陈家湾尾矿库不稳定边坡变形特征及滑动机制分析

管 琪 易 武

(1. 三峡大学 土木与建筑学院， 湖北 宜昌 443002； 2. 三峡地区地质灾害与生态环境湖北省协同创新中心，湖北 宜昌 443002； 3. 湖北长江三峡滑坡国家野外科学观测研究站，湖北 宜昌 443002)

据了解，陈家湾尾矿库不稳定边坡早在2012年以前于坡体局部已产生裂缝，当时边坡前缘矿业公司工作人员及时用粘土对裂缝进行回填，减少雨水入渗使得坡体变形未得继续发展．但是自2017年6月以来不稳定边坡前缘的矿业公司因王家棚矿区尾矿库闭库需要开挖边坡坡脚取土，使得原本处于潜在不稳定状态的边坡因为此次欠合理的开挖坡脚于6月25日下午3点变形加剧，严重威胁坡顶国网35 kV高王线及矿区高压线铁塔、顶部一户一层砖房(住1人)以及矿业公司王家棚矿区前缘尾矿库施工人员和机械设备等安全．陈家湾尾矿库不稳定边坡这类土石混合体边坡由于规模较大、影响因素众多、失稳突发性强、滑移条件复杂,常给国民经济建设、人民正常生活与生命安全带来严重危害和巨大的财产损失[1]．本文是通过实地踏勘结合室内分析方法，对陈家湾尾矿库不稳定边坡的变形特征及滑动机制进行分析，为后期的工程治理提供依据，同时还可以为该地区其他同类型边坡的勘察、预测提供一定的借鉴意义．

1 陈家湾尾矿库不稳定边坡工程地质概况

陈家湾尾矿库不稳定边坡位于长阳县龙舟坪镇王家棚村，长阳某矿业公司王家棚矿区边界处，距离长阳县城14.4 km2．该区域地处亚热带季风性湿润气候，四季分明，雨量充沛．多年来平均降雨量1 335.5 mm，降雨集中在4～9月份，月均降雨量100 mm以上，占全年总量的76%，年降雨天数为150 d，降雨具有集中、强度大的特征，对地质灾害的分布和发展变化起控制作用．

陈家湾尾矿库不稳定边坡为一开口向北东方向的舌形坡，主变形方向67°，面积为1.06×104m2，平均厚度6 m，体积7.42×104m3．边坡所在的位置为山体的凸脊，边坡中上部坡度约20°，斜坡前部因矿区尾矿库闭库需要粘土而大量开挖形成两级高陡边坡，为高约20～24 m的临空面，坡度约为40°，局部超过45°．边坡在平面呈半圆弧状，边界清晰，后缘以地表拉张变形裂缝为界，高程270～286 m，东西两侧以冲沟为界，前缘直抵矿业公司王家棚矿区尾矿库，分布高程215～220 m．地表裂缝及挖方边坡坡脚构成不稳定边坡范围．

图1 陈家湾尾矿库不稳定边坡全貌照片

图2 陈家湾尾矿库不稳定边坡地质示意图

图3 陈家湾尾矿库不稳定边坡Ⅰ-Ⅰ'剖面图

图4 陈家湾尾矿库不稳定边坡Ⅱ-Ⅱ'剖面图

钻孔资料显示，陈家湾尾矿库不稳定边坡覆盖层主要物质成分为崩坡积碎石土，按照物质成分来说该边坡属于土石混合体边坡．在漫长的地质年代中，由后山物质崩落后经过风化在原坡体堆积而形成．碎石主要成分为粉砂岩、石英砂岩，土石比4∶6～5∶5，粒径1～20 cm，次棱角状，结构松散；土体以粉土为主，黄褐色，稍湿，可塑状态；下伏基岩为震旦系中统陡山陀组(Z2d)：由紫红色、青灰色厚-巨厚层状粉砂岩，薄-厚层石英砂岩互层或夹层组成，岩层产状为17°～25°∠5°～15°．岩层内节理裂隙颇发育，主要有2组：①105°∠55°；②190°∠65°．以剪裂隙为主，发育较短，较规则(可见延伸长一般0.5～1.5 m)，闭合型为主，隙距一般0.15～1.0 m，切穿性较好．

2 陈家湾尾矿库不稳定边坡变形特征

陈家湾尾矿库不稳定边坡变形主要集中在南部区域及边坡的中后部，从边坡的动力来源来看，陈家湾尾矿库不稳定边坡属于“推移式”．变形形式包括存在多处地表裂缝及一处大面积沉降区．

2.1 地表裂缝

多次现场宏观巡查发现，陈家湾尾矿库不稳定边坡坡体上存在多达14条裂缝，这些裂缝大多集中在陈家湾尾矿库不稳定边坡体南部区域．各裂缝特点详见表1．

表1 陈家湾尾矿库陈家湾尾矿库不稳定边坡地表裂缝统计

2.2 坡面沉降

通过多次现场宏观巡查发现，陈家湾尾矿库不稳定边坡南部区域的中部位置，国网35 kV高王线(电线塔现已经拆除)基座处存在一处坡面沉降区．现场询问矿业公司工作人员了解到，该处坡面沉降自不稳定边坡下部切脚取土开始出现，短短一个月沉降达1.2 m之多，变形仍在继续．该处沉降区面积约200 m2，坡体物质主要为崩坡积含碎石粉土，土石比约为4∶6，发生坡面沉降位置坡体物质结构十分松散．碎石主要成分为紫红色泥岩、砂岩，土体主要以粉土为主，黄褐色，稍湿，可塑状态．与其他位置不同的是该区域碎石粒径大，多为15～30 cm，最大者可达40 cm，碎石呈现次棱角状，颗粒骨架间存在较大的空隙．

图5 陈家湾尾矿库不稳定边坡坡面沉降照片

3 陈家湾尾矿库不稳定边坡成因机制分析

边坡是一个受多因素影响、随时间、空间不断发生变化的动态系统[2]．目前的研究发现，诱发边坡发生失稳破坏的因素有多种，通常是受多因素影响的发展过程，比如有边坡所处地质环境、岩土体自身类型与特性等内在因素的影响，以及降雨、地震和其它工程荷载等常见的影响因素[3，4]．综合分析认为，该陈家湾尾矿库不稳定边坡变形的影响因素主要有：

3.1 地貌条件

陈家湾尾矿库不稳定边坡发育于一前缘陡、中后稍缓的斜坡上，斜坡上部植被覆盖，前缘为开挖形成的两级高陡边坡．边坡体所处斜坡整体呈凸状，滑坡体平面呈半圆弧状，斜坡北东方向直抵矿业公司尾矿库．斜坡前缘开挖边坡临空面较陡，致使其北东方向无侧向约束，为陈家湾尾矿库不稳定边坡的发育提供了有利地形．同时，陈家湾尾矿库不稳定边坡后部有一高陡山体，在降雨时候后部山体的汇水会流经不稳定边坡，使得大量雨水沿着坡表入渗，不断补给斜坡内部地下水，为不稳定边坡的发展提供了有利的条件．

3.2 覆盖层特性

区内不稳定边坡覆盖层为土质，以崩坡积含碎石粉土为主，土石比4∶6～5∶5，(块)石含量20%～30%不等，其直径一般2～30 cm，最大可达50 cm，碎石成份主要为石英砂岩、粉砂岩；土体主要成分为粉土，稍湿～很湿状态，结构松散．区内钻孔资料显示，陈家湾尾矿库不稳定边坡坡体覆盖层前部、后部较薄，约2～6 m，中部较厚，约6～10 m；南部区域中后部位置覆盖层厚度较其他位置覆盖层厚度大，约8～12 m．在南部区域中后部位置，坡体物质中的碎石含量较其他位置高而且颗粒大．由于坡体结构松散，力学性质低，粘土矿物含量高，遇集中降雨时，水入渗后，碎石土层被软化，构成软弱面，减少摩擦力和粘聚力，从而引起边坡土体下滑．一旦外部因素使得坡体坡体原始平衡的力学状态打破，坡体中空隙将会被压缩，这些覆盖层厚而且坡体物质松散位置的变形较其他位置更加的明显，这是在坡体南部位置存在大量裂缝及坡面发生沉降的原因之一．

3.3 地层岩性

陈家湾尾矿库不稳定边坡所在斜坡基岩为震旦系中统陡山陀组(Z2d)：由紫红色、青灰色厚-巨厚层状粉砂岩，薄-厚层石英砂岩互层或夹层组成．地层产状：17°～25°∠5°～15°，斜坡为斜顺坡结构．岩层内节理裂隙颇发育，发育的节理裂隙使岩体的完整性和连续性遭到较为严重的破坏．节理裂隙相互切割贯通，造成岩体内形成地下水通道，加剧了岩体的风化速度和风化深度．

3.4 集中降雨

降雨是诱发边坡灾害的主要动因之一[5]．据了解，陈家湾尾矿库不稳定边坡在发生变形前发生过3次强降雨，大量的雨水沿着坡表入渗，同时因为坡体结构松散，具备很好的渗透性能；覆盖层中粘土矿物含量高，遇集中降雨时，大量入渗的雨水将碎石土层软化，构成软弱面，减少摩擦力和粘聚力，同时未及时排除的雨水集聚还在坡体内部形成静水压力，从而引起边坡土体下滑[6]．

3.5 人类工程活动

陈家湾尾矿库不稳定边坡前缘尾矿库因为闭库需要开挖坡脚取土，在此处形成两级开挖边坡．最下一级边坡高15～18 m，坡度约40°，最大处可达45°，平台宽约6～7 m，上一级坡高约5～6 m，坡度约35°，最大可达45°．人类工程活动大肆的开挖坡脚改变了边坡坡脚处应力分布状况，随坡角变陡，坡面附近张力带范围也随之扩大和增强，成坡过程中，位移矢量里面趋势也变得更加明显；坡脚应力带最大剪应力值也随之增高，形成最大剪应力增高带[7]．坡面形态的改变，坡角增大为陈家湾尾矿库不稳定边坡发育提供了有利地形条件，同时打破了原来整个坡体平衡的力学状态，最终使得整个坡体产生变形破坏，这是此次陈家湾尾矿库不稳定边坡变形形成的最主要因素．

4 结 论

1)按照物质成分划分，陈家湾尾矿库不稳定边坡属土石混合体边坡．从陈家湾尾矿库不稳定边坡的变性特征及斜坡主要动力学来源来看，陈家湾尾矿库陈家湾尾矿库不稳定边坡具有“推移式”的特征．

2)陈家湾尾矿库陈家湾尾矿库不稳定边坡的变形主要集中在坡体南部区域，主要变形包括多达14条的地表裂缝及一处坡表沉降区，部分裂缝存在逐渐贯通的趋势，地表裂缝及挖方边坡坡脚构成陈家湾尾矿库不稳定边坡范围．

3)陈家湾尾矿库陈家湾尾矿库不稳定边坡的最终发生是多种作用相互作用的结果：坡体存在大量的地表裂缝，在强降雨等极端天气下，大量降雨沿地表裂缝逐渐入渗进入坡体内部，降低岩土的力学性质，甚至丧失，未及时排除的雨水集聚在坡体内部形成静水压力；地下水软弱层间软弱夹层；前缘切脚形成临空面等构成了陈家湾尾矿库不稳定边坡变形的主要因素．从斜坡的宏观变性特征进行分析发现，人工切脚前缘形成临空面及强降雨等极端天气是此次斜坡变形加剧的根本因素．

参考文献：

[1] 油新华，何 刚，李 晓．土石混合体边坡的细观处理技术[J]．水文地质工程地质，2003，30(1)：18-21．

[2] 陈新民，罗国煜，夏 佳．边坡稳定性类比评价的定量实现[J]．工程地质学报，2000，8(2)：244-248．

[3] Evans S G， Degraff J V． Catastrophic landslides ： effects， occurrence， and mechanisms[M]． Geological Society of America， 2002．

[4] 刘立鹏，于红杰，陈 奇．力学、几何参数对土质边坡稳定的敏感性分析[J]．岩土工程技术，2008，22(3)：123-126．

[5] 贺可强，陈为公，张 朋．蠕滑型边坡动态稳定性系数实时监测及其位移预警判据研究[J]．岩石力学与工程学报，2016，35(7)：1377-1385．

[6] 王 鸣，易 武．三峡库区杉树槽滑坡地质特征与成因机制分析[J]．三峡大学学报(自然科学版)，2015，37(5)：44-47．

[7] 张倬元，王士天，等．工程地质分析原理[M]．北京：地质出版社，1997．