哈拉沟矿工业广场东侧滑坡地质条件与成因研究

杨茂林，李国庆，石爱红，李 宇

(1.国能神东煤炭集团有限责任公司，陕西 榆林 719315；2.煤炭开采水资源保护与利用国家重点实验室，北京 102211；3.中国地质大学(武汉) 资源学院，湖北 武汉 430074)

2019年12月29日，哈拉沟煤矿副井工业广场35kV变电站东侧靠近大石公路边坡处发生滑坡地质灾害，公路出现裂缝、局部沉降，坡体渗水严重。滑坡对副井工业广场35kV变电站、醇基燃料库房及大石公路行车造成安全隐患。

滑坡是一种常见的地质灾害类型，其诱发因素主要有地质环境演化、区域降雨、冻融、地震等自然作用以及库水位升降、工程开挖、灌溉入渗等人类活动[1-4]。对于岩土复合型滑坡，强降雨诱发强风化层整体失稳，岩体强度削弱，导致岩质锁固段快速破坏，从而形成突发性滑坡[5，6]。降雨使坡体孔隙水压力升高，从而降低有效应力和土体强度，是诱发滑坡的关键因素之一[7]。甘肃黑方台灌溉型黄土滑坡具有多次渐进后退式破坏的特点，滑源区被滑坡残留体覆盖，导致地下水位局部雍高上涨[8，9]。黑方台黄土坡体水分含量受降雨和灌溉共同影响，其中灌溉对浅层埋深3m内的土壤水分影响更大，是区域滑坡频发的主要诱发因素[10，11]。黄土区垂直裂隙发育，黄土具有湿陷性，灌溉水入渗路径与降雨不同，黄土塬顶裂缝宽度、深度以及裂缝塬边距均对坡体稳定性有影响[12-14]。地下水与灌溉具有很好的相关性，而且地下水变化相对于灌溉具有一定的滞后期[9]。灌溉水易导致黄土饱水、软化，形成塑性流体[15-19]。在微观上，水量增多使黏粒分散，从而改变黄土微观孔隙结构，使土体骨架颗粒接触关系由镶嵌结构变为胶结结构，导致土体强度降低和结构破坏[20]。随着土体体积含水率增大，基质吸力逐渐减小[21]，而基质吸力对于小型浅层黄土滑坡稳定性具有重要影响[22-23]。 在借鉴上述研究成果的基础上，笔者通过现场调查、钻探、滑坡变形监测以及数值模拟等技术方法，考察了哈拉沟滑坡地质条件与变形特征，探讨了该滑坡的成因机制，为制定防治措施提供依据。

1 工程概况

1.1 滑坡区概况

哈拉沟煤矿是神华神东煤炭集团所属的一座特大型现代化主力矿井，工业广场东侧35kV变电站为矿方生产主要供电设施，如果滑坡进一步扩大并破坏变电站，将直接影响煤矿安全生产。哈拉沟滑坡区位于大石公路与变电站之间，宽约45m，滑坡面积约920m2。本区属于梁卯地貌，大部分为风积沙堆积区，沟谷两侧基岩部分裸露。滑坡区坡积物主要为第四系风积沙土，土质松散，松散层及松散含水层、风化基岩含水层、烧变岩含水层厚度不详。

哈拉沟滑坡区地势东高西低，西部为哈拉沟煤矿工业广场和乌兰木伦河，东部为大柳塔煤海塞罕坝中心公园。公园内建有人工湖—神东湖以及景观水渠，同时从井下抽取哈拉沟矿井水进行日常生态灌溉[24]。经调查，神东湖水曾沿大象沟外排，但外排的约3～5万m3水全部在滑坡东部的山顶沟渠中渗漏。初步分析该滑坡可能与地表水渗漏和人工生态灌溉有关。

1.2 勘查方法

为了查明哈拉沟滑坡的工程地质与水文地质条件，进行了现场地质勘查与水文地质钻探。勘查区域位于神木市大柳塔镇，勘查范围为哈拉沟煤矿副井工业广场35kV变电站以东与神东湖以西之间区域，面积约13.5万m3。

实地踏勘主要采用穿越法并辅以追索法，从滑坡区向神东湖一线进行地质调查，考察地表水体、基岩出露情况、煤层露头线、煤层火烧边界线及松散层分布等情况。

在滑坡区以东、神东湖以西区域范围内布置16个水文观测孔，孔号为S1～S16，总进尺589.24m。本次勘查选用2台XY-100型地质钻机进行施工，采用机械钻探施工工艺，全孔取芯。各孔以∅113mm孔径施工至正常基岩内2m，扩至∅215mm孔径，全孔下∅133mm管(底部为花管，孔口为实管)，采用活塞或钢丝刷反复洗孔。∅133mm管高出地面0.5m，管上口加工管盖，以作长期观测之用。

1.3 工程地质条件

区内第四系松散层主要由第四系上更新统萨拉乌苏组(Q3s)和第四系全新统(Q4)地层组成，厚度为0～51.13m，平均25.8m；主要沿钻孔S1—S5—S8—S11一线(古冲沟区域)分布，并向两侧逐渐变薄，如图1所示。

图1 松散层厚度等值线

1)第四系上更新统萨拉乌苏组(Q3s)：与下伏地层呈不整合接触，厚度6.47～39.7m，平均20.9m。区内主要分布于沟谷两侧及沟掌一带。岩性由灰黄、黄色细砂、砂砾石、亚砂土、淤泥质亚砂土、亚粘土组成。局部含有砾石层，见于钻孔S3、S5、S6、S7、S14、S16，砾石层厚度0.3～29.82m，平均9.17m，各钻孔砾石层厚度差异较大，分布极不均匀。底部零星分布有黄土层，仅见于钻孔S1、S3、S9、S10、S12，厚度2.2～6.27m。

2)第四系全新统(Q4)：风积沙层呈黄褐色，松散状未固结，以中细砂为主，区内大面积分布，厚度0～12.60m，平均5.51m。质地均一，遇风飞扬。

本次钻孔勘查发现，滑坡区东部第四系松散层下发育一条古冲沟，上游为两条支沟，走向近东西向，长度约300m，宽约120～180m，切割深度最大约50m，揭露最低点标高1110.56m，剥蚀深度接近2-2煤层顶板，古冲沟基岩顶界面等高线如图2所示。

图2 基岩顶界面等高线

1.4 水文地质条件

勘查区第四系松散含水层主要包括第四系风积沙层(Q4)和第四系上更新统萨拉乌苏组(Q3s)含水层，含水层厚度为2.21～31.28m，平均12.54m；含水层厚度较大区域位于钻孔S1—S5—S13一线(古冲沟区域)，并向两侧逐渐变薄，如图3所示。

图3 第四系松散含水层厚度等值线

1)第四系风积沙层(Q4)含水层：主要分布于古冲沟流域。岩性为固结沙层，各地段相差较大，富水性中等到弱，水质为HCO3—Ca·Na型水，矿化度为0.25～0.31g/L。

2)第四系上更新统萨拉乌苏组(Q3s)含水层：为本区主要含水层，主要分布于古冲沟流域，强富水性，含水层厚度局部达到29.82m。局部含有砾石层，砾石层厚度0.3～29.82m，平均9.17m，各钻孔砾石层厚度差异较大，分布极不均匀。

滑坡区东侧上游直线距离约410m有人工水体“神东湖”，神东湖长约240m，宽约150m，储水面积约2.3万m2，2019年8至10月份开始储水。经现场调查，神东湖水曾沿大象谷外排，流到S14号钻孔附近区域发生断流，约3～5万m3水全部渗漏入地下古冲沟，此外，还有公园地表日常生态灌溉水大量补给古冲沟流域。

2 滑坡变形与渗水特征

2.1 变形特征

采用全站仪5″级闭合导线方法进行地表位移监测。监测点利用全站仪采用极坐标法进行施测，于2020年1月18日开始监测，监测频率：2020年1月18—23日，每日观测两次；1月24—28每日观测一次；2月29日后每3日观测一次，截止7月1日，共监测83次。沿东西方向布设7条观测线，观测线间距约为8～14m；每条观测线布设5个监测点，每排监测点间距沿观测线自西向东方向逐步增大；另在山顶人工湖西侧245m距离内布设3个GPS监测点(S1、S2、S3)；共计布设38个监测点，如图4所示。

图4 监测点分布

在开始监测时，对每个监测点按照7″级导线精度要求进行施测(角度、距离、三角高程测量各观测两测回)，并将解算结果作为初始坐标值、高程值。在边坡变形影响以外通视良好、基础稳定且易于保护的建筑楼顶埋设4个点，作为垂直位移和水平位移的观测基准点，基准网采用全站仪5″级闭合导线方法完成对基准网点测量及计算，基准网坐标系为1954年北京坐标系、1985年国家高程基准，基准网测量精度具体为：角度闭合差7″、坐标闭合差0.004m、测角中误差±3.5″、相对误差1/112400、高程闭合差1mm，满足本次监测精度要求。监测结果如下：

1)变电站场地0号线：最大位移量8mm(A0)；最大下沉量9mm(A0)，地表无明显变形。

2)变电站挡墙1号线：最大位移量11mm(D1)；最大下沉量23mm(D1)。挡墙无明显变形。

3)变电站护坡2号线：其中3个监测点(C2、D2、E2)发生明显位移和下沉，最大位移量780mm(D2)，最大下沉量301mm(D2)，其它两点未发生明显变形，如图5(a)所示。

4)大石公路3号线：其中2个监测点(D3、E3)发生明显位移和下沉，最大位移量42mm(D3)，最大下沉量80mm(E3)，其它点未发生明显变形，如图5(b)所示。

图5 岩移监测结果

5)大石公路东侧山坡4号线、5号线、6号线和坡顶3个监测点，均发生少量位移和下沉，主要原因是地表解冻后松散沙层下沉所致。其中，4号线最大位移量20mm(C4)，最下沉量15mm(B4)；5号线最大位移量11mm(A5)，最下沉量12mm(E5)；6号线最大位移量12mm(A6、C6)，最下沉量3mm(A6、B6)；坡顶3个点最大位移量7mm(S2、S3)，最下沉量4mm(S2、S3)。

2.2 渗水特征

滑坡区域出水点共12处，最大监测涌水量总计为19.2m3/h，截止2020年4月10日，稳定涌水量总计11.1m3/h，累计涌水量45427m3；截止2020年7月1日，滑坡区涌水量已由最大19.2m3/h减小至8.2m3/h，涌水量减小了11m3/h，累计疏放水量6.4万m3。哈拉沟煤矿35kV变电站后涌水量变化曲线如图6所示，各点稳定涌水量分别为：变电站院(渗水)1.42m3/h；老哈拉沟渗水井(顶板淋水)2.74m3/h；老哈拉沟渗水井挡墙(渗水)1.69m3/h；燃料库房后(渗水)0m3/h；食堂后挡墙(渗水)1.25m3/h；食堂地下室(渗水)0m3/h；1、2号平硐两处合计淋水0.5m3/h；斜风井(底板涌水)1.0m3/h；护坡1#渗水井1.74m3/h；护坡2#渗水井0.65m3/h；护坡3#渗水井0.15m3/h。其中，涌水量较大点为哈拉沟渗水井、渗水井挡墙(渗水)、变电站院(渗水)、护坡1#渗水井，说明地下水排水渠道主要集中于古冲沟沟口即滑坡点及其附近区域。

图6 哈拉沟煤矿35kV变电站后涌水量变化曲线

根据东部16个水文孔水位观测数据，水文孔S3、S5、S6、S7、S9、S12于2月17日以后水位上涨，其中S6孔水位上涨幅度最大，约0.148m。分析原因为钻孔经过提水后，处于水位恢复期，逐渐上涨到含水层真实水位，然后进入缓慢下降阶段。其它孔水位都有下降，下降明显的有S14、S11号孔，S14孔下降最大6.55m，S11孔下降最大6.36m。S14孔靠近神东湖水外排断流渗漏处且处上游高点，S11孔位置靠近神东湖处上游高点且位于古冲沟沟谷区域，以上两孔地下水位受到前期渗漏补给影响较大，随着下游区域的疏放，该区域水位下降明显。而位于古冲沟下游的S1、S2、S4号孔及位于古冲沟沟谷中心线附近的S8、S10号孔，水位下降幅度均较小，说明神东湖水体疏放完毕后，古冲沟流域含水层补给来源被切断，古冲沟上游区域水位影响明显，随着下游渗水井及边坡上导水渠的导流疏放，地下水水位总体上将缓慢下降并趋于稳定。

3 滑坡产生机理与防治措施

3.1 机理分析

地质勘查与监测结果显示，地表水渗漏与生态灌溉水入渗对于滑坡稳定性具有重要影响。为了进一步考察灌溉作用下滑坡地下水位及稳定性的变化，根据勘查结果建立了概化地质模型，应用Geo-studio软件中的SEEP/W、SLOPE/W模块分析滑坡的渗流和稳定性。

选取具有代表性的钻探点S2—S3—S6—S9—S12绘制剖面图，建立计算模型，该模型共有了864个节点，789个单元，参数见表1。坡体左侧水位以上和底面无限远处设置为不透水边界；坡面左侧水位以下设为定水头边界，坡面为自由入渗边面。该区为生态灌溉区，因此将滑坡的上部设置为流量边界，模拟地表水渗漏及生态灌溉水渗入，并在滑坡数值模型中设置了孔隙压力监测点，以考察孔隙压力的变化。根据现场渗水试验结果，设置灌溉边界单位流量为0.8m/d，并考察了不同温度下地下水渗透系数及滑坡的稳定性变化。

表1 岩土体的物理参数

模拟结果显示，总水头随着灌溉时间的持续或流量的增加而升高，如图7所示。大量地表水通过沟渠渗漏或灌溉入渗后，在地下松散层中快速运移，顺古冲沟渗流，侧向补给进入乌兰木伦河，也可能在位置较低处出露地表，形成渗水或涌水，这是哈拉沟滑坡地下水补给—径流—排泄的循环系统。

图7 灌溉前后总水头变化

随着渗漏或灌溉时间的持续和流量的增加，补给强度增高，地下水位普遍上升，尤其是滑坡区坡脚处水位升高最为显著，坡体下部成为地下水排泄区，在坡脚处形成积水，如图7所示。

随着灌溉水入渗补给，形成地下径流，径流的路径主要是沿着土-岩界面，如图8所示。其中在灌溉区下部和模型中下部的土-岩界面处地下水流速度矢量的箭头长且密集，说明在该区域径流速度快。这是由于地表灌溉水渗入到松散层，形成地下径流，地下水易沿着渗透系数和水力梯度较大的古冲沟基岩顶界面侧向运移，从而导致该区域的径流速度快。由于地下水位升高，位置水头增加，径流速度变快，流速水头增加，进而导致总水头增加。这与水文孔水位观测数据的结果一致。

图8 灌溉后的水流XY-速率

灌溉前后的孔隙水压力如图9所示，滑坡面监测点孔隙水压力的变化曲线如图10所示。由图9和图10可知，随着灌溉时间的持续和灌溉流量的增加，岩土体的含水量增加，孔隙水压力增加。其中在滑坡的中上部孔隙水压力增加小于10kPa，而在坡脚处增加了26kPa，表明坡脚处孔隙水压力变化最为明显，局部地区达到饱和。坡脚处孔隙水压力明显增大，基质吸力减小，抗剪强度降低，是滑坡失稳的主要因素。

图9 灌溉前后的孔隙水压力

图10 数值模型中滑坡面监测点孔隙水压力的变化

灌溉前后的滑坡的稳定性系数如图11所示，由图11可知，在灌溉之前，模拟得到滑坡的稳定性系数为1.195，处于稳定状态；而灌溉后，滑坡的稳定性系数为1.020，处于欠稳定状态，其中，最危险的滑动面是在坡脚处。滑坡失稳主要是由于地下水循环系统的排泄区位于坡脚处，水位上升，孔隙水压力增加，基质吸力降低，滑坡的抗剪强度削弱，滑坡的稳定性受到破坏。

图11 灌溉前后的滑坡的稳定性系数

温度对粘度、渗透系数、稳定性系数的影响见表2，由表2可知，水温对滑坡的稳定性有影响，随着温度的升高，滑坡稳定性系数降低。这是由于其他条件不变的情况下，水温升高，粘度降低，渗透系数增加，地下水位上升幅度更大，孔隙水压力也升得越高，基质吸力降低幅度增大，抗剪强度下降，导致滑坡的稳定性系数降低。

表2 温度对粘度、渗透系数、稳定性系数的影响

3.2 防治措施

在滑坡区实施截排水工程，可以有效减少地表水渗入并促进排水，降低地下水位，最大限度减少水的不利影响。为了尽快降低滑坡区含水层水位，减小滑动风险，在滑坡区域内施工了3个渗水井。渗水井孔径1.04m，渗水井施工参数见表3。通过渗水井抽排坡体地下水，降低地下水位，消除了大石公路斜坡临空面地表渗水，滑坡变形也得到了良好的控制。同时对变形破坏的公路进行了加固维修，对东部山顶公园内沟渠渗漏点进行防渗漏处理，减少地表水渗漏。目前，哈拉沟滑坡稳定性良好。

表3 渗水井施工参数

4 结 论

1)滑坡区东部第四系松散层底部发育一条近东西向的古冲沟，上游为两条支沟，长度约300m，宽约120～180m，切割深度最大约50m，是地下水渗流的主要通道。

2)哈拉沟滑坡位于古冲沟沟口位置，坡脚12个出水点涌水量最大为19.2m3/h，截止2020年7月1日，涌水量稳定为8.2m3/h，累计涌水量64000m3；大石公路南侧最大平面位移达780mm，累计下沉量301mm。

3)哈拉沟滑坡为灌溉、渗漏诱发的土质滑坡，以渗漏作用为主要诱发因素。神东湖水大量渗入导致地下水渗流速度增加、水位上升，孔隙水压力增加，基质吸力降低，滑坡土体抗剪强度降低，导致抗滑力降低；坡脚处大量渗水增加了坡体重量，并产生向外的动水渗透压力，导致滑动力增加，进而诱发了该滑坡的发生；随着温度的升高，滑坡稳定性系数降低。在坡脚施工了三口排水井，经过抽水降低坡体地下水位，治理了上部沟渠渗漏点，目前该滑坡得到了有效控制。