興仁市復雜采動邊坡變形機理及防治對策

李 沖，楊 斌，張曉濤

（中國煤炭地質總局 第三水文地質隊，河北 邯鄲 056001）

0 引 言

興仁市地處貴州省西南部的斜坡地帶，屬典型喀斯特地貌區，地質構造復雜，降雨集中，為貴州省地質災害易發區域。區內峰叢、洼地、溶斗、溶洞發育，碎屑巖地層在逆向坡地帶易形成陡崖、陡坡，在煤礦開采區，受采動影響，邊坡地帶容易下沉，造成滑坡地質災害[1]。

本文研究的老鷹山邊坡位于貴州省興仁市潘家莊鎮雞場坪村白馬山組西南側，距離白馬山村民組直線距離580 m，距離韋家寨組直線距離760 m，是典型的內外因共同作用形成的潛在地質災害點。其為中山斜坡地貌，下伏軟質基巖，山體中下部含多層可采煤層，在下部煤層被開采后因采空區垮落、下降形成采動邊坡，坡面在采空區地表移動邊界角附近出現張拉錯臺裂縫[2]，在長期降雨的外因作用下，邊坡形成潛在滑移隱患，危及附近村民生命財產安全。本文通過對老鷹山采動邊坡變形機理的分析研究，對潛在滑坡穩定性進行評價并預測滑坡失穩影響范圍，提出針對性的防治對策，為后續勘查、設計和治理工作提供參考。

1 研究區概況

1.1 地質條件

研究區地勢總體為北西高南東低，最大相對高差為567.50 m，出露的地層由老至新主要為二疊系上統龍潭組(P2l)、三疊系下統飛仙關組(T1f)及第四系(Q)。龍潭組為本區含煤地層，含煤層18～24層。區內出露及下伏巖性主要為軟質巖，受采空區垮塌影響，上覆頂板下沉導致坡體巖石垂直節理裂面混亂[3]。

1.2 水文地質條件

區內基巖裂隙水主要賦存于下伏粉砂巖、泥巖、灰巖節理裂隙中，靠大氣降水補給，以巖土接觸面和節理裂隙為排泄通道，最終向潛在滑坡前緣低洼處及采空區排泄。據了解，下部11501、1152、1151、11701、1171等采空區，枯水季排水量約12 m3/d，汛期排水量約28 m3/d。

第四系松散孔隙水主要賦存地表覆蓋碎石土、含碎石粘土、粉質粘土的松散孔隙中，接受大氣降水補給后下滲至巖土接觸面、巖石節理裂隙中，最終排泄到潛在滑坡前緣低洼處。

2 潛在滑坡特征

2.1 邊界特征

潛在滑坡后緣高程1 846 m，前緣高程1 410 m，滑坡前緣斜坡坡度30°，中部呈臺階狀緩斜坡，上部因臨崖，橫坡較陡[4]，形態上陡—中緩—下陡，如圖1所示。潛在滑坡前緣為已開采的M7號煤層露頭斜坡臨空面，寬280 m，滑坡后緣位于L1與L2之間的山間鞍部，右側緣為小路附近，左側緣為裂縫L4附近，如圖2所示。由于目前未形成連續貫通滑動面，除后緣邊界特征明顯外，其余邊界均不明顯。

圖1 潛在滑坡體全貌照片Fig.1 Aphoto of potential landslide body

圖2 坡面張拉裂縫照片Fig.2 Aphoto of tension fissures of side slope surface

2.2 形態規模

潛在滑坡平面形態近似“橢圓形”，縱長860 m，平均寬度365 m，平均厚度約120 m，體積約3 795×104m3，主滑方向90°，為一潛在特大型牽引式基巖滑坡。

2.3 巖土體結構特征

潛在滑體為第四系粘土、崩塌堆積體及下伏薄至中厚層泥巖、泥砂巖、砂巖、灰巖等。厚度35～190 m不等。由于滑面尚未形成，通過MidasGTSNX軟件模擬分析，滑面為采空區地表移動邊界角附近及采空區垮落斷裂帶邊界附近，如圖3所示。滑床為二疊系龍潭組至三疊系飛仙關組泥巖、泥砂巖、砂巖、灰巖等，及采空區垮塌堆積體。

圖3 邊坡特征分析圖Fig.3 The side slope feature analysis

3 潛在滑坡變形機理

3.1 影響因素

3.1.1 內在因素

（1）形態特征。邊坡坡面中上陡，中下緩，呈折線形臺階狀，地形坡度15°～34°，局部陡坎50°～65°，為滑坡滑動變形提供了空間幾何條件和臨空條件。

（2）巖土組合特征。潛在滑體主要由泥巖、砂巖、泥砂巖層組成，易風化，出露及下伏巖性主要為軟質巖，遇水易泥滑、軟化，抗剪強度將進一步降低。

3.1.2 外在因素

（1）大氣降雨。本區降水充沛而且集中，強降雨為滑坡滑動變形提供了強力的動力條件[5]。

（2）人類工程活動因素。主要是下伏煤層的開采，破壞了山體的應力平衡狀態。另外邊坡前緣的整個斜坡上，分布大量的旱地與水田，附近村民長期耕種致使表層土體較為疏松，增加了大氣降雨的入滲速度和入滲量。

3.2 變形破壞特征

3.2.1 采空區對潛在滑坡的影響分析

山體斜坡受采空區垮落、下沉影響，形成采動邊坡。邊坡出露及下伏為軟硬互層狀結構巖體，層1 800 1 700 1 600 1 400 1 500 1 400 1 300間結合力較差，易于沿層面滑動。采空區上覆巖體垮落，引起地面沉降，采空區移動變形涉及到地表形成地面裂縫。斜坡的地表移動邊界角β取60°，其垮落斷裂帶、剪切下沉區、擠壓下沉區、臌脹隆起區范圍如圖4所示。

圖4 采空區邊坡移動分區示意Fig.4 Schematic diagram of the moving zones of the goaf side slope

采空區失穩對潛在滑坡體的影響主要有以下3個方面：①采空區頂板塌落引起左側山體向著采空區移動，使采空區上覆山體受壓，坡面橫向因受壓形成張裂縫[6]；②采空區頂板垮落，上覆山體由于重力作用向下錯動，使斜坡體向著臨空面移動，從而導致臨崖附近發生崩塌、坍塌現象，滑坡側邊界受拉應力集中產生拉裂縫，一旦側邊界裂縫與后緣拉裂縫貫通，滑坡體便會因重力作用向臨空面滑動；③巖體節理裂隙發育，利于地表水下滲，降低了斜坡的抗滑能力，在地表水長期下滲作用下，坡體自重增大，巖體抗剪強度降低，易導致采動坡體發生滑移。

3.2.2 變形發展階段判定

采動邊坡向滑坡的發展演化過程分為后緣拉裂階段、“階梯狀”蠕滑拉裂至剪切變形階段、滑面貫通階段、滑坡整體破壞階段這個4個階段。該潛在滑坡坡面已形成了4條主要張拉裂縫（L1、L2、L3、L4），說明第1階段已經形成，目前處于第2～3階段。

3.3 成因分析

該潛在滑坡是在不利原始斜坡形態組合及不利巖土物質組合特征等內在因素背景下，因煤炭資源開采、采空區垮落、下沉形成采動邊坡，人類工程活動在一定程度上改變了原始斜坡形態，加上長年降雨動力作用下，坡體形成潛在滑動變形。

4 穩定性評價及影響范圍預測

4.1 潛在滑坡穩定性評價

通過走訪調查，該邊坡于2017年7至今無大的變形破壞。根據自然資源部門2020年9月9日至2021年12月3日的監測數據，邊坡體處于緩慢水平位移與緩慢垂直位移狀態，位移量與降雨量相關，主要集中在9月至12月。該邊坡處于欠穩定—基本穩定狀態。目前滑坡體并未產生整體的下滑，但后續存在加速下滑的可能性。

4.2 潛在滑坡失穩影響范圍預測

關于滑坡滑移距離的預測，目前沒有相關規范[7]，此次采用下面3個預測模型計算。

模型1：基于前后緣高程的經驗公式方法（國內經驗統計公式）。

式中：S為滑距，m；H1為滑坡后緣高程，m；H2為滑坡前緣高程，m。

模型2：基于滑坡體積的模型（Scheidegger公式）。

式中：H為滑體垂直滑落高度（滑坡前后緣高差），m；L為水平滑移距離，m；V為滑動體的體積，m。

模型3：基于滑坡物理力學參數的模型。

式中：L為滑坡體最大水平滑移距離，m；△H為滑坡前、后緣高差，m；n為滑坡滑出條件系數，根據已發生的馬達嶺滑坡反演取0.5；φ為內摩擦角，（°）。

經計算，坡體整體失穩后，水平運動最大距離約770 m，滑坡失穩影響范圍如圖5所示。潛在滑坡堆積體堆積范圍將主要集中于前緣寬緩沖溝的平緩地帶，該地帶主要為耕地，穩定性較差，發生滑坡時，滑體在高速差異滑移和相互碰撞作用下，將沿著斜坡帶形成碎屑流，并在暴雨的情況下產生泥石流，最終運動堆積至坡腳平緩區域，將直接威脅雞場坪村韋家寨組居民。滑體后緣部分滑體有可能沿北東側山溝形成碎屑流，并在暴雨的情況下產生泥石流，間接威脅雞場坪村白馬山組。

圖5 滑坡失穩影響范圍Fig.5 The impact range of landslide instability

5 防治對策

5.1 非工程防治措施

作好長期監測工作，增設深部位移監測工作及地下水動態監測工作，并設置警戒范圍[8]。監測部門相關人員應隨時關注地表裂縫、深部位移變形情況及地下水動態情況，提高防患意識。若遇變形加劇時，應該及時通知危險區域內人員進行搬遷避讓。

5.2 工程治理措施

工程治理建議采用“消方減載+截排水溝、排水廊道或打排水孔+格構梁+錨桿（錨索）+坡面綠化+修筑擋土墻+注漿固結”的綜合措施。

（1）導水排水。分為坡表導水和坡體排水兩部分，即在斜坡和斜坡周邊設置溝渠和管道等，攔截地表水，減少其下滲量；坡體內部除利用采空區自然排水外，可修筑排水廊道或打排水孔，疏導地下水[9]。

（2）消方減載+注漿固結。由于前緣缺少固腳反壓條件，建議采取消方減載措施，預計消方減載方量約1 200×104m3，同時對潛在滑面附近巖體進行注漿固結，增加巖體抗剪強度，之后對坡面進行綠化防護。

（3）修筑擋土墻。消方減載后，坡體總體穩定，但原坍塌堆積體有溜坍現象，遇強降雨極端天氣易形成泥石流。因此需在坍塌堆積體前緣修筑擋土墻，能一定程度上減輕可能發生的地質災害的破壞性[10]。

6 結 論

（1）興仁市潘家莊鎮雞場坪村老鷹山采動邊坡，坡頂已形成連續張拉裂縫，為潛在特大型牽引式基巖滑坡，目前處于“階梯狀”蠕滑拉裂至剪切變形階段與滑面貫通階段。

（2）該邊坡橫坡較陡、采空區垮落及坡體軟質巖土組合特征是滑坡形成的物質基礎條件，邊坡形態特征為滑坡滑動提供了空間幾何條件和臨空條件；區域內降雨量大，持續時間長，形成滑坡產生的動力條件。目前滑坡整體趨于基本穩定—穩定狀態，但非正常工況下，邊坡整體趨于欠穩定狀態。如今后地表水長期下滲，潛在滑移面持續軟化，遇到大暴雨及長時間暴雨時，滑坡穩定性將進一步下降，極有可能產生大面積的整體滑移。

（3）對該滑坡點工程治理方案可以考慮“消方減載+截排水溝、排水廊道或打排水孔+格構梁+錨桿（錨索）+坡面綠化+修筑擋土墻+注漿固結”的綜合治理措施巷；非工程治理方案為“主動避讓”。若進行工程治理需進一步加大勘查力度。