大冶鐵礦滑坡破壞特征及判據

肖 云，李先福，周春梅

(武漢工程大學環境與城市建設學院，湖北 武漢 430074)

0 引 言

滑坡的預測預報和監測預警一直是世界難題.目前國內外學者提出了多種滑坡預報的模型和方法，并取得了一定成果，實現了成功預報的可能，但臨界極限值判據國內外仍處于探索階段.斜坡變形演化過程復雜、不確定，真正推廣的滑坡預警判據還不多[1].本文從滑坡的特征、誘發因素和大量歷年監測信息統計入手，依據各參數變化的綜合趨勢分析，探討滑坡的預警判據，為滑坡災害的防治提供理論和現實的依據.

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號滑坡發生于1990年4月30日獅子山北幫，平面坐標為X∶87 359～87 410，Y∶44 839～44 909.滑坡規模6 000 m3，滑體及其西北側和下部巖體主要向東南(120°左右)方向位移[2].A2滑坡發生的時間為1996年7月1日～13日，平面坐標為X∶87 240～87 400，Y∶44 800～45 000.

1.1 滑坡區巖組及巖體結構類型

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

區內的巖石中等風化，發育有兩組區域性節理J3、J4，這兩組主節理將該區劃分為上下兩個部分，上部形似楔形體，下部形似正三角形體.另外還有兩組節理發育，一組節理與區域性節理近于平行，產狀320°∠75°，密集發育；另一組節理順坡面發育，兩組節理面將巖體切割成碎裂結構，為滑坡的發生提供了臨空面條件[4].

1.2 滑體監測情況

對獅子山北幫A2滑坡的監測，其監測點主要分布在坡面△180 m到△-60 m高程(如圖2)，其中每一高程點監測點的數量根據坡面巖性、節理裂隙而定，一般都有3～5個監測點.監測時間主要是從1990年5月份到1996年6月份，以及部分點后續時間有間斷監測.

圖1 滑坡體現狀及其節理分布

圖2 A1及A2滑坡體地表位移監測點布設

2 滑坡破壞形式及成因分析

2.1 滑坡破壞特征

根據現場調研，A1滑體主要向東南120°左右方向位移.A2滑體地表總體呈現三角狀，上窄下寬，滑體底部寬約160 m，滑坡體長約200 m.滑坡規模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214 m，主滑方向SE150°左右.A區滑坡體現狀如圖2所示.研究歷年A2滑坡體監測數據發現，A2滑體在發生破壞前后緣的位移量最大，前緣最小，由此可推斷A2是推移式巖質滑坡，滑坡后緣首先發生破壞，由后緣的運動推動了前緣的運動[5].

2.2 滑坡成因分析

深入的工程地質調研發現，有較多影響因素影響該滑體的穩定性.主要分為主控因素和誘發因素兩類.主控因素：區域地質環境、巖石的抗變形能力、邊坡角度及風化程度、軟弱結構面、等；誘發的不確定因素包含：爆破、地下開采及人類工程活動、坡底地面塌陷可能引起局部巖體發生崩塌、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對邊坡穩定不利的巖性(強蝕變綠泥石化透輝石閃長巖)，易吸水膨脹崩解.巖體受強風化和降雨，抗變形能力弱；②碎裂巖體結構和地質構造弱面(巖體的碎裂結構和大的斷裂構造F9和F25活動).地質構造弱面削弱了巖體強度，巖體整體穩定性較差.

3 滑坡判據的討論

滑坡預報判據研究可以根據滑坡發展過程表現出來的破裂擴展極限、位移(速率)極限作為臨界標志來判定滑坡發生的時間.本文根據歷史上發生過的獅子山北幫A2滑坡滑動前從1990年5月份到1996年6月份的位移監測數據，通過監測數據的預處理技術，建立臨滑階段的五種各單因子判據：位移判據、變形速率判據、蠕變切線角判據、位移加速度判據、位移矢量角變化判據.根據各單因子的綜合分析，結合多參數進行聯合預報.

3.1 臨滑階段的位移判據

根據各測點水平位移隨監測時間的變化曲線，該區巖質滑坡運動可分三個階段，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變是量變到質變的過程，位移曲線明顯陡升，所以當滑坡從加速階段向破壞階段發展時，就要預警預報，滑坡可能發生.

從典型測點位移歷時曲線特點看，隨著監測時間增長，位移量增大.監測點破壞前加速滑動位移臨界值(即位移翹尾值)如圖3～圖6.不同測點破壞前加速滑動位移臨界值(即位移翹尾值)變化如下：測點-48-2，-60-4，-36-2的位移突變值都在60 mm～90 mm之間；測點-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；測點-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；測點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；另外僅有測點96-8的位移突變值為1 300 mm.

根據滑體不同部位的位移值研究，A2滑坡體在發生破壞前后緣的位移量最大，前緣最小，由此可推斷A2是推移式巖質滑坡，滑坡發生前首先從后緣發生破壞，由于后緣的運動破壞推動了前緣的運動.

圖3 48-8-1水平位移歷時曲線圖

圖4 48-9X水平位移歷時曲線圖

圖5 84-10水平位移歷時曲線圖

圖6 84-11水平位移歷時曲線圖

根據滑坡變形破壞階段的劃分，結合推移式滑坡的運動特點，其滑坡的后緣，中部，前緣的位移判據不一樣.

3.2 變形速率判據

最常用的滑坡預報方法就是臨界位移速率法，變形速率即位移對時間的導數，依據邊坡不同變形階段的位移速率變化規律，尋找位移速率突變值，即作為速率判據，此方法對于礦山滑坡預報實用性強.根據監測點速率曲線可知：

a.在-60 m，-48 m，-36 m，-24 m高程處，蠕滑階段滑坡運動速率在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.

b.在0 m高程處，0-3和0-4兩點蠕滑階段滑坡運動速率相近約為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，蠕滑階段滑坡運動速率相近，均為0.4～0.6 mm/d，加速階段速率在1.50～2.5 mm/d范圍內，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，蠕滑階段滑坡運動速率均在0.10～0.28 mm/d范圍，加速階段速率在0.42～0.75 mm/d，破壞階段速率除個別點外，范圍在3.0～6.2 mm/d之間.

3.3 蠕變切線角判據

蠕變曲線切線角即蠕變曲線上某點的切線與橫坐標的夾角α，即tg-1(dx/dt)趨于90°時，所對應的時間即為滑坡預報破壞時間.但一些滑坡往往由于某種誘發作用的影響，使失穩破壞的時間提前.此時，滑坡宏觀預報判據進入加速變形、臨滑階段后的切線角α大于70°時和位移矢量角突然增大或減小時，也可將其作為滑坡時間預報的判據.以下表為各典型測點加速階段-臨滑階段位移曲線突變點的切線角值，如表1.

由表知滑前一個月內，各測點的蠕變曲線臨界切線角分布在四個區域值內.

a.測點-60-3，-60-4，-48-2的臨界切線角均在21.8°～39.7°范圍內.

b.測點-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.

c.測點-36-1，-24-2，-24-3的臨界切線角均在61.3°～66.4°范圍內.

d.測點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.

研究發現滑坡體蠕變切線角后緣值較大，前緣和中部相對偏小.

表1 加速階段蠕變曲線切線角

3.4 位移加速度判據

位移加速度即d2u/dt2，通過對位移時間曲線加速變形及破壞階段的研究，尋找翹尾點.結果表明在臨滑前一個月內，各測點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

由運動學可知，描述一個物體運動，不但需要速率的大小，而且需要運動的方向.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表示滑體位移矢量的方向[6].在滑坡孕育發展過程中，滑體上位移矢量方向的改變與滑坡發展階段及失穩動力密切相關.從變形角度看，滑坡在其發展過程中一般都經歷了壓密——趨勢性整體位移——剪切膨脹——破壞(大位移)的過程.

典型測點的位移矢量圖如圖7～圖10.(本文中空間位移矢量角為測點空間運動方向與垂直位移的夾角).根據各典型監測點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，測點空間運動方向與垂直方向的夾角一直在減小，曲線較圓滑，無明顯突變，說明邊坡一直處于緩慢變形破壞，沒有崩落發生.但隨變形的發展，位移矢量角出現平直，后期有翹尾趨勢.整個變形發展階段，空間位移大小一直增大，并且前期緩慢變形，到達一定變形破壞階段后數值突然增大，有明顯拐點，斜坡向失穩方向加速滑動.與前面巖體劃分的三個變形階段數據吻合.

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

對歷年監測數據的統計，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點空間運動方向與垂直位移的夾角)變化曲線規律知，滑坡體不同階段其變形發展特征不同.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，位移矢量角出現平直.在破壞階段，變形速率、位移均有突變和拐點，位移矢量值也明顯翹尾.因此，在滑體變形破壞過程中，根據臨滑前位移速率、位移，結合位移矢量角的變化來預報滑坡，根據各參數的綜合分析，提出滑體不同部位的綜合判據值如表2.

表2 各參數變形破壞判據值

4 結 語

a.根據對滑坡的工程地質調研，總結滑坡變形破壞原因①強蝕變綠泥石化透輝石閃長巖，易吸水膨脹崩解，抗變形能力弱；②碎裂巖體結構和地質構造弱面削弱了巖體強度，巖體整體穩定性較差.

b.統計滑體變形發展監測曲線知，滑坡體變形發展破壞分為三階段：即蠕滑階段、加速階段、破壞階段.通過對地表位移監測數據，A2滑坡體在發生破壞前后緣的位移量最大，前緣最小，由此可推斷A2是推移式巖質滑坡，滑坡發生前首先從后緣發生破壞，由于后緣的運動破壞推動了前緣的運動.

c.通過對滑坡體不同部位的監測數據的綜合分析，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，位移矢量角出現平直.在破壞階段，變形速率、位移均有突變和拐點，位移矢量值也明顯翹尾.根據各參數的聯合，提出了大冶鐵礦滑坡的判據，為滑坡災害的防治提供理論和現實的依據

參考文獻：

[1]吳樹仁.滑坡預警判據初步研究[J].吉林大學學報:地球科學版，2004，34(4)：596-599.

[2]中國科學院巖土力學研究所.大冶鐵礦獅子山北幫A區尖F9斷層上盤△-60 m到△-96 m邊坡穩定性和滑坡防治研究[R].武漢：中科院巖土學研究所，1995.

[3]李先福.大冶東露天采場高陡邊坡自動監測與應急系統[R].武漢工程大學環境與城市建設學院,2007,6.

[4]肖云，周春梅，吳燕玲，等.露天采場高陡巖質邊坡典型地段穩定性分析[J].武漢工程大學學報，2009，31(3)：34-35.

[5]Zhou chunmei.Automatic monitoring system for high-steep slope in open-pit mine based on GPS and data analysis [C]∥International Conference on Earth Observation Data Processing and Analysis,2008.

[6]陽吉寶，鐘正雄.滑坡時間預報的雙參數預報[J].中國地質災害與防治學報，1996，7(增刊)：63-65.