林 杰

(貴州大學(xué) 國土資源部喀斯特環(huán)境與地質(zhì)災(zāi)害重點(diǎn)實(shí)驗室，貴陽 550025)

1 概 述

尖山營不穩(wěn)定斜坡位于貴州省六盤水市發(fā)耳鎮(zhèn)西側(cè)尖山營至范家沙壩陡崖斜坡地帶，屬于構(gòu)造侵蝕而成的低中山至中低山地貌。斜坡北東面與南面臨空，以山脊線為分界線，平面上呈大角度的V型，陡崖斜坡地帶分布范圍0.20 km2，陡崖長度約1 300 m，寬約150 m，最高點(diǎn)為1 526 m。尖山營不穩(wěn)定斜坡是發(fā)育在采空區(qū)上的滑坡與崩塌共存的復(fù)合型地質(zhì)災(zāi)害，地層巖性軟硬相間，但總體來說也是上硬下軟。目前，國內(nèi)對于單個滑坡或是崩塌災(zāi)害的研究取得的成果豐碩，但對于滑坡與崩塌復(fù)合的地質(zhì)災(zāi)害的研究較少[1]。本文以六盤水尖山營不穩(wěn)定斜坡為例子，對復(fù)合型地質(zhì)災(zāi)害的地形地貌特征、影響因素、形成演化機(jī)理進(jìn)行研究，取得的成果對采空區(qū)發(fā)育的滑坡與崩塌符合型的地質(zhì)災(zāi)害的評估與防治有一定的理論意義與工程意義。

2 地質(zhì)背景

水城縣發(fā)耳鎮(zhèn)尖山營地質(zhì)災(zāi)害位于水城縣南部發(fā)耳鎮(zhèn)發(fā)耳煤礦三采區(qū)范圍內(nèi)尖山營至范家沙壩一帶，行政轄區(qū)屬六盤水市水城縣發(fā)耳鎮(zhèn)管轄，北至水城70 km，南至盤縣119 km。水(城)-盤(縣)高速公路及水(城)-柏(果)鐵路從評估區(qū)南東側(cè)通過。評估區(qū)內(nèi)有鄉(xiāng)村公路相通，交通條件較為方便。采空區(qū)崩塌中心地理坐標(biāo)為：E104°44′11″，N24°18′30″[1]。歷年日最高氣溫為32℃,日最低氣溫為-6.3℃，歷年平均氣溫15.8℃。年平均降雨量為1 027.2 mm。

研究區(qū)位于珠江流域北盤江水系上游一級支流灣河上游補(bǔ)給區(qū)。區(qū)內(nèi)主要地表水體有北盤江及其支流灣河、河壩小溪等。北盤江：為研究區(qū)內(nèi)最大的地表水系，自北向南橫穿評估區(qū)，研究區(qū)內(nèi)長約5.5 km, 比降5‰左右，河谷不對稱，階地不發(fā)育。最大洪流量1 500 m3/s最小流量8.55 m3/s，年平均流量為127.96 m3/s。灣河：發(fā)源于研究區(qū)東部玄武巖地層，流向西，在仙人橋附近匯入北盤江，途中切割含煤地層及飛仙關(guān)組，評估區(qū)內(nèi)長約9.6 km，比降約1%。河床局部地段發(fā)育一級階地；流量受降雨控制。在灣河斷面測得最大流量2 754.17 L/S，最小流量11.51 L/S。河壩小溪：位于研究區(qū)西部南邊緣注入北盤江，規(guī)模較灣河小，沿河谷兩側(cè)均發(fā)育有V型沖溝，沖溝與河谷在平面上呈樹枝狀。其流量受降雨嚴(yán)格控制，季節(jié)性變化明顯。

研究區(qū)地層從上至下依次是第四系(Q)松散堆積物主要是崩積物和坡積物；三疊系下統(tǒng)飛仙關(guān)組(T1f)組粉砂質(zhì)泥巖、粉砂巖、砂巖、泥巖等互層的半堅硬工程地質(zhì)巖組，巖體完整性一般，含少量裂隙水。節(jié)理裂隙發(fā)育，主要有四組陡傾的優(yōu)勢節(jié)理，①165°∠64°；②92°∠75°；③54°∠86°；④123°∠63°。節(jié)理面多平直粗糙，少數(shù)近地表部位稍有張開，并充填次生泥；二疊系上統(tǒng)龍?zhí)督M(P3l)灰-深灰色粉砂巖、細(xì)砂巖、泥巖及煤組成，屬軟質(zhì)巖類工程地質(zhì)巖組，富水性強(qiáng)。巖體結(jié)構(gòu)整體為薄-中厚層硬巖為主，含軟弱夾層(泥巖)的結(jié)構(gòu)，局部出現(xiàn)細(xì)砂巖和粉砂質(zhì)泥巖互層的層狀結(jié)構(gòu)，粉砂質(zhì)泥巖和泥巖在淺表層一定范圍內(nèi)風(fēng)化強(qiáng)烈，巖體破碎，形成了軟弱層帶。這種特殊的巖性組合形成了上軟下硬型的特殊地層結(jié)構(gòu)。

研究區(qū)位于發(fā)耳礦區(qū)范圍之內(nèi)，人為工程活動影響有礦山開采、老煤窯的開采、公路建設(shè)活動、村民房屋建設(shè)和村民耕種活動，主要是采礦工程活動。區(qū)內(nèi)開采歷史悠久，老窯甚多，沿巷道一般長30～40 m，少數(shù)可達(dá)300 m以上，開拓方式為斜井或平硐，主要為沿煤層露頭線一帶淺表層分布。六枝工況時期，開采區(qū)域為1煤頂部30301開采工作面，據(jù)發(fā)耳煤礦介紹，該采空區(qū)在發(fā)耳煤業(yè)采煤之前是否已誘發(fā)山頂?shù)亓芽p不詳。

3 地形地貌特征分析

研究區(qū)位于貴州高原西部，地形疊宕起伏，切割強(qiáng)烈，屬于構(gòu)造侵蝕而成的低中山至中低山地貌。最高處位于尖山營山頂，標(biāo)高1 526 m；最低處位于灣河西出口河床(本地最低侵蝕基準(zhǔn)面)，標(biāo)高約949 m；最大高差577 m；一般相對高差300～400 m。含煤地層出露標(biāo)高一般為900～1 300 m，呈較開闊的走向谷或緩坡地形，其上覆三疊系形成桌狀山，山勢陡峻，巖溶不發(fā)育；而下伏龍?zhí)督M分布于評估區(qū)東部，多為單面山。見圖1。

圖1 研究區(qū)地形地貌圖

研究區(qū)內(nèi)尖山營不穩(wěn)定斜坡主要發(fā)育于發(fā)耳鎮(zhèn)西側(cè)尖山營至范家沙壩陡崖斜坡地帶，屬于構(gòu)造侵蝕而成的低中山至中低山地貌，斜坡北東面與南面臨空，以山脊線為分界線，平面上呈大角度的V型，陡崖斜坡地帶分布范圍0.20 km2，陡崖長度約1 300 m，寬約150 m，最高點(diǎn)為1 526 m。從東側(cè)往西側(cè)來看，總體上具有陡緩相間的三級平臺特征，一級緩平臺為箐尾巴村以下，坡度約8°～15°；一級陡坡為箐尾巴村西側(cè)，坡向約63°，坡度為50°～67°，高差20～30 m，寬度為15～25 m；二級緩平臺為崩塌體下方，靠南側(cè)的坡體坡向約40°，靠北側(cè)的的坡體坡向約340°，坡度為8°～20°，高差為20～70 m，寬度為130～320 m；二級陡坡為崩塌體所在的陡崖，坡向約46°，坡度為55°～63°，高差為100～150 m，寬度為80～200 m；三級緩平臺為尖山營斜坡的坡頂，坡向約330°，坡度為5°～25°，高差為30～100 m，寬度為100～600 m。尖山營地質(zhì)災(zāi)害位于斜坡二、三級緩平臺和一、二級陡坡，高程1 040～1 523 m，坡度接近66°，后緣裂縫沿北東側(cè)下錯3.31～8.98 m，可視深度約20 m。

4 影響因素分析

礦山開采形成采動坡體變形失穩(wěn)與多種因素有關(guān)，是多種因素綜合作用的結(jié)果，主要包括兩個方面：①人們無法對其產(chǎn)生影響的，稱為自然地質(zhì)因素，如礦區(qū)巖體結(jié)構(gòu)、巖性組合、地形地貌、開采深度及厚度、開采范圍、降雨等；②人為影響因素，即開采技術(shù)條件，如開采次數(shù)、采區(qū)范圍、采煤方法等等。

4.1 地層巖性

從尖山營陡崖上來看，上覆地層主要為三疊系下統(tǒng)飛仙關(guān)組(T1f)的灰綠色、紫紅色強(qiáng)風(fēng)化薄～中厚層狀粉砂巖、細(xì)砂巖與粉砂質(zhì)泥巖、泥巖互層；下部為二疊系上統(tǒng)龍?zhí)督M(P3l)的由灰-深灰色粉砂巖、細(xì)砂巖、泥巖及煤組成，呈軟硬相間，該煤層的直接頂板以粉砂質(zhì)泥巖、泥質(zhì)粉砂巖為主，其次是細(xì)砂巖、粉砂巖以及泥巖；泥巖和煤就構(gòu)成了形成軟弱的平臺，自然條件下產(chǎn)生流變導(dǎo)致肩部拉裂，易形成滑坡的基礎(chǔ)條件[2]。見圖2、圖3。

圖2 三疊系下統(tǒng)飛仙關(guān)組

圖3 二疊系上統(tǒng)龍?zhí)督M

4.2 巖體結(jié)構(gòu)

變形體上巖體風(fēng)化嚴(yán)重，破碎且呈碎裂結(jié)構(gòu)，主要發(fā)育4組優(yōu)勢結(jié)構(gòu)面：①165°∠64°；②92°∠75°；③54°∠86°；④123°∠63°。可以看出，該區(qū)域發(fā)育的4組優(yōu)勢結(jié)構(gòu)面，分別傾向北東和東南方向，且裂隙多張開，呈拉張狀態(tài)，體現(xiàn)出明顯的卸荷特征；結(jié)構(gòu)面均呈交角剪切關(guān)系，結(jié)構(gòu)面與層面產(chǎn)狀相互切割，形成大小不一的楔形體，有產(chǎn)生崩塌的可能性[3]。見圖4、圖5。

圖4 飛仙關(guān)組結(jié)構(gòu)面示意圖

圖5 龍?zhí)督M結(jié)構(gòu)面示意圖

4.3 人類工程活動

在尖山營不穩(wěn)定斜坡下方進(jìn)行了多層重復(fù)采動，據(jù)調(diào)查，評估區(qū)內(nèi)小滑坡發(fā)育于M1、M3、M5-2、M5-3、M7和M10采空區(qū)之上，從平面上看，評估內(nèi)的DL01、DL02、DL03、DL04均表現(xiàn)出明顯的下錯痕跡，即為典型的采空塌陷破壞模式，形成的裂縫為拉裂式裂縫。在采空過程中，自動化監(jiān)測點(diǎn)GPS08、GPS09位移矢量為沉降和北東方向外傾，具有同步性，這也表明采動對尖山營不穩(wěn)定斜坡的變形有著直接影響，開采的范圍是決定性的影響因素。

4.4 降 水

降水是誘發(fā)地質(zhì)災(zāi)害的關(guān)鍵因素之一，降雨之后在尖山營地表巖土體中具有一定滯后性，兩天后煤礦才見有雨水排出，坡面流沿節(jié)理裂隙進(jìn)入地下，一方面嚴(yán)重裂縫進(jìn)入礦坑，從風(fēng)井排除地表。另一方面，泥巖或粉砂質(zhì)泥巖遇水易軟化，在自重力作用下向軟弱面傾斜，如采空塌陷區(qū)、臨空面、巖體結(jié)構(gòu)軟弱面等。同時地下水在節(jié)理裂隙中還存在靜水壓力，推動巖體向不穩(wěn)定一側(cè)傾斜變形。

5 不穩(wěn)定斜坡形成演化機(jī)理

5.1 滑 坡

斜坡內(nèi)部采空后，坡體內(nèi)部原有應(yīng)力場將會破壞，產(chǎn)生應(yīng)力重分布和應(yīng)力分異現(xiàn)象。典型特征為頂板冒落，上部巖層彎曲下沉。此時坡體內(nèi)部產(chǎn)生附加豎向拉應(yīng)力和附加水平應(yīng)力，而這些附加應(yīng)力是坡體變形破壞的內(nèi)在因素。

5.1.1 冒落沉陷變形階段

這一階段其實(shí)是坡體受煤層開采擾動的過程，由于采空區(qū)在煤層開采初期一般設(shè)有臨時支撐，頂板變形較小，對斜坡巖體穩(wěn)定性影響不大；坡體內(nèi)裂隙的產(chǎn)生主要受煤層在采動過程中的影響，多在采空區(qū)頂板處形成裂縫，延伸長度一般較小(圖6)。

試驗在松原職業(yè)技術(shù)學(xué)院葡萄所葡萄園進(jìn)行，試材為雙優(yōu)成齡樹。試驗園為河床地，砂質(zhì)黑鈣土，pH值在7.0-7.42?；h架栽培，株行距0.5 m×2.5 m。

5.1.2 拉裂變形階段

煤層開采一定時間后，采空區(qū)中的臨時支撐失去維護(hù)，而逐漸破壞，導(dǎo)致頂板巖體彎曲下沉，并迅速擴(kuò)展到頂板以上巖體，導(dǎo)致坡體內(nèi)部一定范圍內(nèi)巖體節(jié)理裂隙發(fā)育，上部巖體向著采空方向彎曲變形，后緣拉應(yīng)力集中，隨著變形的日益加劇，最終在坡體后緣形成拉裂縫[4](圖7)。

5.1.3 蠕滑變形階段

采空區(qū)頂板塌落破壞，形成冒落帶，冒落帶巖體以碎裂砂巖塊石和煤碎石為主，形成松散堆積[5]。這時在坡體內(nèi)部便會形成3個帶，由下往上依次為冒落帶、冒裂帶和地表裂隙帶。受采空區(qū)塌落變形影響，斜坡前緣坡腳處巖體受內(nèi)側(cè)坡體彎曲-沉陷變形的推擠作用，沿層面向坡外運(yùn)動，坡體持續(xù)的蠕滑變形，促使斜坡巖層間發(fā)生錯動，易形成滑裂面(圖8)。

5.1.4 剪切滑移破壞階段

在持續(xù)降雨條件下，滑移面被雨水潤滑并提供仰壓力，不穩(wěn)定斜坡體后緣產(chǎn)生推力，“鎖固段”被剪斷，貫通滑移面形成，斜坡巖體能量突然釋放，產(chǎn)生高速運(yùn)動[6]。斜坡高差較大，巨大的重力勢能轉(zhuǎn)化為高速的動能。滑體撞擊并鏟刮坡底的殘坡積物，同時滑體發(fā)生解體形成高速運(yùn)動的碎屑流[7](圖9)。

圖6 冒落沉陷階段

圖7 拉裂變形階段

圖8 蠕滑變形階段

圖9 剪切滑移破壞階段

因此，尖山營不穩(wěn)定斜坡的形成機(jī)制為“冒落沉陷-拉裂-蠕滑-剪切滑移”，從運(yùn)動形式上來看為典型的推移式不穩(wěn)定斜坡。

5.2 崩 塌

5.2.1 冒落沉陷變形階段

這一階段是坡體受煤層開采擾動的過程，由于采空區(qū)在煤層開采初期一般設(shè)有臨時支撐，頂板變形較小，對斜坡巖體穩(wěn)定性影響不大；坡體內(nèi)裂隙的產(chǎn)生主要受煤層在采動過程中的影響，多在采空區(qū)頂板處形成裂縫，延伸長度一般較小[8]。現(xiàn)場的崩塌堆積體最大可達(dá)2 m3，有居民的房屋被砸毀(圖10、圖11)。

圖10 現(xiàn)場最大崩積物

圖11 居民房屋遭到破壞

5.2.2 拉裂變形階段

煤層開采一定時間后，采空區(qū)中的臨時支撐失去維護(hù)，而逐漸破壞，導(dǎo)致頂板巖體彎曲下沉，并迅速擴(kuò)展到頂板以上巖體，導(dǎo)致坡體內(nèi)部一定范圍內(nèi)巖體節(jié)理裂隙發(fā)育，上部巖體向著采空方向彎曲變形，后緣拉應(yīng)力集中，隨著變形的日益加劇，最終在坡體后緣形成拉裂縫[9]。

5.2.3 蠕動變形階段

采空區(qū)頂板塌落破壞，形成冒落帶，冒落帶巖體以碎裂砂巖塊石和煤碎石為主，形成松散堆積。這時在坡體內(nèi)部便會形成3個帶，由下往上依次為冒落帶、冒裂帶和地表裂隙帶[10-11]。受采空區(qū)塌落變形影響，斜坡前緣坡腳處巖體受內(nèi)側(cè)坡體彎曲-沉陷變形的推擠作用，沿層面向坡外運(yùn)動，坡體持續(xù)的蠕動變形，促使斜坡巖層間發(fā)生錯動，易形成崩裂面。

5.2.4 剪斷、傾倒、坐落破壞階段

在持續(xù)降雨條件下，崩裂面被雨水潤滑并提供仰壓力，斜坡體后緣產(chǎn)生推力，“鎖固段”被剪斷，臨空面失穩(wěn)形成，斜坡巖體能量突然釋放，產(chǎn)生剪斷、傾倒、坐落。

該區(qū)域發(fā)育的2組優(yōu)勢結(jié)構(gòu)面，分別傾向北東和東南方向，且裂隙多張開，呈拉張狀態(tài)，體現(xiàn)出明顯的卸荷特征；結(jié)構(gòu)面均呈交角剪切關(guān)系，結(jié)構(gòu)面與層面產(chǎn)狀相互切割，形成大小不一的楔形體，有產(chǎn)生崩塌的可能性。

因此，尖山營崩塌的形成機(jī)制為“冒落沉陷-拉裂-蠕動-剪斷、傾倒、坐落”。

6 結(jié) 論

本文基于地質(zhì)歷史分析法、層序地層學(xué)原理、無人機(jī)航測、巖體力學(xué)等方法，采用宏觀與微觀相結(jié)合、點(diǎn)面結(jié)合，以點(diǎn)帶面，面中求點(diǎn)、充分利用前人資料、擇重進(jìn)行分析的手段，對研究區(qū)的地形地貌特征、影響因素、形成演化機(jī)理進(jìn)行研究。結(jié)論如下：

1) 研究區(qū)具有陡～緩相間三級平臺的特征(地形、平臺、陡崖、高度、上陡下緩多平臺)兩級陡坡的坡度約為50°～67°和坡度為55°～63°，高差分別為高差20～30 m和高差100～150 m，具備滑坡崩塌地形條件。

2) 研究區(qū)不穩(wěn)定斜坡的主要影響因素為地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造、人類工程活動、降水。

3) 尖山營不穩(wěn)定斜坡的形成機(jī)制為“冒落沉陷-拉裂-蠕滑-剪切滑移”，從運(yùn)動形式上來看，為典型的推移式不穩(wěn)定斜坡。

4) 尖山營崩塌的形成機(jī)制為“冒落沉陷-拉裂-蠕動-剪斷、傾倒、坐落”。