平朔露天矿某黄土高边坡滑坡成因机理分析

吴西臣，徐杨青

(中煤国际工程集团武汉设计研究院，湖北武汉 430064)

平朔露天矿某黄土高边坡滑坡成因机理分析

吴西臣，徐杨青

(中煤国际工程集团武汉设计研究院，湖北武汉 430064)

从工程地质条件、水文地质条件及人类工程活动等方面入手，对山西平朔煤炭工业公司某露天矿黄土高边坡发生滑坡的成因机理进行分析。该滑坡表现出明显的牵引式破坏特征，其变形破坏过程可分为卸荷变形、蠕滑—拉裂、剧滑及趋稳等四个阶段。基于滑坡的成因机理，提出了相应的防治对策。

黄土高边坡;滑坡;成因机理;防治对策

0 引言

山西平朔煤炭工业公司安家岭露天矿北帮边坡发生滑坡，滑坡体面积约6×104m2，体积约64×104m3，共有5级黄土高边坡发生滑坡，滑体厚度最大达75 m，最大滑距达150 m，属中型深层黄土滑坡［1］。由于预报及时，未发生人员、机械设备损坏事件，将滑坡所引起的直接经济损失降至最低。

本文将从滑坡区工程地质条件、水文地质条件和人类工程活动等方面入手，分析该黄土高边坡发生滑坡的成因机理，并提出一些防治对策建议。

1 滑坡区工程地质条件

1.1 地形地貌

安家岭露天矿地处低山丘陵区，为典型的黄土高原地貌，黄土广布，沟壑纵横。受露天开采影响，滑坡所在露天矿边坡坡肩高程约1 400 m，坡脚高程约1 260 m，坡高达140 m。边坡共分为7级，总体坡度约35°;坡中平台宽6～40 m不等，单级坡高约15 m，坡面角60°～65°。滑坡的后缘高程1 375 m，剪出口高程1 300 m，相对高差75 m，共破坏五级台阶。

1.2 地质构造

滑坡位于二铺背斜和白家辛窑向斜之间，受其控制和影响，基岩产状为110°∠18°，倾向坡外，为边坡发生顺层滑坡提供了内在条件。

滑坡区基岩中节理裂隙以构造裂隙为主，主要发育有两组，即：210°∠88°、107°∠87°，与边坡呈顺向坡斜交关系。

1.3 地层岩性

滑坡区的地层自上而下主要由第四系马兰黄土、离石黄土、午城黄土及二叠系上、下石盒子组砂岩、泥岩和煤系地层组成。

①马兰黄土(Q3)：浅黄色，以粉土为主，稍密，土质均匀，手捏易碎，含云母，垂直向节理裂隙发育，厚度约10～25 m。

②离石黄土(Q2)：由黄褐色粉质粘土、粉土组成，粉土为中密状态，粉质粘土为硬塑状态，垂直向节理裂隙发育，厚度达45 m以上。

③午城黄土(Q1)：由红褐色粘土组成，硬塑—坚硬状态，夹少量姜石、砾石，有少量孔隙，垂直向节理裂隙发育，厚约20～25.5 m。底部与下伏基岩接触处呈可塑状态，湿—饱和，构成了滑坡体的滑带，厚度约5～10cm，具有明显的擦痕和摩擦镜面。

④1石盒子组砂岩、泥岩强风化层(P)：灰黄色，砂岩主要为细砂岩和粉砂岩，中厚层状，沿节理面风化较为严重，与覆盖层接触处局部已风化为砂状;泥岩为中薄层状，已风化呈页片状，局部已风化成粘土。基岩强风化层的厚度由西向东随覆盖层的厚度增大而变薄。在滑坡体的东侧，强风化层的厚度可达20～25 m，而西侧厚度一般为5～10 m。

④2石盒子组砂岩、泥岩中—弱风化层(P)：青灰色，砂岩主要为细砂岩和粉砂岩，泥岩为中薄层状。

滑坡区地层分布详见工程地质平面图(图1)及剖面图(图2)。

图1 滑坡区工程地质平面图及监测点平面布置图Fig.1 Engineering geological plane of landslide area and plane arrangement chart of monitoring point

图2 滑坡区工程地质剖面图及结构面赤平极射投影图Fig.2 Engineering geological profile of landslide area and struvtural plane of equatorial horizon projection

1.4 水文地质条件

受露天开采影响，滑坡区附近基本无地表水。

滑坡区地下水主要以第四系土层中的上层滞水及基岩裂隙水的形式存在，其补给来源主要是大气降雨，并通过广泛发育于岩土体中的节理、裂隙顺坡面排泄。滑坡体西侧顺坡面1 335 m标高线有多处渗流，流量最大处可达1～2 L/min。

1.5 人类工程活动

滑坡区人类工程活动强烈。一是露天开采致使边坡高度不断加大;二是采掘爆破作业及坡中平台运土车辆的长期动荷载作用等，均对边坡稳定性不利。

2 滑坡基本特征

2.1 滑坡空间形态及结构特征

滑坡在平面上呈圈椅状，纵向长120 m，横向宽290 m;滑体厚度在横向上表现为由中间向两侧逐渐减小，在纵向上由前缘向后缘逐渐减小，呈现为一宽缓的“锅状”古地形。

在滑坡体的主滑线附近，上部主要为马兰和离石黄土，最大厚度达65 m，厚度在空间上变化不大;而午城黄土在滑坡体的主滑线附近厚度最大(达25.5 m)，向滑坡体两侧变薄，西侧厚度仅4～5 m，东侧厚度10 m左右。相应地，基岩强风化层的埋深也是滑坡体主滑线上最大。滑坡体古地形坡度达18°。

滑带土为红褐色粘土，湿—饱和，可塑状态，分布于岩、土接触面处，厚度一般为10～15 cm，具有明显的擦痕和摩擦镜面。

滑床岩性主要为强—中风化砂岩、泥岩，砂岩中厚层状，泥岩为中薄层状，其内节理裂隙发育。

滑坡前缘剪出口位于岩、土接触面处，滑动面切穿马兰黄土及离石黄土。

2.2 滑坡区变形特征

边坡发生滑坡前，其后缘的1 360 m及1 375 m平台发育多条环状裂隙，长10～125 m不等，其径向与主滑方向基本一致。

图3 滑坡区监测点位移曲线图Fig.3 Displace curve of monitoring point in landslide area

根据滑坡区位移监测资料(图3)，边坡变形是从10月16日开始加速移动的，此前一直处于蠕动变形中;10月16日～11月18日南(X)向的位移量为54 mm，平均位移速率为1.69 mm/d;11月18日～12月2日位移量为65 mm，平均位移速率为3.25 mm/d，表明边坡从10月16日已开始加速变形;12月2日～6日，4天的位移量达到300 mm，平均位移速率高达75 mm/d，表明边坡已完成滑动面的剪切扩容，进入快速变形阶段，最终于12月10日发生滑坡。

滑坡后，由于形成的新临空面，为后部边坡滑动提供了空间，滑坡后缘边坡上又出现多级环形裂缝：一级环形裂缝分布在1 375 m平台上，长30～55 m，径向约162°，指向滑坡后所形成的新临空面;二级环形裂缝发育于1 390 m平台，长10～45 m，径向约184°，指向原有边坡倾向;三级裂缝发育在1 405 m平台之上，长约20 m左右，径向同原有边坡倾向。各地面裂缝仍然有加宽、加长并有贯通的趋势。

图4 潜在滑坡区监测点位移曲线图Fig.4 Displacement curve of monitoring point in potential landslide area

根据设置于滑坡体周边的监测点位移曲线(图4)，滑坡体周边边坡仍然有较大的变形，西侧监测点位移指向165°～175°，北侧监测点位移指向151°～162°，监测到的最大位移达到了285.6 mm，位移方向与裂缝完全吻合，表明下方边坡滑动后所形成的高陡临空面为后部边坡继续滑动提供了空间，使后方边坡继续滑动成为可能。

2.3 滑坡岩土体物理力学参数

根据滑坡区岩土样室内土工试验、滑动面(土、岩接触面)的原位剪切试验及采用恢复山体的极限平衡反分析［1］成果综合确定边坡岩土体的物理力学参数，见表1。

表1 边坡岩土体物理力学参数Table 1 Physical and mechanical parameters of slope of rock and soil mass

3 滑坡的成因机理分析

3.1 滑坡形成条件

3.1.1 地形地貌

滑坡区边坡整体坡度35°，单级边坡坡度可达60°～65°，高陡边坡为滑坡提供了滑移变形及潜在剪出口的临空条件。

3.1.2 岩土体性质

边坡岩土体受水软化作用非常明显，其饱和状态下抗剪强度相对于天然状态下降约25%左右，是边坡出现滑坡最主要的原因。

3.1.3 边坡结构

黄土边坡中垂直节理发育，大气降雨时地表水入渗快;第四系在横向上呈锅状分布，且下伏基岩产状110°∠18°，在纵向上略倾向坡外，具有易于产生顺层滑坡的地层结构。

3.1.4 水文地质条件

滑坡体西侧基岩强风化层中富含风化裂隙水，顺坡面渗流点高出滑坡剪出口约35 m，对滑坡体前缘位于这一标高之下的岩土体强度软化作用明显。

3.2 滑坡诱发因素

3.2.1 大气降雪

变形监测结果表明，每一次加速变形均与气候有关，11月23日～26日小雪天气后，边坡变形速率明显加快;而12月7日小雪后边坡于12月10日发生了滑动破坏，表明雪水对边坡变形的诱发作用明显。

3.2.2 露天开采及采矿爆破影响

随着露天开挖的进行，边坡高度不断加大，边坡岩土体内部应力分布状态不断发生重分布，为达到一个新的平衡点，边坡将调解自身姿态来寻求稳定，这个调解的过程就是边坡变形及至滑坡的过程。

边坡滑动前，在坡脚进行的爆破作业及坡中平台上大量运土车辆动荷载，对边坡破坏起到了重要作用。

3.3 滑坡稳定性敏感因素分析

首先运用传递系数法计算出基准条件之下的滑坡稳定系数Fso，在此基础上变动其中某一变量，其它参数固定不变，计算该参数在其变动范围内变动时滑坡稳定性系数随之变化的结果，最后根据上述结果得出敏感系数S：

式中：△X为某因素的变化量;Xmax～Xmin为某因素的变化范围;△Fs为Fs对应△X的变化量;Fso为Fs的基准值，在此取C=30 kPa、φ=14°及不考虑爆破震动作用(6 度以下)条件下，Fso=0.973。

由于滑坡对其外部条件的敏感性难以预测，在此主要分析滑坡稳定性系数对C、φ值及爆破振动烈度变化的敏感性。敏感性分析结果见表2。

表2 滑坡敏感性分析结果表Table 2 Analysis results of landslide sensitivity

从上表可知，滑坡稳定性系数对地震烈度最为敏感，当发生地震烈度为7度时，滑坡的稳定系数降低达6.7%。

3.4 滑坡成因机理

边坡下伏基岩在纵向上倾向坡外，易于滑坡的形成;滑坡体西侧基岩强风化层中富含风化裂隙水，对位于其下的滑坡体强度软化作用明显。特殊的地质结构及水文地质条件是滑坡发生的内在条件。

因采矿所形成的高陡边坡为滑坡提供了滑移变形及多级潜在剪出口条件，而边坡中的应力状态改变所引起的变形是滑坡发生的根本原因。

降雨(雪)和长期爆破震动是滑坡发生的主要诱发因素。大气降雨(雪)沿边坡岩土体中的节理裂缝快速入渗，使其抗剪强度明显降低;而地下水所产生静水压力和动水压力，也增加岩土体沿渗流方向的下滑力，降低了滑坡的稳定性。长期爆破震动对边坡的作用主要表现在二个方面：一是产生的地震波相当于给边坡增加了一种具有致滑作用的动态荷载，降低了边坡的稳定性;二是长期爆破震动的不断作用使边坡中原生结构面、构造结构面、原有的裂纹裂隙扩展和延伸，甚至产生新的爆破裂纹，使其物理力学性能下降，从而影响了边坡的整体稳定性。

3.5 滑坡变形破坏过程

根据滑坡区位移监测资料所反映出的各监测点位移大小及速率、裂缝分布及变形特征，滑坡前缘位移大于后缘，即滑坡表现出明显的牵引式破坏特征，其变形表现为“犁”式变形破坏特点(见图2)，破坏次序可用图中的数字表示，变形破坏的次序从小到大依次进行。边坡变形破坏过程可分为四个阶段：

第一阶段——卸荷变形阶段。边坡开挖后，处于坡脚的午城黄土边坡坡面在失水的条件下，发生龟裂、片帮等破坏形式;而露天开挖卸荷导致临近坡肩的垂直节理张开，在坡肩形成拉张裂缝，这种拉张裂缝一般发育在距坡肩3～5 m范围内(见照片1、照片2)。

第二阶段——蠕滑—拉裂阶段。坡脚午城黄土边坡的片帮、崩塌使上一级台阶的宽度变窄，所能提供的抗滑力逐渐减小，致使上一级台阶也开始出现变形。随该级台阶的向前移动，后一级台阶的变形也宣告开始。边坡的变形就这样递进，午城黄土底部的破裂面也开始从下向上沿基岩面逐级贯通(见照片3、照片4)。

第三阶段——剧烈滑动阶段。当破裂面贯通一定程度后，由于上部基岩面较缓，其不再沿基岩面向后发展，而是向上切穿离石黄土和马兰黄土。所有蠕动变形块体的位能聚集到午城黄土达力学强度极限后，便出现大规模的快速滑动变形。

第四阶段——趋稳阶段。当出现剧烈滑动之后，滑坡体中的位能得以释放，滑坡体趋于稳定。

4 防治对策建议

露天高边坡下部滑坡后，为后部边坡继续滑动提供了空间，使后方边坡继续滑动成为可能。为了避免新一轮、更大范围的滑坡，依据滑坡的成因机理及变形特征，提出了工程措施与监测预警预报相结合的滑坡防治对策建议。

工程措施主要包括边坡上部的削坡减载及坡脚的压脚回填，同时辅以坡面防排水措施。削坡减载可有效地减小边坡的下滑力，而压脚回填可以增加边坡的抗滑力，两者共同作用增加边坡的稳定性;对地表裂隙的及时填平压实，避免雨水下渗对边坡稳定性的不利影响。

监测预警则是通过合理布置一定数量的位移监测点，获取各监测点的位移量、位移方向、位移速率，为边坡的稳定性分析提供重要依据;用于确定不稳定边坡的滑移方向和速度，掌握边坡发展变化规律，为采取必要的防护措施提供重要的依据。监测内容主要为地表水平位移及垂直位移监测、岩土体深层位移监测(测斜管)。

5 结论

通过对滑坡区的工程地质条件、水文地质条件、边坡空间形态及结构特征、变形特征、人类工程活动等进行分析，认为该露天矿黄土高边坡发生滑坡是内在条件与外在诱发因素综合作用的结果，其中内在条件包括岩土性质、边坡结构及水文地质条件，外在诱发因素主要为大气降雨(雪)及人类工程活动(露天采矿、采矿爆破等)等。

滑坡变形破坏表现为递进变形破坏的特点，变形破坏表现为明显的“犁”式破坏特征，具有明显的牵引式破坏特征，其变形破坏过程可分为卸荷变形、蠕滑—拉裂、剧滑及趋稳等四个阶段。依据滑坡的成因机理及变形特征，提出了工程措施与监测预警相结合的滑坡防治对策。

［1］工程地质手册编写委员会.工程地质手册［S］.第四版.北京：中国建筑工业出版社，2007.

Analysis of Formation Mechanism of a High Loess Slope at an Open-pit Mine in Pingshuo

WU Xicheng，XU Yangqing
(Wuhan Design and Research Institute of Sinocoal International Engineering Group，Wuhan，Hubei430064)

Starting from engineering geologic conditions，hydrogeologic conditions，the human engineering activity and etc.，the paper analyzes the formation mechanism of the high loess slope at an open－pit mine of Shanxi Pingshuo Coal Industry Corporation.The deformation of the landslide presents remarkable failure character of trail，the deformation and failure process can be divided into the unloading deformation，creep－crack，sliding quickly and stabilizing gradually.According to the formation mechanism of the landslide，some preventive countermeasures have been put forward.

high loess slope;landslide;formation mechanism;prevention countermeasure

TD854.6;P642.22

A

1671－1211(2011)03－0236－05

2010－11－26;改回日期：2011－01－10

吴西臣 (1980－)，男，工程师，硕士，岩土工程专业，从事工程地质、岩土工程设计与研究工作。E－mail：wuxichen1031@163.com

于继红)