山西省某地黃土崩塌形成機制及防治參數選取

王玉海

（河南省地質礦產勘查開發局第五地質勘查院,河南鄭州450001）

1 崩塌變形特征

山西焦煤集團有限責任公司某礦山辦公樓東180m，因人工開挖邊坡形成兩處土質崩塌，編號分別為B1、B2。

B1崩塌：位于某礦山辦公樓東180m，坡腳高程為1007.7～1009m，坡向351°，坡寬50m，坡高37m。崩積物體積約5000m3，規模等級為小型。潛在崩塌體主要由第四系中、上更新統粉土、粉質粘土組成，坡腳處堆積有第四系全新統崩坡積粉土。變形跡象為斜坡上部粉土沿粉土、粉質粘土結合面滑移、墜落變形，目前處于欠穩定—不穩定性狀態。

B2崩塌：位于屯蘭河右岸B1崩塌東側，坡頂高程1042m，坡腳高程為1007.8m，坡向289°，坡寬40m，坡高35m。崩積物體積約3500m3，規模等級為小型。潛在崩塌體主要由第四系中、上更新統粉土、粉質粘土組成，第四系全新統崩坡積粉土堆積于坡腳處。變形跡象為斜坡上部粉土沿粉土、粉質粘土結合面滑移、墜落變形，受降雨及自重影響下，現場可見懸空的通信線桿，目前處于欠穩定—不穩定性狀態。

2 崩塌類型及發育特征

2.1 崩塌類型

B1、B2兩處崩塌按照所涉及的巖性屬土質崩塌；崩塌體運動模式是沿粉土與粉質粘土結合面剪出破壞，結合面產狀290°～350°∠25°，按破壞模式屬滑移式崩塌；按照體積劃分，均小于1.0×104m3，屬小型。

2.2 發育特征

2.2.1 B1崩塌

20世紀80～90年代村民在東蘭河右岸斜坡坡腳取土，形成長約180m，高37～40m陡直邊坡，邊坡前緣臨空，坡度60°～75°，坡腳受降雨及河水浸泡，造成土體結構破壞進而導致坡體發生崩塌。

坡腳建有某礦山主井延擴建工人宿舍，在強降水條件激發下，2013年8月、2014年7月、2015年5月多次發生失穩變形，崩塌方量100～1500m3不等。2016年8月坡體再次崩塌后，土體從宿舍后墻涌入，造成6間彩鋼房廢棄，直接經濟損失3.5萬元，未造成人員傷亡。據村民描述，在某礦山實施巷道建設以來，坡體受震動影響，崩塌頻率增高。在村民多次要求下某礦山選煤廠于2017年4月在坡腳處修筑1.5m高漿砌石擋土墻。近期較大一次坡面溜滑發生于2017年10月，土體從坡面滑下，越過擋土墻，堆積于擋土墻外側。

崩塌所處斜坡坡向351°，坡度65°～70°，崩塌變形層面主要為粉土、粉質粘土結合面，產狀351°∠25°～30°。崩塌體主要由第四系上更新統粉土構成，因粉土土質疏松，大孔隙發育，具濕陷性，在地表匯水侵蝕下易崩解變形。崩塌堆積體平面面積約800m2，厚度約4～8m，體積約5000m3，規模等級為小型。

現斜坡坡面上部8～10m陡直，坡面存在拉張裂縫及垂直節理，局部張開2～4cm，延伸長度8～12m，危巖體局部呈傘檐狀，下部臨空，穩定性差。下部20～29m坡面堆積崩塌物，坡度55°～60°，坡體剖面呈凸形。近期坡面堆積體仍在發生溜滑，在降雨、采煤放炮震動等外因條件影響下可能繼續發生變形。

2.2.2 B2崩塌

B2崩塌位于B1崩塌東側，中間山體存在切蝕溝、負地形。切蝕溝走向近南北向，剖面形態呈階形、凸形，縱坡降上部12‰，下部達42‰。

該邊坡主要形成于20世紀80～90年代村民坡腳取土，造成前緣臨空。據村民描述，2017年以前某礦山瓦斯發電廠排污口位于坡腳溝谷上游溝頭處，排污口至溝口沒有修建排水溝，污水順溝流出。后經村民要求，排污口改至B2崩塌山體東側溝谷，并埋設了橡膠排水管道，未做硬化處理。該邊坡坡腳受污水及雨水沖刷，土體結構破壞，導致上部坡體失穩發生崩塌。據村民描述，該崩塌主要發育于2016年9月，2017年雨季經常發生局部崩塌，較大一次規模發生在2017年8月。

3 主要影響因素

3.1 地形地貌

崩塌位于屯蘭河右岸，地貌類型屬黃土中山區，微地貌形態為黃土梁峁。受水流侵蝕，梁峁交錯，溝壑縱橫，切割較嚴重。臨河谷地帶，因取土開挖形成高37～40m，坡度65°～80°，坡向290°～350°邊坡，邊坡結構為土質，剖面形態呈折線形。邊坡具陡直特征，臨空條件好；加之坡體上部粉土具濕陷性，受水流侵蝕，邊坡穩定性差，發生多次小規模崩塌災害。

3.2 地層巖性

斜坡巖性由第四系中、上更新統（Qp2、Qp3）黃土組成，具有大孔隙、垂直節理發育。加之人類工程活動開挖邊坡，形成卸荷裂隙；坡面土體在干燥的過程中土體收縮易產生垂直節理，另外植物根劈作用產生垂向節理，將土體切割成厚板狀、柱狀與母體分離，在降水及自重力作用下厚板狀、柱狀土體發生塌落。黃土中垂直節理、原生古土壤層面及水平層理面、節理面及開挖坡面將土體切割成為不穩定結構體，坡面開挖后緣卸荷裂隙發育，裂隙張開利于地表水下滲，在降水、管道泄漏尾水及重力作用下發生土質崩塌。

3.3 人類工程活動

切坡、建房等人類工程活動加劇了崩塌災害的危害程度。一方面，開挖高陡邊坡破壞了坡體原有應力平衡，使坡體外緣部分向斜坡坡腳的剪切應力和拉張應力增大，產生平行坡面的卸荷垂直裂隙，與原有的垂直節理重合，使其進一步張開、加深、擴大，產生新的裂隙，導致黃土邊坡失穩變形加劇。另一方面坡頂建設瓦斯發電廠，在斜坡頂部加載以及道路上車輛動荷載加載，使斜坡土體承載的壓力增大，改變了原始斜坡應力平衡狀態，增加了斜坡發生崩塌的可能性。

3.4 大氣降水

邊坡坡體位于地下水水位之上，天然條件下淺層粉土處于干燥狀態，深部粉土稍濕。在雨季，大氣降水一部分滲入地下，形成地下水；一部分通過地表徑流的方式對坡面進行沖刷。由于黃土的垂直節理發育，具有大孔隙結構，透水性好，有利于大氣降水入滲，降水通過裂隙由地表垂直入滲到地下，入滲系數可達5%～10%，在雨季降水時間較長，降水強度較大時，地表水從淺部滲入深部，可數米至數十米。由于隨著深度增加，土體顆粒變得密實，土的孔隙率變小，水的滲透系數變小，滲流速率變慢，下部粉質粘土夾層透水性差，成為相對隔水層。地下水聚集，滯留于粉質粘土上部，往往形成由坡內向坡外的浸潤面，土體處于飽和狀態，此時，地下水流向由垂向逐漸變為由坡內向坡外傾斜。土體接受大氣降水后，工程地質性質發生較大的變化，土體重度增大，其粘聚力（C）及內摩擦角（φ）降低，即土體抗剪強度下降。尤其是淺部具大孔隙結構的粉土，由于其孔隙率較大，降水入滲后其重度明顯增加，在重力作用下，斜坡土體沿軟弱結構面發生剪切破壞，從而發生崩塌災害。

3.5 廢水排放

廢水排放，侵蝕土體，也是崩塌形成的重要因素。區內6處落水洞主要沿廢水排放通道分布，上游侵蝕嚴重，下游稍輕。2017年以前礦山瓦斯發電廠排污口位于B1崩塌東側溝谷上游溝頭處，排污口至溝口沒有修建排水溝，污水順溝流出。后經村民要求，排污口改至B2崩塌東側溝谷，并埋設了橡膠排水管道，未做硬化處理。該邊坡坡腳受污水及雨水沖刷，上部濕陷性黃土遇水崩解，土體結構破壞，土體抗剪強度顯著降低，導致上部坡體失穩發生崩塌災害。

4 破壞方式與形成機制分析

因崩塌后緣存在與邊坡坡向一致的陡傾貫通或斷續貫通的破壞面，危巖外緣臨空，潛在崩塌體沿破壞面滑移或沿軟弱土體不利方向剪出塌落造成破壞，故判斷崩塌破壞方式為滑移式。黃土崩塌形成機制主要包括以下幾個階段。

4.1 累進破壞階段

在降水、震動條件下，土體內部沿節理、裂隙結構面發生變形。隨著拉裂變形的持續發展，裂面可擴展至地面，斜坡上的土體隨著應力釋放，發展到土體松動，并伴有輕微的移動、錯位，但仍處于穩定狀態。

4.2 滑移面貫通階段

隨著風化、震動、降雨等作用，變形進入滑移面貫通階段，坡內含有較弱結構面，可使土體中拉應力區和可能的破壞明顯增加。臨空條件好的一側的土體與母巖逐漸被拉開，與滑移相伴的壓力致拉裂面與地面貫通。

4.3 滑移—拉裂階段

隨著變形的繼續擴展，變形的土體開始明顯轉動和位移，陡傾的裂面成為剪切應力集中帶，陡緩轉角處的嵌合體被剪斷。當滑移面向臨空方向傾角，足以使上部土體的下滑力超過該面的實際抗剪阻力時，斜坡土體沿下浮軟弱結構面向坡前臨空方向滑移，并使滑移體拉裂解體，土體導致破壞形成崩塌。

5 參數選取與穩定性分析

5.1 定性分析

該段斜坡穩定性差，發育兩處土質崩塌。邊坡具二元結構，上部粉土具大孔隙，垂直節理發育，具濕陷性，工程力學性質較差，在降水、震動條件激發下，易發生失穩變形。邊坡坡形因發生崩塌坡體上陡下緩，上部8～12m陡直，垂直節理裂隙發育，因卸荷拉張裂隙局部張開3～15cm。節理裂隙降低了土體強度，破壞了土顆粒之間聯系力，坡體臨空面抗滑、抗傾覆力降低。崩塌體堆積斜坡坡面中下部及坡腳，坡面土體松散、破碎，仍存在進一步位移變形可能。綜上，斜坡后緣臨空部分處于不穩定狀態，仍存在進一步崩塌變形破壞可能。

5.2 定量分析

按照崩塌失穩變形運動方式，選用滑移式危巖體的模式進行計算評價。

5.2.1 計算示意圖

計算原理見圖1。

圖1 滑移式崩塌穩定性計算示意圖

5.2.2 計算參數選取

根據原狀土樣試驗資料，粉土天然重度取13.2～14.9kN/m3，飽和重度取17.4～18kN/m3；粉質粘土天然重度取17.5～20.4kN/m3，飽和重度取19.5～20.9kN/m3。抗剪強度為：粉土粘聚力17.4～18kPa，內摩擦角取18°～20°；粉質粘土粘聚力29～31kPa，內摩擦角取25°～30°。對于降雨影響采用降雨工況的下的C、φ值和重度確定，見表1。幾何形狀參數主要包括土體重心、面積及與基座接觸面傾角等，從計算剖面中量取。

表1 邊坡穩定性計算土體參數取值表

5.2.3 計算工況

取三種工況進行計算分析：

（1）天然狀態（自重）；

（2）暴雨狀態(飽和自重+裂隙水壓力)；

（3）地震狀態（自重+裂隙水壓力+地震力）。

5.2.4 計算結果

采用理正巖土軟件6.0中的邊坡穩定性分析模塊，直線滑動法計算邊坡的穩定性，計算參數取值見表1，選取B1、B2崩塌縱斷面，對潛在崩塌體在工況一（自重）、工況二（自重+暴雨）、工況三（自重+暴雨+地震）三種工況下分別進行穩定性計算，邊坡穩定性計算成果見表2。依據《滑坡防治工程勘查規范》(DZ/T0218-2006)中危巖體穩定程度等級劃分見表3，由計算結果可知目前該段斜坡工況一處于欠穩定狀態，工況二、工況三處于不穩定狀態。

表2 邊坡穩定性計算成果表

表3 危巖穩定性程度劃分表

6 結論

B1、B2兩處崩塌均屬黃土、滑移式崩塌，規模等級屬小型，崩塌體主要由第四系中、上更新統粉土、粉質粘土組成，處于欠穩定狀態。主要對上部電力、通訊設施；下部臨時建筑、機械設備構成威脅，威脅總資產達1400萬元。危害程度中等，地質災害發育程度強，危險性大。

以天然工況和暴雨工況為設計工況，地震工況為校核工況。經過穩定性驗算，推薦防治工程穩定性驗算土體參數選取值。粉土：天然狀態C=17.57kPa，φ=21.10°；飽和狀態C=10.13kPa，φ=9.25°；天然密度取其平均值ρ0=1.56g/cm3，濕陷性中等（濕陷系數δs=0.042）。粉質粘土：天然狀態C=28.24kPa，φ=17.97°；飽和狀態C=27.57kPa，φ=10.10°；天然密度取其平均值ρ0=1.94g/cm3；地震水平系數取0.12。