山區平緩傾內采動斜坡變形破壞機制研究
——以貴州普灑崩塌為例

梁 風，史文兵，錢孝龍，余逍逍，熊紹真

（1.貴州大學資源與環境工程學院，貴州貴陽 550025；2.貴州大學喀斯特地質資源與環境教育部重點實驗室，貴州貴陽 550025；3.貴州省山地地質災害防治工程技術研究中心，貴州貴陽 550025）

引言

地下采礦常常誘發崩塌、滑坡、地面沉陷等地質災害［1-2］。隨著地下開采活動的增強，采礦誘發的崩滑地質災害也越發頻繁［3-5］，造成重大人員傷亡和財產損失。例如，1903年加拿大的Frank滑坡造成76人死亡［6］；1980年鹽池河崩塌造成284傷亡［7］。因此，深入研究采動崩滑災害形成機制，有助于此類崩滑災害的預警預報和防治。

采動斜坡問題層出不窮，很有必要研究此類斜坡的變形破壞機制。趙建軍等［8-9］采用物理模擬、數值模擬手段探討采動滑坡地質力學模式與形成機制。鄭光等［10］初步分析了普灑崩塌的形成機理。Zhu等［11］用動態模型（DAN3D）模擬崩塌形成過程，詳細分析崩塌的形成機理和動力學特征。采動斜坡變形破壞機制研究主要采用理論分析、物理模擬與數值試驗等方法［12-15］。Benko［16］采用數值方法，探討開采方法、深度及構造特征對其斜坡變形破壞的影響。湯伏全［16］采用沉陷學理論研究采動斜坡變形機理，結果表明開采改變了原巖應力狀態，破壞其平衡狀態，從而裂縫產生和發展，最終導致災害產生。崔杰等［17］運用底摩擦試驗探討地形與巖土性質對其采動滑坡的影響。史文兵等［18］采用離散元數值模擬探討不同臨空面坡度對采動斜坡的影響，得出臨空面對斜坡變形破壞具有“放大效應”。近年來，雖然學者們采用理論分析、物理模擬與數值模擬對采動斜坡的變形破壞機制取得了不少成果，但是對于多煤層開采、開采范圍等采礦狀況影響斜坡變形破壞機制的研究較少。

相比于平原地區，西南巖溶山區斜坡通常具有“上硬下軟”、地形高陡、巖層平緩傾內、巖溶裂隙發育等特點［19］，在地下采動的影響下，斜坡變形破壞機制變得更加復雜。例如貴州龍場崩塌［20］、重慶甄子巖崩塌［21］、云南趙家溝滑坡［22］、貴州普灑崩塌［10］等災害造成重大的人員傷亡和財產損失，對社會產生了較大影響，研究地下采動誘發的此類地質條件組合斜坡的變形破壞機制具有重要意義。本文以貴州省普灑崩塌為例，在現場調查的基礎上，采用底摩擦試驗研究采動斜坡內部變形破壞機制，進一步揭示了此類斜坡的變形破壞規律。

1 普灑崩塌概況

1.1 地質環境條件

研究區位于貴州省納雍張家灣鎮，處于云貴高原向黔中山原過渡地帶，為中山侵蝕-溶蝕斜坡。總體地勢南高北低，山脈沿南西向沿伸，高陡山脊貫穿全區。區域處于亞熱帶季風氣候區，降雨豐富。斜坡坡腳處發育兩條正斷層F1、F2，北側發育一條F3逆斷層，根據調查，斷層對于山體影響較小；在崩塌區附近存在河流水公河，小型溪溝較為發育，但無大型河流（圖1）。

圖1 普灑崩塌工程地質平面圖Fig.1 Engineering geological map of the Pusa avalanche

斜坡上陡下緩，頂部為陡崖，下部為緩坡。崩塌后緣高程約為2 145 m，坡腳高程約為1 922 m，相對高差約220 m。斜坡出露的地層從新到老分別為：第四系殘坡積（Qel+dl）粘土、砂質粘土；三疊系下統夜郎組（T1y）：上部薄至中厚層狀灰巖夾泥灰巖，中下部為紫紅、灰色砂質泥巖夾粉砂巖、泥質砂巖、頁巖；二疊系上統長興-大隆組（P3c+d）：上部深灰、灰色泥質灰巖；下部灰色中厚層狀、薄層狀灰巖夾粘土巖、頁巖，與龍潭組呈連續過渡關系，該組頂部與三疊系下統夜郎組（T1y）呈整合接觸；二疊系上統龍潭組（P3l）為煤系地層。

崩塌體位于普灑煤礦礦區南側，規模化開采歷史可追溯到2001年。主要的開采煤層為M10、M14、M16三層煤，開采順序為M16→M14→M10；其中M16埋藏最深，M14次之，M10最淺（圖2）。M16、M14煤層完全開采，M10煤層部分開采，M16采空面積達17 700 m2。M16煤層厚1.51 m，M14煤層厚1.19 m，M10煤層厚1.46 m，M10與M14相距約14 m，M16與M14相距約24 m。三層煤均采用長壁采煤法，炮采工藝，全部垮落法管理頂板。

圖2 普灑崩塌全貌及運動特征Fig.2 General view and motion characteristics of the Pusa avalanche

普灑崩塌發生于2017年8月28日上午10時30分，為采空控制型崩塌，崩塌方量約為82.3×104m3，摧毀兩個居民組和部分建筑物，35人死亡，8人受傷［10］。

1.2 崩塌特征

斜坡坡面總體傾向為330°，平均坡度約為55°，巖層產狀為170-180°∠5-10°，為典型平緩傾內斜坡。硬巖主要為灰巖、泥質灰巖與砂巖，受節理發育和強烈溶蝕作用影響，巖體較為破碎；軟巖為泥巖、頁巖及煤層，坡面風化強烈，巖體破碎，呈碎裂結構。受“上硬下軟”巖體結構的影響，其坡體總體呈上陡下緩，頂部為陡崖，近90°，中上部為陡坡，其坡度約50～60°，下部為緩坡主要用于耕地，坡度約10～15°。

斜坡巖體節理裂隙發育，通過野外裂隙測量統計分析，斜坡共有3組優勢結構面，分別為：（1）N50-60°E/SE∠80～90°、（2）N81-84°W/NE∠80～90°、（3）N10-15°E/SE∠80～90°（圖3）。巖體中三組節理互相切割，呈不規則“三棱柱體”，又由于斜坡總體三面臨空，為崩塌提供變形與運移空間條件。

圖3 結構面赤平投影圖Fig.3 Stereographic projection of structural plane

據現場調查及無人機航拍，崩塌范圍可明顯的劃分為崩塌源區（Ⅰ）、下落鏟刮區（Ⅱ區）、流通堆積區（Ⅲ）和變形區（Ⅳ）（圖4）。

圖4 普灑崩塌分區及特征Fig.4 Pusa avalanche zoning and characteristics

崩塌源區（Ⅰ）位于老鷹巖山體中上部，剪出口位于二疊系上統長興-大隆組（P3c+d）與三疊系上統夜郎組（T1y）界面附近，距坡頂約60～90 m，其巖性主要為砂巖、泥質粉砂巖和泥質灰巖。崩塌源區后緣巖壁呈土黃色溶蝕，可見溶溝及凹巖腔。崩塌巖體平均高約85 m，寬約145 m，厚約40 m，總方量為49.3×104m3，主要巖性為灰巖、泥質粉砂巖、泥灰巖等硬巖。下落鏟刮區（Ⅱ）位于老鷹巖山體下部，受上部崩塌源區崩塌體攜帶巨大的重力勢能和動能沿坡面以碎屑流方式運移的影響，鏟刮沿途表面巖體與坡腳的松散堆積物，鏟刮方量約為2.1×104m3。流通堆積區（Ⅲ）位于相對寬闊平緩地帶，坡度約10～15°，由于距陡崖下方約600 m處存在一個小山包，崩積物碎屑流在此分流向兩側，堆積呈不規則的扇形，摧毀坡腳大樹腳組和橋邊組部分房屋。堆積區呈現中部寬，前后緣窄的特點，水平距離約800～820 m，厚約4 m。物質在運移過程中，相互碰撞解體、耗散能量，導致大塊體率先停積，小粒徑巖體繼續運移，整體上呈現隨運移距離的增加塊體粒徑逐漸變小的趨勢。擾動變形區（Ⅳ）根據所處位置可細化為3個區域：后緣擾動區（Ⅳ1）、北側擾動區（Ⅳ2）和南側擾動區（Ⅳ3）。后緣擾動區（Ⅳ1）主要受下沉與拉應力作用，生成多條近平行于坡向的拉裂縫和深大拉陷槽；北側擾動區（Ⅳ2）變形跡象較弱，發育一處小型崩塌；南側擾動區（Ⅳ3）主要受崩塌失穩巖體的拖拽作用，發育多條裂縫。

2 普灑斜坡底摩擦試驗設計

為了探討西南巖溶山區斜坡在采動條件下斜坡變形破壞規律，開展了以普灑崩塌為原型的底摩擦試驗［23］，研究此類采動斜坡變形破壞演化過程與機制。

2.1 相似常數及配比確定

參考前人成果［24］，確定其相似材料為重石晶粉、石英砂、液體石蠟、膨潤土，其相似材料具體配比如表1。

表1 相似材料成分配比表Table 1 Composition ratio of similar materials

以相似理論為依據，綜合考慮地質原型、巖體的物理力學參數（表2）及試驗設備尺寸確定其相似常數為800，模型大小為80 cm×75 cm，容重相似比與應力相似比分別為

表2 普灑崩塌巖石物理力學參數Table 2 Physical and mechanical parameters of rocks of the Pusa avalanche

式中：C為相似系數；L為幾何尺寸；γ為材料的容重；σ為應力；P和M分代表原型和模型。

2.2 試驗方案設計

底摩擦試驗能定性判別斜坡巖體在自重條件下的變形破壞過程，但不能進行精確的位移定量分析。本文引入DPDM技術［25］（巖土變形數字照相量測方法）進行了位移監測。

本次試驗儀器的型號為DMC-1000變頻調速底摩擦試驗機，變頻調速底摩擦試驗機儀器的模板尺寸為800 mm×1 000 mm；調速范圍為0～100 r/min；摩擦力為0～1 000 N。底摩擦試驗以相似理論為理論基礎，以幾何相似為前提，使其模型與目標對象物理現象相似。根據圣維南原理，當模型足夠薄時，摩擦力將均勻作用于模型。將相似材料制作的斜坡模型平鋪在皮帶上，機器轉動時模型受到皮帶滑動帶來均勻摩擦力，此時將摩擦力可近似為重力，用于模擬斜坡在自重條件下的變形破壞。

模型以普灑崩塌主剖面為原型（圖5）。由于坡體巖性結構復雜，綜合考慮研究的目的及試驗的可操作性，將模型進行一定的概化。斜坡概化為圖6所示：T1y2概化為灰巖，T1y1概化為粉砂巖，P3c+d概化為灰巖，P3l概化為泥巖，煤層為M16、M14、M10三層煤。

圖5 普灑崩塌工程地質剖面（Ⅰ-Ⅰ'）Fig.5 Pusa avalanche engineering geology section（Ⅰ-Ⅰ'）

圖6 煤層開挖布置及測點布置圖Fig.6 Coal seam excavation layout and survey point layout

模型堆制時，先按地層堆制，隨后用小刀刻畫層理與節理。經多次試驗，硬巖合理層理間距為1.5 cm，軟巖層理間距為1.0 cm，用煤線標記煤層位置，以便煤層開挖。

根據調查和收集資料，煤層開采順序為M16→M14→M10。M16煤層設置三采區，開采順序為1＃→2＃→3＃，M14煤層設置兩采區，采空順序為4＃→5＃，其中采區尺寸為10 cm×1 cm，煤柱尺寸為4 cm×1 cm，M10設置兩采區，采空順序為6＃→7＃；同時在坡面、坡頂及坡體內部布置監測點（圖6）。

3 試驗結果與分析

在模型進行開挖之前，需要對模型進行預固結，以彌補先前因刻畫模型的擾動。模擬結果表明：

在M16煤層開采后，采空區頂板產生卸荷作用，在重力作用下出現微小的變形，最大位移約1 mm，變形主要集中在采空區附近，如圖7（a）、（g）所示；M14煤層完全開采后，采空區頂板巖層輕微卸荷，并在重力與卸荷作用下出現彎曲下沉，最大總位移量達到2 mm，但模型整體未有明顯變形跡象，如圖7（b）、（h）所示。

圖7 斜坡底摩擦試驗變形破壞過程Fig.7 Deformation and failure process of slope bottom friction test

開挖M10煤層第一區段（6＃）時，頂板輕微下沉，層間離層現象明顯，最大可達1 mm，老鷹嘴處裂隙有被拉開的趨勢，如圖7（c）、（i）所示；開挖第二區段（7＃），隨著采空區面積變大，頂板開始垮落，采空區覆巖形成冒落帶（5 cm）及裂隙帶（7 cm）；隨著時間的推移，覆巖變形加劇并向上拓展，甚至影響坡表。老鷹嘴山體出現明顯的變形，最大位移達到7 mm，其位移方向朝臨空面偏下，以豎向位移為主。M10采空邊界坡頂附近也形成拉裂縫Lf1，寬約3 mm，呈“V”形，冒落帶裂縫則呈倒“V”字形。斜坡整體最大位移為12.16 mm，位于M10采空區頂板附近，采空區覆巖出現明顯冒落帶和裂隙帶。由于M10采空區覆巖的自重影響，斜坡中部M10與14之間的巖層彎曲下沉，最大位移達到6 mm。

如圖7（d）、（j）所示：隨著變形進一步發展，M10采空區被垮落巖體充填，拉裂縫Lf1拓寬，最大寬度達到1.2 cm，并追蹤陡傾節理向下發展，最終與M10采空區貫通，形成深大裂縫，構成崩塌體后緣邊界。裂縫Lf1臨空側巖體向臨空面傾倒變形，巖層由緩傾內變為緩外傾；老鷹嘴巖體變形加劇，最大位移達到22.96 mm，位移方向朝臨空面偏下，同時鷹嘴前緣山體陡傾結構面拉裂、張開，形成裂縫Lf2，寬度約5 mm。受前緣臨空條件影響，Lf2臨空側山體傾倒變形，重心向臨空面偏轉，同時Lf2追蹤巖體內部陡傾節理進一步發展，遇到下部軟巖時向臨空方向偏轉，進而沿著巖層層理剪切變形。

如圖7（e）、（k）所示，Lf2臨空側巖體上部重心不斷向臨空方向移動，最大位移達到近50 mm，鷹嘴巖體發生傾倒破壞，下部巖體沿陡傾節理繼續拉裂變形和沿層理蠕滑剪切變形，在長興-大隆組（P3c+d）硬巖處受阻，形成“鎖固段”；受到上部巖體的自重的擠壓作用，“鎖固段”逐步被剪斷突破剪出，斜坡整體失穩破壞。

如圖7（f）所示，斜坡整體失穩破壞后，向下運動過程中，不斷的撞擊、鏟刮坡面巖體，并逐漸解體，最終堆積于緩坡處。Lf1繼續被拉開，坡頂處張開寬度約1.5 cm，并在Lf2與Lf1之間形成較大的崩塌殘留體，下錯位移有3 mm，可能再次發生破壞。

根據設置在斜坡表面位移監測點可以看出，在M16、M14煤層開采后，坡面變形位移較小，M10開采后，坡面變形急劇增大。隨著采空面積的增大，坡面發生變形移動，剪出口附近的巖體受到向外的擠壓，鷹嘴巖體沿已有的節理向外傾倒。坡面監測點JC1水平位移達到46 mm，豎向位移達到17 mm，整體坡面測點水平位移大于豎向位移（圖8（a）、（b））；鷹嘴前緣頂部監測點JC5位移最大，水平位移達到17 mm，豎向位移達到11 mm，整體上坡頂測點的水平位移大于豎向位移（圖8（c）、（d））；據監測點JC12知，采空區覆巖位移最大，水平位移達到10 mm，豎向位移達到15 mm，隨著離采空距離越遠位移逐漸變小，采空區覆巖主要以沉陷變形為主（圖8（e）、（f））。總體而言，采空區覆巖以沉陷變形為主，在坡頂與坡面主要以水平位移為主；隨著變形的逐漸加劇，位移愈來愈大，斜坡最終發生傾倒（滑移）破壞。

圖8 斜坡表面監測點及采空區覆巖測點位移Fig.8 Displacement of monitoring points on slope surface and overlying rock in goaf

4 斜坡變形破壞機制

底摩擦試驗結果與現場調查坡頂面裂縫分布、崩塌體變形破壞過程是很相似的，說明了底摩擦試驗結果具有較好的參考價值，試驗結果揭露了坡體內部采空頂板彎曲破壞和巖體內部裂縫發展過程和趨勢，展示了普灑崩塌的變形破壞全過程，可將普灑崩塌的變形破壞過程分為5個階段（如圖9）。

圖9 普灑崩塌變形破壞演化過程示意圖Fig.9 Diagram of the evolution process of Pusa avalanche deformation and failure

（1）自然演化階段

自然條件下，斜坡地形高陡，“上硬下軟”坡體結構。軟巖在上部硬巖的自重下擠壓變形，坡體因卸荷產生卸荷裂隙，加之此處常年濃霧且雨水較多，溶蝕較為強烈，降低巖體強度，加劇坡體不穩定性。此階段，山體在外部營力作用下，坡頂裂隙受到溶蝕，強度降低，為裂縫產生與發展創造有利條件。

（2）煤層開采擾動階段

長期的煤層開采擾動上部山體，改變斜坡的原有的應力平衡，應力重分布。隨著采空區面積不斷變大，加劇對上部山體的擾動，促進結構面拉張與錯動，不利于斜坡穩定，斜坡開始產生變形。此階段，山體主要受到采動的影響，巖體被一定程度的擾動。

（3）采空區塌陷階段

隨著煤層開采推進，采空區范圍進一步擴大，采空區頂板因失去支撐產生彎曲、沉陷及垮落，并且采空區覆巖變形范圍向上發展，逐漸影響到坡表，使斜坡變形加劇。此階段，山體中部的巖體受煤層采空區的影響，主要以沉陷變形為主，坡頂裂隙有被拉開的趨勢。

（4）坡頂裂縫形成階段

覆巖變形向上發展，坡頂產生顯著變形。采空區邊界坡頂裂縫被拉開，形成深大裂縫。此裂縫沿巖體陡傾的結構面向下發展，逐漸與下部沉陷“三帶”貫通，構成災害體的后緣邊界。受采空區覆巖塌陷的影響，采空區上覆巖層由緩內傾變為緩外傾，為后緣裂縫的發展創造有利條件。后緣裂縫向下發展，進入軟巖巖層后，由于軟巖的強度較低，裂縫發展向臨空方向偏移，追蹤巖體陡傾節理及緩外傾層面蠕滑變形，加劇崩塌體重心向臨空面偏轉。此階段，老鷹嘴崩塌體整體有向臨空方向傾倒的趨勢，坡頂的裂隙被拉開，形成深大裂縫。

（5）斜坡失穩階段

崩塌體向臨空面傾倒變形，與山體分離。后緣裂縫向下發展過程中，崩塌體下部巖體向臨空方向剪切變形，于長興-大隆組（P3c+d）硬巖處受阻，形成局部的“鎖固段”。在上部巖體的重力壓縮及擠壓作用下，突破“鎖固段”，于夜郎組（T1y）與長興-大隆組（P3c+d）界面附近剪出，崩塌體整體破壞，災害發生。崩塌巖體向下運動過程中，撞擊、鏟刮坡表巖體形成碎屑巖塊，堆積于坡腳緩坡處。此階段，災害發生，堆積于斜坡下部緩坡處，在坡頂還殘留部分危巖體。

崩塌區處于采空區影響范圍內，加之坡體內部巖體節理裂隙發育，使斜坡具有變形破壞條件。地下開采擾動上部巖體，在采空區覆巖中部以豎直向下的沉陷為主；隨著覆巖變形向上發展，在采空區邊界坡頂處巖體拉裂形成深大裂縫，構成后緣邊界。裂縫Lf2前側崩塌體受采動影響重心向臨空面移動，崩塌體上部以水平位移為主，老鷹嘴山體發生傾倒變形。裂縫進一步向下發展與拓寬，山體傾倒變形加劇；當裂縫發展到下部軟巖巖層時，裂縫向坡面偏轉發生蠕滑剪切變形，最終突破坡面附近“鎖固段”剪出，整體發生傾倒失穩破壞。斜坡的變形破壞機制可概括為：采空—拉裂—蠕滑—剪斷（傾倒）。

5 結論

本文通過野外調查與底摩擦試驗手段，在分析其斜坡所處的地質環境與變形破壞特征的基礎上，探討平緩傾內斜坡在地下采動條件下變形破壞機制，得到其以下認識：

（1）普灑崩塌為典型高陡“上硬下軟”-巖溶裂隙發育-采空控制組合型的高速遠程崩滑碎屑流災害。斜坡地形高陡，呈現“上硬下軟”坡體結構（硬巖主要為灰巖、泥質灰巖與砂巖，軟巖為泥巖、煤層）；坡體內部發育三組節理，切割巖體，呈不規則“三棱柱”，崩塌邊界裂縫追蹤其節理裂隙發展；坡體三面臨空，為崩塌的發生提供運移空間。地下采動為誘發斜坡變形破壞的主因，采動加劇斜坡的變形，巖體碎裂，斜坡失穩破壞，最終崩塌體高速沿坡面以碎屑流方式運移。

（2）普灑崩塌是長期累進性破壞的結果，具有時效性。斜坡的變形滯后于地下開采，只有當采空區達到一定面積時，頂板冒落、離層，引起采空區覆巖變形加劇，采空區邊界坡頂附近產生拉裂縫，裂縫追蹤原有節理裂隙向下發展，進入軟巖層后，裂縫發展向臨空面偏轉，發生蠕滑剪切變形，最終剪斷坡面附近“鎖固段”，斜坡上部山體發生傾倒，下部巖體滑移，導致斜坡失穩破壞，形成災害。

（3）普灑崩塌的變形破壞演化過程分為4個階段：自然演化階段、開采擾動階段、坡頂裂縫形成階段和斜坡失穩階段；其變形破壞機制為：采空—拉裂—蠕滑—剪斷（傾倒）。

崩滑災害與巖體抗拉強度、抗剪強度有著重要的關系，考慮抗拉強度對于認識崩滑變形破壞規律具有重要作用，也為更清楚認識斜坡變形機制提供參考。但本文在底摩擦試驗中只考慮了巖體抗剪強度來研究斜坡變形破壞機理，考慮的主控因素有限。因此，下一步應考慮更多的因素，如抗拉強度，以便更好地符合實際情況，深入認識斜坡變形破壞機制。