陕西禾草沟煤矿工业场地主厂房段古滑坡变形破坏特征及稳定性分析

吕远强，刘庆雪，李寅良，林杜军

（中煤西安设计工程有限责任公司，陕西西安 710054）

0 引言

禾草沟煤矿井田位于陕西省延安市子长县城西南，行政隶属子长县余家坪乡、寺湾乡及延安市宝塔区蟠龙镇所辖。工业场地位于禾草沟煤矿井田中部的神泉峁沟沟谷内，距子长县县城西南约15km，行政隶属子长县寺湾乡。工业场地占地面积约30hm2，呈南北向狭长带状，平场后的场地南北长约1400m，东西宽60～200m。工业场地采用半挖半填的方式。

工业场地地貌属陕北黄土高原典型的黄土沟壑地貌，沟谷呈“V”字形，沟谷两侧地质灾害发育，原始边坡高度最高达135m，边坡坡度10°～55°，局部陡直（图1）。边坡坡体上落水洞发育，呈串珠状，落水洞垂直深度3.00～5.00m，直径0.80～2.00m不等。工业场地的西、南侧沟谷下切严重，沟底可见基岩出露，坡体黄土垂直节理、裂隙发育。坡脚有泉水出露。

根据设计平场标高，场地最大挖方高度约50m，最大填方厚度约15m。场地的挖填方必然会引发一系列岩土工程问题，如古滑坡复活，边坡变形、失稳，地下水位上升，地基的不均匀性等。本文针对工业场地主厂房段因开挖复活的古滑坡，对其破坏特征和稳定性进行分析评价，为古滑坡的治理设计提供理论依据［1］。

1 古滑坡的工程地质条件［1］

1.1 地层结构、产状

古滑坡所在区构造形态总体为向北西方向缓倾的单斜构造，为一平缓单斜地层，倾向NNW，倾角1°～3°。场地下伏基岩近水平，层状构造，水平层理发育，产状290°～310°∠0°～5°。其上覆第四系和新近系地层均向沟谷及沟谷下游倾斜，倾角3°～12°，倾向西偏北10°～15°，即产状与下伏基岩产状近一致。

图1 禾草沟煤矿工业场地全貌Fig.1 Picture of industrial site of Hecaogou colliery

1.2 地层岩性

地层岩性主要为：①层人工填土（Qml4），分布于古滑坡脚下的沟谷底部高漫滩和一级阶地。主要为粉土，含砂及碎石，局部可见块石，厚度0.5～3.0m。②层第四系全新统滑坡堆积物（Qdel4）；②-1层主要为粉土，土质较均匀，稍湿，松散-稍密，具湿陷性，厚度1.00～19.00m；②-2层粉土，土质较均匀，湿-饱和，中密，厚度0.70～8.80m；②-3层粉土，土质较均匀，稍湿，中密-密实，厚度1.60～23.00m；②-4层粉土，土质较均匀，湿 -饱和，中密 -密实，厚度1.00～4.50m；②-5层粉土，土质较均匀，稍湿，密实，厚度3.60～6.10m；②-6层粉质粘土，土质较均匀，硬塑，厚度1.10～5.50m；②-7层为强风化的中、细砂岩块石层；③黄土（Qeol3）：主要为粉土，土质较均匀，中密，稍湿，具湿陷性，已全部挖出；④黄土（Qeol2）：主要为粉土，土质较均匀，稍湿，中密-密实，不具湿陷性；⑤粉质粘土（N2j）：含零星钙质结核，硬塑；⑥强风化泥质粉砂岩（J2y），夹粉砂质泥岩及泥岩，薄层状构造，泥质胶结。地层剖面图见图3。

1.3 古滑坡的形态、结构特征

古滑坡位于近南北走向的黄土梁西坡，最大相对高差约135m，斜坡总坡度约30°，倾向西，古滑坡平面形状为半椭圆形，滑坡长约170m，宽约370m，滑坡主滑方向295°，古滑坡后壁明显，陡直，高3～10m。滑体北侧沟谷下切较深，沟底有新近系棕红色粉质粘土及基岩出露；滑体西侧坡面冲沟较浅，落水洞呈串珠状沿冲沟分布，下部暗洞相连。斜坡坡脚较陡，为3～5m陡坎，为神泉峁沟的一或二级阶地，与深2～5m，宽5～15m的宽缓沟谷相接。滑体原为中上更新统的马兰黄土（Qeol3）和离石黄土（Qeol2）构成。古滑坡为沿黄土层与新近系粉质粘土（N2j）接触面发生滑动的顺层滑坡，部分滑坡体下切较深，不但切穿新近系粉质粘土，还切穿约4.0m厚的基岩，在滑坡体的前沿形成明显的基岩反转（图2），为深层的切层滑坡。

图2 古滑坡前缘基岩反倾Fig.2 Bedrock reversal at leading edge of the ancient landslide

图3 地层剖面图Fig.3 Chart of stratum section

2 古滑坡的变形破坏特征

2.1 古滑坡复活原因分析

古滑坡天然状态稳定。工业场地的平场开挖，对边坡未进行专门的设计，边坡（古滑坡）的开挖采用坡率法，单坡高8.0 ～10.0m，坡率1∶0.78 ～1∶1.00，平台宽度3～8m，总坡率为30°～32°，边坡（古滑坡）开挖前后对比见图4和图5。作者对开挖形成的边坡进行稳定性计算，边坡的安全系数介于1.08～1.68（仅1个计算剖面安全系数小于1.30），基本满足规范要求。那为什么边坡（古滑坡）还会复活呢？根据现场调查分析认为：一是因为边坡的施工开挖没有按正常施工要求从上至下的开挖顺序进行（施工开挖应从上至下进行），边坡先开挖坡脚后（施工最先开挖地带恰巧安全系数为1.08的剖面坡脚），使古滑坡下部失去支撑，打破了古滑体原来的平衡状态，应力状态重新分布，在边坡的下部形成应力集中带，导致古滑坡体复活。二是边坡施工开挖时间为2010年7月～9月，正值雨季，边坡未设排水系统，加上边坡开挖对坡体的扰动，大气降水全部下渗，致使滑坡上部土体含水量增加，滑带土抗剪强度降低，导致古滑坡的稳定性下降。

图4 古滑坡开挖前全貌Fig.4 Picture before excavation of the ancient landslide

图5 古滑坡开挖后全貌（施工未完成）Fig.5 Picture after excavation of the ancient landslide（construction is not completed）

综上分析，边坡施工先开挖坡脚是导致古滑坡复活的主要诱因，大气降水下渗致使边坡（古滑坡）稳定性降低是古滑坡复活的又一因素，即二者的共同作用导致古滑坡整体复活，并牵动古滑坡体南北两侧部分稳定土体共同滑动，沿古滑坡的后缘产生拉伸裂缝。

2.2 古滑坡变形破坏特征

古滑坡的最初变形破坏发现于2010年10月14日，变形破坏表现在滑坡后缘地带出现裂缝，裂缝长3～5m，不连续，宽度2～5mm，变形程度由南向北减弱。10月15日～16日裂缝逐渐加剧，长5～10m，宽度3～10mm，能看见裂缝断续延伸的趋势，至10月18日，裂缝非常清晰，已经全部贯通，形成连续的圆弧状，裂缝宽度最大达5cm，并出现最大约10㎝的错动，说明古滑坡初期的变形破坏较快。

图6 古滑坡前缘开挖后土层湿－饱和带Fig.6 Soil wet-saturated zone after excavation at leading edge of the ancient landslide

随后对古滑坡后缘裂缝进行挖探和调查测绘，从探槽揭露，裂缝上宽下窄，由南向北探槽的底部裂缝也由宽变窄，到最北端探槽底部的裂缝逐渐消失，这说明古滑坡的变形破坏由南向北减弱，与地表变形相对应。并测得滑坡长约170m，宽约320m，后缘裂缝倾向320°，倾角52°～60°，滑坡主滑方向约 320°。估算滑体厚度最大约45m，总方量约144.3×104m3。从调查得知，古滑坡上部土层含水量较低，下部土体含水量较高（标高1187m以下，即原边坡设计二级削坡以下），尤其是坡脚明显可见土层为湿-饱和状态（图6）。坡体可见两组节理裂隙，一组倾向318°～323°，倾角59°～87°；另一组倾向 113°～135°，倾角 70°～72°。在已开挖的边坡一级边坡中部（距坡脚约2.5m）可见厚约20cm的滑带，可见明显的剪切错动，倾向288°，倾角16°（图7），即古滑坡复活的剪出口位于开挖边坡坡脚位置。

图7 古滑坡前缘开挖后坡脚处剪切错动Fig.7 Shear dislocation after excavation at leading edge of the ancient landslide

古滑坡体上部滑面切层滑动，主要因重力作用拉伸，产生拉张裂缝，滑面倾角25°～60°；中下部滑面为顺层滑动，滑面倾角5°～16°，滑床为新近系粉质粘土；前部为沿古滑体中的湿-饱和粉土层产生顺层滑动，即古滑坡的变形破坏不是全部沿老滑面滑动，而是前部出现新的剪出滑面，这可从钻探结果得到印证。另外，钻探还揭露，滑坡下部滑面有明显擦痕和镜面，滑体中存在2～3层饱和粉土层（粘粒含量相对较高）（图3），即滑坡存在多个软弱面，如果滑坡继续加剧破坏，在水环境条件发生变化时，滑坡可能沿饱和粉土层发生滑动，呈多级顺层推动式滑坡。

2.3 古滑坡的变形监测分析

在发现古滑坡出现裂缝后（2010年10月14日发现裂缝），随后对古滑坡进行变形监测（2010年10月18日开始进行监测，监测频率1次/d），以便及时了解古滑坡的变形情况。古滑坡主断面各监测点的累计位移和沉降曲线见图8～图11。从图中可知，古滑坡前12天的变形破坏呈加剧状态，主断面各监测点的累计位移和下沉表现出线性增加的趋势，而前3天的单日沉降和位移量明显较大，这与现场调查相吻合。12天后对古滑坡采取“削头压脚”措施，并继续对不受施工影响的监测点进行监测，发现12～20天古滑坡的变形破坏仍呈加剧状态（至第20天，“削头压脚”措施施工结束，22天后监测频次由1次/d变为1次/周，22天后图中数据为日平均值，35天后监测频次为1次/月），主断面各监测点的累计位移和沉降仍表现出线性增加的趋势。3～20天的单日沉降和位移量值波动不大，也表明滑坡为线性加剧变形破坏向缓慢变形破坏阶段转变。20天后古滑坡的累计、单日位移和沉降均出现明显拐点；20～22天主断面各监测点的单日位移和沉降明显减弱而趋于稳定，22天后古滑坡的累计位移和沉降曲线趋于平缓，单日位移和沉降值趋近于0。说明古滑坡的变形破坏终止，趋于新的稳定平衡状态，说明采取的“削头压脚”措施取得了明显的效果。

图8 主断面监测点累计沉降曲线Fig.8 Cumulative settlement curve of monitoring the main section

图9 主断面监测点累计位移曲线Fig.9 Cumulative displacement curve of monitoring the main section

图10 主断面监测点单日沉降曲线Fig.10 One-day settlement curve of monitoring the main section

图11 主断面监测点单日位移曲线Fig.11 One-day displacement curve of monitoring the main section

另外，对监测点的方向位移进行统计分析，监测点的方向位移总体上可分为两组（图4），主要一组为307.73°～334.34°，次要一组为 212.96°～ 247.59°。主要的一组方向位移代表滑坡的主滑方向，与调查测得结果基本一致；次要的一组方向位移说明古滑坡的西南角受原始冲沟影响，坡脚临空，坡脚临空处也是边坡最先开挖位置，导致应力集中，引起古滑坡局部先向次要一组方向位移方向复活，这与现场调查结论（古滑坡南部变形比北部强）相一致，也和开挖后的边坡（古滑坡）该地带计算剖面安全系数为1.04相吻合。

3 稳定性分析

为了准确的评价古滑坡发生变形破坏后，采取“削头压脚”措施的可行性，就必须验算其稳定性是否满足安全要求，经过试算，一般的稳定性数值计算方法得出的安全系数有的偏大，有的偏小，离散性较大，难以准确评价采取“削头压脚”措施后古滑坡的稳定性。然后经过分析讨论和咨询，采用改进的数值计算法分析其稳定性。

3.1 按理正软件中的岩质边坡（折线法）考虑进行稳定性验算

考虑黄土具有垂直节理裂隙发育、结构面明显的特点，以及该边坡（古滑坡）中存在2～3层湿-饱和粉土层（粘粒含量相对较高），经过计算对比，尝试按理正软件中的岩质边坡（折线法）考虑进行稳定性验算，并改进岩质边坡稳定性计算条件。①计算时将饱和粉土层作为滑面（带）分别进行计算；②计算时以饱和粉土层（带）作为土层差异的分界线，即饱和粉土层上下土层计算时按单一土层考虑；③计算时针对不同的滑面取不同的计算参数；④在各单一土层中考虑黄土垂直节理和结构面的影响（人为的给定）。

对4个剖面通过理正软件分析计算，在不考虑地震条件下（抗震设防烈度为6度），边坡（古滑坡）的稳定性计算结果见表1。从表1中可知，边坡（古滑坡）各计算滑面的安全系数绝大多数满足要求，仅第4计算剖面的3滑面和4滑面安全系数为基本稳定状态，因为该剖面位于边坡（古滑坡）的南侧冲沟附近，虽然上部减载，但下部受冲沟影响，坡脚还未达到完全稳定，局部仍处于蠕滑状态，这和现场调查裂缝的发展也相吻合（古滑坡南部的变形破坏最严重），也和开挖后安全系数为1.08的计算剖面相对应，即3滑面是古滑坡复活的滑面。

表1 按岩质边坡考虑的稳定性计算结果Table 1 Stability calculations as rock slope considered

3.2 按理正软件中的复杂土层边坡考虑进行稳定性验算

按复杂土层边坡考虑，计算条件有：①考虑黄土具有垂直节理裂隙发育、结构面明显的特点人为的给定），②边坡（古滑坡）中各土层参数根据试验结果分析给定；③采用自动搜索最危险滑面和指定滑面两种情况计算。

采用理正软件分析计算，在不考虑地震条件下（抗震设防烈度为6度），边坡（古滑坡）的稳定性计算结果见表2。从表2可知，4剖面的最危险滑面安全系数相对较低，其他3个剖面的安全系数满足要求；按指定滑面计算时得到第4计算剖面的3滑面和4滑面安全系数为基本稳定状态-极限稳定状态，这和按岩质边坡考虑得到的计算结果相吻合。同时，按复杂土层边坡考虑时，各剖面的自动搜索最危险滑面位置在指定3滑面的附近，这和现场调查发现古滑坡的前缘开挖坡脚处剪切错动相吻合（图7），即最危险滑面（指定3滑面）为古滑坡的破坏滑面，与实际相吻合。

表2 按复杂土层边坡考虑的稳定性计算结果Table 2 Stability calculations as complexity soil slope considered

3.3 分析讨论

禾草沟煤矿工业场地建设工程位于陕西省延安市子长县城西南，根据参考文献［4-5］及相关规范，工程所在区抗震设防烈度为6度［4］，地震动峰值加速度值为 0.05g［5］，所以，在对边坡（古滑坡）稳定性计算分析时不考虑地震的影响。

本文在进行边坡（古滑坡）稳定性分析计算时，各土层的计算参数取天然状态下的统计试验数值，未对边坡（古滑坡）在长期降雨条件下、各土层在饱和状态和塑限含水量状态进行计算分析。因为，在参考文献［6-8］中，黄土边坡在长期降雨条件下坡顶雨水的下渗深度约3.00m，坡面受雨水侵润区距坡面水平距离约2.50m，参考文献［6］中得出在长期雨水作用下的黄土边坡的稳定系数在原来的基础上减小0.015～0.075，这对边坡的稳定性影响微弱。另外，参考文献［6-8］中也分析，黄土边坡在长期降雨条件和长期浸水条件下，水的下渗不完全是发生垂直渗透作用，也发生横向渗透作用，3.0m以下土层的含水量达到稳定状态（含水量接近天然含水量），说明黄土边坡不可能整体达到饱和状态、塑限含水量状态。

所以，上述对边坡（古滑坡）稳定性计算分析是合理的，二者的计算结果也基本一致，即采取“削头压脚”措施后边坡（古滑坡）的稳定性满足要求，并且，从后期1年多的监测数据看，边坡（古滑坡）处于稳定状态。该措施的实施未影响工程建设进度，未对边坡（古滑坡）进行治理支护，节省了工程投资，取得明显的经济效益。

4 结论

（1）古滑坡主要受黄土垂直节理、裂隙，降水，坡脚临空，地层结构面向沟谷及沟谷下游微倾斜，下部隔水层的控制。古滑坡为沿黄土层与新近系粉质粘土（N2j）接触面发生滑动的顺层滑坡，前部滑坡体切穿强风化基岩。

（2）古滑坡在天然状态处于稳定状态。引发古滑坡复活的原因主要为：①施工先开挖坡脚；②大气降水下渗。古滑坡变形破坏发展较快，由南向北逐渐减弱；古滑体中存在2～3层饱和粉土层，即滑坡存在多个软弱面，古滑坡的复活也是沿古滑体中湿-饱和粉土层发生的滑动，所以，在水环境条件发生变化时，可能沿饱和粉土层发生多级顺层滑坡。

（3）从古滑坡变形监测可知，对古滑坡采取“削头压脚”措施后，变形破坏逐渐减弱，最后趋于稳定。主要一组方向位移307.73°～334.34°，代表古滑坡复活的主滑方向；次要一组方向位移 212.96°～247.59°，这是因为古滑坡的西南角受原始冲沟影响，坡脚临空，坡脚临空处也是边坡最先开挖位置，导致应力集中，引起古滑坡局部先向次要一组方向位移变形破坏。

（4）稳定性分析可知，对古滑坡采取“削头压脚”措施后，稳定性满足安全要求，仅古滑坡的南侧冲沟附近局部地带为基本稳定状态，应采取工程措施。这和实际比较吻合。

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