兴仁市复杂采动边坡变形机理及防治对策

李 冲，杨 斌，张晓涛

（中国煤炭地质总局 第三水文地质队，河北 邯郸 056001）

0 引 言

兴仁市地处贵州省西南部的斜坡地带，属典型喀斯特地貌区，地质构造复杂，降雨集中，为贵州省地质灾害易发区域。区内峰丛、洼地、溶斗、溶洞发育，碎屑岩地层在逆向坡地带易形成陡崖、陡坡，在煤矿开采区，受采动影响，边坡地带容易下沉，造成滑坡地质灾害[1]。

本文研究的老鹰山边坡位于贵州省兴仁市潘家庄镇鸡场坪村白马山组西南侧，距离白马山村民组直线距离580 m，距离韦家寨组直线距离760 m，是典型的内外因共同作用形成的潜在地质灾害点。其为中山斜坡地貌，下伏软质基岩，山体中下部含多层可采煤层，在下部煤层被开采后因采空区垮落、下降形成采动边坡，坡面在采空区地表移动边界角附近出现张拉错台裂缝[2]，在长期降雨的外因作用下，边坡形成潜在滑移隐患，危及附近村民生命财产安全。本文通过对老鹰山采动边坡变形机理的分析研究，对潜在滑坡稳定性进行评价并预测滑坡失稳影响范围，提出针对性的防治对策，为后续勘查、设计和治理工作提供参考。

1 研究区概况

1.1 地质条件

研究区地势总体为北西高南东低，最大相对高差为567.50 m，出露的地层由老至新主要为二叠系上统龙潭组(P2l)、三叠系下统飞仙关组(T1f)及第四系(Q)。龙潭组为本区含煤地层，含煤层18～24层。区内出露及下伏岩性主要为软质岩，受采空区垮塌影响，上覆顶板下沉导致坡体岩石垂直节理裂面混乱[3]。

1.2 水文地质条件

区内基岩裂隙水主要赋存于下伏粉砂岩、泥岩、灰岩节理裂隙中，靠大气降水补给，以岩土接触面和节理裂隙为排泄通道，最终向潜在滑坡前缘低洼处及采空区排泄。据了解，下部11501、1152、1151、11701、1171等采空区，枯水季排水量约12 m3/d，汛期排水量约28 m3/d。

第四系松散孔隙水主要赋存地表覆盖碎石土、含碎石粘土、粉质粘土的松散孔隙中，接受大气降水补给后下渗至岩土接触面、岩石节理裂隙中，最终排泄到潜在滑坡前缘低洼处。

2 潜在滑坡特征

2.1 边界特征

潜在滑坡后缘高程1 846 m，前缘高程1 410 m，滑坡前缘斜坡坡度30°，中部呈台阶状缓斜坡，上部因临崖，横坡较陡[4]，形态上陡—中缓—下陡，如图1所示。潜在滑坡前缘为已开采的M7号煤层露头斜坡临空面，宽280 m，滑坡后缘位于L1与L2之间的山间鞍部，右侧缘为小路附近，左侧缘为裂缝L4附近，如图2所示。由于目前未形成连续贯通滑动面，除后缘边界特征明显外，其余边界均不明显。

图1 潜在滑坡体全貌照片Fig.1 Aphoto of potential landslide body

图2 坡面张拉裂缝照片Fig.2 Aphoto of tension fissures of side slope surface

2.2 形态规模

潜在滑坡平面形态近似“椭圆形”，纵长860 m，平均宽度365 m，平均厚度约120 m，体积约3 795×104m3，主滑方向90°，为一潜在特大型牵引式基岩滑坡。

2.3 岩土体结构特征

潜在滑体为第四系粘土、崩塌堆积体及下伏薄至中厚层泥岩、泥砂岩、砂岩、灰岩等。厚度35～190 m不等。由于滑面尚未形成，通过MidasGTSNX软件模拟分析，滑面为采空区地表移动边界角附近及采空区垮落断裂带边界附近，如图3所示。滑床为二叠系龙潭组至三叠系飞仙关组泥岩、泥砂岩、砂岩、灰岩等，及采空区垮塌堆积体。

图3 边坡特征分析图Fig.3 The side slope feature analysis

3 潜在滑坡变形机理

3.1 影响因素

3.1.1 内在因素

（1）形态特征。边坡坡面中上陡，中下缓，呈折线形台阶状，地形坡度15°～34°，局部陡坎50°～65°，为滑坡滑动变形提供了空间几何条件和临空条件。

（2）岩土组合特征。潜在滑体主要由泥岩、砂岩、泥砂岩层组成，易风化，出露及下伏岩性主要为软质岩，遇水易泥滑、软化，抗剪强度将进一步降低。

3.1.2 外在因素

（1）大气降雨。本区降水充沛而且集中，强降雨为滑坡滑动变形提供了强力的动力条件[5]。

（2）人类工程活动因素。主要是下伏煤层的开采，破坏了山体的应力平衡状态。另外边坡前缘的整个斜坡上，分布大量的旱地与水田，附近村民长期耕种致使表层土体较为疏松，增加了大气降雨的入渗速度和入渗量。

3.2 变形破坏特征

3.2.1 采空区对潜在滑坡的影响分析

山体斜坡受采空区垮落、下沉影响，形成采动边坡。边坡出露及下伏为软硬互层状结构岩体，层1 800 1 700 1 600 1 400 1 500 1 400 1 300间结合力较差，易于沿层面滑动。采空区上覆岩体垮落，引起地面沉降，采空区移动变形涉及到地表形成地面裂缝。斜坡的地表移动边界角β取60°，其垮落断裂带、剪切下沉区、挤压下沉区、臌胀隆起区范围如图4所示。

图4 采空区边坡移动分区示意Fig.4 Schematic diagram of the moving zones of the goaf side slope

采空区失稳对潜在滑坡体的影响主要有以下3个方面：①采空区顶板塌落引起左侧山体向着采空区移动，使采空区上覆山体受压，坡面横向因受压形成张裂缝[6]；②采空区顶板垮落，上覆山体由于重力作用向下错动，使斜坡体向着临空面移动，从而导致临崖附近发生崩塌、坍塌现象，滑坡侧边界受拉应力集中产生拉裂缝，一旦侧边界裂缝与后缘拉裂缝贯通，滑坡体便会因重力作用向临空面滑动；③岩体节理裂隙发育，利于地表水下渗，降低了斜坡的抗滑能力，在地表水长期下渗作用下，坡体自重增大，岩体抗剪强度降低，易导致采动坡体发生滑移。

3.2.2 变形发展阶段判定

采动边坡向滑坡的发展演化过程分为后缘拉裂阶段、“阶梯状”蠕滑拉裂至剪切变形阶段、滑面贯通阶段、滑坡整体破坏阶段这个4个阶段。该潜在滑坡坡面已形成了4条主要张拉裂缝（L1、L2、L3、L4），说明第1阶段已经形成，目前处于第2～3阶段。

3.3 成因分析

该潜在滑坡是在不利原始斜坡形态组合及不利岩土物质组合特征等内在因素背景下，因煤炭资源开采、采空区垮落、下沉形成采动边坡，人类工程活动在一定程度上改变了原始斜坡形态，加上长年降雨动力作用下，坡体形成潜在滑动变形。

4 稳定性评价及影响范围预测

4.1 潜在滑坡稳定性评价

通过走访调查，该边坡于2017年7至今无大的变形破坏。根据自然资源部门2020年9月9日至2021年12月3日的监测数据，边坡体处于缓慢水平位移与缓慢垂直位移状态，位移量与降雨量相关，主要集中在9月至12月。该边坡处于欠稳定—基本稳定状态。目前滑坡体并未产生整体的下滑，但后续存在加速下滑的可能性。

4.2 潜在滑坡失稳影响范围预测

关于滑坡滑移距离的预测，目前没有相关规范[7]，此次采用下面3个预测模型计算。

模型1：基于前后缘高程的经验公式方法（国内经验统计公式）。

式中：S为滑距，m；H1为滑坡后缘高程，m；H2为滑坡前缘高程，m。

模型2：基于滑坡体积的模型（Scheidegger公式）。

式中：H为滑体垂直滑落高度（滑坡前后缘高差），m；L为水平滑移距离，m；V为滑动体的体积，m。

模型3：基于滑坡物理力学参数的模型。

式中：L为滑坡体最大水平滑移距离，m；△H为滑坡前、后缘高差，m；n为滑坡滑出条件系数，根据已发生的马达岭滑坡反演取0.5；φ为内摩擦角，（°）。

经计算，坡体整体失稳后，水平运动最大距离约770 m，滑坡失稳影响范围如图5所示。潜在滑坡堆积体堆积范围将主要集中于前缘宽缓冲沟的平缓地带，该地带主要为耕地，稳定性较差，发生滑坡时，滑体在高速差异滑移和相互碰撞作用下，将沿着斜坡带形成碎屑流，并在暴雨的情况下产生泥石流，最终运动堆积至坡脚平缓区域，将直接威胁鸡场坪村韦家寨组居民。滑体后缘部分滑体有可能沿北东侧山沟形成碎屑流，并在暴雨的情况下产生泥石流，间接威胁鸡场坪村白马山组。

图5 滑坡失稳影响范围Fig.5 The impact range of landslide instability

5 防治对策

5.1 非工程防治措施

作好长期监测工作，增设深部位移监测工作及地下水动态监测工作，并设置警戒范围[8]。监测部门相关人员应随时关注地表裂缝、深部位移变形情况及地下水动态情况，提高防患意识。若遇变形加剧时，应该及时通知危险区域内人员进行搬迁避让。

5.2 工程治理措施

工程治理建议采用“消方减载+截排水沟、排水廊道或打排水孔+格构梁+锚杆（锚索）+坡面绿化+修筑挡土墙+注浆固结”的综合措施。

（1）导水排水。分为坡表导水和坡体排水两部分，即在斜坡和斜坡周边设置沟渠和管道等，拦截地表水，减少其下渗量；坡体内部除利用采空区自然排水外，可修筑排水廊道或打排水孔，疏导地下水[9]。

（2）消方减载+注浆固结。由于前缘缺少固脚反压条件，建议采取消方减载措施，预计消方减载方量约1 200×104m3，同时对潜在滑面附近岩体进行注浆固结，增加岩体抗剪强度，之后对坡面进行绿化防护。

（3）修筑挡土墙。消方减载后，坡体总体稳定，但原坍塌堆积体有溜坍现象，遇强降雨极端天气易形成泥石流。因此需在坍塌堆积体前缘修筑挡土墙，能一定程度上减轻可能发生的地质灾害的破坏性[10]。

6 结 论

（1）兴仁市潘家庄镇鸡场坪村老鹰山采动边坡，坡顶已形成连续张拉裂缝，为潜在特大型牵引式基岩滑坡，目前处于“阶梯状”蠕滑拉裂至剪切变形阶段与滑面贯通阶段。

（2）该边坡横坡较陡、采空区垮落及坡体软质岩土组合特征是滑坡形成的物质基础条件，边坡形态特征为滑坡滑动提供了空间几何条件和临空条件；区域内降雨量大，持续时间长，形成滑坡产生的动力条件。目前滑坡整体趋于基本稳定—稳定状态，但非正常工况下，边坡整体趋于欠稳定状态。如今后地表水长期下渗，潜在滑移面持续软化，遇到大暴雨及长时间暴雨时，滑坡稳定性将进一步下降，极有可能产生大面积的整体滑移。

（3）对该滑坡点工程治理方案可以考虑“消方减载+截排水沟、排水廊道或打排水孔+格构梁+锚杆（锚索）+坡面绿化+修筑挡土墙+注浆固结”的综合治理措施巷；非工程治理方案为“主动避让”。若进行工程治理需进一步加大勘查力度。