德尔尼铜矿多次滑坡形成条件及数值模拟研究

马 增，刘正宇，李爱兵，虎万杰，王飞飞

（1. 长沙矿山研究院有限责任公司，湖南 长沙 410012；2. 金属矿山安全技术国家重点实验室，湖南 长沙 410012）

0 引言

滑坡作为常见的地质灾害，在全国广泛发生。针对滑坡的产生条件及形成机制，许多专家和学者都开展了大量的研究。

对于滑坡产生的条件，很多专家根据研究对象的特殊性提出了不同的看法。张刘柱等[1]根据安徽铜陵新华山铜矿滑坡提出了地形地貌、地层岩性因素、地质构造、自然因素和人类活动五个因素。陈文涛等[2]以阿塔巴德滑坡为例，分析滑坡形成的主要条件为地形地貌条件、气候条件、工程地质条件、水文地质条件和地震与新构造运动等。王春帅等[3]以河南灵宝大湖金矿滑坡为对象将成因分为了内在因素和外在因素。闫茂华等[4]通过对云南德钦日因卡滑坡的调查认为：滑坡失稳与地表降水、冰雪融水、冻融循环作用及切坡建房等人类工程活动密切相关。王得双等[5]通过收集历史高位滑坡资料，总结了其产生的条件为地形、地震、降雨及人类活动等。由此可知，滑坡产生的条件与边坡的地质地形条件、水文条件以及人类活动密切相关。

一次滑坡研究其形成机制较为容易，但对于多次滑坡来说就要从个体和整体两个方面进行辩证的看待。在原有滑坡的基础上发生新的滑坡被称作滑坡复活，对于滑坡复活方面开展的工作主要集中在复活周期较长的滑坡即古滑坡方面[6-8]，但是对于周期较短的滑坡，经过查看资料在相同地点发生多次滑坡的现象描述非常少，有关这方面的研究也相对欠缺[9]。德尔尼铜矿边坡在2012 年到2018 年间发生过5 次滑坡，间隔时间较短，规模相对较大，这5 次滑坡为研究滑坡间的形成机制提供了良好的研究素材。

本文以德尔尼铜矿发生的5 次滑坡为研究对象，结合以往资料的数据，总结这些滑坡的形成条件，并通过数值模拟分析方式对每一阶段滑坡形成的原因和过程进行论述，研究成果有助于矿方在进行滑坡治理时采取合理措施。

1 矿区概况

德尔尼铜矿位于青海省果洛自治州境内德尔尼山南坡，属于典型的高原山坡露天矿，矿区位于松潘—甘孜褶皱系阿玛卿褶皱带中，德尔尼复背斜南翼，区内岩浆活动频繁，侵入岩发育，地震峰值加速度为0.05g[10]。矿区出露地层主要为上石炭统的大理岩、角闪片岩以及下二叠统下组的含碳斑岩、凝灰质板岩夹结晶灰岩，矿区下覆多为蛇纹岩、片理化蛇纹岩、碳酸盐化蛇纹岩以及辉橄岩等岩浆岩；总体上讲德尔尼铜矿的边坡下部为软弱的蛇纹岩，上部为较坚硬的板岩，这也是滑坡产生的主要原因。矿区水的补给来源主要来自大气降水，冬季的降雪和夏季的降雨，通过德尔尼山向下排泄，最终流到德尔尼河中，边坡上有多处溢水点，明显随着降雨量的变化而变化。

德尔尼铜矿开采主要分为两个采场，其中Ⅰ号采场已经闭坑，Ⅱ号采场目前正在开采，多次滑坡产生于正在开采的Ⅱ号采场。

2 历次滑坡概况及条件分析

2.1 历次滑坡概况

德尔尼铜矿在2012—2018 年间发生过多次边坡滑动，发生滑坡的位置各不相同，但2015年9 月11 日、2016 年1 月27 日和2015 年12 月4—5日滑坡位置集中在矿山勘探线37线，历次滑坡情况见表1，位置分布如图1所示。

图1 德尔尼铜矿边坡历次滑坡位置示意图Fig.1 Schematic diagram of the location of previous landslides on the slope of Derni Copper Mine

图2 37线代表地质剖面图Fig.2 The geological profile represented by Line 37

表1 历次滑坡概况

2.2 历次滑坡产生条件分析

通过图1 可以看出：前两次的滑坡在31 线到35 线之间，后三次滑坡发生在35 线到39 线之间。从滑坡产生的位置和以往矿山提供的资料可以对历次滑坡形成的条件进行说明。历次滑坡产生的条件主要分为地质环境、水文条件和开采活动三方面。

（1）地质环境

矿区位于高海拔地区，常年的冰冻雨雪天气、冻融作用导致边坡岩体加速风化，强度不断降低。

边坡地层下部为蛇纹岩、片理化蛇纹岩、碳酸盐化蛇纹岩及辉橄岩等岩浆岩，强度较低，围岩蚀变程度较高，特别是片理化蛇纹岩遇水变成泥状物。上部为板岩、花岗岩和闪长斑岩等坚硬岩石，风化程度较低，在山顶形成陡尖的形状。两种性质不同的岩层导致边坡在空间上形成不利的因素，这也是边坡产生滑坡的重要因素。

（2）水文条件

水做为影响边坡稳定性的重要因素，一方面降低了岩体的力学强度，另一方面地下水的渗透压力可导致下滑力增大，抗滑力减小[11-14]。德尔尼铜矿边坡存在多处出水点，通过调查发现：德尔尼边坡共有15 处出水点，最大一处为37 线附近4400 m 平台处，最大流量为2 L/min，即图3中指出的位置，与图1滑坡产生的位置完全吻合，充分说明了地下水的出露会使边坡上的裂隙充水，最终导致裂隙贯通形成滑坡。

图3 边坡出水点位置图（红色标记处）Fig.3 Location map of the water outlet point of the slope（marked in red）

（3）开采活动

开采活动是产生滑坡的重要因素，分为两个方面：一方面是在滑坡产生前期的采矿活动和边坡管理；另一方面是滑坡产生后的治理措施。2015年、2016年和2018年的滑坡符合牵引式滑坡特征，由下到上规模逐渐扩大，下部开采造成坡脚变陡进而引起边坡失稳，在滑坡后缘形成拉裂破坏区，随着变形发展，滑坡向后向上发展；同时也与上一次滑坡的治理措施有关，滑坡后覆盖层没有完全清理，仅仅在滑坡虚方上采取削坡减载的方式进行治理，这是导致多次滑坡的关键因素。

基于对德尔尼滑坡的认识，结合先前资料和照片，分析影响德尔尼滑坡的主要条件为地质环境、水文条件和开采活动。

3 历次滑坡的形成过程

基于滑坡前后照片，对滑坡产生过程进行对比分析。从图4（a）中可以看出，边坡台阶宽度不够，上部台阶已经有粉碎的岩块从台阶上滑落且在多个台阶上形成堆积体，可见边坡日常管理欠缺，另外不均衡开采导致边坡形成上缓下陡的凸形边坡，日常的爆破振动加上地下水的共同作用下，边坡产生了滑坡，滑动方向为坑内，这次滑坡在滑坡后缘产生了高约7～8 m 的陡坎，且在后壁产生大量与滑坡后缘平行的拉伸裂缝。由于2016 年滑坡没有照片资料，结合2016 年滑坡的文字资料对其滑动过程进行分析；2015 年滑坡产生后，矿方对下部影响采矿的虚渣进行了清理，进而导致滑坡后缘的拉伸裂缝不断扩大，而后带动上部岩体一同滑下。2018 年滑坡从图4（c）可以看出滑坡后缘形成了高约50 m 的陡坎，且上部仍有滑落的风险。矿方急于采矿，坑底清渣工作基本完成，但滑坡体中部没完全清理，留下大量的虚方未进行清理，其形态明显凸出周围边坡，下部开采导致下部边坡脚部加陡，形成牵引式滑坡。

图4 滑坡前后对比图Fig.4 Comparison before and after the landslide

4 历次滑坡的形成机制数值模拟

从图1的历次滑坡位置关系来看，2015年8月滑坡、2016年1月滑坡及2018年12月滑坡在空间位置上对历次的滑坡的继承性和发展性研究最具有代表性和说明意义。三次滑坡发生位置都在37线附近，而且滑面的中心轴线也在37线，滑坡的时间顺序在空间位置上的体现也能对这3 次滑坡的继承性和发展性有一个很好的说明：2015 年8 月滑坡发生在4 230～4 350 m，边坡中部支撑作用减弱，导致上部的边坡稳定性也有所降低，因此上部4 338～4 680 m 在2016 年1 月发生了滑坡，发生滑坡后矿方对下部的滑塌体进行了清理，而边坡上的虚方完全清除形成了台阶，最后在一系列的因素下，虚方滑动的牵引作用加上边坡脚部没有形成足够的阻滑作用，在最后一次的滑坡中使得37线全线垮塌。

当然定性分析是基于对此滑坡的特殊思考和专业认识得到的，而理论研究要结合定量的计算分析进行求证，通过应用Phase2 软件对3次滑坡前后6 个阶段模拟开采和滑坡的关系，得到了边坡位移和最大剪切应力方面的佐证，支撑多次滑坡之间的继承性和发展性。

4.1 计算模型

计算剖面选择37 线，考虑地下水的影响因素，对左右边界在X 方向进行限制，对下部边界在X、Y 方面进行限制，将计算分为6个阶段如表2所示，计算模型及各阶段的地形线如图5所示。

图5 37线计算模型及各个阶段的剖面线示意图Fig.5 Schematic diagram of the 37-line calculation model and the cross-section of each stage

表2 分析阶段对应表

4.2 计算结果

通过Phase2 进行计算以总位移和最大剪切应力作为验证多次滑坡产生的继承性和发展性的两个重要指标，通过位移量和最大剪切应力出现的位置来阐述多次滑坡的演化过程。计算结果如图5、6所示。

4.2.1总位移指标分析

由图6（a）可知，S1 阶段原始地表未经过采矿活动扰动，边坡最大位移量出现在4 300 m处，最大位移3.8 cm，位移量较小符合自然边坡情况；由图6（b）可知，S2 阶段2015 年开采深度达到4 169 m，边坡最大位移量出现在4 229～4 243 m，最大位移达到81 cm，位移量较大，但范围不大，这也是第一次滑坡产生的原因，滑坡位置边坡凸出；由图6（c）可知，S3 阶段为第一次滑坡后和第二次滑坡前阶段，从分析图中可以看出边坡位移最大处仍然位于上一次滑坡处，最大位移量为85.5 cm；由图6（d）可知，S4 阶段为第二次滑坡产生阶段发现边坡向下移动，总位移达到720 m，从S3 阶段也可以看出在第二次滑坡位置边坡位移量为67.5 cm，是滑坡前的迹象；由图6（e）可知，S5 阶段是第二次滑坡产生后对边坡进行了处理，对下面的滑塌体进行了台阶处理，减弱了边坡脚部支撑作用，分析结果同样显示边坡脚部位移增大，这是符合规律的，这一次台阶的不合理修整也是下一次滑坡产生的最主要因素；由图6（f）可知，S6阶段为最后一次发生大面积滑塌后阶段，脚部位移增大，上部4 480～4 604 m存在位移增大的迹象，所以矿方应当警惕上部再次发生滑坡危险。

图6 6个阶段总位移分析图Fig.6 Analysis of total displacement in six stages

图7 6个阶段最大剪切应力分析图Fig.7 Analysis diagram of maximum shear stress in six stages

第一次滑坡是由于边坡出现凸坡，导致小面积的滑塌；第二次滑坡是由于第一次滑坡后下部支撑作用降低，位移增大导致滑坡产生；第三次滑坡是由于第二次滑坡后对边坡的整治，在虚方上直接修出台阶造成。因此从三次滑坡的数值分析可以知道，滑坡产生的因素是多种多样的，小面积的滑坡不恰当的处理可能会导致更大滑坡的产生。

4.2.2 最大剪切应力指标分析

从6 个阶段的最大剪切应力分析图可以发现：拉应力出现在边坡面的表层，而剪切应力从边坡面向下延深。而且从分析图中还可以看出：在滑坡发生的上一个阶段，拉应力分布与滑坡面存在位置上的相似关系，尤其是S4、S5和S6 分析图中最为明显（图6d、e、f 中椭圆线内），那么根据这个规律可以发现在第三次滑坡后，边坡还有可能发生滑动，滑动区域如图6（f）中圈定范围，这与位移分析结果相同，边坡没有发展到彻底的稳定阶段。

5 结论

（1）通过对历次滑坡的资料和现场踏勘，提出了滑坡产生的机制主要分为地质环境、水文条件和开采活动三方面。

（2）通过对总位移和最大剪切力分析云图进行逐个阶段对比，发现在滑坡发生的前一个阶段，位移云图中有产生的迹象和原因，一方面是滑塌前滑坡位置已经出现位移，另一方面是边坡脚部出现较大位移可能使边坡失去支撑作用发生滑坡；在最大剪切应力分析云图里得到了有关剪切应力与滑面的规律：滑坡产生阶段的滑面与上一阶段拉应力分布具有关联性。

（3）滑坡的产生与复杂的地质条件是分不开的，但是滑坡产生与上一阶段滑坡存在联系，在原有不恰当的滑坡治理基础上发展而成。

（4）随着时间的推移，当下部滑塌体清理完后，上部4 480～4 604 m仍有滑坡的风险。