尖山營古滑坡復活變形特征及成因分析

丁 恒， 李海軍， 趙建軍， 董建輝， 朱要強

(1.貴州省地質環境監測院， 貴州 550000; 2.成都理工大學地質災害防治與地質環境保護國家重點實驗室，成都 610059； 3.成都大學建筑與土木工程學院， 成都 610106)

古滑坡是斜坡長期復雜演化過程的產物，目前基本都處于穩定狀態，但在外界條件擾動下有可能發生復活[1-2]。由于地質環境、外界條件不同，引起古滑坡復活的因素也大為不同。隨著中國西南山區煤礦開采的不斷進行，古滑坡復活越來越多。陳家興[3]通過對碎石土古滑坡復活的研究，將古滑坡復活先后順序進行了分類；常亞婷等[4]通過現場地質調查與三維數值模擬的方法，研究了坡腳開挖誘發古滑坡的成因機制與穩定性評價；駱曉依等[5]通過二次回歸正交試驗的方法，研究了隧道開挖對古滑坡復活的影響；成詞峰等[6]通過對溪洛渡村古滑坡地區的地質環境與坡體結構進行分析，表明古滑坡主要由地層巖性、地形地貌、發育的節理結構面共同控制其穩定性；李海[7]通過現場的勘察和分析，發現了龍家巖古滑坡的誘發因素為強降雨及其坡腳開挖；郭長寶等[8]通過在江頂崖古滑坡區內現場調研的基礎上，對江頂崖古滑坡的復活機理進行了研究；任三紹等[9]通過對紅花屯古滑坡現場的直剪試驗結果與數值模擬計算結果進行分析，對古滑坡復活機理進行了研究。

古滑坡的變形破壞問題受到大量學者的高度關注，研究古滑坡復活的誘發因素，對防治地質災害的發生具有重大意義[10-16]。目前中外學者對誘發古滑坡復活的因素進行了大量研究，但是對煤層采動誘發的古滑坡復活研究甚少。現以貴州省水城縣發耳煤礦尖山營古滑坡為例，以現場調查與監測分析及數值模擬方法來分析古滑坡復活的成因機制，為由煤層采動引起的地質災害的防治提供可靠依據。

1 地質背景

尖山營古滑坡位于貴州高原西部，地形跌宕起伏，切割強烈，屬于構造侵蝕而成的低中山至中低山地貌。古滑坡后緣頂端高程1 400 m，坡腳高程1 310 m。尖山營古滑坡平面圖如圖1所示。

圖1 古滑坡工程地質平面圖Fig.1 Palaeolandslide plan

古滑坡區域內地層出露有第四系(Q)：厚0～80.50 m，主要以殘積物、坡積物為主，分布在同向坡及單斜谷中；下統飛仙關組(T1f)：主要分布于古滑坡區西部，巖性為上部為灰綠色、紫色相間，鈣質泥巖與細砂巖互層，中部及底部夾較多的細砂巖透鏡體，中部為粉砂質泥巖或細砂巖；底部見黑色斑粒，碳化植物化石，總厚530.03～875.16 m，平均厚632 m；二疊系上統龍潭組(P3l)：由灰-深灰色粉砂巖、泥巖及煤組成，主要分布于滑坡區東部。

2 古滑坡復活變形特征分析

尖山營古滑坡位于貴州省水城縣南部發耳鎮發耳煤礦三采區范圍內(26°18′21″N、104°44′15″E)，古滑坡平面形態呈圈椅狀，主滑方向 45°，整體坡度約 30°，嚴重威脅下方公路及居民的生命財產安全。

2.1 滑坡地表變形跡象

根據現場調查，古滑坡復活主要表現為前緣發生局部溜滑，中部形成拉張裂縫和兩側地表層局部破壞，且造成側面房屋損壞。在滑坡體上有許多條大小不一的裂縫，選取最明顯可見的3條張拉裂縫(LF1、LF2、LF3)、1條剪切裂縫(LF4)進行分析。裂縫LF1、LF2處于滑坡體中部，延伸長度分別為44 m和104 m，LF1走向約為60°，LF2走向約為75°，張開度在幾厘米到一米，深度在幾十厘米到兩米，充填物主要為表層的泥巖風化形成的黏土、粉砂質黏土；裂縫LF3、LF4位于滑坡體后緣，延伸長度分別為64 m和57 m，LF3、LF4走向分別約為68°和89°，深度在幾十厘米到兩米之間，充填物主要為表層的泥巖風化形成的黏土、粉砂質黏土；其東南側有臨空面且已發生溜滑，主要由于已風化的泥巖結構松散，降雨通過地裂縫入滲表層導致臨空面土體失穩，下部巖體失去支撐而發生溜滑，致使滑坡體側面產生變形破壞。從滑坡體地表變形跡象特征分析，滑坡體目前處于蠕滑階段，變形破壞范圍較小，尚未形成貫通的滑帶。尖山營古滑坡復活特征圖如圖2所示。

圖2 尖山營古滑坡復活特征圖Fig.2 Resurrection characteristics of Jianshanying ancient landslide

2.2 滑坡地表位移監測分析

根據現場地質調查資料分析，將監測點布置在古滑坡坡體中下部，并將其監測點命名為GPS01監測站點。其主要監測方法為地表水平位移、沉降監測，采用一體化全球導航衛星系統(global navigation satellite system，GNSS)監測站、太陽能供電系統、一體化安裝支架、防護系統。一體化架構安裝方便，可實現高精度定位，采集位移、沉降、傾斜、加速度、設備自檢數據等，具有多種數據傳輸方式，外置多種類傳感器和數據采集接口。現對GPS01的監測數據進行重點分析和研究。監測點布置X表示南北方向，向北為正，向南為負；Y表示東西方向，向東為正，向西為負；Z表示重力方向，向上為正，向下為負。滑坡工程地質剖面圖如圖3所示。

圖3 滑坡工程地質剖面圖Fig.3 Engineering geological section of landslide

圖4為GPS01監測點的累計位移-時間曲線圖, 圖5為GPS01變化速率-時間曲線圖。該測點位于采空影響范圍內，從圖5數據變化趨勢可以看出， 4月5日—8月31日，總計146 d，該點位在X、Y、Z三個方位中，X方向146 d累計變化5 187 mm, 平均每天變化35.5 mm，Y方向146 d累計變化量為1 804 mm，平均每天變化12.3 mm，Z方向146 d累計變化量-1 008 mm，平均每天變化-6.9 mm。4月5日～5月2日共27 d，滑坡體處于初始變形階段X、Y、Z三個方向曲線變化趨勢緩慢，主要受采空區頂板支撐的影響，采空區上覆影響范圍內的巖土體產生少量裂縫且延伸長度較短，變形過程為冒落。

圖4 GPS01累計位移-時間變化曲線圖Fig.4 GPS01 cumulative displacement-time curve

圖5 GPS01變化速率-時間曲線圖Fig.5 GPS01 change rate-time curve

5月3日～6月5日共32 d，滑坡體處于加速變形階段X、Y、Z三個方向曲線變化速率增加，X曲線變化趨勢呈斜線上升，主要受采空區的頂板塌陷和變形導致坡體中巖層受到向其臨空面方向運動，在該方向上位移變化量達到了1 522 mm，使得在滑坡體前緣發生局部溜滑；Y曲線變化趨勢相對于X方向較緩慢，該方向上主要發生水平位移，方向為東北方向，垂直方向變化小于水平方向；Z曲線變化趨勢呈緩慢斜線上升，由于采空區頂板失去了支護能力，導致頂板巖體向下塌陷，變形破壞隨著時間持續增長，上覆巖體裂縫增多且向地表延伸，出現采空塌陷，裂縫閉合，并伴有局部崩塌，變形過程為拉裂。

6月6日—8月31日共87 d，滑坡體處于減速變形階段，由于采空區上覆巖土體受到擾動后，將建立新的平衡，所以在X、Y、Z三個方位上變形速率都逐漸減小，變形過程為蠕變。

3 古滑坡復活成因分析

根據野外地質調查及收集資料，分析認為控制該古滑坡復活的主要因素有地形地貌、地層巖性、降雨、人類工程活動。

地形地貌：該滑坡體中上部為古滑坡的崩積物為滑坡提供了物質基礎，滑坡地貌呈不規則傾斜簸箕形，前緣形成高差30 m的陡坎，為滑坡提供了足夠的卸荷空間。

地層巖性：滑坡體淺層為三疊系下統飛仙關組的灰綠色、紫紅色強風化粉砂質泥巖與泥巖互層，該巖層強度低，為滑坡體提供了易發滑動面；滑坡體深部為二疊系上統龍潭組，由深灰色粉砂巖、泥巖及煤層互層，呈軟硬相間，泥巖和煤就構成了形成軟弱的平臺，自然條件下產生流變導致肩部拉裂，易形成滑坡的基礎條件。

降雨：在降雨條件下，由于在滑坡體中上部具有大量裂縫，雨水易沿著裂縫下滲，對地下水位極大的提升，降雨在滑坡體表層巖土體中具有滯后性，在滑坡體內增加了水壓力及滑坡體自重，且淺層泥巖及粉砂質泥巖遇水易軟化，易形成滑動面，使得巖土體向軟弱結構面發生傾斜，如前緣臨空面、采空區方向，并產生滑動推力，加快了滑坡體變形破壞速率。

人類工程活動：據調查，滑坡區位于M1、M3、M5-2、M5-3、M7、M10煤層之上，煤層采空區邊界至滑坡邊界水平距離僅20 m。近期M3開采后，采空區頂板臨時支護破壞，上覆巖層發生冒落、裂縫、離層及斷裂，造成的破壞傳遞到地表，使地表原有標高受到采動影響后下降， 由圖2(b)～圖2(e)可知，坡體出現了4條裂縫均表現為明顯下錯。古滑坡整體在采空區影響范圍內，使得坡體覆巖產生較大彎曲下沉，前緣受到較大的水平推力并產生水平位移，滑坡體后緣形成了拉張裂縫，且在側翼形成剪切裂縫，為滑坡的形成創造了有利條件。同時GPS01位移監測點在X方向與裂縫下錯方向同向，指向坡外。表明隨著煤層采動對古滑坡的變形有著直接影響，對上覆巖層應力環境的改變，是影響古滑坡復活的決定性因素。

4 數值模擬分析

4.1 參數選取

模型的本構力學模型采用彈塑性模型，計算選用莫爾-庫侖屈服準則，巖土體相關計算參數取值參考室內試驗和工程地質手冊結合滑坡簡化模型進行參數綜合取值，具體各巖土體物理力學取值如表1所示。

表1 巖土體物理力學參數取值Table 1 Value of physical and mechanical parameters of rock and soil mass

4.2 模型建立

結合尖山營古滑坡復活坡地形地貌、巖體結構特征及煤層開采狀況及邊界效應等問題，采用簡化原型的形式進行模型建立，地表有一部分殘積土，下伏基巖統一概化為粉砂質泥巖和煤層互層，建模型如下：長500 m，高227 m，寬10 m，煤層從上往下依次為M1、M3、M5-2、M5-3、M7、M10，每層煤厚取2 m。計算模型采用六面體單元進行劃分，總共有11 766個單元和7 783個節點。采用FLAC軟件分析古滑坡在自然狀態，煤層采動影響條件下的應力、位移特征量的變化情況和規律，來揭示該古滑坡復活的變形破壞特征及成因，如圖6所示。

圖6 FLAC計算模型圖Fig.6 FLAC calculation model diagram

4.3 結果分析

圖7(a)、圖7(b)為天然工況下與受煤層采動影響后古滑坡體總位移云圖。在天然工況下滑坡體的最大位移為59 mm；受到采動影響后滑坡體的總位移增加到4 439 mm，主要原因為采空區頂板的損壞，引起上部巖體開裂形成裂隙帶，導致采空區地表發生局部塌陷，進而對滑坡體產生了較大的水平推力，使得向坡體外發生了較大位移變化。圖7(c)、圖7(d)為天然工況下與受煤層采動影響后古滑坡體最大主應力云圖。可以看出，受采動影響后采空區移動影響范圍內的古滑坡體出現了應力貫通區，最大值在0.44～0.55 MPa。采空區移動影響范圍的巖體由采動前的壓應力為主轉為拉應力為主，根據現場調查的裂縫主要以拉裂為主相符合。

圖7 兩種工況下總位移、最大主應力Fig.7 Total displacement and maximum principal stress under two working conditions

分析表明，主要由于近期在該區域進行煤層開采，受采動影響，巖體內部產生了大量裂隙，當臨時支護失受到破壞而失去支護能力時，裂隙迅速向地表延伸，導致在該區域附近產生較大變形。采空區冒落使上覆巖層的巖體應力重新分布，應力集中區巖體松動破碎，后緣拉張裂縫進一步延伸，采空塌陷擠壓著滑坡體往臨空面進行發展，變形破壞特征主要表現為滑坡體前緣產生局部的溜滑，后緣拉裂，中部土體發生拉裂下錯，擠壓變形體外部巖體向坡外運動。滑坡體后緣有裂縫發育，底部未發現明顯剪出口，無地面隆起，目前還未發生整體滑動，滑坡處于減速變形階段。

5 結論

以尖山營古滑坡復活為例，以現場調查及監測資料為基礎，通過地表位移監測，結合數值模擬，分析古滑坡復活變形特征，研究其成因，得到以下結論。

(1)受采空塌陷影響使得古滑坡體受到向前緣臨空面較大的水平推力，地表產生較大的變形，前緣已發生局部溜滑，但尚未形成貫通的滑帶。

(2)古滑坡復活變形階段分為初始變形階段—加速變形階段—減速變形階段，目前坡體處于減速變形階段。

(3)數值模擬分析結果表明，古滑坡在天然狀態下位移較小，尚未發生明顯滑動，受煤層采動影響后，古滑坡地表位移變化較大，且在前緣發生溜滑，煤層開采加快了古滑坡復活的進程。

(4)古滑坡坡體整體在采空區影響范圍內，采空區的頂板塌陷和變形使得坡體前緣受到較大的水平推力并產生水平位移，極大降低了古滑坡坡體的穩定性，煤層開采是促進古滑坡復活的主要因素，若淺埋煤層繼續開采，古滑坡坡體變形破壞可能進一步加劇。