德爾尼銅礦多次滑坡形成條件及數(shù)值模擬研究

馬 增，劉正宇，李愛兵，虎萬杰，王飛飛

（1. 長沙礦山研究院有限責任公司，湖南 長沙 410012；2. 金屬礦山安全技術國家重點實驗室，湖南 長沙 410012）

0 引言

滑坡作為常見的地質(zhì)災害，在全國廣泛發(fā)生。針對滑坡的產(chǎn)生條件及形成機制，許多專家和學者都開展了大量的研究。

對于滑坡產(chǎn)生的條件，很多專家根據(jù)研究對象的特殊性提出了不同的看法。張劉柱等[1]根據(jù)安徽銅陵新華山銅礦滑坡提出了地形地貌、地層巖性因素、地質(zhì)構(gòu)造、自然因素和人類活動五個因素。陳文濤等[2]以阿塔巴德滑坡為例，分析滑坡形成的主要條件為地形地貌條件、氣候條件、工程地質(zhì)條件、水文地質(zhì)條件和地震與新構(gòu)造運動等。王春帥等[3]以河南靈寶大湖金礦滑坡為對象將成因分為了內(nèi)在因素和外在因素。閆茂華等[4]通過對云南德欽日因卡滑坡的調(diào)查認為：滑坡失穩(wěn)與地表降水、冰雪融水、凍融循環(huán)作用及切坡建房等人類工程活動密切相關。王得雙等[5]通過收集歷史高位滑坡資料，總結(jié)了其產(chǎn)生的條件為地形、地震、降雨及人類活動等。由此可知，滑坡產(chǎn)生的條件與邊坡的地質(zhì)地形條件、水文條件以及人類活動密切相關。

一次滑坡研究其形成機制較為容易，但對于多次滑坡來說就要從個體和整體兩個方面進行辯證的看待。在原有滑坡的基礎上發(fā)生新的滑坡被稱作滑坡復活，對于滑坡復活方面開展的工作主要集中在復活周期較長的滑坡即古滑坡方面[6-8]，但是對于周期較短的滑坡，經(jīng)過查看資料在相同地點發(fā)生多次滑坡的現(xiàn)象描述非常少，有關這方面的研究也相對欠缺[9]。德爾尼銅礦邊坡在2012 年到2018 年間發(fā)生過5 次滑坡，間隔時間較短，規(guī)模相對較大，這5 次滑坡為研究滑坡間的形成機制提供了良好的研究素材。

本文以德爾尼銅礦發(fā)生的5 次滑坡為研究對象，結(jié)合以往資料的數(shù)據(jù)，總結(jié)這些滑坡的形成條件，并通過數(shù)值模擬分析方式對每一階段滑坡形成的原因和過程進行論述，研究成果有助于礦方在進行滑坡治理時采取合理措施。

1 礦區(qū)概況

德爾尼銅礦位于青海省果洛自治州境內(nèi)德爾尼山南坡，屬于典型的高原山坡露天礦，礦區(qū)位于松潘—甘孜褶皺系阿瑪卿褶皺帶中，德爾尼復背斜南翼，區(qū)內(nèi)巖漿活動頻繁，侵入巖發(fā)育，地震峰值加速度為0.05g[10]。礦區(qū)出露地層主要為上石炭統(tǒng)的大理巖、角閃片巖以及下二疊統(tǒng)下組的含碳斑巖、凝灰質(zhì)板巖夾結(jié)晶灰?guī)r，礦區(qū)下覆多為蛇紋巖、片理化蛇紋巖、碳酸鹽化蛇紋巖以及輝橄巖等巖漿巖；總體上講德爾尼銅礦的邊坡下部為軟弱的蛇紋巖，上部為較堅硬的板巖，這也是滑坡產(chǎn)生的主要原因。礦區(qū)水的補給來源主要來自大氣降水，冬季的降雪和夏季的降雨，通過德爾尼山向下排泄，最終流到德爾尼河中，邊坡上有多處溢水點，明顯隨著降雨量的變化而變化。

德爾尼銅礦開采主要分為兩個采場，其中Ⅰ號采場已經(jīng)閉坑，Ⅱ號采場目前正在開采，多次滑坡產(chǎn)生于正在開采的Ⅱ號采場。

2 歷次滑坡概況及條件分析

2.1 歷次滑坡概況

德爾尼銅礦在2012—2018 年間發(fā)生過多次邊坡滑動，發(fā)生滑坡的位置各不相同，但2015年9 月11 日、2016 年1 月27 日和2015 年12 月4—5日滑坡位置集中在礦山勘探線37線，歷次滑坡情況見表1，位置分布如圖1所示。

圖1 德爾尼銅礦邊坡歷次滑坡位置示意圖Fig.1 Schematic diagram of the location of previous landslides on the slope of Derni Copper Mine

圖2 37線代表地質(zhì)剖面圖Fig.2 The geological profile represented by Line 37

表1 歷次滑坡概況

2.2 歷次滑坡產(chǎn)生條件分析

通過圖1 可以看出：前兩次的滑坡在31 線到35 線之間，后三次滑坡發(fā)生在35 線到39 線之間。從滑坡產(chǎn)生的位置和以往礦山提供的資料可以對歷次滑坡形成的條件進行說明。歷次滑坡產(chǎn)生的條件主要分為地質(zhì)環(huán)境、水文條件和開采活動三方面。

（1）地質(zhì)環(huán)境

礦區(qū)位于高海拔地區(qū)，常年的冰凍雨雪天氣、凍融作用導致邊坡巖體加速風化，強度不斷降低。

邊坡地層下部為蛇紋巖、片理化蛇紋巖、碳酸鹽化蛇紋巖及輝橄巖等巖漿巖，強度較低，圍巖蝕變程度較高，特別是片理化蛇紋巖遇水變成泥狀物。上部為板巖、花崗巖和閃長斑巖等堅硬巖石，風化程度較低，在山頂形成陡尖的形狀。兩種性質(zhì)不同的巖層導致邊坡在空間上形成不利的因素，這也是邊坡產(chǎn)生滑坡的重要因素。

（2）水文條件

水做為影響邊坡穩(wěn)定性的重要因素，一方面降低了巖體的力學強度，另一方面地下水的滲透壓力可導致下滑力增大，抗滑力減小[11-14]。德爾尼銅礦邊坡存在多處出水點，通過調(diào)查發(fā)現(xiàn)：德爾尼邊坡共有15 處出水點，最大一處為37 線附近4400 m 平臺處，最大流量為2 L/min，即圖3中指出的位置，與圖1滑坡產(chǎn)生的位置完全吻合，充分說明了地下水的出露會使邊坡上的裂隙充水，最終導致裂隙貫通形成滑坡。

圖3 邊坡出水點位置圖（紅色標記處）Fig.3 Location map of the water outlet point of the slope（marked in red）

（3）開采活動

開采活動是產(chǎn)生滑坡的重要因素，分為兩個方面：一方面是在滑坡產(chǎn)生前期的采礦活動和邊坡管理；另一方面是滑坡產(chǎn)生后的治理措施。2015年、2016年和2018年的滑坡符合牽引式滑坡特征，由下到上規(guī)模逐漸擴大，下部開采造成坡腳變陡進而引起邊坡失穩(wěn)，在滑坡后緣形成拉裂破壞區(qū)，隨著變形發(fā)展，滑坡向后向上發(fā)展；同時也與上一次滑坡的治理措施有關，滑坡后覆蓋層沒有完全清理，僅僅在滑坡虛方上采取削坡減載的方式進行治理，這是導致多次滑坡的關鍵因素。

基于對德爾尼滑坡的認識，結(jié)合先前資料和照片，分析影響德爾尼滑坡的主要條件為地質(zhì)環(huán)境、水文條件和開采活動。

3 歷次滑坡的形成過程

基于滑坡前后照片，對滑坡產(chǎn)生過程進行對比分析。從圖4（a）中可以看出，邊坡臺階寬度不夠，上部臺階已經(jīng)有粉碎的巖塊從臺階上滑落且在多個臺階上形成堆積體，可見邊坡日常管理欠缺，另外不均衡開采導致邊坡形成上緩下陡的凸形邊坡，日常的爆破振動加上地下水的共同作用下，邊坡產(chǎn)生了滑坡，滑動方向為坑內(nèi)，這次滑坡在滑坡后緣產(chǎn)生了高約7～8 m 的陡坎，且在后壁產(chǎn)生大量與滑坡后緣平行的拉伸裂縫。由于2016 年滑坡沒有照片資料，結(jié)合2016 年滑坡的文字資料對其滑動過程進行分析；2015 年滑坡產(chǎn)生后，礦方對下部影響采礦的虛渣進行了清理，進而導致滑坡后緣的拉伸裂縫不斷擴大，而后帶動上部巖體一同滑下。2018 年滑坡從圖4（c）可以看出滑坡后緣形成了高約50 m 的陡坎，且上部仍有滑落的風險。礦方急于采礦，坑底清渣工作基本完成，但滑坡體中部沒完全清理，留下大量的虛方未進行清理，其形態(tài)明顯凸出周圍邊坡，下部開采導致下部邊坡腳部加陡，形成牽引式滑坡。

圖4 滑坡前后對比圖Fig.4 Comparison before and after the landslide

4 歷次滑坡的形成機制數(shù)值模擬

從圖1的歷次滑坡位置關系來看，2015年8月滑坡、2016年1月滑坡及2018年12月滑坡在空間位置上對歷次的滑坡的繼承性和發(fā)展性研究最具有代表性和說明意義。三次滑坡發(fā)生位置都在37線附近，而且滑面的中心軸線也在37線，滑坡的時間順序在空間位置上的體現(xiàn)也能對這3 次滑坡的繼承性和發(fā)展性有一個很好的說明：2015 年8 月滑坡發(fā)生在4 230～4 350 m，邊坡中部支撐作用減弱，導致上部的邊坡穩(wěn)定性也有所降低，因此上部4 338～4 680 m 在2016 年1 月發(fā)生了滑坡，發(fā)生滑坡后礦方對下部的滑塌體進行了清理，而邊坡上的虛方完全清除形成了臺階，最后在一系列的因素下，虛方滑動的牽引作用加上邊坡腳部沒有形成足夠的阻滑作用，在最后一次的滑坡中使得37線全線垮塌。

當然定性分析是基于對此滑坡的特殊思考和專業(yè)認識得到的，而理論研究要結(jié)合定量的計算分析進行求證，通過應用Phase2 軟件對3次滑坡前后6 個階段模擬開采和滑坡的關系，得到了邊坡位移和最大剪切應力方面的佐證，支撐多次滑坡之間的繼承性和發(fā)展性。

4.1 計算模型

計算剖面選擇37 線，考慮地下水的影響因素，對左右邊界在X 方向進行限制，對下部邊界在X、Y 方面進行限制，將計算分為6個階段如表2所示，計算模型及各階段的地形線如圖5所示。

圖5 37線計算模型及各個階段的剖面線示意圖Fig.5 Schematic diagram of the 37-line calculation model and the cross-section of each stage

表2 分析階段對應表

4.2 計算結(jié)果

通過Phase2 進行計算以總位移和最大剪切應力作為驗證多次滑坡產(chǎn)生的繼承性和發(fā)展性的兩個重要指標，通過位移量和最大剪切應力出現(xiàn)的位置來闡述多次滑坡的演化過程。計算結(jié)果如圖5、6所示。

4.2.1總位移指標分析

由圖6（a）可知，S1 階段原始地表未經(jīng)過采礦活動擾動，邊坡最大位移量出現(xiàn)在4 300 m處，最大位移3.8 cm，位移量較小符合自然邊坡情況；由圖6（b）可知，S2 階段2015 年開采深度達到4 169 m，邊坡最大位移量出現(xiàn)在4 229～4 243 m，最大位移達到81 cm，位移量較大，但范圍不大，這也是第一次滑坡產(chǎn)生的原因，滑坡位置邊坡凸出；由圖6（c）可知，S3 階段為第一次滑坡后和第二次滑坡前階段，從分析圖中可以看出邊坡位移最大處仍然位于上一次滑坡處，最大位移量為85.5 cm；由圖6（d）可知，S4 階段為第二次滑坡產(chǎn)生階段發(fā)現(xiàn)邊坡向下移動，總位移達到720 m，從S3 階段也可以看出在第二次滑坡位置邊坡位移量為67.5 cm，是滑坡前的跡象；由圖6（e）可知，S5 階段是第二次滑坡產(chǎn)生后對邊坡進行了處理，對下面的滑塌體進行了臺階處理，減弱了邊坡腳部支撐作用，分析結(jié)果同樣顯示邊坡腳部位移增大，這是符合規(guī)律的，這一次臺階的不合理修整也是下一次滑坡產(chǎn)生的最主要因素；由圖6（f）可知，S6階段為最后一次發(fā)生大面積滑塌后階段，腳部位移增大，上部4 480～4 604 m存在位移增大的跡象，所以礦方應當警惕上部再次發(fā)生滑坡危險。

圖6 6個階段總位移分析圖Fig.6 Analysis of total displacement in six stages

圖7 6個階段最大剪切應力分析圖Fig.7 Analysis diagram of maximum shear stress in six stages

第一次滑坡是由于邊坡出現(xiàn)凸坡，導致小面積的滑塌；第二次滑坡是由于第一次滑坡后下部支撐作用降低，位移增大導致滑坡產(chǎn)生；第三次滑坡是由于第二次滑坡后對邊坡的整治，在虛方上直接修出臺階造成。因此從三次滑坡的數(shù)值分析可以知道，滑坡產(chǎn)生的因素是多種多樣的，小面積的滑坡不恰當?shù)奶幚砜赡軙е赂蠡碌漠a(chǎn)生。

4.2.2 最大剪切應力指標分析

從6 個階段的最大剪切應力分析圖可以發(fā)現(xiàn)：拉應力出現(xiàn)在邊坡面的表層，而剪切應力從邊坡面向下延深。而且從分析圖中還可以看出：在滑坡發(fā)生的上一個階段，拉應力分布與滑坡面存在位置上的相似關系，尤其是S4、S5和S6 分析圖中最為明顯（圖6d、e、f 中橢圓線內(nèi)），那么根據(jù)這個規(guī)律可以發(fā)現(xiàn)在第三次滑坡后，邊坡還有可能發(fā)生滑動，滑動區(qū)域如圖6（f）中圈定范圍，這與位移分析結(jié)果相同，邊坡沒有發(fā)展到徹底的穩(wěn)定階段。

5 結(jié)論

（1）通過對歷次滑坡的資料和現(xiàn)場踏勘，提出了滑坡產(chǎn)生的機制主要分為地質(zhì)環(huán)境、水文條件和開采活動三方面。

（2）通過對總位移和最大剪切力分析云圖進行逐個階段對比，發(fā)現(xiàn)在滑坡發(fā)生的前一個階段，位移云圖中有產(chǎn)生的跡象和原因，一方面是滑塌前滑坡位置已經(jīng)出現(xiàn)位移，另一方面是邊坡腳部出現(xiàn)較大位移可能使邊坡失去支撐作用發(fā)生滑坡；在最大剪切應力分析云圖里得到了有關剪切應力與滑面的規(guī)律：滑坡產(chǎn)生階段的滑面與上一階段拉應力分布具有關聯(lián)性。

（3）滑坡的產(chǎn)生與復雜的地質(zhì)條件是分不開的，但是滑坡產(chǎn)生與上一階段滑坡存在聯(lián)系，在原有不恰當?shù)幕轮卫砘A上發(fā)展而成。

（4）隨著時間的推移，當下部滑塌體清理完后，上部4 480～4 604 m仍有滑坡的風險。