湖北宜昌盐池河滑坡成因机理分析*

李腾飞　陈洪涛　王瑞青

(中交公路规划设计院有限公司　北京　100088)



湖北宜昌盐池河滑坡成因机理分析*

李腾飞陈洪涛王瑞青

(中交公路规划设计院有限公司北京100088)

1980年6月3日湖北宜昌盐池河发生大规模山体滑坡地质灾害，滑坡体总体积约130×104m3，导致284人死亡。通过现场调查和分析后认为，地下采矿是盐池河滑坡的重要原因。针对已有对盐池河滑坡研究中存在不足，考虑到随机介质理论在岩层移动变形分析中的应用，采用随机介质理论方法对地下采矿作用下盐池河滑坡体移动变形规律进行研究。并结合边坡稳定性分析和数值模拟方法，对采动作用下坡体移动变形规律进行分析、验证。结果表明，采矿诱发的坡体不均匀沉降是盐池河滑坡的重要原因。采动变形导致山体中Ⅰ号裂缝形成、扩展，降低了山体内侧对滑动山体的侧向阻滑作用，并加剧地表降雨入渗趋势，导致滑带力学参数劣化，最终导致坡体失稳。

盐池河滑坡地下采矿随机介质理论机理分析

0　引　言

随着人类地下采矿活动增加，由此引发的山体滑坡自然灾害等也时有发生，典型案例如发生在湖北的宜昌盐池河滑坡(姚宝魁等，1988)。该滑坡灾害发生于1980年6月3日，滑坡总体积超过1.3×106m3，滑坡体从高差约200m的陡崖垮落，形成面积约500m×478m堆积区并阻塞下方河道，最大堆积厚度近40m。滑坡摧毁该磷矿整个工矿区，导致284人死亡和2500万元财产损失，并诱发1.6级地震(黄润秋，2007；连志鹏等，2013)。

盐池河滑坡位于黄陵背斜东北翼，区域地质构造为单斜构造，岩层走向总体上呈南北走向，倾向东，岩层倾角近水平约14°，地层岩性为中、厚层块状白云岩。受构造、地下采矿等作用影响，山体发育4组主要结构面，几组陡倾构造结构面和岩体中夹含的若干软弱夹层、岩层面一起，把山体岩体切割呈“积木块”状。发生滑动的斜坡上部近于直立，坡向朝北，东、西两侧也为临空面，坡体整体上三面临空(李腾飞，2014)。

盐池河磷矿区建于1969年，自1978年冬开始上方陡崖多次发生小规模落石和崩塌，1979年7月大规模爆破房间矿柱后，陡崖处陆续出现10条地表裂缝，并逐渐发生变形。1980年6月2～3日，山体内侧Ⅰ号裂缝下沉位移速度达1m·d-1以上，前缘不断发生落石和小型崩滑，山体最终发生整体性滑坡。磷矿层(开采厚度为2m)赋存在滑坡山体下部，矿体产状近水平分布，与岩层产状一致，埋深约300m。截至山体滑坡发生时，地下累计采空区面积达6.4×104m2。

图1　宜昌盐池河滑坡Fig.1　The Yanchihe landslide in Yichang city

图2　主要结构面和地层、坡面空间关系Fig.2　The spatial relationships of joint sets，sratum and slope surface

针对盐池河滑坡的失稳机理，姚宝魁等(1988)采用有限元方法进行过分析，主要研究由于地下开采引起的山体内的应力状态变化，结果表明采矿引起的拉应力及其导致山体裂缝产生是坡体失稳的主要原因。连志鹏等(2013)以磷矿采矿深厚比(H/M)为评价依据，采用GIS方法对磷矿采空区稳定性进行评价。已有研究拓宽了对盐池河滑坡失稳机理的认识，但对磷矿采矿如何影响坡体稳定的分析还不够详细。本文以盐池河滑坡为例，在现场调查的基础上，从地下采矿引起上覆山体移动变形的角度，通过随机介质理论分析和数值模拟，对盐池河滑坡的成因机理进行深入分析，总结地下采矿条件下山体的移动变形规律，为我国西南地区类似滑坡的研究和科学减灾提供科学经验和理论依据。

1　采动山体移动机理研究

研究手段采用随机介质理论方法，该方法由波兰学者李特维尼申(Litwinszyn，1957)建立，目的是计算地表移动，我国学者刘宝琛等(刘宝琛等，1965)将其应用于“三下”开采评价中。该方法主要优势在于构建起地下采矿与上覆岩体变形之间的联系。认为地下采矿引起的上覆岩体移动变形，由单元体开采引起的岩体内部单元下沉曲线(何国清等，1994；胡斌等，2012)累积组成。地下开采下沉和水平移动变形的公式如下：

(1)

(2)

(3)

公式中，m为矿层开采厚度(m)；k为下沉系数；s为积分变量，为开采坐标；Ha为最小开采深度(m)；α为计算剖面的矿层倾角(°)；θ为地下开采影响传播角(°)。

图3　盐池河滑坡堆积区Fig.3　The Yanchihe landslide area1.地下采空区界限；2.分段号；3.采矿及放顶日期；4.裂缝编号及其生产的日期；5.崩坍山体界限；6.崩坍物堆积范围

对于盐池河滑坡体，随机介质理论方法的适用性体现为：基于山体千米尺寸，考虑两组近于正交的陡倾结构面和近水平层面的影响(图2)。块状岩体结构在一定程度上可认为是均质的松散介质，这与该方法的假设条件是相吻合的。

为简化分析，两个剖面滑动方向AA′和崩塌剖面BB′地下采矿都按照4个开采步长(step)，矿柱宽度设置为8m(根据现场调查)，斜坡下磷矿层厚度平均约2.5m。

表1　计算参数

Table 1　The calculation parameters

分析剖面Section采矿步长step/m矿层厚度m/m最小开采深度Ha/m岩层视倾角α/(°)AA'BB'87.3955.52.52.529.4965912.830剖面Section水平移动系数B(z)地表下沉系数k主要影响角β(z)/(°)影响传播角θ/(°)AA'BB'—0.40.650.6557578090

1.1滑动方向移动分析

图4为山体滑动方向剖面图，分4布开采。数据记录点1-5沉降变形(图5)。分析可知，数据记录点垂直沉降最大值出现在最靠近采空区的5点，最大沉降值到达0.9m。特别是后两步开采完成后沉降值急剧增加，这主要是因为后两步开采位于变形坡体正下方。采动变形导致AA′剖面的岩层面倾角降低，减缓了坡体的下滑趋势。

图4　山体滑动方向剖面Fig.4　The section of landslide direction

图5　山体滑动方向数据点沉降变形Fig.5　The settlements of data point landslide direction section

图6　山体崩塌方向剖面Fig.6　The section of collapse direction

图7　山体崩塌方向数据点沉降变形Fig.7　The settlements of data points in collapse direction section

图8　山体崩塌方向数据点水平移动Fig.8　The horizontal deformation of data points in collapse direction section

1.2崩塌方向移动分析

图6为山体崩塌方向剖面图。由图7分析可知，地下开采作用导致的外侧变形沉降趋势更明显。坡体内外侧采动沉降差异，导致盐池河山体表现出向外侧崩塌变形的趋势。山体内侧分布Ⅰ号裂缝，其所在位置数据点1-5水平移动情况(图8)，坡顶的水平变形值最大，这说明坡体水平移动导致山体产生张拉作用，这与实际山体中内侧Ⅰ号裂缝相吻合。

综上所述，地下开采诱发的山体变形导致山体内侧Ⅰ号裂缝形成，使得潜在滑坡体实际上被切割呈四面临空的状态。

对于盐池河滑坡体稳定性的影响，地下采矿主要体现在以下几个方面。作用①：走向NW66°剖面即AA′剖面采动变形使得岩层面倾角降低，最大沉降差值达0.54m，导致滑动面角度降低0.28°，这反而对坡体稳定有利。作用②：走向NS 剖面即BB′剖面采动变形使得山体南侧Ⅰ号裂缝产生，导致滑坡体处于实际上的“四面临空”状态，减弱了山体内侧岩体对滑动体的侧向阻挡，对坡体稳定不利。作用③：内侧Ⅰ号张拉裂缝产生，客观上加剧了降雨入渗作用。而降雨入渗导致滑带软化则直接降低了坡体的稳定性。

2　边坡稳定性分析

根据上述分析，斜坡体存在东侧、北侧和西侧三面临空的地形条件，内侧即南侧Ⅰ号裂缝产生，组合作用下斜坡体实际上表现为四面临空，滑坡体此时与斜面体系类似。影响斜面体系稳定有以下两个原因：斜面角度和斜面力学参数，这两个原因恰与上述地下采矿影响作用①和作用③向对应。将斜坡体简化为斜面体系，作用①和作用③所引起采动山体安全系数变化程度即为其影响。

表2　采动影响分析

Table 2　The analysis of undermining influence

影响作用作用①作用②作用③表现形式降低滑动面倾角Ⅰ号裂缝产生→降低山体内侧阻滑力Ⅰ号裂缝产生→降雨入渗滑带劣化对坡体稳定影响有利不利不利

对于盐池河滑坡体，地下采矿作用诱发的不均匀导致AA′剖面不均匀沉降，最大沉降值达0.54m，从而使视倾角由11.94°变为11.70°，进而导致对应的真倾角(滑动方向角)由14°变为13.72°，坡体安全系数提高1.9%，即地下采矿影响作用①对山体稳定的有利影响。

地下采矿影响作用③具体体现为滑带遇水前后力学性质参数的变化。内侧Ⅰ号裂缝扩张导致的滑带遇水饱和后的滑坡体安全系数降低17%，即地下采矿影响作用③对山体稳定的不利影响。

3　数值模拟分析

对盐池河采动滑坡体进行数值模拟分析，采用基于连续介质离散元分析，该方法理论依据是动态松弛法求解。结合现场调查，确定模型大小和采空区位置，共39.4万单元。根据实际沿中央斜井自西向东开采情况，模型中斜井的两侧位置设置5m宽的安全矿柱，矿房也按每隔4m的间距设置3m×5m矿柱。根据实际调查，模型中地下采矿层厚度为3m，全部21个采空区简化为3步完成开采，按照第1步A1(1～7)→第2步A2(8～16)→第3步A3(17～21)的顺序累计开采。在模型中设置了若干数据记录点，以便于分析地下采矿作用对山体模型的影响。

图9　盐池河斜坡地质模型Fig.9　The geological model of Yanchihe landslide

图10　模型中开采顺序Fig.10　The mining sequence in the geological model

图11　开采完成后坡体失稳情况(放大5倍)Fig.11　The undermining-induced landslide(×5)

图12　滑带沉降变形Fig.12　The settlements of slip zone

盐池河滑坡体表现为整体滑动特征，失稳前坡体前缘不断发生滚石和小型崩塌。图11 为地下采矿后坡体的移动变形情况，分析可知随地下采矿的不断推进，原山体内侧裂缝逐渐扩张，陡崖外侧变形破坏增加，形成整体破坏。

采矿作用下滑坡体底面软弱层带沉降变形(图12)，随开采面积增加，沉降变形不断增加，靠近陡崖外侧沉降量最大，最外侧沉降接近1m。图13为地下采矿作用下滑坡体内侧裂缝水平移动变形，靠近山顶处水平变形最大。

图13　内侧裂缝水平移动变形Fig.13　The horizontal deformation of inside crack

4　结　论

针对盐池河滑坡体的失稳机制，分别采用随机介质理论方法和数值模拟进行分析。虽然随机介质方法和数值计算得出的采动变形量有所不同，但两种方法得出的坡体移动变形规律是相同的。地下开采磷矿诱发上覆岩层发生不均匀沉降，导致山体有向外侧发生倾倒的趋势，这也与原山体中Ⅰ号裂缝形成、扩展相吻合。采动作用下坡体内侧Ⅰ号裂缝逐渐扩张的直接结果是减少了山体内侧对滑动山体的侧向阻滑作用，会对坡体稳定性产生不利影响。坡体内侧Ⅰ号裂缝逐渐扩张的间接结果则是加剧了地表降雨入渗趋势，从而导致滑带力学参数的劣化，进一步降低坡体的安全系数。

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FORMATION MECHANISM OF YANCHIHE LANDSLIDE IN YICHANG CITY，HUBEI PROVINCE

LI TengfeiCHEN HongtaoWANG Ruiqing

(CCCC Highway Consultants CO.，Ltd.，Beijing100088)

A large scale of landslide disaster occurred on June 3，1980 at Yanchihe in Yichang city of Hubei province.Its volume is 130×104m3.The landslide killed 284 people.Based on the site investigation and analysis，underground mining is an important reason of Yanchihe landslide.Considering the limitations of previous research，and the paper uses the stochastic medium theory that has been used widely in ground surface movement and deformation in diggings.The slope movement and deformation principle resulted from underground mining are illuminated with the stochastic medium theory.Combined with slope stability analysis and numerical simulation，deformation of slope movement induced by underground mining is analysed and verified.The conclusions are as follow：The underground mining caused differential settlements.The underground mining deformation exacerbated the formation of crack inside the slope，providing a channel for rainfall infiltration.Rainfall infiltration in crack caused the slip zone softening，causing the landslide．

Yanchihe landslide，Underground mining，Stochastic medium theory，Formation analysis

10.13544/j.cnki.jeg.2016.04.012

2015-07-11;

2015-12-31.

李腾飞(1985-)，男，博士，工程师.主要从事高速公路工程地质和路基路面方面的研究.Email: Robustfei@126.comcn

P642.22

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