湖北宜昌鹽池河滑坡成因機(jī)理分析*

李騰飛　陳洪濤　王瑞青

(中交公路規(guī)劃設(shè)計院有限公司　北京　100088)

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湖北宜昌鹽池河滑坡成因機(jī)理分析*

李騰飛陳洪濤王瑞青

(中交公路規(guī)劃設(shè)計院有限公司北京100088)

1980年6月3日湖北宜昌鹽池河發(fā)生大規(guī)模山體滑坡地質(zhì)災(zāi)害，滑坡體總體積約130×104m3，導(dǎo)致284人死亡。通過現(xiàn)場調(diào)查和分析后認(rèn)為，地下采礦是鹽池河滑坡的重要原因。針對已有對鹽池河滑坡研究中存在不足，考慮到隨機(jī)介質(zhì)理論在巖層移動變形分析中的應(yīng)用，采用隨機(jī)介質(zhì)理論方法對地下采礦作用下鹽池河滑坡體移動變形規(guī)律進(jìn)行研究。并結(jié)合邊坡穩(wěn)定性分析和數(shù)值模擬方法，對采動作用下坡體移動變形規(guī)律進(jìn)行分析、驗證。結(jié)果表明，采礦誘發(fā)的坡體不均勻沉降是鹽池河滑坡的重要原因。采動變形導(dǎo)致山體中Ⅰ號裂縫形成、擴(kuò)展，降低了山體內(nèi)側(cè)對滑動山體的側(cè)向阻滑作用，并加劇地表降雨入滲趨勢，導(dǎo)致滑帶力學(xué)參數(shù)劣化，最終導(dǎo)致坡體失穩(wěn)。

鹽池河滑坡地下采礦隨機(jī)介質(zhì)理論機(jī)理分析

0　引　言

隨著人類地下采礦活動增加，由此引發(fā)的山體滑坡自然災(zāi)害等也時有發(fā)生，典型案例如發(fā)生在湖北的宜昌鹽池河滑坡(姚寶魁等，1988)。該滑坡災(zāi)害發(fā)生于1980年6月3日，滑坡總體積超過1.3×106m3，滑坡體從高差約200m的陡崖垮落，形成面積約500m×478m堆積區(qū)并阻塞下方河道，最大堆積厚度近40m?；麓輾г摿椎V整個工礦區(qū)，導(dǎo)致284人死亡和2500萬元財產(chǎn)損失，并誘發(fā)1.6級地震(黃潤秋，2007；連志鵬等，2013)。

鹽池河滑坡位于黃陵背斜東北翼，區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造為單斜構(gòu)造，巖層走向總體上呈南北走向，傾向東，巖層傾角近水平約14°，地層巖性為中、厚層塊狀白云巖。受構(gòu)造、地下采礦等作用影響，山體發(fā)育4組主要結(jié)構(gòu)面，幾組陡傾構(gòu)造結(jié)構(gòu)面和巖體中夾含的若干軟弱夾層、巖層面一起，把山體巖體切割呈“積木塊”狀。發(fā)生滑動的斜坡上部近于直立，坡向朝北，東、西兩側(cè)也為臨空面，坡體整體上三面臨空(李騰飛，2014)。

鹽池河磷礦區(qū)建于1969年，自1978年冬開始上方陡崖多次發(fā)生小規(guī)模落石和崩塌，1979年7月大規(guī)模爆破房間礦柱后，陡崖處陸續(xù)出現(xiàn)10條地表裂縫，并逐漸發(fā)生變形。1980年6月2～3日，山體內(nèi)側(cè)Ⅰ號裂縫下沉位移速度達(dá)1m·d-1以上，前緣不斷發(fā)生落石和小型崩滑，山體最終發(fā)生整體性滑坡。磷礦層(開采厚度為2m)賦存在滑坡山體下部，礦體產(chǎn)狀近水平分布，與巖層產(chǎn)狀一致，埋深約300m。截至山體滑坡發(fā)生時，地下累計采空區(qū)面積達(dá)6.4×104m2。

圖1　宜昌鹽池河滑坡Fig.1　The Yanchihe landslide in Yichang city

圖2　主要結(jié)構(gòu)面和地層、坡面空間關(guān)系Fig.2　The spatial relationships of joint sets，sratum and slope surface

針對鹽池河滑坡的失穩(wěn)機(jī)理，姚寶魁等(1988)采用有限元方法進(jìn)行過分析，主要研究由于地下開采引起的山體內(nèi)的應(yīng)力狀態(tài)變化，結(jié)果表明采礦引起的拉應(yīng)力及其導(dǎo)致山體裂縫產(chǎn)生是坡體失穩(wěn)的主要原因。連志鵬等(2013)以磷礦采礦深厚比(H/M)為評價依據(jù)，采用GIS方法對磷礦采空區(qū)穩(wěn)定性進(jìn)行評價。已有研究拓寬了對鹽池河滑坡失穩(wěn)機(jī)理的認(rèn)識，但對磷礦采礦如何影響坡體穩(wěn)定的分析還不夠詳細(xì)。本文以鹽池河滑坡為例，在現(xiàn)場調(diào)查的基礎(chǔ)上，從地下采礦引起上覆山體移動變形的角度，通過隨機(jī)介質(zhì)理論分析和數(shù)值模擬，對鹽池河滑坡的成因機(jī)理進(jìn)行深入分析，總結(jié)地下采礦條件下山體的移動變形規(guī)律，為我國西南地區(qū)類似滑坡的研究和科學(xué)減災(zāi)提供科學(xué)經(jīng)驗和理論依據(jù)。

1　采動山體移動機(jī)理研究

研究手段采用隨機(jī)介質(zhì)理論方法，該方法由波蘭學(xué)者李特維尼申(Litwinszyn，1957)建立，目的是計算地表移動，我國學(xué)者劉寶琛等(劉寶琛等，1965)將其應(yīng)用于“三下”開采評價中。該方法主要優(yōu)勢在于構(gòu)建起地下采礦與上覆巖體變形之間的聯(lián)系。認(rèn)為地下采礦引起的上覆巖體移動變形，由單元體開采引起的巖體內(nèi)部單元下沉曲線(何國清等，1994；胡斌等，2012)累積組成。地下開采下沉和水平移動變形的公式如下：

(1)

(2)

(3)

公式中，m為礦層開采厚度(m)；k為下沉系數(shù)；s為積分變量，為開采坐標(biāo)；Ha為最小開采深度(m)；α為計算剖面的礦層傾角(°)；θ為地下開采影響傳播角(°)。

圖3　鹽池河滑坡堆積區(qū)Fig.3　The Yanchihe landslide area1.地下采空區(qū)界限；2.分段號；3.采礦及放頂日期；4.裂縫編號及其生產(chǎn)的日期；5.崩坍山體界限；6.崩坍物堆積范圍

對于鹽池河滑坡體，隨機(jī)介質(zhì)理論方法的適用性體現(xiàn)為：基于山體千米尺寸，考慮兩組近于正交的陡傾結(jié)構(gòu)面和近水平層面的影響(圖2)。塊狀巖體結(jié)構(gòu)在一定程度上可認(rèn)為是均質(zhì)的松散介質(zhì)，這與該方法的假設(shè)條件是相吻合的。

為簡化分析，兩個剖面滑動方向AA′和崩塌剖面BB′地下采礦都按照4個開采步長(step)，礦柱寬度設(shè)置為8m(根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查)，斜坡下磷礦層厚度平均約2.5m。

表1　計算參數(shù)

Table 1　The calculation parameters

分析剖面Section采礦步長step/m礦層厚度m/m最小開采深度Ha/m巖層視傾角α/(°)AA'BB'87.3955.52.52.529.4965912.830剖面Section水平移動系數(shù)B(z)地表下沉系數(shù)k主要影響角β(z)/(°)影響傳播角θ/(°)AA'BB'—0.40.650.6557578090

1.1滑動方向移動分析

圖4為山體滑動方向剖面圖，分4布開采。數(shù)據(jù)記錄點(diǎn)1-5沉降變形(圖5)。分析可知，數(shù)據(jù)記錄點(diǎn)垂直沉降最大值出現(xiàn)在最靠近采空區(qū)的5點(diǎn)，最大沉降值到達(dá)0.9m。特別是后兩步開采完成后沉降值急劇增加，這主要是因為后兩步開采位于變形坡體正下方。采動變形導(dǎo)致AA′剖面的巖層面傾角降低，減緩了坡體的下滑趨勢。

圖4　山體滑動方向剖面Fig.4　The section of landslide direction

圖5　山體滑動方向數(shù)據(jù)點(diǎn)沉降變形Fig.5　The settlements of data point landslide direction section

圖6　山體崩塌方向剖面Fig.6　The section of collapse direction

圖7　山體崩塌方向數(shù)據(jù)點(diǎn)沉降變形Fig.7　The settlements of data points in collapse direction section

圖8　山體崩塌方向數(shù)據(jù)點(diǎn)水平移動Fig.8　The horizontal deformation of data points in collapse direction section

1.2崩塌方向移動分析

圖6為山體崩塌方向剖面圖。由圖7分析可知，地下開采作用導(dǎo)致的外側(cè)變形沉降趨勢更明顯。坡體內(nèi)外側(cè)采動沉降差異，導(dǎo)致鹽池河山體表現(xiàn)出向外側(cè)崩塌變形的趨勢。山體內(nèi)側(cè)分布Ⅰ號裂縫，其所在位置數(shù)據(jù)點(diǎn)1-5水平移動情況(圖8)，坡頂?shù)乃阶冃沃底畲?，這說明坡體水平移動導(dǎo)致山體產(chǎn)生張拉作用，這與實際山體中內(nèi)側(cè)Ⅰ號裂縫相吻合。

綜上所述，地下開采誘發(fā)的山體變形導(dǎo)致山體內(nèi)側(cè)Ⅰ號裂縫形成，使得潛在滑坡體實際上被切割呈四面臨空的狀態(tài)。

對于鹽池河滑坡體穩(wěn)定性的影響，地下采礦主要體現(xiàn)在以下幾個方面。作用①：走向NW66°剖面即AA′剖面采動變形使得巖層面傾角降低，最大沉降差值達(dá)0.54m，導(dǎo)致滑動面角度降低0.28°，這反而對坡體穩(wěn)定有利。作用②：走向NS 剖面即BB′剖面采動變形使得山體南側(cè)Ⅰ號裂縫產(chǎn)生，導(dǎo)致滑坡體處于實際上的“四面臨空”狀態(tài)，減弱了山體內(nèi)側(cè)巖體對滑動體的側(cè)向阻擋，對坡體穩(wěn)定不利。作用③：內(nèi)側(cè)Ⅰ號張拉裂縫產(chǎn)生，客觀上加劇了降雨入滲作用。而降雨入滲導(dǎo)致滑帶軟化則直接降低了坡體的穩(wěn)定性。

2　邊坡穩(wěn)定性分析

根據(jù)上述分析，斜坡體存在東側(cè)、北側(cè)和西側(cè)三面臨空的地形條件，內(nèi)側(cè)即南側(cè)Ⅰ號裂縫產(chǎn)生，組合作用下斜坡體實際上表現(xiàn)為四面臨空，滑坡體此時與斜面體系類似。影響斜面體系穩(wěn)定有以下兩個原因：斜面角度和斜面力學(xué)參數(shù)，這兩個原因恰與上述地下采礦影響作用①和作用③向?qū)?yīng)。將斜坡體簡化為斜面體系，作用①和作用③所引起采動山體安全系數(shù)變化程度即為其影響。

表2　采動影響分析

Table 2　The analysis of undermining influence

影響作用作用①作用②作用③表現(xiàn)形式降低滑動面傾角Ⅰ號裂縫產(chǎn)生→降低山體內(nèi)側(cè)阻滑力Ⅰ號裂縫產(chǎn)生→降雨入滲滑帶劣化對坡體穩(wěn)定影響有利不利不利

對于鹽池河滑坡體，地下采礦作用誘發(fā)的不均勻?qū)е翧A′剖面不均勻沉降，最大沉降值達(dá)0.54m，從而使視傾角由11.94°變?yōu)?1.70°，進(jìn)而導(dǎo)致對應(yīng)的真傾角(滑動方向角)由14°變?yōu)?3.72°，坡體安全系數(shù)提高1.9%，即地下采礦影響作用①對山體穩(wěn)定的有利影響。

地下采礦影響作用③具體體現(xiàn)為滑帶遇水前后力學(xué)性質(zhì)參數(shù)的變化。內(nèi)側(cè)Ⅰ號裂縫擴(kuò)張導(dǎo)致的滑帶遇水飽和后的滑坡體安全系數(shù)降低17%，即地下采礦影響作用③對山體穩(wěn)定的不利影響。

3　數(shù)值模擬分析

對鹽池河采動滑坡體進(jìn)行數(shù)值模擬分析，采用基于連續(xù)介質(zhì)離散元分析，該方法理論依據(jù)是動態(tài)松弛法求解。結(jié)合現(xiàn)場調(diào)查，確定模型大小和采空區(qū)位置，共39.4萬單元。根據(jù)實際沿中央斜井自西向東開采情況，模型中斜井的兩側(cè)位置設(shè)置5m寬的安全礦柱，礦房也按每隔4m的間距設(shè)置3m×5m礦柱。根據(jù)實際調(diào)查，模型中地下采礦層厚度為3m，全部21個采空區(qū)簡化為3步完成開采，按照第1步A1(1～7)→第2步A2(8～16)→第3步A3(17～21)的順序累計開采。在模型中設(shè)置了若干數(shù)據(jù)記錄點(diǎn)，以便于分析地下采礦作用對山體模型的影響。

圖9　鹽池河斜坡地質(zhì)模型Fig.9　The geological model of Yanchihe landslide

圖10　模型中開采順序Fig.10　The mining sequence in the geological model

圖11　開采完成后坡體失穩(wěn)情況(放大5倍)Fig.11　The undermining-induced landslide(×5)

圖12　滑帶沉降變形Fig.12　The settlements of slip zone

鹽池河滑坡體表現(xiàn)為整體滑動特征，失穩(wěn)前坡體前緣不斷發(fā)生滾石和小型崩塌。圖11 為地下采礦后坡體的移動變形情況，分析可知隨地下采礦的不斷推進(jìn)，原山體內(nèi)側(cè)裂縫逐漸擴(kuò)張，陡崖外側(cè)變形破壞增加，形成整體破壞。

采礦作用下滑坡體底面軟弱層帶沉降變形(圖12)，隨開采面積增加，沉降變形不斷增加，靠近陡崖外側(cè)沉降量最大，最外側(cè)沉降接近1m。圖13為地下采礦作用下滑坡體內(nèi)側(cè)裂縫水平移動變形，靠近山頂處水平變形最大。

圖13　內(nèi)側(cè)裂縫水平移動變形Fig.13　The horizontal deformation of inside crack

4　結(jié)　論

針對鹽池河滑坡體的失穩(wěn)機(jī)制，分別采用隨機(jī)介質(zhì)理論方法和數(shù)值模擬進(jìn)行分析。雖然隨機(jī)介質(zhì)方法和數(shù)值計算得出的采動變形量有所不同，但兩種方法得出的坡體移動變形規(guī)律是相同的。地下開采磷礦誘發(fā)上覆巖層發(fā)生不均勻沉降，導(dǎo)致山體有向外側(cè)發(fā)生傾倒的趨勢，這也與原山體中Ⅰ號裂縫形成、擴(kuò)展相吻合。采動作用下坡體內(nèi)側(cè)Ⅰ號裂縫逐漸擴(kuò)張的直接結(jié)果是減少了山體內(nèi)側(cè)對滑動山體的側(cè)向阻滑作用，會對坡體穩(wěn)定性產(chǎn)生不利影響。坡體內(nèi)側(cè)Ⅰ號裂縫逐漸擴(kuò)張的間接結(jié)果則是加劇了地表降雨入滲趨勢，從而導(dǎo)致滑帶力學(xué)參數(shù)的劣化，進(jìn)一步降低坡體的安全系數(shù)。

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FORMATION MECHANISM OF YANCHIHE LANDSLIDE IN YICHANG CITY，HUBEI PROVINCE

LI TengfeiCHEN HongtaoWANG Ruiqing

(CCCC Highway Consultants CO.，Ltd.，Beijing100088)

A large scale of landslide disaster occurred on June 3，1980 at Yanchihe in Yichang city of Hubei province.Its volume is 130×104m3.The landslide killed 284 people.Based on the site investigation and analysis，underground mining is an important reason of Yanchihe landslide.Considering the limitations of previous research，and the paper uses the stochastic medium theory that has been used widely in ground surface movement and deformation in diggings.The slope movement and deformation principle resulted from underground mining are illuminated with the stochastic medium theory.Combined with slope stability analysis and numerical simulation，deformation of slope movement induced by underground mining is analysed and verified.The conclusions are as follow：The underground mining caused differential settlements.The underground mining deformation exacerbated the formation of crack inside the slope，providing a channel for rainfall infiltration.Rainfall infiltration in crack caused the slip zone softening，causing the landslide．

Yanchihe landslide，Underground mining，Stochastic medium theory，F(xiàn)ormation analysis

10.13544/j.cnki.jeg.2016.04.012

2015-07-11;

2015-12-31.

李騰飛(1985-)，男，博士，工程師.主要從事高速公路工程地質(zhì)和路基路面方面的研究.Email: Robustfei@126.comcn

P642.22

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