尖山营古滑坡复活变形特征及成因分析

丁 恒， 李海军， 赵建军， 董建辉， 朱要强

(1.贵州省地质环境监测院， 贵州 550000; 2.成都理工大学地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室，成都 610059； 3.成都大学建筑与土木工程学院， 成都 610106)

古滑坡是斜坡长期复杂演化过程的产物，目前基本都处于稳定状态，但在外界条件扰动下有可能发生复活[1-2]。由于地质环境、外界条件不同，引起古滑坡复活的因素也大为不同。随着中国西南山区煤矿开采的不断进行，古滑坡复活越来越多。陈家兴[3]通过对碎石土古滑坡复活的研究，将古滑坡复活先后顺序进行了分类；常亚婷等[4]通过现场地质调查与三维数值模拟的方法，研究了坡脚开挖诱发古滑坡的成因机制与稳定性评价；骆晓依等[5]通过二次回归正交试验的方法，研究了隧道开挖对古滑坡复活的影响；成词峰等[6]通过对溪洛渡村古滑坡地区的地质环境与坡体结构进行分析，表明古滑坡主要由地层岩性、地形地貌、发育的节理结构面共同控制其稳定性；李海[7]通过现场的勘察和分析，发现了龙家岩古滑坡的诱发因素为强降雨及其坡脚开挖；郭长宝等[8]通过在江顶崖古滑坡区内现场调研的基础上，对江顶崖古滑坡的复活机理进行了研究；任三绍等[9]通过对红花屯古滑坡现场的直剪试验结果与数值模拟计算结果进行分析，对古滑坡复活机理进行了研究。

古滑坡的变形破坏问题受到大量学者的高度关注，研究古滑坡复活的诱发因素，对防治地质灾害的发生具有重大意义[10-16]。目前中外学者对诱发古滑坡复活的因素进行了大量研究，但是对煤层采动诱发的古滑坡复活研究甚少。现以贵州省水城县发耳煤矿尖山营古滑坡为例，以现场调查与监测分析及数值模拟方法来分析古滑坡复活的成因机制，为由煤层采动引起的地质灾害的防治提供可靠依据。

1 地质背景

尖山营古滑坡位于贵州高原西部，地形跌宕起伏，切割强烈，属于构造侵蚀而成的低中山至中低山地貌。古滑坡后缘顶端高程1 400 m，坡脚高程1 310 m。尖山营古滑坡平面图如图1所示。

图1 古滑坡工程地质平面图Fig.1 Palaeolandslide plan

古滑坡区域内地层出露有第四系(Q)：厚0～80.50 m，主要以残积物、坡积物为主，分布在同向坡及单斜谷中；下统飞仙关组(T1f)：主要分布于古滑坡区西部，岩性为上部为灰绿色、紫色相间，钙质泥岩与细砂岩互层，中部及底部夹较多的细砂岩透镜体，中部为粉砂质泥岩或细砂岩；底部见黑色斑粒，碳化植物化石，总厚530.03～875.16 m，平均厚632 m；二叠系上统龙潭组(P3l)：由灰-深灰色粉砂岩、泥岩及煤组成，主要分布于滑坡区东部。

2 古滑坡复活变形特征分析

尖山营古滑坡位于贵州省水城县南部发耳镇发耳煤矿三采区范围内(26°18′21″N、104°44′15″E)，古滑坡平面形态呈圈椅状，主滑方向 45°，整体坡度约 30°，严重威胁下方公路及居民的生命财产安全。

2.1 滑坡地表变形迹象

根据现场调查，古滑坡复活主要表现为前缘发生局部溜滑，中部形成拉张裂缝和两侧地表层局部破坏，且造成侧面房屋损坏。在滑坡体上有许多条大小不一的裂缝，选取最明显可见的3条张拉裂缝(LF1、LF2、LF3)、1条剪切裂缝(LF4)进行分析。裂缝LF1、LF2处于滑坡体中部，延伸长度分别为44 m和104 m，LF1走向约为60°，LF2走向约为75°，张开度在几厘米到一米，深度在几十厘米到两米，充填物主要为表层的泥岩风化形成的黏土、粉砂质黏土；裂缝LF3、LF4位于滑坡体后缘，延伸长度分别为64 m和57 m，LF3、LF4走向分别约为68°和89°，深度在几十厘米到两米之间，充填物主要为表层的泥岩风化形成的黏土、粉砂质黏土；其东南侧有临空面且已发生溜滑，主要由于已风化的泥岩结构松散，降雨通过地裂缝入渗表层导致临空面土体失稳，下部岩体失去支撑而发生溜滑，致使滑坡体侧面产生变形破坏。从滑坡体地表变形迹象特征分析，滑坡体目前处于蠕滑阶段，变形破坏范围较小，尚未形成贯通的滑带。尖山营古滑坡复活特征图如图2所示。

图2 尖山营古滑坡复活特征图Fig.2 Resurrection characteristics of Jianshanying ancient landslide

2.2 滑坡地表位移监测分析

根据现场地质调查资料分析，将监测点布置在古滑坡坡体中下部，并将其监测点命名为GPS01监测站点。其主要监测方法为地表水平位移、沉降监测，采用一体化全球导航卫星系统(global navigation satellite system，GNSS)监测站、太阳能供电系统、一体化安装支架、防护系统。一体化架构安装方便，可实现高精度定位，采集位移、沉降、倾斜、加速度、设备自检数据等，具有多种数据传输方式，外置多种类传感器和数据采集接口。现对GPS01的监测数据进行重点分析和研究。监测点布置X表示南北方向，向北为正，向南为负；Y表示东西方向，向东为正，向西为负；Z表示重力方向，向上为正，向下为负。滑坡工程地质剖面图如图3所示。

图3 滑坡工程地质剖面图Fig.3 Engineering geological section of landslide

图4为GPS01监测点的累计位移-时间曲线图, 图5为GPS01变化速率-时间曲线图。该测点位于采空影响范围内，从图5数据变化趋势可以看出， 4月5日—8月31日，总计146 d，该点位在X、Y、Z三个方位中，X方向146 d累计变化5 187 mm, 平均每天变化35.5 mm，Y方向146 d累计变化量为1 804 mm，平均每天变化12.3 mm，Z方向146 d累计变化量-1 008 mm，平均每天变化-6.9 mm。4月5日～5月2日共27 d，滑坡体处于初始变形阶段X、Y、Z三个方向曲线变化趋势缓慢，主要受采空区顶板支撑的影响，采空区上覆影响范围内的岩土体产生少量裂缝且延伸长度较短，变形过程为冒落。

图4 GPS01累计位移-时间变化曲线图Fig.4 GPS01 cumulative displacement-time curve

图5 GPS01变化速率-时间曲线图Fig.5 GPS01 change rate-time curve

5月3日～6月5日共32 d，滑坡体处于加速变形阶段X、Y、Z三个方向曲线变化速率增加，X曲线变化趋势呈斜线上升，主要受采空区的顶板塌陷和变形导致坡体中岩层受到向其临空面方向运动，在该方向上位移变化量达到了1 522 mm，使得在滑坡体前缘发生局部溜滑；Y曲线变化趋势相对于X方向较缓慢，该方向上主要发生水平位移，方向为东北方向，垂直方向变化小于水平方向；Z曲线变化趋势呈缓慢斜线上升，由于采空区顶板失去了支护能力，导致顶板岩体向下塌陷，变形破坏随着时间持续增长，上覆岩体裂缝增多且向地表延伸，出现采空塌陷，裂缝闭合，并伴有局部崩塌，变形过程为拉裂。

6月6日—8月31日共87 d，滑坡体处于减速变形阶段，由于采空区上覆岩土体受到扰动后，将建立新的平衡，所以在X、Y、Z三个方位上变形速率都逐渐减小，变形过程为蠕变。

3 古滑坡复活成因分析

根据野外地质调查及收集资料，分析认为控制该古滑坡复活的主要因素有地形地貌、地层岩性、降雨、人类工程活动。

地形地貌：该滑坡体中上部为古滑坡的崩积物为滑坡提供了物质基础，滑坡地貌呈不规则倾斜簸箕形，前缘形成高差30 m的陡坎，为滑坡提供了足够的卸荷空间。

地层岩性：滑坡体浅层为三叠系下统飞仙关组的灰绿色、紫红色强风化粉砂质泥岩与泥岩互层，该岩层强度低，为滑坡体提供了易发滑动面；滑坡体深部为二叠系上统龙潭组，由深灰色粉砂岩、泥岩及煤层互层，呈软硬相间，泥岩和煤就构成了形成软弱的平台，自然条件下产生流变导致肩部拉裂，易形成滑坡的基础条件。

降雨：在降雨条件下，由于在滑坡体中上部具有大量裂缝，雨水易沿着裂缝下渗，对地下水位极大的提升，降雨在滑坡体表层岩土体中具有滞后性，在滑坡体内增加了水压力及滑坡体自重，且浅层泥岩及粉砂质泥岩遇水易软化，易形成滑动面，使得岩土体向软弱结构面发生倾斜，如前缘临空面、采空区方向，并产生滑动推力，加快了滑坡体变形破坏速率。

人类工程活动：据调查，滑坡区位于M1、M3、M5-2、M5-3、M7、M10煤层之上，煤层采空区边界至滑坡边界水平距离仅20 m。近期M3开采后，采空区顶板临时支护破坏，上覆岩层发生冒落、裂缝、离层及断裂，造成的破坏传递到地表，使地表原有标高受到采动影响后下降， 由图2(b)～图2(e)可知，坡体出现了4条裂缝均表现为明显下错。古滑坡整体在采空区影响范围内，使得坡体覆岩产生较大弯曲下沉，前缘受到较大的水平推力并产生水平位移，滑坡体后缘形成了拉张裂缝，且在侧翼形成剪切裂缝，为滑坡的形成创造了有利条件。同时GPS01位移监测点在X方向与裂缝下错方向同向，指向坡外。表明随着煤层采动对古滑坡的变形有着直接影响，对上覆岩层应力环境的改变，是影响古滑坡复活的决定性因素。

4 数值模拟分析

4.1 参数选取

模型的本构力学模型采用弹塑性模型，计算选用莫尔-库仑屈服准则，岩土体相关计算参数取值参考室内试验和工程地质手册结合滑坡简化模型进行参数综合取值，具体各岩土体物理力学取值如表1所示。

表1 岩土体物理力学参数取值Table 1 Value of physical and mechanical parameters of rock and soil mass

4.2 模型建立

结合尖山营古滑坡复活坡地形地貌、岩体结构特征及煤层开采状况及边界效应等问题，采用简化原型的形式进行模型建立，地表有一部分残积土，下伏基岩统一概化为粉砂质泥岩和煤层互层，建模型如下：长500 m，高227 m，宽10 m，煤层从上往下依次为M1、M3、M5-2、M5-3、M7、M10，每层煤厚取2 m。计算模型采用六面体单元进行划分，总共有11 766个单元和7 783个节点。采用FLAC软件分析古滑坡在自然状态，煤层采动影响条件下的应力、位移特征量的变化情况和规律，来揭示该古滑坡复活的变形破坏特征及成因，如图6所示。

图6 FLAC计算模型图Fig.6 FLAC calculation model diagram

4.3 结果分析

图7(a)、图7(b)为天然工况下与受煤层采动影响后古滑坡体总位移云图。在天然工况下滑坡体的最大位移为59 mm；受到采动影响后滑坡体的总位移增加到4 439 mm，主要原因为采空区顶板的损坏，引起上部岩体开裂形成裂隙带，导致采空区地表发生局部塌陷，进而对滑坡体产生了较大的水平推力，使得向坡体外发生了较大位移变化。图7(c)、图7(d)为天然工况下与受煤层采动影响后古滑坡体最大主应力云图。可以看出，受采动影响后采空区移动影响范围内的古滑坡体出现了应力贯通区，最大值在0.44～0.55 MPa。采空区移动影响范围的岩体由采动前的压应力为主转为拉应力为主，根据现场调查的裂缝主要以拉裂为主相符合。

图7 两种工况下总位移、最大主应力Fig.7 Total displacement and maximum principal stress under two working conditions

分析表明，主要由于近期在该区域进行煤层开采，受采动影响，岩体内部产生了大量裂隙，当临时支护失受到破坏而失去支护能力时，裂隙迅速向地表延伸，导致在该区域附近产生较大变形。采空区冒落使上覆岩层的岩体应力重新分布，应力集中区岩体松动破碎，后缘拉张裂缝进一步延伸，采空塌陷挤压着滑坡体往临空面进行发展，变形破坏特征主要表现为滑坡体前缘产生局部的溜滑，后缘拉裂，中部土体发生拉裂下错，挤压变形体外部岩体向坡外运动。滑坡体后缘有裂缝发育，底部未发现明显剪出口，无地面隆起，目前还未发生整体滑动，滑坡处于减速变形阶段。

5 结论

以尖山营古滑坡复活为例，以现场调查及监测资料为基础，通过地表位移监测，结合数值模拟，分析古滑坡复活变形特征，研究其成因，得到以下结论。

(1)受采空塌陷影响使得古滑坡体受到向前缘临空面较大的水平推力，地表产生较大的变形，前缘已发生局部溜滑，但尚未形成贯通的滑带。

(2)古滑坡复活变形阶段分为初始变形阶段—加速变形阶段—减速变形阶段，目前坡体处于减速变形阶段。

(3)数值模拟分析结果表明，古滑坡在天然状态下位移较小，尚未发生明显滑动，受煤层采动影响后，古滑坡地表位移变化较大，且在前缘发生溜滑，煤层开采加快了古滑坡复活的进程。

(4)古滑坡坡体整体在采空区影响范围内，采空区的顶板塌陷和变形使得坡体前缘受到较大的水平推力并产生水平位移，极大降低了古滑坡坡体的稳定性，煤层开采是促进古滑坡复活的主要因素，若浅埋煤层继续开采，古滑坡坡体变形破坏可能进一步加剧。