采空区上方边坡稳定性及滑坡危险性分析

丁桂伶

（北京市地质研究所，北京 100120）

0 概述

北京市房山区史家营乡大村涧村由大村、小村和灰青涧三个自然村组成。位于房山区史家营乡北部山区。北距乡政府约1km，村域面积6.4km2，集中居住区面积共约2km2。大村涧村域及周边地区煤炭资源丰富，开采历史悠久。1984年之前多为集体煤矿开采。1984年后由于国家放宽政策允许个人采煤，该村私人煤矿数量迅速攀升，最多时高达五六十个井口。经过长期无序开采，大村涧村的地表地质生态环境、地下空间环境和含水层等遭到严重破坏。任意堆放的煤矸石堆侵占并破坏了大量的土地资源（如图1所示的大村形成的不稳定斜坡），采空塌陷、地裂缝、滑坡等地质灾害更严重威胁着村民的生命财产安全（如图2、3所示的边坡上方矿工宿舍发生的不均匀沉降及倾斜开裂）。亟需对大村涧村集中居住区及周边的地质灾害进行调查评价。为大村涧村地质灾害防治和政府搬迁决策提供科学依据。在此背景下，本单位对大村涧村集中居住区的地质灾害进行了现场的调查，并在此基础上进行了三维有限元数值模拟计算分析。对采空区上方的边坡和房屋的稳定性及滑坡危险性进行定性、定量分析。

图1 大村不稳定斜坡远景及近景Fig.1 Far and close vision of Dacun unstable slope

1 有限元三维数值模型建立

基于大村涧村集中居住区的地质灾害现场的调查，为数值模型的建立提供几何尺寸和物理力学参数。通过三维有限元数值模型对采空区上方矸石—岩土混合型边坡在天然状态下的边坡和饱和工况下的边坡，进行安全系数计算及房屋的沉降变形的分析。最终对边坡的稳定性及滑坡危险性进行评价。

图2 边坡上方建筑不均匀沉降Fig.2 Uneven settlement of buildings above slope

图3 边坡上方建筑倾斜及开裂Fig.3 Tilt and crack of buildings above slope

1.1 边坡几何模型建立

据现场调查（图1），该边坡位于大村南小村北。斜坡前缘高程约732m，后缘高程约812m。总体呈长条形，走向长约 100m，坡高约 80m，坡面面积约为99990m2，坡度为50°左右。该边坡主要由煤矸石堆、第四系的残坡积土组成。下伏基岩为侏罗系中统的砂岩。且该边坡后缘斜坡出现裂缝，部分裂缝张开度达10cm左右，向下延伸达50m左右。且存在继续变形的趋势。同时，在该边坡上的职工宿舍建筑物出现了严重的变形破坏，并表现形态各异的斜裂缝。根据以上变形特点，判断该山坡深部为采空区。建立了如图4所示的边坡三维地质模型。

图4 边坡三维地质模型示意图Fig.4 Three-dimensional geology model of slope

1.2 岩土体物理力学参数

根据已有研究资料，数值计算中边坡岩土体物理力学参数按照表1选取。

表1 岩土体物理力学性质参数表Table 1 Physical and mechanical parameters of rock mass

2 稳定性分析计算与评价

本节通过采用摩尔库伦弹塑性理论对三维数值模型，首先计算原岩状态下的应力分布，然后清除原岩状态下的位移，进行巷道的开挖。分析由于巷道开挖引起的边坡变形特征，分别计算天然状态下的边坡和饱和工况下的边坡进行安全系数，对其稳定性状态进行识别分析。

图5～8分别为天然状态下该模型的Z方向位移分布云图、三维位移分布云图、切应变增量分布云图和塑性区分布图。图9～12分别为天然状态下该模型的Z方向位移分布云图、三维位移分布云图、切应变增量分布云图和塑性区分布图。

图5 天然状态下Z方向分布云图Fig.5 Z-direction contou rs under natural state

图6 天然状态下三维位移分布云图Fig.6 Three-dimensional displacement contours under natural state

图7 天然状态下剪切应变增量分布云图Fig.7 Shear strain increment contours under natural state

图8 天然状态下塑性区分布云图Fig.8 Plastic zone distribution contours under natural state

图9 饱和状态下Z方向位移分布云图Fig.9 Z-direction displacement contours under saturated state

图10 饱和状态下三维位移分布云图Fig.10 Three-dimensional displacement con tours under saturated state

图11 饱和状态下剪应变分布云图Fig.11 Shear strain contours under saturated state

图12 饱和状态下塑性区分布云图Fig.12 Plastic zone distribution contours under saturated state

由上图可知，整个边坡位移较大处形成近似圆弧的破坏模式。潜在破坏面分布在煤矸石和残坡土中。同时，通过该模型计算，在天然工况下，边坡稳定性系数为1.11，即天然条件下斜坡处于稳定状态；在饱和状态下，边坡稳定性系数为1.02，处于临界稳定状态。说明在暴雨等灾害气候条件下发生滑动破坏以及塌陷变形的可能性极大。

3 房屋变形破坏机制研究

3.1 边坡监测线设置

为了分析该边坡上房屋的变形破裂机理，在房屋所在位置设置监测线（图13）。对该监测线的下沉曲线、倾斜曲线以及曲率曲线进行分析。为房屋裂缝分析提供依据。

图13 模型监测曲线示意图Fig.13 Monitoring curve scheme of model

3.2 地表允许变形条件

地表不均匀沉降极易造成地表建筑的破坏。不同类型建筑的地表允许变形是不同的。表2给出了地表建筑物保护等级及允许变形值。

表2 砖混结构建筑物损坏等级Table 2 Dam aged levels of brick and concrete structure buildings

3.3 边坡上方建筑变形分析

图14为巷道开挖以后监测线所在位置出现的不均匀沉降曲线。图15为倾斜监测曲线。图16为曲率曲线变形情况。

图14 沉降监测曲线Fig.14 Settlement monitoring curve

图15 倾斜监测曲线Fig.15 Tilt monitoring curve

从图14～16可看出，巷道开挖以后，监测线所在位置出现了不均匀沉降的最大值为120mm。整个沉降呈现U型分布。这种沉降模式对建筑物的稳定性带来巨大威胁。同时，该监测线的最大倾斜值达到11.39 mm/m，最大曲率为4.087/km。均已超过了Ⅳ类等级下一般房屋建筑的容许变形值。因此该边坡上原矿工宿舍发生变形破坏是必然的。也主要是由于采矿引起的不均匀沉降所导致的。这与现场建筑变形破坏情况是基本吻合的（图2～3）。

图16 曲率监测曲线Fig.16 Curvature monitoring curve

4 结论

通过现场调查及室内的数值模拟计算，可得到如下结论：

（1）大村涧村由于煤矿的开采在采空区上方现已存在矸石—岩土混合型边坡，并且边坡上原矿工宿舍发生了严重的变形破坏；

（2）通过该模型计算可知整个边坡位移较大处形成近似圆弧的破坏模式。潜在破坏面分布在煤矸石和残坡土中。

（3）在天然工况下，边坡稳定性系数为1.11。即天然条件下斜坡处于稳定状态。在饱和状态下，边坡稳定性系数为1.02，处于临界稳定状态。说明在暴雨等灾害气候条件下，发生滑动破坏以及塌陷变形的可能性极大。

（4）巷道开挖以后，监测线所在位置出现了不均匀沉降的最大值为120mm，最大倾斜值达到11.39 mm/m，最大曲率为4.087/km。均已超过了三类等级下一般房屋建筑的容许变形值。

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