基于邊坡雷達的牽引式滑坡滑動過程分析研究

張繼民，張詔飛，席 偉

(中鐵資源集團勘察設計有限公司， 河北 廊坊 065000)

邊坡失穩(wěn)破壞是露天礦山主要的地質災害類型之一，按照其滑動破壞機理，一般可劃分為牽引式滑坡、推移式滑坡和復合式滑坡。眾多專家學者[1-4]研究了不同類型滑坡漸進破壞過程的運動特點、力學特征和演化過程，通過數(shù)值模擬分析得出滑坡破裂面形成機制和破壞程度，明確邊坡監(jiān)測在礦山邊坡穩(wěn)定性評價和滑坡防治過程中的重要性。

作為監(jiān)測滑坡的最有效手段，邊坡雷達具有監(jiān)測面廣、機動性強、全天候、數(shù)據(jù)精度高等特點，近年來在露天礦山監(jiān)測行業(yè)得到了大力推廣。煤科集團的朱新平等[5]在國內首次將邊坡雷達(SSR)應用于黑岱溝露天煤礦高臺階崩塌、滑坡的監(jiān)測項目中，并建立了動態(tài)、實時的自動化監(jiān)測預警系統(tǒng)，提供了準確有效的滑坡預報；吳星輝[6]、祁廣祿[7]、王旭[8]、王立文[9]等分別在不同礦山應用邊坡雷達建立監(jiān)測預警系統(tǒng)，證實了邊坡雷達對不同類型滑坡預報的有效性；馬海濤等[10]在對邊坡雷達位移分析預警過程中，提出了應用正態(tài)分布置信區(qū)間對滑坡預測開始點進行動態(tài)識別的方法，提高了滑坡預測時間的準確性；鄭翔天[11]從邊坡雷達預警模型位移參數(shù)反演方法、雷達位移與三維空間數(shù)據(jù)融合等方面進行研究，提出基于面域點群遙測數(shù)據(jù)融合的時空分析預警模型。以上研究多側重于滑坡形成的機理，或滑坡過程的位移分析和預警方法，對于滑坡過程中位移變化特征對滑坡機理響應情況的研究則較少見。

本文以剛果(金)地區(qū)某露天礦邊坡雷達監(jiān)測牽引式滑坡案例出發(fā)，分析邊坡滑動發(fā)展過程中不同階段、不同滑動部位的位移變化特征,為驗證牽引式滑坡的破壞機理提供事實依據(jù)，并提出了基于滑坡體不同部位位移順序求取滑坡位移場和滑面產(chǎn)狀的方法，以指導滑坡治理。

1 案例背景

案例礦山位于剛果(金)南部盧飛蓮銅鈷礦帶，采用露天開采，設計境界最大邊坡高度230 m，單臺階高度12 m，臺階坡面角45°(覆土)～70°(基巖)，安全平臺寬度4 m、8 m(并段)，清掃平臺寬度13 m，每隔2～3個臺階設1個清掃平臺，最終邊坡角43°～45°. 其中，西南幫上部高度1 238 m，為采場最高邊坡，走向北西西，表層覆蓋第三系風化殘積形成的紅黏土(N)，厚度一般在20 m以內；下部主要為一套孔德龍古系陸源碎屑巖(K)，其巖性為含鐵質雜砂巖，強風化帶深度20～50 m，巖體多成散體或碎裂結構。第三系(N)與孔德龍古系(K)呈角度不整合接觸，走向北北西，斜穿采場西幫。

2019年6月，在西南幫1 218～1 238 m高度，第三系紅黏土內部發(fā)生小規(guī)?；?，規(guī)模約5 000 m3，滑體清理后邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)。采場及西南幫滑坡區(qū)域示意圖見圖1.

自2020年6月份開始，按照采礦計劃對西南幫1 182～1 206 m高度進行剝采，形成1 187 m、1 194 m兩個安全平臺。邊坡地質條件見圖2. 7月初巡視過程中發(fā)現(xiàn)1 194 m平臺出現(xiàn)局部起鼓現(xiàn)象，坡頂處1 238 m平臺區(qū)域發(fā)育一系列平行裂縫，走向北西，與邊坡坡肩斜交。同時在1 206～1 238 m老滑坡體區(qū)域出現(xiàn)下沉裂縫。為實時掌握上述區(qū)域發(fā)展變化情況，自7月初開始采用邊坡雷達重點監(jiān)測其坡面位移。

圖2 西南幫邊坡地質剖面圖

2 滑坡牽引發(fā)展過程

自邊坡雷達重點監(jiān)測以來，共發(fā)生了7次不同規(guī)模的滑坡，其中3次對解釋牽引式滑坡的發(fā)展過程具有標志性意義。按照發(fā)展順序，分別編為①號、②號、③號滑坡，滑坡體見圖2及圖3中標記位置。滑坡過程如下：

圖3 坡面滑坡體分布圖

1) ①號滑坡：位于1 182～1 194 m臺階，為此次滑坡的前緣位置。自2020年7月下旬對1 182 m剝采以來，①號滑坡體位置下方坡面位移監(jiān)測數(shù)據(jù)頻繁波動，變化范圍絕對值在±30 mm之間?；麦w位置上方坡面位移周期性增大，自7月3日至7月25日，位移量由-20 mm增大至150 mm以上。7月29日，滑坡體下方位移再次波動，引發(fā)上方區(qū)域位移速度增加，7月30日13時07分，①號滑坡體位移突發(fā)性增長，發(fā)生滑動破壞(見圖4). 從監(jiān)測數(shù)據(jù)連貫性來看，①號滑坡體位置下方坡面位移監(jiān)測數(shù)據(jù)連貫性差(見圖5)，結合現(xiàn)場條件，為1 182 m采礦活動擾動下造成局部坡面不穩(wěn)定，繼而引發(fā)①號滑坡，規(guī)模約80 m3. 從小范圍來看，1 182 m采礦活動引發(fā)了①號小型滑坡；從西南幫整體邊坡來看，①號滑坡發(fā)生后，第三系與孔德龍古系不整合接觸面以上邊坡體坡角阻滑段的分離，造成整體邊坡下滑力進一步發(fā)揮主體作用[1-2]，逐步引發(fā)了②號和③號滑坡。

圖4 ①號滑坡體坡面位移量和速度曲線圖

圖5 ①號滑坡體坡面監(jiān)測數(shù)據(jù)連貫性曲線圖

2) ②號滑坡：位于1 194～1 206 m臺階，為①號滑坡的后續(xù)響應，在西南幫整體牽引式滑坡過程中，為下滑力傳遞區(qū)域[8]. 按監(jiān)測雷達像素點，將②號滑坡體劃分為前緣、中部、中后部、后緣4個部分，圖6為各部分的位移量和位移速度曲線，表1為各部分的滑動破壞時間、破壞開始時刻位移速度、破壞結束時刻位移速度和最終位移量。

從發(fā)生破壞的時間順序上，滑坡體前緣先于其后部坡體發(fā)生破壞，并在2～3 h后發(fā)生二次和三次破壞，進一步加大對其后部邊坡體的牽引作用，隨后中部、中后部和后緣滑坡體相繼發(fā)生滑動破壞，證實了牽引式滑坡的漸進式破壞過程[1]. 從發(fā)生破壞時的位移速度和破壞最終時刻位移量來看，前緣滑坡在較小的位移速度(1 mm/h)時即引發(fā)破壞，最終位移量也相對較??；在其漸進式的牽引作用下，中部、中后部和后緣邊坡體在位移速度達到5 mm/h左右時啟動破壞過程，最終的位移量也相對較大。其中破壞時位移速度和最終位移量最大者均為中后部邊坡，這可能與滑面形態(tài)有關。②號滑坡規(guī)模約600 m3.

3) ③號滑坡：本案例中最大規(guī)模的滑坡，總方量約15萬m3，高度自1 194 m至坡頂1 238 m. ②號滑坡發(fā)生破壞之后的一段時間內，總體坡面保持相對平穩(wěn)狀態(tài)。圖7展示了滑坡體各處坡面的位移速度云圖，除②號滑坡體位置處零星發(fā)生后續(xù)滑動之外，坡面位移量緩慢增加，位移速度保持在3 mm/h以內，處于蠕動變形的勻速變形階段[14]. 圖8展示了8月11日0:00—12:00的坡面位移速度云圖，該階段坡面位移速度逐步增加至5 mm/h以上，且位移加速區(qū)域有滑坡體前緣向后逐步擴展，牽引式發(fā)展特征顯著，處于蠕動變形的加速變形中期階段。此后坡面位移速度進一步增加，至18:01時，位移速度發(fā)生輕微突變至10 mm/h，認為加速變形階段結束，進入臨滑階段。至8月12日2:12，位移速度達到極值38 mm/h，由1 194 m平臺①號滑坡體附近發(fā)生破壞，并迅速向后緣擴展，坡面整體下沉，1 238 m平臺后緣裂縫暴露面積不斷增大。至9:40左右，滑動基本結束，位移速度回歸至5 mm/h以下，并逐步歸零。加速變形階段以來，坡面位移量及位移速度曲線見圖9，滑坡后坡面見圖10.

圖6 ②號滑坡體各部分位移量和位移速度曲線圖

表1 ②號滑坡體各部分滑動破壞指標表

(由上而下依次為8月8日—10日12:00)圖7 ③號滑坡體位移速度云圖

圖8 ③號滑坡體8月11日上午位移速度云圖

圖9 加速變形階段以來雷達監(jiān)測曲線圖

圖10 滑坡后坡面圖

3 滑坡體位移場

在滑體③坡面上按等間距選取特征點①—⑨(位置示意圖見圖11)，提取其雷達監(jiān)測數(shù)據(jù)，分別繪制特征點的位移曲線(見圖12)和速度曲線，進行分析對比。

圖11 坡面特征點示意圖

圖12 坡面特征點位移量曲線圖

將特征點在滑動破壞之前的位移量、破壞時的位移量、滑動破壞之前的位移速度進行大小排序,見表2. 以上監(jiān)測項目均按滑體空間分布關系，按滑體前緣大于后緣的基本規(guī)律分布。依照以上規(guī)律，可繪制滑體的位移場，并可進一步推斷滑動方向和滑面的產(chǎn)狀(見圖13)，這對滑后開展滑坡反分析，求取滑面參數(shù)至關重要。

表2 特征點監(jiān)測數(shù)據(jù)排序表

圖13 推斷滑體位移場圖

4 結 論

1) 基于剛果(金)某露天礦滑坡案例的雷達監(jiān)測數(shù)據(jù)分析，驗證了牽引式滑坡漸進式發(fā)展和下滑力的傳遞過程。

2) 牽引式滑坡體內部不同部位的相對滑動有一定的規(guī)律。②號滑坡(小型滑坡)滑動破壞時的位移速度和滑動破壞結束時的最終位移量大致規(guī)律均為前緣小于后緣；③號滑坡(中型滑坡)滑動破壞前、破壞時的位移量，以及破壞前的位移速度為前緣大于后緣。

3) 根據(jù)③號滑坡體特征點監(jiān)測情況，繪制了滑坡的位移場和滑動方向，并結合其它勘探手段可推斷滑動面的產(chǎn)狀，為滑坡反分析提供基礎條件。

Analysis and Research on Sliding Process of Tractive Landslide Based on Slope Radar

ZHANG Jimin, ZHANG Zhaofei, XI Wei

AbstractTraction landslide is a common form of slope failure in open-pit mines, and slope radar is the most effective way of landslide monitoring at present. Based on the case of radar monitoring and tractive landslide in an open-pit mine in the Democratic Republic of Congo, the progressive failure and the transmission process of the sliding force during the sliding process are analyzed; The sliding displacement and displacement velocity of different parts of the landslide body are analyzed. The displacement velocity at the time of sliding failure and the final displacement at the end of sliding failure of No.2 landslide (small landslide) are roughly the same as that at the front edge less than the rear edge, and the displacement before and at the time of sliding failure of No.3 landslide (medium landslide), as well as the displacement velocity before sliding failure is greater than the rear edge; According to the monitoring of the characteristic points of No.3 landslide, a method is proposed to obtain the displacement field and occurrence of the landslide surface based on the displacement sequence of different parts of the landslide, which has certain reference value for the research and treatment of similar landslides.

KeywordsOpen-pit mine; Slope radar; Tractive landslide; Slope body; Landslide back analysis