苏州阳山东侧滑坡变形对下部采空区的响应分析

2023-05-14匡俊杨涛

南通大学学报（自然科学版） 2023年1期

匡俊，杨涛，谭瑞

（江苏省地质矿产局第四地质大队，江苏苏州 215008）

灾难性的重大滑坡通常在没有任何明显前兆的情况下突然发生，有些甚至没有任何触发因素，即缓慢变形的重力滑坡[1-2]。随着矿山开采的深度和面积不断增大，国内外许多矿山边坡出现了不同程度的安全问题[3-6]。不少实例表明，随着采空区范围不断增大后，自重作用下顶板产生拉应力，使采空区上覆岩层中的层面、节理裂隙发生扩展[7]。文献[8-9]认为由于地下开采导致坡体覆岩产生不均匀沉降或地面塌陷，上部坡体内形成张拉裂隙，在降雨和地下水长期耦合作用下，裂隙不断扩展、山体不断变形是诱发山体滑坡的主要原因。美国Bingham 铜矿边坡高度超过1 km，2013 年发生了大规模滑坡，滑坡体积达1.65 亿m3，并且引发了局部地震[9-11]。2017 年8 月28 日贵州纳雍县普洒煤矿矿区发生大型崩滑[8]，滑坡体积约6.6 × 105m3，调查发现，山体内部发育多条陡倾角外倾深大岩溶结构面，在大面积采动作用下，裂隙不断发育直至贯通，坡中岩体被挤出，坡体发生变形破坏，最终失稳。刘传正等[11]认为抚顺西露天矿南帮滑坡是由于开挖卸荷，上部巨大岩体沿岩层面和节理破碎带剪切破坏，将滑坡运动分为滑坡失稳、阶跃演进和缓变趋稳3 个阶段。因此，结构面控制型滑坡被认为是特大型岩质滑坡的主要类型[12-13]。有学者在对澜沧江根达坎巨型滑坡进行工程地质调查时发现，受河流侵蚀的影响，滑坡前缘的侵蚀形态是渐进发展的，同时导致滑坡的变形过程也是动态变化的[13-15]，可见采空区对边坡的影响不可忽略。

苏州阳山地区是我国重要的高岭土矿产地，近年来随着地下开采范围不断扩大，岩土体中出现开裂、变形现象，甚至出现了多处小范围的滑坡、崩塌和泥石流灾害。阳山东侧消防通道AK2+430～AK2+600 路段为高填方路基且处于山体边坡中部，受常年雨水冲刷，路面出现裂缝及隆起，路基外侧挡土墙变形，局部发生破坏，严重威胁道路通行安全。考虑到该处路基为高填方路基（人工压实碎石杂填土），初步分析认为路面和路基外侧挡墙开裂是由于地基不均匀沉降所致，现场详细调查后发现该消防通道上、下侧山体多处出现地面开裂和变形迹象，边坡变形趋势日益加剧，有发生滑坡的可能。考虑到本工程山体下部为阳山高岭土矿开采区，且已有明显的塌陷迹象，故认为矿山开采对上部边坡的变形和稳定性影响较大。

本文研究的阳山东侧滑坡体中凝灰岩受风化影响，岩体普遍出现的高岭土化现象导致了岩体强度下降，裂隙有进一步扩展趋势，下部采空区的扩展进一步恶化了地质环境，导致山体滑坡趋势明显。本文拟在调查现场地质、分析变形监测数据的基础上，研究滑坡变形对下部采空区的响应问题。研究结果对该滑坡的发展趋势分析和滑坡治理有较大工程实践意义，也为处理该地区今后类似的滑坡问题提供参考。

1 阳山滑坡概况

调查区位于阳山森林消防通道AK2+430～AK2+600 段位于阳山东侧偏北处，平面上呈“U”字形，总长170 m（见图1）。该段地处阳山山体高程中部地段，由西向东地势逐渐降低，东侧为阳山高岭土矿开采区。为了满足消防通道设计和施工需要，上述路段部分地段靠山侧对山体切坡，高度不足处采用高填方路基，填土主要为就地取的碎石土，厚度变化为1～8 m，路基外侧（最东侧）部分地段采用片石挡墙对填土体进行支挡，挡墙高度随地势变化，由北向南高度变化为1 m—10 m—5 m，其中南侧向西拐弯处高度最大为10 m。

图1 调查区位置及周边环境Fig. 1 Location and surrounding environment of the survey area

近几年来，该路段沥青质路面和片石挡墙表面多处出现开裂情况。其中路面出现多条贯穿的横切裂缝（见图2（a）—（d）），在“U”形路段左、右侧路面中间甚至出现纵向长度超过10 m 的裂缝，后期多次对裂缝进行修补后仍持续开裂。从2020 年开始，挡墙表面发生鼓胀和垂直拉裂现象；2021 年11 月裂缝宽度最大达10 cm；2022 年1 月挡土墙墙面裂缝开裂有加剧趋势，裂缝最大宽度超过15 cm。裂缝一般自墙顶向下延伸至墙底，局部有垂直向拉裂特征。墙面裂缝长度2 m，宽度6 cm，水平、垂直错动距离3 cm 以上，墙背与墙后岩土之间脱空，地表可见最大张开度超过10 cm 的裂缝。初步判定路基和挡墙开裂的原因是路基不均匀沉降和挡土墙后土压力过大所致。查阅前期设计和施工资料发现，“U”形通道东侧路基人工填土厚度大，但西侧路基为天然的凝灰岩，强度较高，不至于发生路基不均匀沉降问题。西侧路面裂缝主要延伸方向为近南北方向（公路延伸方向），但也有横切路面或弯曲的裂缝，表明路基中发生了东西（垂直路面方向）向的错动。

图2 地形及地表开裂情况Fig. 2 Terrain and surface cracking

考虑到东侧山体下部采空塌陷区对山体稳定性有较大影响，对采空区附近进行了现场调查。目前采矿活动仍在继续，采空区范围正进一步扩大。地表自然坡面多处出现裂缝，裂缝距挡土墙约100 m 左右，裂缝宽度10～40 cm 不等，两侧地表垂直错动距离约150 cm 左右，延伸长度约20 m，可见深度约2 m，强降雨后裂缝内无积水。

西侧向山体主峰方向距离“U”形路面左侧约50 m 处发现沿北偏东20°方向的拉张裂缝，长度超过10 m，深度超过3 m 未见底，裂缝宽度最大约60 cm，强降雨后裂缝内无积水。在调查区北侧约300 m 处前期发生过几次小型滑坡和崩塌现象。

上述多种迹象表明，本次调查范围内的消防通道和挡墙的变形与破坏可能与边坡的整体变形有关。初步判断“U”形路段东侧挡墙不稳定，变形严重，危及高填方路基安全，靠山体侧由于人工切坡，造成岩体卸荷后开裂、加剧风化，加之坡面陡立，易发生滑坡、崩塌等灾害，危及消防通道安全。

根据地表露头和钻孔揭示地层了解到，调查区山体地层除了地表附近坡（残）积和人工成因的地层外，下部主要为强-中风化凝灰岩，岩块强度软-较硬，岩体结构面较发育，山体表层坡积土厚度一般小于1 m，对边坡整体稳定性影响极小，故认为山体的稳定性主要受岩体控制。

为了进一步弄清路基、挡墙破坏和消防通道所处山体边坡的稳定性现状，需采取进一步的调查措施，了解边坡变形机制，为滑坡治理、减少风险和损失提供依据。

2 地质条件

2.1 地形、地貌

调查区位于山体中部“U”字形盘山公路附近、山体最高峰（标高321 m）东侧。具体调查范围见图2（e）。“U”字形公路西高东低，东侧由北向南路面逐渐升高（205～210 m），西侧由南向北路面逐渐升高（210～220 m）。地表坡度一般小于20°，由于修建消防通道进行削坡后形成坡度达50°～70°的局部陡坡。

2.2 岩（土）层特征

地表以下上部为坡（残）积和人工成因的地层，下部主要为凝灰岩（见图3），由上而下为：

图3 工程地质剖面图（单位：m）Fig. 3 Engineering geological profile（unit: m）

①1人工杂填土（路基）红褐色，由碎石组成，碎石含量＞70%，碎石主要为强风化凝灰岩，成分和性质不均匀。结构松散、透水性强，工程性质较差。顶、底板标高受路面标高影响，厚度为3.3～8.5 m，最大厚度位置在公路“U”字形最南侧“顶点”处，钻孔中揭示该层时漏水严重。

①2碎石土冲积成因，土体主要分布在坡度较缓的坡面，主要成分为碎石、砂砾或少量粉质黏土，碎石含量超过50%，结构松散，透水性好。

②1强风化凝灰岩肉红色略带灰白色，块状构造，节理发育，岩芯呈碎块状及短柱状。受风化影响，长石发生高岭土化，遇水易软化，干岩石强度中等，水软化性强，厚度为8.0～12.0 m。

③1中风化凝灰岩灰褐色，块状构造，风化程度中等，岩芯呈碎块状及柱状，最大柱长18 cm，工程性能较好，钻孔未揭穿。

②c破碎带棕红色，破碎带，节理裂隙极为发育，局部为黏性土，岩芯最长为7 cm，工程性能较差，钻孔中揭示该层时漏水严重，厚度为3.0～10.0 m。

③c高岭石化破碎带红褐色，岩体多高岭土化，岩芯呈土柱状或细粒状，局部夹碎石。

综合现场地层岩性认为，影响山体边坡稳定性的岩体主要是凝灰岩。

2.3 构造

现场调查未发现场地内有规模较大的断层，岩体中断裂构造以节理为主。结构面产状变化大，倾向上NE、SE、SW 和NW 向的均有发育（见图4），倾角一般较大（大于45°），大部分接近直立，造成岩块易发生崩塌破坏，坡底见有滚石。

图4 结构面极点等密图Fig. 4 Polar isopleth of structural plane

结构面略有起伏，手摸粗糙，结构面张开度最大可达2 mm，无充填或充填较少，充填物以黏土和沙粒为主，结构面上岩石风化后形成高岭土，手摸易滑落，水软化后结构面强度降低。

综合现场条件，认为山体稳定性受东侧采空塌陷影响，山体变形导致岩体中裂隙扩展，岩体中破碎带处可能引起较大变形。岩石风化形成高岭土使结构面强度下降，引起坡面较陡处发生岩体崩落。

3 滑坡变形特征

对于缓慢变形（蠕变）滑坡的早期预警，变形量是全世界广泛使用的主要监测参数[16]。工作区内共布设地表位移监测点30个，消防通道沉降监测点13个，深部水平位移监测点4个，裂缝监测点16个，自2021 年11 月至2022 年5 月底分别共观测地表位移70 次、通道沉降70 次、深部水平位移72次、裂缝31 次。监测点平面布置示意图见图2（e）。

3.1 深部位移特征

受地形条件限制，深层水平位移监测孔均位于消防通道公路边，监测期间有较明显的变形（最后一次监测结果见表1），各监测点深层水平位移结果见图5。各监测孔孔口附近监测期间水平位移最大达14 mm，结合各监测孔周边地表变形结果，发现附近地表变形达到40 mm，推测测斜孔可能整体发生了位移。其中CX4 号点变形最大，变形最大位置位于地表以下1.0 m处，分析原因是由于CX4 处填土层厚度较厚，该处坡度较陡，导致沥青路面以下土体变形较大，CX1、CX2、CX3 号监测孔受岩体整体较为破碎影响，竖向差异变形明显，但整体变形较小，变形最大处基本在杂填土、强风化凝灰岩或破碎带附近。

图5 深部位移监测结果Fig. 5 Monitoring results of deep displacement

表1 深部位移监测数据Tab.1 Monitoring data of deep displacement

上部杂填土和强风化岩及破碎带变形最大，中风化凝灰岩中最大水平位移为9.74 mm。CX1 和CX4 号孔位于“U”字形路面右侧，下部岩体中的位移一般小于8 mm，其中CX4 号孔处路基填土厚度为8 m，该处填土内最大水平位移为14 mm，表明路基及下部未受扰动的岩体在持续变形。

CX2 和CX3 号孔位于“U”字形路面左侧，下部岩体中深部最大水平位移超过10 mm，岩体中位移大于“U”字形路面右侧，表明岩体中水平方向位移速率不均匀，有加剧变形的趋势。

其中CX2、CX3 和CX4 号孔位移最大值均超过10 mm，而CX1 号孔位移最大值小于5 mm。分析原因认为，CX3 和CX4 号孔紧邻采空区上部裂缝附近，持续的变形结果表明采空塌陷将进一步加剧山体变形。CX1 和CX2 号孔位于采空区北侧附近，但CX2 号孔位于“U”形路面西侧上方，受近垂直切坡的影响，岩体位移较大，而CX1 号孔位于“U” 形路面东侧，该处地势较平缓，受采空区影响较小。

3.2 地表变形特征

挡墙或路面沉降（监测点编号X01～X13）取“-”，坡面水平面位移（方向E）取“+”，部分监测点地表水平位移结果见图6。统计结果表明，地表水平位移大部分超过50 mm，变形量大于80 mm 的点有3 个（B4、B11 和B15），最大位移点主要集中在“U”字形底部（路面180°大拐弯处），最大变形速率约为0.4 mm/d；变形量在70～80 mm 之间的点有10个；变形量在60～70 mm 之间的点有8 个；变形量在50～60 mm 之间的点有8 个；变形量小于50 mm的点有3 个。挡墙顶部最大沉降量（X08）超过40 mm，该处为挡墙高度最大处（10 m）。结合挡墙裂缝（见图2）监测结果，发现裂缝宽度随时间的推移持续增大，最大为13 mm，且没有收敛趋势。

图6 地表位移和路面沉降监测结果Fig. 6 Monitoring results of surface displacement and pavement settlement

结合气象数据分析，在调查期间，发生过多次强降雨事件，2022 年3、4 月份总降雨量均超过160 mm，其中3 月20 日和21 日降雨量分别为28 和45 mm，4 月13 日一天的降雨量达52 mm，分析降雨量与山体变形关系可以发现，强降雨事件并没有导致山体变形突变的情形发生。

根据连续监测数据的变形趋势与典型蠕变模型曲线[17-20]进行比对来反映滑坡变形所处的阶段。典型蠕变模型一共分为3 个阶段：初始蠕变阶段、等速蠕变阶段和加速蠕变阶段，一般岩体变形达到加速蠕变阶段时表明滑坡灾变即将发生。将图6 中位移结果与典型蠕变模型曲线进行对比，发现阳山滑坡体目前正处于等速蠕变阶段，即位移速率基本不变，位移量则不断增大。

综合变形监测结果，可以发现：1）调查区地面变形明显，处于等速蠕变阶段；2）地面沉降主要发生在地基填土厚度较大处，填土厚度越大，沉降越明显，且有明显的不均匀沉降；3）东侧挡墙地基不均匀沉降导致挡墙体垂直方向拉裂破坏，由于挡墙外侧坡面（东侧）向外发生位移，导致挡墙有倾倒趋势（墙背与土体间发生拉裂）。

综合监测结果发现，CX3、CX4 号点（1-1’剖面附近）距离东侧采空区最近，岩体发生的最大位移达14 mm。片石挡墙顶最接近采空塌陷区的X08 号点沉降超过40 mm，是所有地表沉降监测点中最大者，邻近采空区地表最大水平位移超过80 mm。故推测采空区塌陷对边坡变形影响较大。

4 滑坡变形对采空区的响应

4.1 采空区对边坡的影响

自2020 年开始，调查区“U”形路面东西挡墙开始出现地表沉降、开裂现象，当时下部和上部山体表面尚未发现明显的裂缝。2021 年夏天，墙身开裂加剧，墙背与填土之间产生拉裂缝，为了安全在裂缝内填充了素混凝土。分析墙背拉裂缝的产生有两种可能：1）墙身抗倾覆稳定性不够；2）挡墙地基不稳定，发生向山体倾向方向的位移。现场调查发现墙后土体与墙体之间脱离、墙顶开裂且地基发生不均匀沉降（见图7（a）和（b）），表明墙后土压力降低，但墙体开裂和沉降仍呈上升趋势，故分析认为由于墙后土压力过大导致抗倾覆稳定性不足的可能性小于地基不稳定导致稳定性下降的可能性。

2020 年以来，消防通道路堑边坡发生过多起滑动破坏事件，如“U”形路面东侧边坡上部厚度约2 m的碎石坡积土中发生滑坡，规模小、影响程度低，“U”形路面西侧，坡顶地裂缝东侧坡面发生岩石崩塌事件（见图7（c）和（d））。2021 年11 月份挡墙以东采空区周边出现地裂缝，至2022 年5 月份裂缝宽度虽变化不大，但两侧错动距离不断增大，最大超过150 cm，表明采空区发生塌陷。在此期间片石挡墙表面裂缝宽度增大15 mm 以上。同期坡顶产生拉裂缝，与下部裂缝不同的是，坡顶裂缝宽度不断增大至60 cm，但上、下错动距离不大。两处裂缝同步发展，推测跟山体整体变形有关。

图7 挡墙变形、开裂Fig. 7 Deformation and cracking of retaining wall

结合取样结果，钻孔揭示在标高197～200 m之间，岩体极为破碎，深部位移监测结果表明该处水平位移量较大（>14 mm），位移方向指向山体下部采空区，根据这一结果，分析认为山体变形受下部采空区塌陷影响，坡体下部侧向支撑减弱，导致山体发生向下的位移。

4.2 边坡变形发展趋势分析

目前东侧高岭土矿采空区深度一般在-70～-100 m 之间，已有塌落区边界距离本次调查区东侧挡墙水平距离约100 m，为了分析采空区对本次调查区边坡的影响，这里采用有限元法（Phase 软件）对矿山开采后对边坡的稳定性影响进行分析。

选取如图3 所示剖面为研究对象，建立有限元几何模型见图8，模型右侧边界以山体最高峰（调查区西侧）处标高（321 m）为准，左侧（调查区东侧）以较平坦的地面（标高110 m 左右）为界，模型总长度为1 066 m，总高度为650 m，采用三角形6结点单元。

图8 有限单元模型示意图Fig. 8 Finite element model

模拟分析分为两步进行[21-23]：1）对自然山体条件下的地应力进行模拟；2）对矿山开挖后的山体变形进行模拟，考虑采空区塌陷问题。

对模型左、右两侧水平方向位移进行约束，模型底部水平和垂直方向的位移同时被约束。各地层材料按均质各向同性考虑，材料力学模型考虑弹塑性型，屈服准则采用莫尔-库伦强度准则（M-C 准则），材料参数见表2，其中，中风化岩体按Ⅲ级岩体考虑，强风化岩体按Ⅳ级岩体考虑。初始位移场模拟中对采空区岩体按Ⅲ级岩体考虑。在第2 步模拟时，水平范围内对矿山设计的采空区塌陷边界、开采巷道以上垂直范围内的岩体全部按强风化处理，采空塌陷区岩体按Ⅳ级岩体考虑。

表2 岩土物理力学参数Tab.2 Physical and mechanical parameters of rock and soil

计算得矿山开采后的山体水平位移见图9，可以看出，矿山开采后随着塌落区范围不断扩大，导致山体发生水平位移的范围也逐渐增大，最大可能影响至山顶附近，采空塌陷区形成后坡面水平位移增大约53 mm，最大位移范围位于本次调查“U”形路面西侧，这与地表位移监测结果一致。故监测和计算结果均表明，下部采空区塌陷对上部边坡稳定性影响较大，本次调查区范围处于矿山开采影响范围内，采空区塌陷后山体下部侧向支撑减弱，相当于坡脚被开挖卸荷，必然引起上部山体侧向变形。