吳西臣，徐楊青

(中煤國際工程集團武漢設(shè)計研究院，湖北武漢 430064)

平朔露天礦某黃土高邊坡滑坡成因機理分析

吳西臣，徐楊青

(中煤國際工程集團武漢設(shè)計研究院，湖北武漢 430064)

從工程地質(zhì)條件、水文地質(zhì)條件及人類工程活動等方面入手，對山西平朔煤炭工業(yè)公司某露天礦黃土高邊坡發(fā)生滑坡的成因機理進行分析。該滑坡表現(xiàn)出明顯的牽引式破壞特征，其變形破壞過程可分為卸荷變形、蠕滑—拉裂、劇滑及趨穩(wěn)等四個階段?；诨碌某梢驒C理，提出了相應(yīng)的防治對策。

黃土高邊坡;滑坡;成因機理;防治對策

0 引言

山西平朔煤炭工業(yè)公司安家?guī)X露天礦北幫邊坡發(fā)生滑坡，滑坡體面積約6×104m2，體積約64×104m3，共有5級黃土高邊坡發(fā)生滑坡，滑體厚度最大達75 m，最大滑距達150 m，屬中型深層黃土滑坡［1］。由于預(yù)報及時，未發(fā)生人員、機械設(shè)備損壞事件，將滑坡所引起的直接經(jīng)濟損失降至最低。

本文將從滑坡區(qū)工程地質(zhì)條件、水文地質(zhì)條件和人類工程活動等方面入手，分析該黃土高邊坡發(fā)生滑坡的成因機理，并提出一些防治對策建議。

1 滑坡區(qū)工程地質(zhì)條件

1.1 地形地貌

安家?guī)X露天礦地處低山丘陵區(qū)，為典型的黃土高原地貌，黃土廣布，溝壑縱橫。受露天開采影響，滑坡所在露天礦邊坡坡肩高程約1 400 m，坡腳高程約1 260 m，坡高達140 m。邊坡共分為7級，總體坡度約35°;坡中平臺寬6～40 m不等，單級坡高約15 m，坡面角60°～65°?；碌暮缶壐叱? 375 m，剪出口高程1 300 m，相對高差75 m，共破壞五級臺階。

1.2 地質(zhì)構(gòu)造

滑坡位于二鋪背斜和白家辛窯向斜之間，受其控制和影響，基巖產(chǎn)狀為110°∠18°，傾向坡外，為邊坡發(fā)生順層滑坡提供了內(nèi)在條件。

滑坡區(qū)基巖中節(jié)理裂隙以構(gòu)造裂隙為主，主要發(fā)育有兩組，即：210°∠88°、107°∠87°，與邊坡呈順向坡斜交關(guān)系。

1.3 地層巖性

滑坡區(qū)的地層自上而下主要由第四系馬蘭黃土、離石黃土、午城黃土及二疊系上、下石盒子組砂巖、泥巖和煤系地層組成。

①馬蘭黃土(Q3)：淺黃色，以粉土為主，稍密，土質(zhì)均勻，手捏易碎，含云母，垂直向節(jié)理裂隙發(fā)育，厚度約10～25 m。

②離石黃土(Q2)：由黃褐色粉質(zhì)粘土、粉土組成，粉土為中密狀態(tài)，粉質(zhì)粘土為硬塑狀態(tài)，垂直向節(jié)理裂隙發(fā)育，厚度達45 m以上。

③午城黃土(Q1)：由紅褐色粘土組成，硬塑—堅硬狀態(tài)，夾少量姜石、礫石，有少量孔隙，垂直向節(jié)理裂隙發(fā)育，厚約20～25.5 m。底部與下伏基巖接觸處呈可塑狀態(tài)，濕—飽和，構(gòu)成了滑坡體的滑帶，厚度約5～10cm，具有明顯的擦痕和摩擦鏡面。

④1石盒子組砂巖、泥巖強風(fēng)化層(P)：灰黃色，砂巖主要為細(xì)砂巖和粉砂巖，中厚層狀，沿節(jié)理面風(fēng)化較為嚴(yán)重，與覆蓋層接觸處局部已風(fēng)化為砂狀;泥巖為中薄層狀，已風(fēng)化呈頁片狀，局部已風(fēng)化成粘土。基巖強風(fēng)化層的厚度由西向東隨覆蓋層的厚度增大而變薄。在滑坡體的東側(cè)，強風(fēng)化層的厚度可達20～25 m，而西側(cè)厚度一般為5～10 m。

④2石盒子組砂巖、泥巖中—弱風(fēng)化層(P)：青灰色，砂巖主要為細(xì)砂巖和粉砂巖，泥巖為中薄層狀。

滑坡區(qū)地層分布詳見工程地質(zhì)平面圖(圖1)及剖面圖(圖2)。

圖1 滑坡區(qū)工程地質(zhì)平面圖及監(jiān)測點平面布置圖Fig.1 Engineering geological plane of landslide area and plane arrangement chart of monitoring point

圖2 滑坡區(qū)工程地質(zhì)剖面圖及結(jié)構(gòu)面赤平極射投影圖Fig.2 Engineering geological profile of landslide area and struvtural plane of equatorial horizon projection

1.4 水文地質(zhì)條件

受露天開采影響，滑坡區(qū)附近基本無地表水。

滑坡區(qū)地下水主要以第四系土層中的上層滯水及基巖裂隙水的形式存在，其補給來源主要是大氣降雨，并通過廣泛發(fā)育于巖土體中的節(jié)理、裂隙順坡面排泄?；麦w西側(cè)順坡面1 335 m標(biāo)高線有多處滲流，流量最大處可達1～2 L/min。

1.5 人類工程活動

滑坡區(qū)人類工程活動強烈。一是露天開采致使邊坡高度不斷加大;二是采掘爆破作業(yè)及坡中平臺運土車輛的長期動荷載作用等，均對邊坡穩(wěn)定性不利。

2 滑坡基本特征

2.1 滑坡空間形態(tài)及結(jié)構(gòu)特征

滑坡在平面上呈圈椅狀，縱向長120 m，橫向?qū)?90 m;滑體厚度在橫向上表現(xiàn)為由中間向兩側(cè)逐漸減小，在縱向上由前緣向后緣逐漸減小，呈現(xiàn)為一寬緩的“鍋狀”古地形。

在滑坡體的主滑線附近，上部主要為馬蘭和離石黃土，最大厚度達65 m，厚度在空間上變化不大;而午城黃土在滑坡體的主滑線附近厚度最大(達25.5 m)，向滑坡體兩側(cè)變薄，西側(cè)厚度僅4～5 m，東側(cè)厚度10 m左右。相應(yīng)地，基巖強風(fēng)化層的埋深也是滑坡體主滑線上最大?；麦w古地形坡度達18°。

滑帶土為紅褐色粘土，濕—飽和，可塑狀態(tài)，分布于巖、土接觸面處，厚度一般為10～15 cm，具有明顯的擦痕和摩擦鏡面。

滑床巖性主要為強—中風(fēng)化砂巖、泥巖，砂巖中厚層狀，泥巖為中薄層狀，其內(nèi)節(jié)理裂隙發(fā)育。

滑坡前緣剪出口位于巖、土接觸面處，滑動面切穿馬蘭黃土及離石黃土。

2.2 滑坡區(qū)變形特征

邊坡發(fā)生滑坡前，其后緣的1 360 m及1 375 m平臺發(fā)育多條環(huán)狀裂隙，長10～125 m不等，其徑向與主滑方向基本一致。

圖3 滑坡區(qū)監(jiān)測點位移曲線圖Fig.3 Displace curve of monitoring point in landslide area

根據(jù)滑坡區(qū)位移監(jiān)測資料(圖3)，邊坡變形是從10月16日開始加速移動的，此前一直處于蠕動變形中;10月16日～11月18日南(X)向的位移量為54 mm，平均位移速率為1.69 mm/d;11月18日～12月2日位移量為65 mm，平均位移速率為3.25 mm/d，表明邊坡從10月16日已開始加速變形;12月2日～6日，4天的位移量達到300 mm，平均位移速率高達75 mm/d，表明邊坡已完成滑動面的剪切擴容，進入快速變形階段，最終于12月10日發(fā)生滑坡。

滑坡后，由于形成的新臨空面，為后部邊坡滑動提供了空間，滑坡后緣邊坡上又出現(xiàn)多級環(huán)形裂縫：一級環(huán)形裂縫分布在1 375 m平臺上，長30～55 m，徑向約162°，指向滑坡后所形成的新臨空面;二級環(huán)形裂縫發(fā)育于1 390 m平臺，長10～45 m，徑向約184°，指向原有邊坡傾向;三級裂縫發(fā)育在1 405 m平臺之上，長約20 m左右，徑向同原有邊坡傾向。各地面裂縫仍然有加寬、加長并有貫通的趨勢。

圖4 潛在滑坡區(qū)監(jiān)測點位移曲線圖Fig.4 Displacement curve of monitoring point in potential landslide area

根據(jù)設(shè)置于滑坡體周邊的監(jiān)測點位移曲線(圖4)，滑坡體周邊邊坡仍然有較大的變形，西側(cè)監(jiān)測點位移指向165°～175°，北側(cè)監(jiān)測點位移指向151°～162°，監(jiān)測到的最大位移達到了285.6 mm，位移方向與裂縫完全吻合，表明下方邊坡滑動后所形成的高陡臨空面為后部邊坡繼續(xù)滑動提供了空間，使后方邊坡繼續(xù)滑動成為可能。

2.3 滑坡巖土體物理力學(xué)參數(shù)

根據(jù)滑坡區(qū)巖土樣室內(nèi)土工試驗、滑動面(土、巖接觸面)的原位剪切試驗及采用恢復(fù)山體的極限平衡反分析［1］成果綜合確定邊坡巖土體的物理力學(xué)參數(shù)，見表1。

表1 邊坡巖土體物理力學(xué)參數(shù)Table 1 Physical and mechanical parameters of slope of rock and soil mass

3 滑坡的成因機理分析

3.1 滑坡形成條件

3.1.1 地形地貌

滑坡區(qū)邊坡整體坡度35°，單級邊坡坡度可達60°～65°，高陡邊坡為滑坡提供了滑移變形及潛在剪出口的臨空條件。

3.1.2 巖土體性質(zhì)

邊坡巖土體受水軟化作用非常明顯，其飽和狀態(tài)下抗剪強度相對于天然狀態(tài)下降約25%左右，是邊坡出現(xiàn)滑坡最主要的原因。

3.1.3 邊坡結(jié)構(gòu)

黃土邊坡中垂直節(jié)理發(fā)育，大氣降雨時地表水入滲快;第四系在橫向上呈鍋狀分布，且下伏基巖產(chǎn)狀110°∠18°，在縱向上略傾向坡外，具有易于產(chǎn)生順層滑坡的地層結(jié)構(gòu)。

3.1.4 水文地質(zhì)條件

滑坡體西側(cè)基巖強風(fēng)化層中富含風(fēng)化裂隙水，順坡面滲流點高出滑坡剪出口約35 m，對滑坡體前緣位于這一標(biāo)高之下的巖土體強度軟化作用明顯。

3.2 滑坡誘發(fā)因素

3.2.1 大氣降雪

變形監(jiān)測結(jié)果表明，每一次加速變形均與氣候有關(guān)，11月23日～26日小雪天氣后，邊坡變形速率明顯加快;而12月7日小雪后邊坡于12月10日發(fā)生了滑動破壞，表明雪水對邊坡變形的誘發(fā)作用明顯。

3.2.2 露天開采及采礦爆破影響

隨著露天開挖的進行，邊坡高度不斷加大，邊坡巖土體內(nèi)部應(yīng)力分布狀態(tài)不斷發(fā)生重分布，為達到一個新的平衡點，邊坡將調(diào)解自身姿態(tài)來尋求穩(wěn)定，這個調(diào)解的過程就是邊坡變形及至滑坡的過程。

邊坡滑動前，在坡腳進行的爆破作業(yè)及坡中平臺上大量運土車輛動荷載，對邊坡破壞起到了重要作用。

3.3 滑坡穩(wěn)定性敏感因素分析

首先運用傳遞系數(shù)法計算出基準(zhǔn)條件之下的滑坡穩(wěn)定系數(shù)Fso，在此基礎(chǔ)上變動其中某一變量，其它參數(shù)固定不變，計算該參數(shù)在其變動范圍內(nèi)變動時滑坡穩(wěn)定性系數(shù)隨之變化的結(jié)果，最后根據(jù)上述結(jié)果得出敏感系數(shù)S：

式中：△X為某因素的變化量;Xmax～Xmin為某因素的變化范圍;△Fs為Fs對應(yīng)△X的變化量;Fso為Fs的基準(zhǔn)值，在此取C=30 kPa、φ=14°及不考慮爆破震動作用(6 度以下)條件下，F(xiàn)so=0.973。

由于滑坡對其外部條件的敏感性難以預(yù)測，在此主要分析滑坡穩(wěn)定性系數(shù)對C、φ值及爆破振動烈度變化的敏感性。敏感性分析結(jié)果見表2。

表2 滑坡敏感性分析結(jié)果表Table 2 Analysis results of landslide sensitivity

從上表可知，滑坡穩(wěn)定性系數(shù)對地震烈度最為敏感，當(dāng)發(fā)生地震烈度為7度時，滑坡的穩(wěn)定系數(shù)降低達6.7%。

3.4 滑坡成因機理

邊坡下伏基巖在縱向上傾向坡外，易于滑坡的形成;滑坡體西側(cè)基巖強風(fēng)化層中富含風(fēng)化裂隙水，對位于其下的滑坡體強度軟化作用明顯。特殊的地質(zhì)結(jié)構(gòu)及水文地質(zhì)條件是滑坡發(fā)生的內(nèi)在條件。

因采礦所形成的高陡邊坡為滑坡提供了滑移變形及多級潛在剪出口條件，而邊坡中的應(yīng)力狀態(tài)改變所引起的變形是滑坡發(fā)生的根本原因。

降雨(雪)和長期爆破震動是滑坡發(fā)生的主要誘發(fā)因素。大氣降雨(雪)沿邊坡巖土體中的節(jié)理裂縫快速入滲，使其抗剪強度明顯降低;而地下水所產(chǎn)生靜水壓力和動水壓力，也增加巖土體沿滲流方向的下滑力，降低了滑坡的穩(wěn)定性。長期爆破震動對邊坡的作用主要表現(xiàn)在二個方面：一是產(chǎn)生的地震波相當(dāng)于給邊坡增加了一種具有致滑作用的動態(tài)荷載，降低了邊坡的穩(wěn)定性;二是長期爆破震動的不斷作用使邊坡中原生結(jié)構(gòu)面、構(gòu)造結(jié)構(gòu)面、原有的裂紋裂隙擴展和延伸，甚至產(chǎn)生新的爆破裂紋，使其物理力學(xué)性能下降，從而影響了邊坡的整體穩(wěn)定性。

3.5 滑坡變形破壞過程

根據(jù)滑坡區(qū)位移監(jiān)測資料所反映出的各監(jiān)測點位移大小及速率、裂縫分布及變形特征，滑坡前緣位移大于后緣，即滑坡表現(xiàn)出明顯的牽引式破壞特征，其變形表現(xiàn)為“犁”式變形破壞特點(見圖2)，破壞次序可用圖中的數(shù)字表示，變形破壞的次序從小到大依次進行。邊坡變形破壞過程可分為四個階段：

第一階段——卸荷變形階段。邊坡開挖后，處于坡腳的午城黃土邊坡坡面在失水的條件下，發(fā)生龜裂、片幫等破壞形式;而露天開挖卸荷導(dǎo)致臨近坡肩的垂直節(jié)理張開，在坡肩形成拉張裂縫，這種拉張裂縫一般發(fā)育在距坡肩3～5 m范圍內(nèi)(見照片1、照片2)。

第二階段——蠕滑—拉裂階段。坡腳午城黃土邊坡的片幫、崩塌使上一級臺階的寬度變窄，所能提供的抗滑力逐漸減小，致使上一級臺階也開始出現(xiàn)變形。隨該級臺階的向前移動，后一級臺階的變形也宣告開始。邊坡的變形就這樣遞進，午城黃土底部的破裂面也開始從下向上沿基巖面逐級貫通(見照片3、照片4)。

第三階段——劇烈滑動階段。當(dāng)破裂面貫通一定程度后，由于上部基巖面較緩，其不再沿基巖面向后發(fā)展，而是向上切穿離石黃土和馬蘭黃土。所有蠕動變形塊體的位能聚集到午城黃土達力學(xué)強度極限后，便出現(xiàn)大規(guī)模的快速滑動變形。

第四階段——趨穩(wěn)階段。當(dāng)出現(xiàn)劇烈滑動之后，滑坡體中的位能得以釋放，滑坡體趨于穩(wěn)定。

4 防治對策建議

露天高邊坡下部滑坡后，為后部邊坡繼續(xù)滑動提供了空間，使后方邊坡繼續(xù)滑動成為可能。為了避免新一輪、更大范圍的滑坡，依據(jù)滑坡的成因機理及變形特征，提出了工程措施與監(jiān)測預(yù)警預(yù)報相結(jié)合的滑坡防治對策建議。

工程措施主要包括邊坡上部的削坡減載及坡腳的壓腳回填，同時輔以坡面防排水措施。削坡減載可有效地減小邊坡的下滑力，而壓腳回填可以增加邊坡的抗滑力，兩者共同作用增加邊坡的穩(wěn)定性;對地表裂隙的及時填平壓實，避免雨水下滲對邊坡穩(wěn)定性的不利影響。

監(jiān)測預(yù)警則是通過合理布置一定數(shù)量的位移監(jiān)測點，獲取各監(jiān)測點的位移量、位移方向、位移速率，為邊坡的穩(wěn)定性分析提供重要依據(jù);用于確定不穩(wěn)定邊坡的滑移方向和速度，掌握邊坡發(fā)展變化規(guī)律，為采取必要的防護措施提供重要的依據(jù)。監(jiān)測內(nèi)容主要為地表水平位移及垂直位移監(jiān)測、巖土體深層位移監(jiān)測(測斜管)。

5 結(jié)論

通過對滑坡區(qū)的工程地質(zhì)條件、水文地質(zhì)條件、邊坡空間形態(tài)及結(jié)構(gòu)特征、變形特征、人類工程活動等進行分析，認(rèn)為該露天礦黃土高邊坡發(fā)生滑坡是內(nèi)在條件與外在誘發(fā)因素綜合作用的結(jié)果，其中內(nèi)在條件包括巖土性質(zhì)、邊坡結(jié)構(gòu)及水文地質(zhì)條件，外在誘發(fā)因素主要為大氣降雨(雪)及人類工程活動(露天采礦、采礦爆破等)等。

滑坡變形破壞表現(xiàn)為遞進變形破壞的特點，變形破壞表現(xiàn)為明顯的“犁”式破壞特征，具有明顯的牽引式破壞特征，其變形破壞過程可分為卸荷變形、蠕滑—拉裂、劇滑及趨穩(wěn)等四個階段。依據(jù)滑坡的成因機理及變形特征，提出了工程措施與監(jiān)測預(yù)警相結(jié)合的滑坡防治對策。

［1］工程地質(zhì)手冊編寫委員會.工程地質(zhì)手冊［S］.第四版.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2007.

Analysis of Formation Mechanism of a High Loess Slope at an Open-pit Mine in Pingshuo

WU Xicheng，XU Yangqing
(Wuhan Design and Research Institute of Sinocoal International Engineering Group，Wuhan，Hubei430064)

Starting from engineering geologic conditions，hydrogeologic conditions，the human engineering activity and etc.，the paper analyzes the formation mechanism of the high loess slope at an open－pit mine of Shanxi Pingshuo Coal Industry Corporation.The deformation of the landslide presents remarkable failure character of trail，the deformation and failure process can be divided into the unloading deformation，creep－crack，sliding quickly and stabilizing gradually.According to the formation mechanism of the landslide，some preventive countermeasures have been put forward.

high loess slope;landslide;formation mechanism;prevention countermeasure

TD854.6;P642.22

A

1671－1211(2011)03－0236－05

2010－11－26;改回日期：2011－01－10

吳西臣 (1980－)，男，工程師，碩士，巖土工程專業(yè)，從事工程地質(zhì)、巖土工程設(shè)計與研究工作。E－mail：wuxichen1031@163.com

于繼紅)