大冶鐵礦滑坡破壞特征及判據(jù)

肖 云，李先福，周春梅

(武漢工程大學(xué)環(huán)境與城市建設(shè)學(xué)院，湖北 武漢 430074)

0 引 言

滑坡的預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)和監(jiān)測(cè)預(yù)警一直是世界難題.目前國內(nèi)外學(xué)者提出了多種滑坡預(yù)報(bào)的模型和方法，并取得了一定成果，實(shí)現(xiàn)了成功預(yù)報(bào)的可能，但臨界極限值判據(jù)國內(nèi)外仍處于探索階段.斜坡變形演化過程復(fù)雜、不確定，真正推廣的滑坡預(yù)警判據(jù)還不多[1].本文從滑坡的特征、誘發(fā)因素和大量歷年監(jiān)測(cè)信息統(tǒng)計(jì)入手，依據(jù)各參數(shù)變化的綜合趨勢(shì)分析，探討滑坡的預(yù)警判據(jù)，為滑坡災(zāi)害的防治提供理論和現(xiàn)實(shí)的依據(jù).

1 工程概況

大冶鐵礦滑坡位于獅子山北幫，包括A1及A2滑坡，如圖1圖2所示.A1號(hào)滑坡發(fā)生于1990年4月30日獅子山北幫，平面坐標(biāo)為X∶87 359～87 410，Y∶44 839～44 909.滑坡規(guī)模6 000 m3，滑體及其西北側(cè)和下部巖體主要向東南(120°左右)方向位移[2].A2滑坡發(fā)生的時(shí)間為1996年7月1日～13日，平面坐標(biāo)為X∶87 240～87 400，Y∶44 800～45 000.

1.1 滑坡區(qū)巖組及巖體結(jié)構(gòu)類型

滑坡區(qū)區(qū)內(nèi)出露巖層為燕山期(三疊系中上統(tǒng))閃長巖侵入體.巖性主要有黑云母透輝石閃長巖.其次為蝕變形成的鉀納長石化閃長巖.蝕變透輝石閃長巖和高嶺土綠泥石化閃長巖.其中蝕變透輝石閃長巖分布于尖F9斷層以西，呈碎裂、散體結(jié)構(gòu)，具有吸水膨脹崩解的特點(diǎn)[3].

區(qū)內(nèi)的巖石中等風(fēng)化，發(fā)育有兩組區(qū)域性節(jié)理J3、J4，這兩組主節(jié)理將該區(qū)劃分為上下兩個(gè)部分，上部形似楔形體，下部形似正三角形體.另外還有兩組節(jié)理發(fā)育，一組節(jié)理與區(qū)域性節(jié)理近于平行，產(chǎn)狀320°∠75°，密集發(fā)育；另一組節(jié)理順坡面發(fā)育，兩組節(jié)理面將巖體切割成碎裂結(jié)構(gòu)，為滑坡的發(fā)生提供了臨空面條件[4].

1.2 滑體監(jiān)測(cè)情況

對(duì)獅子山北幫A2滑坡的監(jiān)測(cè)，其監(jiān)測(cè)點(diǎn)主要分布在坡面△180 m到△-60 m高程(如圖2)，其中每一高程點(diǎn)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的數(shù)量根據(jù)坡面巖性、節(jié)理裂隙而定，一般都有3～5個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn).監(jiān)測(cè)時(shí)間主要是從1990年5月份到1996年6月份，以及部分點(diǎn)后續(xù)時(shí)間有間斷監(jiān)測(cè).

圖1 滑坡體現(xiàn)狀及其節(jié)理分布

圖2 A1及A2滑坡體地表位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)

2 滑坡破壞形式及成因分析

2.1 滑坡破壞特征

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研，A1滑體主要向東南120°左右方向位移.A2滑體地表總體呈現(xiàn)三角狀，上窄下寬，滑體底部寬約160 m，滑坡體長約200 m.滑坡規(guī)模86 000 m3，該滑坡體頂部高程+192 m，剪出口高程-22 m，垂直高差達(dá)214 m，主滑方向SE150°左右.A區(qū)滑坡體現(xiàn)狀如圖2所示.研究歷年A2滑坡體監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，A2滑體在發(fā)生破壞前后緣的位移量最大，前緣最小，由此可推斷A2是推移式巖質(zhì)滑坡，滑坡后緣首先發(fā)生破壞，由后緣的運(yùn)動(dòng)推動(dòng)了前緣的運(yùn)動(dòng)[5].

2.2 滑坡成因分析

深入的工程地質(zhì)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，有較多影響因素影響該滑體的穩(wěn)定性.主要分為主控因素和誘發(fā)因素兩類.主控因素：區(qū)域地質(zhì)環(huán)境、巖石的抗變形能力、邊坡角度及風(fēng)化程度、軟弱結(jié)構(gòu)面、等；誘發(fā)的不確定因素包含：爆破、地下開采及人類工程活動(dòng)、坡底地面塌陷可能引起局部巖體發(fā)生崩塌、氣候條件中的降雪、溫差與水文條件等因素.

滑坡變形破壞原因：①對(duì)邊坡穩(wěn)定不利的巖性(強(qiáng)蝕變綠泥石化透輝石閃長巖)，易吸水膨脹崩解.巖體受強(qiáng)風(fēng)化和降雨，抗變形能力弱；②碎裂巖體結(jié)構(gòu)和地質(zhì)構(gòu)造弱面(巖體的碎裂結(jié)構(gòu)和大的斷裂構(gòu)造F9和F25活動(dòng)).地質(zhì)構(gòu)造弱面削弱了巖體強(qiáng)度，巖體整體穩(wěn)定性較差.

3 滑坡判據(jù)的討論

滑坡預(yù)報(bào)判據(jù)研究可以根據(jù)滑坡發(fā)展過程表現(xiàn)出來的破裂擴(kuò)展極限、位移(速率)極限作為臨界標(biāo)志來判定滑坡發(fā)生的時(shí)間.本文根據(jù)歷史上發(fā)生過的獅子山北幫A2滑坡滑動(dòng)前從1990年5月份到1996年6月份的位移監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，通過監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的預(yù)處理技術(shù)，建立臨滑階段的五種各單因子判據(jù)：位移判據(jù)、變形速率判據(jù)、蠕變切線角判據(jù)、位移加速度判據(jù)、位移矢量角變化判據(jù).根據(jù)各單因子的綜合分析，結(jié)合多參數(shù)進(jìn)行聯(lián)合預(yù)報(bào).

3.1 臨滑階段的位移判據(jù)

根據(jù)各測(cè)點(diǎn)水平位移隨監(jiān)測(cè)時(shí)間的變化曲線，該區(qū)巖質(zhì)滑坡運(yùn)動(dòng)可分三個(gè)階段，即蠕滑階段，加速階段，破壞階段.滑坡在蠕滑階段到加速階段，位移緩慢由零增加到一定的位移，從加速階段向破壞階段轉(zhuǎn)變是量變到質(zhì)變的過程，位移曲線明顯陡升，所以當(dāng)滑坡從加速階段向破壞階段發(fā)展時(shí)，就要預(yù)警預(yù)報(bào)，滑坡可能發(fā)生.

從典型測(cè)點(diǎn)位移歷時(shí)曲線特點(diǎn)看，隨著監(jiān)測(cè)時(shí)間增長，位移量增大.監(jiān)測(cè)點(diǎn)破壞前加速滑動(dòng)位移臨界值(即位移翹尾值)如圖3～圖6.不同測(cè)點(diǎn)破壞前加速滑動(dòng)位移臨界值(即位移翹尾值)變化如下：測(cè)點(diǎn)-48-2，-60-4，-36-2的位移突變值都在60 mm～90 mm之間；測(cè)點(diǎn)-60-1-1，-60-2，-60-3，-60-5，-48-1，-36-1，-24-3的位移突變值都在120 mm～200 mm之間；測(cè)點(diǎn)-24-2，0-3，0-4，42-1，108-9，108-12，132-12的位移突變值都在250 mm～350 mm之間；測(cè)點(diǎn)48-8-1，48-9X，48-10，72-11，72-10′X，72-11′X，84-10，84-11，96-9，108-8，132-11，156-12的位移突變值都在520 mm～900 mm之間；另外僅有測(cè)點(diǎn)96-8的位移突變值為1 300 mm.

根據(jù)滑體不同部位的位移值研究，A2滑坡體在發(fā)生破壞前后緣的位移量最大，前緣最小，由此可推斷A2是推移式巖質(zhì)滑坡，滑坡發(fā)生前首先從后緣發(fā)生破壞，由于后緣的運(yùn)動(dòng)破壞推動(dòng)了前緣的運(yùn)動(dòng).

圖3 48-8-1水平位移歷時(shí)曲線圖

圖4 48-9X水平位移歷時(shí)曲線圖

圖5 84-10水平位移歷時(shí)曲線圖

圖6 84-11水平位移歷時(shí)曲線圖

根據(jù)滑坡變形破壞階段的劃分，結(jié)合推移式滑坡的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)，其滑坡的后緣，中部，前緣的位移判據(jù)不一樣.

3.2 變形速率判據(jù)

最常用的滑坡預(yù)報(bào)方法就是臨界位移速率法，變形速率即位移對(duì)時(shí)間的導(dǎo)數(shù)，依據(jù)邊坡不同變形階段的位移速率變化規(guī)律，尋找位移速率突變值，即作為速率判據(jù)，此方法對(duì)于礦山滑坡預(yù)報(bào)實(shí)用性強(qiáng).根據(jù)監(jiān)測(cè)點(diǎn)速率曲線可知：

a.在-60 m，-48 m，-36 m，-24 m高程處，蠕滑階段滑坡運(yùn)動(dòng)速率在0.10～0.20 mm/d，加速階段速率在0.30～0.76 mm/d，破壞階段速率在1.2～2.2 mm/d范圍內(nèi).

b.在0 m高程處，0-3和0-4兩點(diǎn)蠕滑階段滑坡運(yùn)動(dòng)速率相近約為0.20 mm/d，加速階段速率約0.7 mm/d，破壞階段速率約為5.0 mm/d.

c.在48 m，72 m，84 m，96 m高程處，蠕滑階段滑坡運(yùn)動(dòng)速率相近，均為0.4～0.6 mm/d，加速階段速率在1.50～2.5 mm/d范圍內(nèi)，破壞階段速率在14.8～22.4 mm/d之間.

d.自108 m，132 m，156 m，180 m高程處，蠕滑階段滑坡運(yùn)動(dòng)速率均在0.10～0.28 mm/d范圍，加速階段速率在0.42～0.75 mm/d，破壞階段速率除個(gè)別點(diǎn)外，范圍在3.0～6.2 mm/d之間.

3.3 蠕變切線角判據(jù)

蠕變曲線切線角即蠕變曲線上某點(diǎn)的切線與橫坐標(biāo)的夾角α，即tg-1(dx/dt)趨于90°時(shí)，所對(duì)應(yīng)的時(shí)間即為滑坡預(yù)報(bào)破壞時(shí)間.但一些滑坡往往由于某種誘發(fā)作用的影響，使失穩(wěn)破壞的時(shí)間提前.此時(shí)，滑坡宏觀預(yù)報(bào)判據(jù)進(jìn)入加速變形、臨滑階段后的切線角α大于70°時(shí)和位移矢量角突然增大或減小時(shí)，也可將其作為滑坡時(shí)間預(yù)報(bào)的判據(jù).以下表為各典型測(cè)點(diǎn)加速階段-臨滑階段位移曲線突變點(diǎn)的切線角值，如表1.

由表知滑前一個(gè)月內(nèi)，各測(cè)點(diǎn)的蠕變曲線臨界切線角分布在四個(gè)區(qū)域值內(nèi).

a.測(cè)點(diǎn)-60-3，-60-4，-48-2的臨界切線角均在21.8°～39.7°范圍內(nèi).

b.測(cè)點(diǎn)-60-1-1，-60-2，-60-5，-48-1，-36-2的臨界切線角均在51.1°～55.8°范圍內(nèi).

c.測(cè)點(diǎn)-36-1，-24-2，-24-3的臨界切線角均在61.3°～66.4°范圍內(nèi).

d.測(cè)點(diǎn)0-3，0-4，48-8-1，48-9X，48-10，72-11，72-10X，72-11′X，84-10，84-11，96-9，108-8，108-9，132-12，156-12，180-12的臨界切線角均在72.1°～88.0°范圍內(nèi).

研究發(fā)現(xiàn)滑坡體蠕變切線角后緣值較大，前緣和中部相對(duì)偏小.

表1 加速階段蠕變曲線切線角

3.4 位移加速度判據(jù)

位移加速度即d2u/dt2，通過對(duì)位移時(shí)間曲線加速變形及破壞階段的研究，尋找翹尾點(diǎn).結(jié)果表明在臨滑前一個(gè)月內(nèi)，各測(cè)點(diǎn)的蠕變曲線變形速率不斷增大，其位移加速度值均大于0.

3.5 位移矢量角變化判據(jù)

由運(yùn)動(dòng)學(xué)可知，描述一個(gè)物體運(yùn)動(dòng)，不但需要速率的大小，而且需要運(yùn)動(dòng)的方向.在滑坡研究中，常用垂直位移與水平位移之比即位移矢量角來表示滑體位移矢量的方向[6].在滑坡孕育發(fā)展過程中，滑體上位移矢量方向的改變與滑坡發(fā)展階段及失穩(wěn)動(dòng)力密切相關(guān).從變形角度看，滑坡在其發(fā)展過程中一般都經(jīng)歷了壓密——趨勢(shì)性整體位移——剪切膨脹——破壞(大位移)的過程.

典型測(cè)點(diǎn)的位移矢量圖如圖7～圖10.(本文中空間位移矢量角為測(cè)點(diǎn)空間運(yùn)動(dòng)方向與垂直位移的夾角).根據(jù)各典型監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移大小變化及矢量角變化曲線可知，在滑體緩慢變形階段，測(cè)點(diǎn)空間運(yùn)動(dòng)方向與垂直方向的夾角一直在減小，曲線較圓滑，無明顯突變，說明邊坡一直處于緩慢變形破壞，沒有崩落發(fā)生.但隨變形的發(fā)展，位移矢量角出現(xiàn)平直，后期有翹尾趨勢(shì).整個(gè)變形發(fā)展階段，空間位移大小一直增大，并且前期緩慢變形，到達(dá)一定變形破壞階段后數(shù)值突然增大，有明顯拐點(diǎn)，斜坡向失穩(wěn)方向加速滑動(dòng).與前面巖體劃分的三個(gè)變形階段數(shù)據(jù)吻合.

圖7 156-12位移矢量圖

圖8 108-8位移矢量圖

圖9 0-3位移矢量圖

圖10 48-8X位移矢量圖

3.6 綜合判據(jù)

對(duì)歷年監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)，研究滑坡體不同部位的位移、速率、加速度、位移矢量角(本文中空間位移矢量角為測(cè)點(diǎn)空間運(yùn)動(dòng)方向與垂直位移的夾角)變化曲線規(guī)律知，滑坡體不同階段其變形發(fā)展特征不同.在滑坡的蠕滑階段，變形速率、位移一直增大，位移矢量角一直減小.在加速階段，變形速率、位移明顯增大，位移矢量角出現(xiàn)平直.在破壞階段，變形速率、位移均有突變和拐點(diǎn)，位移矢量值也明顯翹尾.因此，在滑體變形破壞過程中，根據(jù)臨滑前位移速率、位移，結(jié)合位移矢量角的變化來預(yù)報(bào)滑坡，根據(jù)各參數(shù)的綜合分析，提出滑體不同部位的綜合判據(jù)值如表2.

表2 各參數(shù)變形破壞判據(jù)值

4 結(jié) 語

a.根據(jù)對(duì)滑坡的工程地質(zhì)調(diào)研，總結(jié)滑坡變形破壞原因①強(qiáng)蝕變綠泥石化透輝石閃長巖，易吸水膨脹崩解，抗變形能力弱；②碎裂巖體結(jié)構(gòu)和地質(zhì)構(gòu)造弱面削弱了巖體強(qiáng)度，巖體整體穩(wěn)定性較差.

b.統(tǒng)計(jì)滑體變形發(fā)展監(jiān)測(cè)曲線知，滑坡體變形發(fā)展破壞分為三階段：即蠕滑階段、加速階段、破壞階段.通過對(duì)地表位移監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，A2滑坡體在發(fā)生破壞前后緣的位移量最大，前緣最小，由此可推斷A2是推移式巖質(zhì)滑坡，滑坡發(fā)生前首先從后緣發(fā)生破壞，由于后緣的運(yùn)動(dòng)破壞推動(dòng)了前緣的運(yùn)動(dòng).

c.通過對(duì)滑坡體不同部位的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的綜合分析，在滑坡的蠕滑階段，變形速率、位移一直增大，位移矢量角一直減小.在加速階段，變形速率、位移明顯增大，位移矢量角出現(xiàn)平直.在破壞階段，變形速率、位移均有突變和拐點(diǎn)，位移矢量值也明顯翹尾.根據(jù)各參數(shù)的聯(lián)合，提出了大冶鐵礦滑坡的判據(jù)，為滑坡災(zāi)害的防治提供理論和現(xiàn)實(shí)的依據(jù)

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