采空區(qū)上方邊坡穩(wěn)定性及滑坡危險(xiǎn)性分析

丁桂伶

（北京市地質(zhì)研究所，北京 100120）

0 概述

北京市房山區(qū)史家營鄉(xiāng)大村澗村由大村、小村和灰青澗三個(gè)自然村組成。位于房山區(qū)史家營鄉(xiāng)北部山區(qū)。北距鄉(xiāng)政府約1km，村域面積6.4km2，集中居住區(qū)面積共約2km2。大村澗村域及周邊地區(qū)煤炭資源豐富，開采歷史悠久。1984年之前多為集體煤礦開采。1984年后由于國家放寬政策允許個(gè)人采煤，該村私人煤礦數(shù)量迅速攀升，最多時(shí)高達(dá)五六十個(gè)井口。經(jīng)過長期無序開采，大村澗村的地表地質(zhì)生態(tài)環(huán)境、地下空間環(huán)境和含水層等遭到嚴(yán)重破壞。任意堆放的煤矸石堆侵占并破壞了大量的土地資源（如圖1所示的大村形成的不穩(wěn)定斜坡），采空塌陷、地裂縫、滑坡等地質(zhì)災(zāi)害更嚴(yán)重威脅著村民的生命財(cái)產(chǎn)安全（如圖2、3所示的邊坡上方礦工宿舍發(fā)生的不均勻沉降及傾斜開裂）。亟需對(duì)大村澗村集中居住區(qū)及周邊的地質(zhì)災(zāi)害進(jìn)行調(diào)查評(píng)價(jià)。為大村澗村地質(zhì)災(zāi)害防治和政府搬遷決策提供科學(xué)依據(jù)。在此背景下，本單位對(duì)大村澗村集中居住區(qū)的地質(zhì)災(zāi)害進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)的調(diào)查，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了三維有限元數(shù)值模擬計(jì)算分析。對(duì)采空區(qū)上方的邊坡和房屋的穩(wěn)定性及滑坡危險(xiǎn)性進(jìn)行定性、定量分析。

圖1 大村不穩(wěn)定斜坡遠(yuǎn)景及近景Fig.1 Far and close vision of Dacun unstable slope

1 有限元三維數(shù)值模型建立

基于大村澗村集中居住區(qū)的地質(zhì)災(zāi)害現(xiàn)場(chǎng)的調(diào)查，為數(shù)值模型的建立提供幾何尺寸和物理力學(xué)參數(shù)。通過三維有限元數(shù)值模型對(duì)采空區(qū)上方矸石—巖土混合型邊坡在天然狀態(tài)下的邊坡和飽和工況下的邊坡，進(jìn)行安全系數(shù)計(jì)算及房屋的沉降變形的分析。最終對(duì)邊坡的穩(wěn)定性及滑坡危險(xiǎn)性進(jìn)行評(píng)價(jià)。

圖2 邊坡上方建筑不均勻沉降Fig.2 Uneven settlement of buildings above slope

圖3 邊坡上方建筑傾斜及開裂Fig.3 Tilt and crack of buildings above slope

1.1 邊坡幾何模型建立

據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查（圖1），該邊坡位于大村南小村北。斜坡前緣高程約732m，后緣高程約812m。總體呈長條形，走向長約 100m，坡高約 80m，坡面面積約為99990m2，坡度為50°左右。該邊坡主要由煤矸石堆、第四系的殘坡積土組成。下伏基巖為侏羅系中統(tǒng)的砂巖。且該邊坡后緣斜坡出現(xiàn)裂縫，部分裂縫張開度達(dá)10cm左右，向下延伸達(dá)50m左右。且存在繼續(xù)變形的趨勢(shì)。同時(shí)，在該邊坡上的職工宿舍建筑物出現(xiàn)了嚴(yán)重的變形破壞，并表現(xiàn)形態(tài)各異的斜裂縫。根據(jù)以上變形特點(diǎn)，判斷該山坡深部為采空區(qū)。建立了如圖4所示的邊坡三維地質(zhì)模型。

圖4 邊坡三維地質(zhì)模型示意圖Fig.4 Three-dimensional geology model of slope

1.2 巖土體物理力學(xué)參數(shù)

根據(jù)已有研究資料，數(shù)值計(jì)算中邊坡巖土體物理力學(xué)參數(shù)按照表1選取。

表1 巖土體物理力學(xué)性質(zhì)參數(shù)表Table 1 Physical and mechanical parameters of rock mass

2 穩(wěn)定性分析計(jì)算與評(píng)價(jià)

本節(jié)通過采用摩爾庫倫彈塑性理論對(duì)三維數(shù)值模型，首先計(jì)算原巖狀態(tài)下的應(yīng)力分布，然后清除原巖狀態(tài)下的位移，進(jìn)行巷道的開挖。分析由于巷道開挖引起的邊坡變形特征，分別計(jì)算天然狀態(tài)下的邊坡和飽和工況下的邊坡進(jìn)行安全系數(shù)，對(duì)其穩(wěn)定性狀態(tài)進(jìn)行識(shí)別分析。

圖5～8分別為天然狀態(tài)下該模型的Z方向位移分布云圖、三維位移分布云圖、切應(yīng)變?cè)隽糠植荚茍D和塑性區(qū)分布圖。圖9～12分別為天然狀態(tài)下該模型的Z方向位移分布云圖、三維位移分布云圖、切應(yīng)變?cè)隽糠植荚茍D和塑性區(qū)分布圖。

圖5 天然狀態(tài)下Z方向分布云圖Fig.5 Z-direction contou rs under natural state

圖6 天然狀態(tài)下三維位移分布云圖Fig.6 Three-dimensional displacement contours under natural state

圖7 天然狀態(tài)下剪切應(yīng)變?cè)隽糠植荚茍DFig.7 Shear strain increment contours under natural state

圖8 天然狀態(tài)下塑性區(qū)分布云圖Fig.8 Plastic zone distribution contours under natural state

圖9 飽和狀態(tài)下Z方向位移分布云圖Fig.9 Z-direction displacement contours under saturated state

圖10 飽和狀態(tài)下三維位移分布云圖Fig.10 Three-dimensional displacement con tours under saturated state

圖11 飽和狀態(tài)下剪應(yīng)變分布云圖Fig.11 Shear strain contours under saturated state

圖12 飽和狀態(tài)下塑性區(qū)分布云圖Fig.12 Plastic zone distribution contours under saturated state

由上圖可知，整個(gè)邊坡位移較大處形成近似圓弧的破壞模式。潛在破壞面分布在煤矸石和殘坡土中。同時(shí)，通過該模型計(jì)算，在天然工況下，邊坡穩(wěn)定性系數(shù)為1.11，即天然條件下斜坡處于穩(wěn)定狀態(tài)；在飽和狀態(tài)下，邊坡穩(wěn)定性系數(shù)為1.02，處于臨界穩(wěn)定狀態(tài)。說明在暴雨等災(zāi)害氣候條件下發(fā)生滑動(dòng)破壞以及塌陷變形的可能性極大。

3 房屋變形破壞機(jī)制研究

3.1 邊坡監(jiān)測(cè)線設(shè)置

為了分析該邊坡上房屋的變形破裂機(jī)理，在房屋所在位置設(shè)置監(jiān)測(cè)線（圖13）。對(duì)該監(jiān)測(cè)線的下沉曲線、傾斜曲線以及曲率曲線進(jìn)行分析。為房屋裂縫分析提供依據(jù)。

圖13 模型監(jiān)測(cè)曲線示意圖Fig.13 Monitoring curve scheme of model

3.2 地表允許變形條件

地表不均勻沉降極易造成地表建筑的破壞。不同類型建筑的地表允許變形是不同的。表2給出了地表建筑物保護(hù)等級(jí)及允許變形值。

表2 磚混結(jié)構(gòu)建筑物損壞等級(jí)Table 2 Dam aged levels of brick and concrete structure buildings

3.3 邊坡上方建筑變形分析

圖14為巷道開挖以后監(jiān)測(cè)線所在位置出現(xiàn)的不均勻沉降曲線。圖15為傾斜監(jiān)測(cè)曲線。圖16為曲率曲線變形情況。

圖14 沉降監(jiān)測(cè)曲線Fig.14 Settlement monitoring curve

圖15 傾斜監(jiān)測(cè)曲線Fig.15 Tilt monitoring curve

從圖14～16可看出，巷道開挖以后，監(jiān)測(cè)線所在位置出現(xiàn)了不均勻沉降的最大值為120mm。整個(gè)沉降呈現(xiàn)U型分布。這種沉降模式對(duì)建筑物的穩(wěn)定性帶來巨大威脅。同時(shí)，該監(jiān)測(cè)線的最大傾斜值達(dá)到11.39 mm/m，最大曲率為4.087/km。均已超過了Ⅳ類等級(jí)下一般房屋建筑的容許變形值。因此該邊坡上原礦工宿舍發(fā)生變形破壞是必然的。也主要是由于采礦引起的不均勻沉降所導(dǎo)致的。這與現(xiàn)場(chǎng)建筑變形破壞情況是基本吻合的（圖2～3）。

圖16 曲率監(jiān)測(cè)曲線Fig.16 Curvature monitoring curve

4 結(jié)論

通過現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查及室內(nèi)的數(shù)值模擬計(jì)算，可得到如下結(jié)論：

（1）大村澗村由于煤礦的開采在采空區(qū)上方現(xiàn)已存在矸石—巖土混合型邊坡，并且邊坡上原礦工宿舍發(fā)生了嚴(yán)重的變形破壞；

（2）通過該模型計(jì)算可知整個(gè)邊坡位移較大處形成近似圓弧的破壞模式。潛在破壞面分布在煤矸石和殘坡土中。

（3）在天然工況下，邊坡穩(wěn)定性系數(shù)為1.11。即天然條件下斜坡處于穩(wěn)定狀態(tài)。在飽和狀態(tài)下，邊坡穩(wěn)定性系數(shù)為1.02，處于臨界穩(wěn)定狀態(tài)。說明在暴雨等災(zāi)害氣候條件下，發(fā)生滑動(dòng)破壞以及塌陷變形的可能性極大。

（4）巷道開挖以后，監(jiān)測(cè)線所在位置出現(xiàn)了不均勻沉降的最大值為120mm，最大傾斜值達(dá)到11.39 mm/m，最大曲率為4.087/km。均已超過了三類等級(jí)下一般房屋建筑的容許變形值。

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