěn)破壞階段。圖6為右側(cè)視角的坡體潰屈崩滑過程，對應(yīng)圖 7的正面視角[2]。首先，在上部坡體重力作用下，坡體中部開始產(chǎn)生裂縫，并伴隨局部崩塌(圖6(a)，7(a))。坡體進一步變形，坡體上部巖體沿后壁下座，頂部出現(xiàn)凹陷；坡體中、下部巖體受上部坡體擠壓破碎形成裂縫帶，剪出口產(chǎn)生大量裂縫(圖6(b)，7(b))。最后，坡體下部巖體完全破碎潰屈，無法承受上部坡體重力，上部坡體鼓出，向坡外傾倒，最終形成傾倒崩滑(圖6(c)，7(c))。

圖6 山體失穩(wěn)過程(右側(cè)視角，紅色線為滑體形態(tài))[2]Fig.6 Mountain instability process(right perspective,the red lines represent the slip body shape)[2]

圖7 山體失穩(wěn)過程(正面視角)[2]Fig.7 Mountain instability process(positive perspective)[2]

3 采動-裂隙水耦合下含深大裂隙巖溶山體破壞數(shù)值模擬實驗

3.1 UDEC數(shù)值模擬方案

3.1.1模型和基本參數(shù)

依據(jù)工程地質(zhì)剖面圖(圖2)，建立崩塌前山體二維UDEC數(shù)值模型，如圖 8所示。二維模型節(jié)理產(chǎn)狀統(tǒng)一取310°∠7°，并設(shè)置次級正交節(jié)理。根據(jù)崩塌前后的地質(zhì)資料，在二維模型上設(shè)置4條深大裂隙(圖 8)，以研究采動和裂隙水耦合下含深大裂隙山體的失穩(wěn)破壞機制。煤、巖體選用Mohr-Coulomb模型，節(jié)理采用摩爾-庫倫面接觸滑動模型。巖體、層面、節(jié)理的物理力學(xué)參數(shù)根據(jù)文獻[3]，結(jié)合地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查報告[26]和工程類比[28-30]取得，見表2，3。約束斜坡模型左、右邊界的水平位移和底邊界的豎直位移，上邊界為自由邊界。

圖8 普灑滑坡二維概化計算模型Fig.8 Two dimensional generalized calculation model of Pusha

表2 巖體物理力學(xué)參數(shù)

3.1.2煤層開采工況

普灑煤礦屬于薄及中厚煤層開采。薄層開采主要特點為工作面采高低、工作面條件差，煤層厚度變化、斷層等地質(zhì)構(gòu)造對薄煤層工作面生產(chǎn)影響大，對地層影響方面，薄煤層開采后“三帶”范圍較小，地表沉陷程度較小[31-33]。

數(shù)值計算模擬2013—2017年M10和M14號煤層的開采。先開采M10煤層，后開采M14煤層，順坡開采。每個煤層開采長度均為90 m，開挖步距為30 m，則開采工況依次為M10-1→M10-2→M10-3→M14-1→M14-2→M14-3，如圖 9所示。開挖時不留設(shè)煤柱，每個工況開采結(jié)束后進行應(yīng)力平衡計算，平衡后進行下一工況的開挖。

表3 結(jié)構(gòu)面物理力學(xué)參數(shù)

圖9 煤層開挖順序Fig.9 Sequence diagram of coal seam excavation

3.1.3裂隙水工況

斜坡所處地區(qū)溶蝕強烈，降雨充沛，深大裂隙內(nèi)水補給主要為降雨。為研究采動和裂隙水共同作用下深大裂隙擴展規(guī)律，煤層開采前，在二維模型4條裂隙內(nèi)設(shè)置了穩(wěn)定水頭，滲流穩(wěn)定后進行開采模擬。關(guān)于坡體裂隙內(nèi)水頭高度，結(jié)合現(xiàn)有文獻[22,34]和研究區(qū)內(nèi)氣象條件，在模擬中設(shè)置裂隙內(nèi)水頭高度為2/3裂隙高。坡腳及以下的粉砂質(zhì)泥巖透水性弱[1,27]，假定為不透水層，水滲流僅發(fā)生在坡體上部的灰?guī)r、泥灰?guī)r和泥質(zhì)粉砂巖節(jié)理中(圖8)。坡表和坡體右邊界為透水邊界，泥巖隔水層為隔水邊界(第2類邊界條件)，如圖8所示。為簡化問題，各層節(jié)理的滲透系數(shù)均取為1×108(MPa·s)-1[35-37]。完整巖塊滲透系數(shù)極小，不透水。

3.2 數(shù)值模擬結(jié)果分析

3.2.1采動作用下山體變形分析

圖10為各個開采工況后的坡體位移云圖，箭頭指示位移方向，箭頭大小代表位移值大小。

由圖10 (a)可知，開采M10-1后，對采空區(qū)上覆巖體影響比較小，位移主要發(fā)生在深大裂隙Ⅱ兩側(cè)的巖橋部位，巖橋向坡內(nèi)傾倒，深大裂隙Ⅱ上部逐漸閉合。開采M10-2后(圖 10 (b))，采區(qū)上覆巖層下沉，采動引起的位移影響區(qū)域開始向上傳遞，坡體除巖橋部分外，整體下沉，而巖橋繼續(xù)向坡內(nèi)傾倒。開采M10-3后(圖 10(c))，煤層頂板塌落，頂板最大位移增大至2.32 m。此時，坡體位移發(fā)生明顯變化：深大裂隙Ⅱ閉合，坡頂巖體沿深大裂隙Ⅱ向下滑移；坡體中部巖體則傾斜向鄰空面移動。坡體后緣位移依然較小，原因是深大裂隙Ⅱ底部擴展裂隙，阻斷了位移影響區(qū)向后緣傳遞。此后，隨著M14煤層各工況的開采，坡體整體位移趨勢沒有發(fā)生較大變化，如圖 10(d)～(f)所示，只是最大位移值逐漸增大，到M14-3開采結(jié)束時，采空區(qū)頂板最大位移達到3.58 m。

圖10 位移云圖Fig.10 Displacement nephogram

從坡體位移變化來看，采動對上部坡體變形的影響是一個不斷調(diào)整的過程。當(dāng)開采到M10-2時，坡體發(fā)生整體沉陷，被深大裂隙切割的巖橋向坡體后緣傾倒(圖 10 (b))。開采到M10-3時(圖 10 (c))，深大裂隙Ⅱ閉合，坡頂巖體沿深大裂隙Ⅱ下滑，而坡體中部因坡頂巖體下滑受到擠推，同時坡表鄰空，因此該部分巖體有被鄰空擠出的趨勢。坡頂巖體沿深大裂隙Ⅱ向下滑移的同時，在該裂隙底部產(chǎn)生向右下方擴展的裂隙，擴展的裂隙阻斷了采動位移影響區(qū)向坡體后緣的傳遞，因此坡體后緣逐漸形成了類懸臂梁結(jié)構(gòu)，如圖 10(c)～(f)所示。M10-3開采結(jié)束時，坡體整體位移趨勢已經(jīng)穩(wěn)定，具備整體滑移條件。隨著開采的進行，采空區(qū)逐漸增大，坡體位移進一步增大。當(dāng)坡體中部巖體無法承受來自坡頂巖體的推力時，則被鄰空擠出，最終形成崩滑。另外，坡頂巖體是沿深大裂隙Ⅱ向下滑移，原因是該裂隙最長，是坡體變形的主控裂隙。綜上，采動作用下坡體的變形過程可概括為：坡體沉陷變形—巖橋向坡內(nèi)傾倒—主裂隙閉合—坡體上部沿主裂隙滑移—坡體中部擠出。

坡表測點的水平位移、垂直位移隨工況的變化曲線如圖11所示。由圖11可知，在開采M10-1和M10-2時，坡表測點的位移值很小。主要的位移發(fā)生在工況M10-3及之后。由圖 11(a)可看出，坡頂測點1在采動后，位移向正向發(fā)展，并逐漸增大，這說明坡體頂部向坡內(nèi)傾倒。坡體中部測點2和3的水平位移向負向發(fā)展，并隨著開采不斷增加，說明中部巖體被鄰空擠出。在工況M10-3之后，底部測點3的水平位移值始終大于坡體中部測點2的位移值，說明越靠近坡體下部，擠出越明顯。在坡表的垂直位移中，坡頂測點1和坡體中部測點2隨著開采始終保持下沉趨勢，隨著開采的進行，位移值逐漸增大。在工況M10-3之后，坡頂測點1的沉降值遠大于坡體中部測點2，表明坡體上部巖體下滑嚴重。測點3的垂直位移變化與測點1和2有所不同：開采工況到M10-2結(jié)束時，測點3保持下沉趨勢；而當(dāng)M10-3開采時，測點3位移出現(xiàn)回升，此后在一個水平保持穩(wěn)定。原因是測點3靠近坡腳位置(圖8)，坡體中、下部巖體被擠出時，下部巖體主要發(fā)生水平位移(圖11(a))。下部巖體在水平擠出時，受到傾向坡內(nèi)的巖層控制，其在擠出時沿巖層爬升，因此其垂直位移有回升現(xiàn)象。而爬升空間有限，所以回升后，在一定范圍內(nèi)保持穩(wěn)定。

圖11 坡表測點位移Fig.11 Displacement of slope surface monitoring points

結(jié)合圖11各測點的水平位移和垂直位移來看，開采結(jié)束時，坡頂測點1的垂直位移值遠大于其水平位移，說明坡體上部主要為沉降變形；坡腳測點3產(chǎn)生的水平位移值達到1.68 m，而垂直位移值最大僅為0.13 m，表明坡體下部主要為水平位移，被鄰空擠出。

M10工作面上覆巖層測點的水平位移和垂直位移隨開采工況變化曲線如圖 12所示。由圖12可知，上覆巖層測點位移在工況M10-3之前變化很小，在該工況之后產(chǎn)生較大變化。坡體頂部測點4的水平位移向正向發(fā)展，并隨開采逐漸增大，同樣說明坡體頂部向坡內(nèi)傾倒。測點5，6和7受坡體擠出位移影響而出現(xiàn)較大的水平位移值。其中測點6位于坡體中下部，所以位移值大于測點5和7的位移值。測點8位于M10采空區(qū)頂板，其發(fā)生的位移主要為垂直位移，因此其水平位移較小。測點4，5，6，7和8的垂直位移如圖12(b)所示，由圖12(b)可知，測點位移值隨著開采逐漸增大。測點4，5和6與采空區(qū)高差大，產(chǎn)生的位移值較小且相近。測點8位于采空區(qū)頂板，因此產(chǎn)生的豎向位移最大，測點7位移值次之，這符合地下開采沉陷中的“三帶”位移分布規(guī)律[3]。

綜合整個開采過程來看，開采M10-1和M10-2時，對坡體產(chǎn)生的影響較??；開采M10-3時，坡體位移產(chǎn)生較大突變，說明M10煤層的開采對坡體變形影響巨大。

3.2.2采動作用下坡體裂隙演化分析

圖 13給出了從裂隙充水到開采完成整個過程中坡體裂隙演化過程，紅線代表張開的節(jié)理裂隙。由圖13(a)可知，裂隙充水滲流穩(wěn)定后，坡體部分節(jié)理張開，張開的節(jié)理主要為豎向節(jié)理。這一方面是水壓力作用，另一方面是巖體受壓出現(xiàn)張性破壞導(dǎo)致。破壞的節(jié)理較為均勻的分布于坡體內(nèi)。開采后，坡體裂隙首先出現(xiàn)在煤層上覆巖體中(圖13(b))。隨著開采的進行，采動裂隙寬度和高度增加，如圖13(c)所示。此時，上覆巖體出現(xiàn)離層現(xiàn)象，采動裂隙向上發(fā)育與坡體原有裂隙接觸，同時開采沉陷導(dǎo)致坡體產(chǎn)生新裂隙，坡體新生裂隙區(qū)域為塔狀，與采動裂隙區(qū)域形成雙塔疊置形態(tài)。工況M10-3結(jié)束時(圖13(d))，大范圍開采沉陷引起坡體前部裂隙極其發(fā)育，坡體內(nèi)塔狀裂隙區(qū)域進一步擴展，寬度和高度增加，與深大裂隙Ⅰ，Ⅱ及坡表接觸。坡腳在上部坡體擠壓下破壞也出現(xiàn)新裂隙，深大裂隙Ⅲ和Ⅳ底部也開始擴展。此時，坡體中下部巖體已較為破碎。此后，隨著M14煤層開采，坡體裂隙增加較少(圖13(f)～(g))，原因是M14煤層埋深較深，開采高度較小，對坡體的擾動較小。坡體主要的破壞是M10煤層開采引起，M14煤層開采后主要使坡體變形增大，前期裂隙開度增大。從開采過程中坡體破壞程度看，開采對坡體的擾動強度先增加后減小。

圖12 M10工作面上覆巖層監(jiān)測點位移Fig.12 Displacement of monitoring point of overburden in M10 working face

圖13 坡體裂隙發(fā)育示意(紅色線代表張開的節(jié)理)Fig.13 Diagram of fracture development in the slope(The red lines represent open joints)

坡體上部裂隙發(fā)育特征如圖 14所示。M10-2開采結(jié)束時(圖14(a))，由于巖橋1向坡體后緣傾倒產(chǎn)生拉應(yīng)力，裂隙I底部先開始擴展，并向著深大裂隙Ⅱ貫通。傾倒的巖橋1塌落在深大裂隙Ⅱ的壁面上，裂隙Ⅱ頂部閉合。塌落的巖橋1使巖橋2變形劇烈，在巖橋2的中部位置產(chǎn)生張拉開裂，開裂裂紋向著深大裂隙Ⅲ底部擴展。工況M10-3結(jié)束時(圖 14(b))，采動對坡體造成嚴重破壞，深大裂隙Ⅱ開始擴展，擴展方向為右下方。擴展的裂隙阻斷了采動位移影響區(qū)向坡體后緣傳遞，如圖 10所示。同時，在坡體中部位置產(chǎn)生2條潛在滑面，潛在滑面的延伸方向為深大裂隙Ⅰ，Ⅱ底部，這是由于上部坡體沿深大裂隙Ⅱ下滑所致。當(dāng)開采14-2時，坡體沿潛在滑面滑動，位移增大，中部坡表巖體被剪出，節(jié)理發(fā)生錯動(圖14(c))。當(dāng)M14-3開采結(jié)束時，采動影響下坡體位移進一步增大，已擴展的裂隙長度和寬度均有所增加。潛在滑面1和2均進一步發(fā)育。深大裂隙IV底部開始擴展、發(fā)育裂隙，但裂隙發(fā)育程度較小。

從坡體上部裂隙發(fā)育的整個過程來看，深大裂隙Ⅱ決定著坡體的破裂演化形式。前期采動作用使坡頂巖體沿深大裂隙Ⅱ向下滑移，擠推中、下部坡體，在坡體中部形成了潛在滑面，潛在滑面向深大裂隙Ⅱ底部擴展。同時，開采沉陷導(dǎo)致深大裂隙Ⅱ向右下方擴展，阻斷了采動位移影響區(qū)向后緣傳遞，導(dǎo)致靠后的深大裂隙Ⅲ和Ⅳ在整個開采過程中活動不明顯。隨著開采的進行，坡體位移增大，形成的潛在滑面向著深大裂隙Ⅱ擴展，當(dāng)滑面完全貫通時，造成坡體的整體失穩(wěn)破壞。以上說明深大裂隙Ⅱ是坡體變形和破壞的主控裂隙。

圖14 山體上部裂隙發(fā)育示意Fig.14 Schematic diagram of fissure development in upper part of mountain

3.2.3坡體滲流特征分析

開采過程中，坡體的滲流速度矢量圖如圖15所示。由圖15(a)可知，深大裂隙充水后，水向坡外和坡內(nèi)流動。深大裂隙附近滲流速度較大，而坡體其他部位節(jié)理內(nèi)滲流速度均勻變化。隔水層上方中心位置流速最小，沿坡外、坡內(nèi)和上方，流速增大。隨著開采的進行，坡體滲流速度開始變得不均勻(圖15(b)～(c))。當(dāng)M10-3開采結(jié)束時(圖15(d))，潛在滑面和裂隙擴展區(qū)域的滲流速度顯著增大，這是因為裂隙開裂，隙寬增加。隨著開采的進行，滲流速度較大的區(qū)域變化不大(圖15(e)～(f))。滲流速度最大值隨開采有所增加，這是因為坡體位移增大，裂隙寬度增加。

坡體節(jié)理內(nèi)孔隙水壓力隨開采過程變化如圖 16所示。裂隙充水后，孔隙水壓力最大處位于泥巖隔水層上方中心位置，最大孔隙水壓力為0.81 MPa(圖 16(a))。工況M14-2結(jié)束時，最大孔隙水壓力增加至0.97 MPa。這是因為開采后，坡體裂隙發(fā)育，裂隙開度增加，坡體滲流增強，導(dǎo)致隔水層上方最大孔隙水壓力增大。當(dāng)M14-3開采結(jié)束時，坡體最大孔隙水壓力為0.94 MPa，略微減小，原因是隨著開采的進行，坡體變形增大，部分開裂的裂隙被壓密，滲流相對減弱。

圖15 坡體滲流方向Fig.15 Seepage vector in slope

圖16 孔隙水壓力Fig.16 Pore water pressure

3.3 采動和裂隙水作用下含深大裂隙巖溶山體失穩(wěn)破壞機理分析

3.3.1采動作用

納雍普灑崩滑災(zāi)害的形成與演化是內(nèi)因與外因共同作用的結(jié)果。開采沉陷、溶蝕和裂隙水作用在山體中形成了4條深大裂隙，其中延伸最長的裂隙Ⅱ?qū)ι襟w的穩(wěn)定性起到了控制性作用，為主裂隙。采動是崩滑的主要因素。結(jié)合前文分析，采動作用下坡體的演化過程主要分為2個階段：變形階段和破壞階段，如圖 17所示。

(1)變形階段。采動初期，上覆巖層下沉，坡體主要發(fā)生沉陷變形。同時，坡頂和被裂隙切割的巖橋向坡內(nèi)傾倒，使主裂隙閉合，如圖 17(a)所示。

(2)破壞階段。隨著開采的進行，采動位移影響區(qū)增大，坡體位移趨勢發(fā)生變化。坡體上部巖體沿閉合的主裂隙向下滑移，擠推坡體中部巖體，坡體中部鄰空而被擠出，并被擠壓破碎，在坡體內(nèi)形成了潛在滑移破裂面。同時，開采沉陷導(dǎo)致深大裂隙Ⅱ開裂擴展，擴展方向為右下，使坡體后緣形成類懸臂梁結(jié)構(gòu)(圖 17(b))。隨著開采的進行，坡體中下部巖體進一步破碎，潛在滑面擴展，并與深大裂隙Ⅱ底部貫通，導(dǎo)致坡體崩滑。

總結(jié)上述過程，采動下坡體的整體失穩(wěn)過程可概括為：坡體沉陷變形—坡頂向坡內(nèi)傾倒—主裂隙閉合—坡體上部沿主裂隙滑移—主裂隙開裂—坡體中部擠出—中、下部巖體破碎—潛在滑面貫通—崩滑形成。變形和破壞過程與第3節(jié)分析較為吻合。

圖17 采動作用下坡體變形破壞示意Fig.17 Schematic diagram of deformation and failure of slope under mining

3.3.2裂隙水作用

水通過在坡體節(jié)理裂隙內(nèi)產(chǎn)生靜水壓力和動水壓力使裂隙開裂、巖體變形而影響坡體的穩(wěn)定性。深大裂隙充水后，裂隙壁受到水的推力作用，同時水沿巖層、節(jié)理流動，產(chǎn)生的孔隙水壓力作用于塊體上使坡體變形增大。在坡體破壞時，水流在新產(chǎn)生的裂隙內(nèi)流動形成的水壓力加劇裂隙的擴展和貫通，促進了坡體失穩(wěn)。為分析裂隙水及其滲流對采動坡體的作用規(guī)律，對無裂隙水條件下的山體進行了開采模擬，其他參數(shù)和工況與含裂隙水條件完全相同。模擬結(jié)果顯示，無裂隙水條件下坡體的變形破壞特征與含裂隙水條件類似，見3.3.1節(jié)。主要區(qū)別是坡體變形量值不同。崩滑是以滑體產(chǎn)生較大的垂直位移為災(zāi)害基本特征，因此以坡頂測點1的垂直位移為指標(biāo)進一步對比分析水力作用。

圖 18給出了坡頂測點1在無裂隙水條件和含裂隙水條件下的垂直位移隨開采工況變化。由于2種條件下各開采工況計算步不同，因此主要對比各工況節(jié)點的位移差值。由圖18可知，無裂隙水條件下坡頂測點1的垂直位移與含有裂隙水條件下的變化規(guī)律相同。隨開采工況的進行，位移值逐漸增大，且在開采M10-3時位移突變。不同之處在于含裂隙水條件下測點1的垂直位移值大于無裂隙水條件。圖 18中也給出了2種條件下各開采工況節(jié)點的位移差值曲線(藍色點線)。由圖18可知，在M10-3工況之前，2者差值較小，在0.028 m以內(nèi)。在工況M10-3時，差值陡增，增加至0.28 m，說明此階段水力導(dǎo)致坡體變形作用發(fā)揮明顯。原因是此階段坡體受采動影響發(fā)生了劇烈的裂隙擴展，水力在此階段加劇了坡體的開裂和變形，導(dǎo)致位移差值驟增。此后，位移差值變化較小，是因為坡體在M10-3工況時已發(fā)生主要破壞，后續(xù)工況坡體巖體進一步破壞的程度較小，水力對坡體變形的促進作用減弱，導(dǎo)致位移差值變化較小。

圖18 無裂隙水和含裂隙水條件下測點1的 垂直位移及2者差值隨開采工況變化Fig.18 Variations in vertical displacement of measuring point 1 under the conditions of non-water and fissure water,and the variation in the difference between two conditions with the mining process

將各開采工況節(jié)點的位移差值與相應(yīng)開采工況節(jié)點無裂隙水條件下的位移絕對值的比值定義為位移差值百分比。位移差值百分比隨開采工況變化曲線如圖 19所示。在開采前，坡體裂隙內(nèi)施加穩(wěn)定水頭后，坡頂測點1產(chǎn)生了微小的垂直位移，位移為-1.57 mm，而無裂隙水時該測點的垂直位移極小，為-0.9 mm，此時位移差值百分比較大，為75%左右，說明此時裂隙水對坡體變形的影響占主導(dǎo)地位，但并未對坡體穩(wěn)定性產(chǎn)生較大影響。當(dāng)M10-1開采后，位移差值百分比驟降，這是因為開采后采動對坡體變形的影響開始占主導(dǎo)地位。M10-1開采結(jié)束后，位移差值百分比降至20%。此后，隨著開采的繼續(xù)進行，位移差值百分比先增加后減小。在工況M10-3和M14-1期間保持在較高水平，在36.80%～39.42%。在工況M14-2和M14-3期間，位移差值百分比下降，最終回落至23.94%。從3.2.2節(jié)得知，開采對坡體的擾動強度先增加后減小。工況M10-3階段，坡體受采動影響產(chǎn)生嚴重破壞，裂隙大量發(fā)育，并引起上部原有裂隙擴展和貫通，開采擾動強烈。在此過程中，水力作用發(fā)揮明顯，加劇了坡體變形和破壞，因此導(dǎo)致位移差值百分比較大。當(dāng)開采M14-1時，一方面坡體進一步破壞，但破壞程度有限，另一方面前一工況坡體破壞后的應(yīng)力和變形在此階段調(diào)整，導(dǎo)致此階段水力作用依然顯著，因此位移差值百分比依然在較高水平。此后，隨著繼續(xù)開采(工況M14-2和M14-3)，坡體進一步破壞和變形的程度較小，開采擾動強度也相對減小，因此水力作用的發(fā)揮程度降低，導(dǎo)致位移差值百分比減小。由此，可得出，采動是引起坡體變形和失穩(wěn)的主要因素。開采后，當(dāng)坡體受到強烈擾動發(fā)生嚴重破壞時，水力促進坡體變形的作用會顯著提高；而采動擾動強度較低時，這種水力作用也有所減弱。換句話說，開采擾動越劇烈，水力導(dǎo)致坡體變形的作用越顯著，反之，則水力作用越弱。

圖19 測點1的位移差值百分比(位移差值/無裂隙 水條件下位移值)隨開采工況變化曲線Fig.19 Change curve of displacement difference percentage(displacement difference/displacement value under the condition of non-water) of measuring point 1 with mining process

4 結(jié) 論

(1) 采動對巖溶山體的穩(wěn)定性起著重要作用，主要表現(xiàn)在采動裂隙發(fā)育、誘發(fā)原有裂隙擴展貫通和坡體的整體變形。采動對坡體變形的影響是一個隨開采不斷調(diào)整的過程，隨著開采進行，坡體變形由坡體整體下沉轉(zhuǎn)變?yōu)槠麦w中部鄰空擠出。

(2) 巖溶山體的深大裂隙對坡體的變形和破壞起到了控制作用，其中延伸最長的主裂隙決定了坡體的破裂演化形式。坡體破壞時，坡頂巖體沿主裂隙滑移，擠推中、下部坡體，在中、下部坡體內(nèi)形成潛在滑面，潛在滑面向主裂隙底部擴展并貫通，為整體崩滑提供了條件。

(3) 采動作用下含深大裂隙巖溶山體的整體失穩(wěn)破壞過程為：坡體沉陷變形—坡頂向坡內(nèi)傾倒—主裂隙閉合—坡體上部沿主裂隙滑移—主裂隙開裂—坡體中部擠出—中、下部巖體破碎—潛在滑面貫通—崩滑形成。

(4) 開采前，裂隙水是引起坡體變形的主要因素，但對坡體穩(wěn)定性影響不大。開采后，采動對坡體的變形起主導(dǎo)作用，水力對坡體變形和破壞的貢獻取決于開采階段。隨著開采的進行，開采對坡體的擾動強度先增加后減小，水力促進坡體變形的作用也先增加后減小。開采擾動越強烈，水力作用越顯著，反之水力作用越弱。