陕南矿产资源开采区斜坡灾害失稳模式及影响因素分析*

李　培，范　文，梁　鑫，于国强，曹琰波，柴小庆，苏艳军

(1.长安大学 地质工程与测绘学院， 陕西 西安 710054；2.中国地质调查局西安地质调查中心，陕西 西安 710054)

2015年8月12日00:30，陕西省山阳县中村镇烟家沟村钒矿开采区发生大型山体滑坡，约105万m3的山体整体失稳下滑，造成64人死亡或失踪，给该地区人民群众的生命财产带来了重大损失[1-3]。灾害发生地位于我国重要的钒矿开采区，地处秦岭造山带，由于地质环境脆弱，加上受采矿活动影响，使得区内地质灾害频发[4-9]。因此，对该矿产资源开采区斜坡灾害的研究已迫在眉睫。

研究区经历了多次构造运动和变质作用，地质构造复杂、地形地貌陡峻，暴雨频率高，是地质灾害多发区和重灾区。学者们对此已进行了针对性的研究[8-17]。然而，以往的研究偏重于地质灾害的成因、危险性区划及防治对策研究，而对斜坡灾害失稳模式及其影响因素的研究较少。鉴于此，本文在遥感解译、无人机航拍及野外调查的基础上，开展了陕南钒矿开采区斜坡灾害的发育特征、失稳模式及其影响因素的研究，这对秦岭矿产资源开采区斜坡致灾机理的深入认识以及斜坡灾害防治具有重要意义。

1　地质环境条件

1.1　地理位置

研究区位于陕西省南部，是秦岭钒矿集中开采区，介110°02′～110°22′E，33°23′～33°25′N，隶属于商洛市山阳县。山阳县城西北距西安140 km，有高速公路相通，各乡镇有省道308连通，区内村与村之间均有简易公路相通，交通较为方便。

1.2　地形地貌

研究区属秦岭山系鹘岭山脉，属基岩中-低山侵蚀构造地形，发育石灰岩峰沟谷地貌，其地貌特征与基底构造形态和新构造运动有相关性。区内地质陡峻，植被发育，地形起伏较大，海拔一般800～1 300 m。区内沟谷发育，流水侵蚀强烈，主沟系主要以NS向展布，沟谷横断面多呈“V”字形。坡陡沟狭，水系发育，地形复杂，局部山体溶蚀发育，坡体受沟谷切割严重。地貌按其形态可划分为：中低山沟谷区和构造侵蚀中山区。由于受采矿活动影响，区内沟谷有大量矿渣堆积，高陡边坡、危岩陡壁发育。

1.3　地质构造及岩性

研究区位于南秦岭印支褶皱带白水江～白河褶皱束，南侧紧邻武当古隆起，在区域大的构造背景影响下，区内构造格局总体由近东西向的褶皱、断层构造组成。受这种构造格局的影响，岩体在多期的构造变形与变质作用下节理裂隙发育，这种构造背景为孕育斜坡灾害提供了有利的地质条件。新构造运动造成的间歇性差异升降运动导致了区内山地的上升，从而加剧了河谷的下切作用，为斜坡灾害的孕育发生提供了有利的地形条件。另外，由于受构造运动及剥蚀作用，区内地层发生倒转，震旦系灯影组白云岩覆盖于寒武系水沟口组硅质岩之上，造成钒矿开采区“上硬下软”的地层结构，为斜坡灾害的发生提供了有利的岩性条件。

区内三大类岩石均有分布，出露地层由老到新有震旦系、寒武系、奥陶系与志留系地层，其中寒武系水沟口组的硅质岩是主要的钒矿赋矿层。主要岩性为灰色、灰白色白云岩，灰黑色、暗紫红色硅质岩，黏土岩、板岩等软弱变质岩。

1.4　气候条件

研究区属亚热带向暖温带过渡的季风性半湿润山地气候，四季分明，冬季寒冷，夏季酷暑，春季温暖多风，秋季潮湿多雨。年平均气温13.1°，极端最高气温39.8°，极端最低气温-14.5°，年无霜期平均205 d，区内降雨量丰富，年降雨量约为700～900 mm，多年平均降雨量709 mm，最大降水量1 131.8 mm(1964年)，最小降水量473.2 mm(1978年)。其中，5-10月是主要降水期，7-9月为多雨季节，占全年降水量的50%以上。暴雨及长期连阴雨是诱发斜坡灾害的主要因素。

2　斜坡灾害失稳模式

野外调查结果显示，研究区共发育斜坡灾害29处，按失稳模式将其分为滑移-压致拉裂、滑移-剪切-拉裂和弯曲-倾倒破坏三类。

2.1　滑移—压致拉裂

(1)变形破坏机理。由于研究区内地层倒转，坚硬的白云岩覆盖于较软弱的黏土岩之上，造成斜坡地层“上硬下软”的岩性组合特征。在上覆岩体的重力作用下，斜坡坡体首先沿软弱岩层向坡前临空方向发生变形滑移，斜坡下部的变形程度要大于上部，越靠近软弱岩层变形程度越大，导致斜坡岩体中发生拉应力集中，产生与滑移面近似垂直的拉张裂隙，随着斜坡体的不断滑移，拉张裂隙不断向深部扩展。在降雨和采矿爆破等影响下，拉裂缝不断扩容增宽，坡体变形加剧，最终被剪断而发生滑坡(图1)。

(2)实例分析。研究区中的银花镇五色沟银华钒矿滑坡是这种变形失稳模式的典型实例。该滑坡位于山阳县银花镇，滑体长约100 m，宽约120 m，厚约15 m，主要岩性为灰色白云岩夹暗紫红色硅质岩，坡体后部及底部可见拉裂面。滑坡西侧为一深沟，南侧为一水库，坡体地层层理面倾向深沟方向，产状为0°∠55°。斜坡变形体受较软弱的硅质岩层理面控制，在坡体重力作用下向临空方向变形滑移，主滑方向为330°。由于坡体的变形滑移，导致坡体后缘及坡体产生多条拉裂缝，并产生错动。在降雨和采矿爆破等影响下，拉裂缝逐渐贯通，造成坡体前缘向沟谷方向滑动，并牵引后部坡体，最终导致滑坡的发生(图2)。

图1　滑移-压致拉裂失稳模式示意图

图2　滑移-压致拉裂失稳模式

2.2　滑移—剪切—拉裂

(1)变形破坏机理。研究区这类斜坡失稳模式主要发生于岩层倾向与坡向相近，坡角与岩层倾角也较为接近的顺向坡，其破坏机理是斜坡上部稳定岩体在重力作用下有沿着软弱层面向临空面方向变形滑移，一旦斜坡受到人类工程活动如采矿的影响或者坡前沟谷不断下切，导致稳定岩体在坡脚处越来越薄，软弱层面局部应力集中发生剪切屈服，剪切破裂面开始不断扩展，坡体有效阻滑面不断降低。随着剪切破裂面的不断扩展，易滑岩层中破裂面贯通，坡体前缘岩体剪切屈服发生破坏，形成剪出口。再加上软弱岩层的抗剪强度较小且遇水容易弱化，岩体在重力作用下极易发生突然滑动，后缘岩体随即拉裂破坏(图3)。

(2)实例分析。由于研究区多发育硅质岩、板岩及黏土岩，都是较软弱岩体，且区内顺向坡极为普遍，故该变形失稳模式广泛存在。如造成重大人员伤亡的山阳县中村镇烟家沟滑坡就是典型的滑移-剪切-拉裂破坏模式。该滑坡滑体长约550 m，宽约170 m，厚约30 m，滑移距离约600 m。主要岩性为上部白云岩，下部硅质岩夹黏土岩，由于地层倒转，形成典型的“上硬下软”二元结构，岩性产状为345°～20°∠43°～60°。坡体高陡，三面临空，平均坡度40°～45°，构成了滑坡不利的地形地貌条件。坡体内部发育一组有利于滑坡的优势结构面，产状275°∠66°，且贯通性良好，为滑坡提供了较好的滑动面。坡体上覆白云岩破碎岩体卸荷回弹变形，导致坡顶形成拉张应力区，出现后缘拉裂缝，在长期重力作用及岩溶、地下水影响下，坡体下滑力逐渐增加，导致后缘裂缝逐渐变大并向下贯通，致使上覆破碎岩体开始失稳下滑。随后裂缝沿着优势结构面扩展，形成滑裂面，当滑体在重力作用下发生剪切破坏后，发生整体滑动(图4)。

图3　滑移-剪切-拉裂失稳模式示意图

图4　山阳县中村镇烟家沟滑坡全貌

2.3　弯曲—倾倒

(1)变形破坏机理。该变形失稳模式主要发生在陡立的薄层岩体组成的斜坡中。陡倾层状岩体在自重弯矩的作用下，与斜坡前缘开始向临空方向做悬臂梁式弯曲，由外向内逐步发展。弯曲的层状岩体产生类似“书页”的层间错动，随着变形的增加产生拉裂缝，并且向临空一侧倾倒，同时岩体自重力矩也进一步增加，变形速率加快，最终导致岩体根部折断，发生倾倒破坏(图5)。

(2)实例分析。研究区中的双河乡钒矿滑坡是这种变形失稳模式的典型实例。该滑坡位于山阳县双河乡，滑体长约150 m，宽约100 m，厚约20 m，主要岩性为薄层状板岩，产状40°∠82°，表层风化严重，片理极为发育，由于采矿开挖，上覆岩体卸荷回弹变形，坡体在自重弯矩作用下，向临空方向发生弯曲。这种变形持续发展下去可能会发生滑塌甚至剪断破坏，是较为危险的斜坡变形失稳模式(图6)。

图5　弯曲-倾倒失稳模式示意图

图6　弯曲-倾倒失稳模式

3　斜坡灾害影响因素

斜坡灾害的影响因素很多，除坡向、坡度与坡形等基础性因子对灾害的发生、发展起着至关重要的作用外，地层岩性、岩层倾角、岩体结构、降雨与采矿活动等对斜坡灾害的孕育也有着十分重要的影响。

3.1　坡向

斜坡坡向与岩层倾向的空间组合形式，决定了斜坡的类型，对斜坡灾害的分布有着重要的影响[18]，根据斜坡坡向与岩层倾向的夹角θ，将研究区斜坡分为3种类型：顺向坡(θ≤30°)、斜向坡(30°<θ<150°)与反向坡(θ≥150°)。对斜坡灾害分布与斜坡类型进行统计分析(图7)，可见顺向坡明显更易于发生斜坡灾害，在调查发现的29处斜坡灾害中有18处发生于此类斜坡，占灾害总数的62%；有10处发育于斜向坡中，占灾害总数的34%；只有1处发育于反向坡。可见，顺向坡是斜坡灾害发育的“温床”。

图7　斜坡灾害坡向分布直方图

3.2　坡形

研究区内斜坡形态可分为凸形、平直形与凹形3种坡形。调查发现的29处斜坡灾害中有19处凸形坡，占灾害总数的65%；凹形坡灾害数量最少，仅占全区斜坡灾害的13%；平直形坡介于两者之间(图8)。这表明凸形坡更易发生斜坡灾害，因为该类斜坡坡体物源充分，临空面积大，使得坡体的水平应力减弱，拉张应力增大，不利于斜坡的稳定，而凹形坡使坡体水平应力增强，有利于斜坡稳定。

图8　斜坡灾害坡形分布直方图

图9　斜坡灾害坡度分布直方图

3.3　坡度

坡度是影响斜坡灾害发育的重要因素之一[19-20]，对滑坡发育具有较高的敏感性[21]，它不仅影响斜坡坡体的应力状态，而且对坡体物源规模、地表水径流、植被覆盖等起着重要的控制作用。根据研究区斜坡灾害发育特征，将坡度分为0°～20°，20°～30°，30°～40°, 40°～50°，50°～60°，60°～90°六个区间，并统计分析了各区间斜坡灾害发育情况(图9)。可见，斜坡灾害主要集中在30°～40°与40°～50°两个坡度区间，分别占灾害总数的34%和38%，然后依次为60°～90°，50°～60°，20°～30°，而在0°～20°区间没有斜坡灾害发生，这也映射出研究区地势陡峻，沟谷深切地形地貌特征。因此，30°～50°区间可称为研究区斜坡灾害的优势坡度。

3.4　岩性

研究区地层倒转，震旦系白云岩覆盖于寒武系硅质岩之上，出露地层岩性主要有白云岩、硅质岩、黏土岩等。斜坡灾害主要发育在白云岩和硅质岩中，其中白云岩中主要发育的是崩塌，硅质岩中则以滑坡居多。实际调查表明，硬岩地层中通常发生的是崩塌类型的灾害，而软岩或软硬互层斜坡中通常以滑坡居多。

3.5　岩层倾角

研究区地形起伏大，地势险恶，高山深谷错综复杂，这不仅在很大程度上决定了斜坡的坡度，也是斜坡体岩层倾角的主要控制因素。通过对研究区斜坡灾害分布与岩层倾角进行统计，得到灾害分布与岩层倾角的对应关系(图10)。可见68.97%的灾害分布在岩层倾角40°～60°的斜坡中。因此，40°～60°区间可称为研究区斜坡灾害的优势岩层倾角。

图10　斜坡灾害分布与岩层倾角的关系

图11　斜坡灾害分布与结构面夹角的关系

3.6　岩体结构

结构面的存在成为岩体失稳破坏的主要因素，而不同的结构面组合对岩质边坡的稳定性有着至关重要的影响[22]。研究区岩质边坡结构面极其发育，通过对斜坡灾害分布与岩体结构面组合进行统计，得到灾害分布与结构面夹角的对应关系(图11)。可见67%的灾害分布于70°～90°。因此，70°～90°区间可称为研究区斜坡灾害的优势结构面夹角。

3.7　降雨

降雨是诱发斜坡灾害的主要因素之一。调查统计分析表明，研究区年平均降雨量达709 mm，且主要集中在7-9月，研究区斜坡灾害多伴随着淋雨或暴雨，并呈现滞后效应。降雨对坡体稳定性的影响是巨大的，野外调查发现，大型滑坡如烟家沟滑坡的的形成与坡体入渗条件密切相关，一旦坡体形成贯通通道，大量雨水通过冲刷、剥蚀、溶蚀等对坡体结构造成破坏，并且降低岩土体的强度，极易形成斜坡灾害。

3.8　采矿活动

研究区是我国重要的钒矿开采区，采矿活动是造成斜坡灾害的一个重要诱因。研究区29处斜坡灾害几乎都与采矿活动有关。采矿而采取的开挖、爆破等活动，不仅改变斜坡形态，破坏坡体结构，而且会降低坡体岩土体强度，在一定程度上加剧或引发了斜坡地质灾害。

4　防治措施

针对研究区斜坡灾害的不同破坏模式、威胁对象、危害程度和不同的防治目的以及当地实际情况等，可采取多种防治方案，代表性的防治措施有以下几种。

(1)设立地质灾害危险警示牌

主要针对以下几种情况：具有一定危险性，且在近期没有相应治理措施的灾害点；灾害已发生，且继续存在危险性的灾害点；具有明显危险性，采取措施之前，尤其是在长期降雨等环境条件差的时期，容易发生失稳的灾害点；容易诱发灾害的斜坡地段。

(2)监测预警

针对采矿活动进行的边坡开挖、爆破等对斜坡变形破坏的影响，对斜坡变形迹象进行监测，同时将灾害隐患点威胁的对象和威胁区域纳入监测范围。定期巡视和汛期强化监测相结合，一般为半月或每月一次，大雨、暴雨或持续降雨应24 h不间断监测。一旦出现险情，及时上报，专业人员现场核实，确定危险程度后，组织人员疏散。

(3)搬迁避让

主要适用于以下情况：① 威胁对象为分散农户或村落；② 搬迁费用远低于治理费用；③ 治理技术难度大，治理效果不理想；④ 灾害点稳定性差，短期内不能实施工程治理；⑤ 搬迁后灾害点不对交通、农田及其他工程设施产生较大影响。

(4)工程治理

主要的工程治理措施有：① 削坡减载，将陡倾的边坡上部的岩体挖除，一部分使边坡变缓，同时也可使滑体重量减轻，以达到稳定的目的；② 支挡建筑，在不稳定坡体下部修建挡墙；③ 钢筋混凝土抗滑桩，加固岩体边坡和不稳定岩块；④ 防渗和排水。

5　结论

基于上述研究，可得如下结论。

(1)研究区的地形地貌、地质构造、地层岩性及气象条件等为斜坡灾害的孕育提供了有利的地质环境条件。

(2)研究区共发现29处斜坡灾害，按失稳模式可分为滑移-压致拉裂、滑移-剪切-拉裂与弯曲-倾倒3类。基于统计分析，研究了坡向、坡形、坡度、地层岩性、岩层倾角、岩体结构、降雨及采矿活动对斜坡灾害稳定性的影响，并揭示了各影响因子的优势度。

(3)结合研究区斜坡灾害失稳模式及各影响因素，提出了一系列预防与防治措施，为矿区防灾减灾工作提供参考。