郴州市某煤系地層滑坡成因機制及滑動過程分析

張可能 李斌 戚玉祿 張云毅 左文貴

摘 ?要 ?本文以郴州市龍家背滑坡為研究對象，分析該滑坡的成因過程及機理。經勘察研究發現，此滑坡屬推移式與牽引式復合型的巖土混合滑坡，破壞模式為典型的拉裂-蠕滑緩動型變形破壞模式。郴州獨特的煤系地層是滑坡產生的主要內因，通過UU試驗分析二疊系上統龍潭組頁巖煤系地層特殊巖土力學性質，總結其力學參數隨含水率的升高顯著下降的變化規律，并分析對比滑帶土室內試驗結果，發現經地下水軟化后的滑帶的含水率約為35%，強度較干燥狀態下降約71.4%;坡腳切方施工是最終形成復合式滑坡的觸發因素，運用改進畢肖普法計算挖方前后坡腳土體的穩定性，坡體穩定性系數由1.13下降至0.93，坡體失穩滑動。郴州市山嶺地區獨特的煤系地層，加之春秋多暴雨的特殊氣候條件，在工程建設中極易觸發產生滑坡等次生災害。本文依托此龍家背滑坡，分析其破壞過程及成因機理，為今后城市建設中的災害防治提供參考和理論支持。

關鍵詞 ?滑坡;煤系地層;成因機制;發育特征;切坡

中圖分類號： P642.22 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A

Abstract： In this paper， the Longjiabei landslide in Chenzhou is taken as the research object toanalyse the genetic process and mechanism of the landslide. Through investigation and research， it is found that the landslide belongs to the mixed type of rock and soil landslide， which is a typical failure mode of crack—creep. The unique coal-bearing strata in Chenzhou are the main internal reasons of the landslide. The unique coal measure strata in Chenzhou are the main internal causes of the landslide. Through the UU test， the special geotechnical properties of the strata of the upper Permian Longtan shale coal system are analyzed， and the regularity that the mechanical parameters decrease significantly with the increase of water content are summarized. By comparing the results of laboratory tests with slippery soil， it is found that the water content of the slippery soil softened by groundwater is about 35%， and the strength decreased by about 71.4% compared with the dry state. The construction of slope cutting is the trigger factor for the final compound landslide. The stability of the slope soil is calculated by using the improved Bishop method. and the stability coefficient of the slope is reduced from 1.13 to 0.93. The unique coal-bearing strata in the mountain area of Chenzhou and the special climatic conditions of heavy rain in spring and autumn are very easy to trigger secondary disasters such as landslides in construction. Based on the Longjiabei landslide， this paper analyzes its failure process and genetic mechanism， and provides reference and theoretical support for disaster prevention and control in urbanconstruction in the future.

Keyword： landslide; coal strata; genetic mechanism; development characteristics; slope cutting

郴州市地形地貌復雜多樣，地處南嶺山脈中段與羅宵山脈南段交會地帶，以山地丘陵為主，約占總面積的3/4。境內河流密布，雨量充沛， 但年內分布不均，以春秋季降雨為主。且地質構造較復雜， 斷層、褶皺很發育， 其中以北北東向規模最大。特殊的地理環境使得郴州長久以來成為湖南省地質災害的高發區。據湖南省統計局不完全統計， 截止2017年底， 郴州市查明的各種地質災害隱患點達2170多處，有約120000人生活在威脅區[1]。

近年來不少學者從不同角度對煤系地層巖土體失穩展開研究。張毅等[2]借助瞬態非飽和滲流軟件，對降雨入滲條件下煤系土邊坡的穩定狀態進行模擬分析，降雨對含裂隙煤系土邊坡影響較為突出，邊坡穩定系數明顯降低，危險滑動面多位于表層風化區內。祝磊[3-4]等基于彈塑性接觸有限元強度折減法研究了影響煤系土淺層滑坡主要因素的敏感性，發現顯著影響煤系土淺層滑坡穩定性的因素有坡高、風化厚度和滑動面巖土體力學參數。并利用非飽和瞬態滲流有限元程序模擬降雨入滲坡體，分析得地下水在風化煤系土路塹邊坡體內的滲透遷移對邊坡有顯著時空影響。李勇[5]等通過Abaqus建立以此邊坡為原型的有限元模型，在此基礎上運用強度折減法對不同含水率的邊坡進行穩定性分析，并結合試驗所得的土水特征曲線分析基質吸力對邊坡穩定性的影響。目前，大部分研究為室內試驗結合模擬的理論分析，基于實際案例進行分析論證的文獻較少，且煤系土有典型區域特性，其他地區的煤系土研究結論并不能直接應用于郴州地區。

本文將以郴州市龍家背這一典型煤系地層滑坡為例，通過現場調查、鉆探、室內試驗及物探分析等多種綜合手段，對該滑坡的成因機制和發展過程進行詳細論述，并總結郴州地區類似煤系地層滑坡的成因規律及變形特征，為今后的城市基礎建設提供參考分析依據。

1 ?滑坡簡介

1.1滑坡規模

滑坡區場地位于郴州市人民東路延伸段人民東隧道出口處，滑坡體主要物質組成為第四系殘坡積粉質黏土、人工填土、強中風化二疊系炭質頁巖以及底層中風化二疊系灰巖。滑坡區整體西高東低，分布高程約為185.0～235.0 m。滑坡體最大縱長約260 m，最大寬約150 m，滑坡面積約3.9萬m2，平均厚度19 m，滑動方量約48萬m3，主滑方向南東向136°。具體滑坡全貌見圖1。

1.2滑坡地層條件

覆蓋層：為第四系殘坡積粉質黏土和第四系人工填土（Q4eld），總厚度5-15 m，平均厚度約11.0 m。主要分布在滑坡區前緣、坡體上部及頂部。

滑體：除覆蓋層外，主要為二疊系上統龍潭組頁巖（P2l），沉積成因，分布于滑坡區西部、西北部，巖性為頁巖，節理裂隙發育，裂隙中充填方解石脈，層頂平均埋深一般在5.0 m左右，根據鉆探資料，其總厚度30-100 m。

滑帶：為處于二疊系上統龍潭組頁巖層中的強風化炭質頁巖，節理裂隙嚴重發育，夾雜粉質黏土，黃褐色，潮濕-飽和，可塑-軟塑狀，含水率高，力學強度低。

滑床：主為二疊系下統棲霞組石灰巖（P1q），沉積成因，分布于滑坡區東部、東南部，巖性為灰巖，節理裂隙發育，層頂平均埋深一般在25.0 m左右（圖2）。

1.3滑坡區水文地質條件

依據含水層成分、孔隙、裂隙發育程度、賦水性、泉水分布等因素劃分含（隔）水層組。第四系為透水層組，該層組土層大部分孔隙發育。基巖上部風化、構造裂隙很發育，含淺層裂隙潛水。下部巖體趨于完整，呈隔水特征。根據區域資料場地巖溶裂隙含水層為弱～中等巖溶裂隙含水層。

松散巖類孔隙水主要接受大氣降水補給。徑流方式為在孔隙中由高水位向低水位處呈平面式流動。排泄方式以蒸發和向低處以徑流為主。

2 ?滑坡現場調查與分析

2.1滑坡破壞過程

2015年，村民清除坡頂植被，平整場地，修建樁基礎房屋。2015年11月上旬，房屋前路面出現少量寬約5 cm的中型裂縫，并伴有10 cm沉降，距房屋后墻約5米范圍處，出現不同程度的張拉裂縫，期間房屋周邊的滲水點消失。2016年3月下旬，地區持續強降雨（期間降雨量累計達200-250 mm），山體整體發生明顯滑動，房后的裂縫擴展為寬約10～50 cm的張拉裂縫，屋前路面沉降變形30～70 cm。同年10月，因即將施工的人民東隧道出口位于山坡坡腳處，根據隧道出口的設計，施工人員對坡腳處進行少量切方，促使此前日趨穩定的滑動再次加劇并擴大，在山坡中部產生平行于坡面走向的張拉裂縫，山坡中部的竹林出現明顯的“醉漢林”現象。2017年1月，通過現場勘察測繪，確定此滑坡為最大長約260 m、寬約150 m的滑坡體。

該滑坡體上的變形裂縫及后緣房屋開裂等主要裂縫發育特征描述如下（見表1）：

2.2滑坡過程分析

分析滑坡破壞過程，滑坡的破壞模式大致可概括為三個階段：上部蠕變階段→暴雨加劇階段→下部切方拉裂階段→整體滑動階段。

第一個階段：2015年11月前至次年3月，屋前路面出現裂縫和沉降變形（圖3a）。此間因坡頂修建樁基礎建筑物和道路，鏟除坡頂植被，促使雨水下滲，同時改變坡體水文地質環境，堵塞自然排水通道，房屋附近設置的排水渠道枯水（圖3b）。地下水徑流不暢，使得泥頁巖層長期受到水體浸泡，其物理力學性能降低，形成軟弱夾層滑帶，產生坡體局部范圍的推移式滑坡。

第二個階段：2016年3月下旬，因持續強降雨（圖4），地下水位升高，誘發滑坡變形加劇，坡頂道路沉降加速，路面裂縫由圖1b中5cm加劇到約1.5 m。（圖5）滑動范圍進一步擴大。

第三階段：2016年10月，因規劃的郴州市人民東路隧道出口恰位于山坡坡腳，施工單位為隧道施工在坡腳區域進行少量切方，擾動土體，坡腳應力重分布，使得穩定性較差的下部土體失穩，形成牽引式滑坡（圖6）。

第四階段：在2016年底，坡頂路面沉降變形持續增加，后緣加速下挫。因下部土體失穩滑動后，坡體上下部相互作用影響，形成整體貫通的滑動帶，最終形成此推移式與牽引式復合型的巖土混合滑坡。

3 ?滑坡成因要素分析及計算

根據調查結果分析，該滑坡變形受地形地貌、地層巖土性質、水文地質條件及人為因素控制。滑坡產生的主要內因為區域炭質頁巖煤系地層的巖土特性，而外因則為工程開挖坡腳導致滑坡失穩。基于定性分析，通過室內試驗和理論計算，繼續深入分析滑坡的成因機制。

3.1巖土性質

龍家背滑坡地區主要是以下地層：粉質粘土層、強風化炭質巖層和中風化炭質巖層（二疊系上統龍潭組）。煤系地層的礦物成分主要是葉蠟石、高嶺石、伊利石及石英，而葉蠟石、高嶺石及伊利石，富含親水性礦物，遇水易軟化，而深部的炭質頁巖中-微風化層透水性屬相對不透水層。依據Baum RL& Reid ME提出的“浴缸模型”，這種地層結構為水體下滲后接觸部位飽水、軟化， 抗剪強度降低， 形成軟弱面提供有利的地層條件。

在滑坡中部采集較均勻的原狀煤系土，進行三軸不固結不排水試驗（UU），測得場地內碳質頁巖的抗剪強度、粘聚力和內摩擦角同含水率之間的關系如圖7：

由圖7可以看出，該地區炭質頁巖的抗剪強度與含水率密切相關，隨著含水率增加，其抗剪強度顯著降低。相對內摩擦角而言，其粘聚力受含水率影響較大，隨含水率增加其粘聚力呈直線下降。而內摩擦角隨含水率先增后減，變化幅度相對較小。

在滑坡形成的整過程中，經歷了郴州地區的一個整水文年，其中，尤以2016年3月變形加劇時的降雨量最為顯著，據郴州市氣象局的監測數據，期間龍家背地區降雨量豐富且持續，有200～250 mm的降雨過程。雨水入滲勢必抬高地下水位，浸泡滑帶土，使得體積含水量顯著提高。

現場取樣試驗，滑帶土的內摩擦角為19°，粘聚力為9kPa。對比試驗數據，現場取樣試驗結果與室內試驗數據較一致。可估計原狀滑帶煤系土的含水率約為35%，此時的強度相較于干燥狀態下的碳質頁巖降低約71.4%。

3.2施工因素

山體最終形成大規模滑坡的另一誘發因素為因隧道施工而引起的坡腳切方。施工引起的坡腳小規模開挖造成坡體應力重分布，坡腳產生應力集中現象，造成坡腳土體失穩，使坡體下部形成局部牽引式滑坡，坡體下部的滑動同時也影響上部推移式滑坡的加劇，最終貫通滑動面，形成大范圍復合式滑坡。

通過選取典型滑體剖面圖，考慮煤系地層物理力學參數與含水率關系，針對此特殊地層改進畢肖普條分法，計算坡腳切方前后坡體的穩定性系數，對比分析坡腳小規模挖方對坡體穩定性的影響。計算公式如下：

式中ci與φi根據各條塊含水率情況逐個確定對應值，其他參數與畢肖普法一致。通過分條塊計算，在天然工況下，開挖前后穩定性分析結果如表2所示。

分析計算結果，在坡腳土體小規模開挖前坡體整體趨于穩定，但穩定性系數僅有1.137。坡腳部分土體開挖后，坡腳應力重分布，坡體突破臨界破壞點，穩定性系數降至0.93，整體失穩，變形加劇。

4 ?結論

根據郴州地區煤系土邊坡破壞的工程案例，結合該地區地質條件，對開挖條件下煤系土邊坡的破壞類型、模式、機理及破壞原因等進行了分析和總結，取得以下結論：

郴州市龍家背滑坡產生的內因為地層物質結構含炭質類軟巖，其力學性質隨含水率升高而急劇降低，為形成軟弱層提供良好條件;春季連續強降雨使大量雨水入滲，加劇滑坡成型;切方坡腳土體是誘發滑坡產生的觸發因素。

分析表明，郴州地區的煤系土滑坡變形一般會經歷三個階段：前期蠕動變形階段、軟弱夾層（滑帶）形成階段與成型階段。前期蠕變階段產生大量地表裂縫，中期雨水入滲浸泡碳質軟巖形成軟弱夾層，后期滑帶貫通，滑體加劇變形。

試驗表明：此類煤系地層具有遇水易軟化、強度水敏性高的特點。因此，在選取土層的物理力學設計參數時，應綜合考慮區域水文地質條件和降雨量，選擇合理含水率下的力學參數，而不是僅依據鉆孔采樣的室內試驗數據。

參考文獻/References

[1]陳賓. 彬州地區殘坡積土工程邊坡過程穩定性研究及控制[D]. 中南大學， 2010.

[2]張毅， 韓尚宇， 鄭軍輝. 降雨入滲對含裂隙煤系土邊坡穩定性影響分析[J]. 公路工程， 2014（1）：10-13.

[3]祝磊， 洪寶寧. 煤系土淺層滑坡的影響因素敏感性分析[J]. 長江科學院院報， 2011， 28（7）：67-71.

[4]祝磊， 洪寶寧. 降雨作用下煤系土路塹邊坡穩定分析[J]. 巖土力學， 2009， 30（4）：1035-1040.

[5]李勇， 雷學文， 孟慶山，等. 非飽和玄武巖殘積土強度特性及其邊坡穩定性分析[J]. 公路交通科技， 2017， 34（5）：50-56.

[6]謝云峰.湖南省郴州市梨樹山滑坡的成因機制及防治[J].中國地質災害與防治學報， 2006， 17（3）：165 -166.

[7]田卿燕， 肖春發， 呂建兵. 粵北山區高速公路煤系地層滑坡機理分析[J]. 鐵道科學與工程學報， 2008， 5（5）：61-64.