尖山營不穩定斜坡影響因素與形成演化機理研究

林 杰

(貴州大學 國土資源部喀斯特環境與地質災害重點實驗室，貴陽 550025)

1 概 述

尖山營不穩定斜坡位于貴州省六盤水市發耳鎮西側尖山營至范家沙壩陡崖斜坡地帶，屬于構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，最高點為1 526 m。尖山營不穩定斜坡是發育在采空區上的滑坡與崩塌共存的復合型地質災害，地層巖性軟硬相間，但總體來說也是上硬下軟。目前，國內對于單個滑坡或是崩塌災害的研究取得的成果豐碩，但對于滑坡與崩塌復合的地質災害的研究較少[1]。本文以六盤水尖山營不穩定斜坡為例子，對復合型地質災害的地形地貌特征、影響因素、形成演化機理進行研究，取得的成果對采空區發育的滑坡與崩塌符合型的地質災害的評估與防治有一定的理論意義與工程意義。

2 地質背景

水城縣發耳鎮尖山營地質災害位于水城縣南部發耳鎮發耳煤礦三采區范圍內尖山營至范家沙壩一帶，行政轄區屬六盤水市水城縣發耳鎮管轄，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)鐵路從評估區南東側通過。評估區內有鄉村公路相通，交通條件較為方便。采空區崩塌中心地理坐標為：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。

研究區位于珠江流域北盤江水系上游一級支流灣河上游補給區。區內主要地表水體有北盤江及其支流灣河、河壩小溪等。北盤江：為研究區內最大的地表水系，自北向南橫穿評估區，研究區內長約5.5 km, 比降5‰左右，河谷不對稱，階地不發育。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：發源于研究區東部玄武巖地層，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組，評估區內長約9.6 km，比降約1%。河床局部地段發育一級階地；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：位于研究區西部南邊緣注入北盤江，規模較灣河小，沿河谷兩側均發育有V型沖溝，沖溝與河谷在平面上呈樹枝狀。其流量受降雨嚴格控制，季節性變化明顯。

研究區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；三疊系下統飛仙關組(T1f)組粉砂質泥巖、粉砂巖、砂巖、泥巖等互層的半堅硬工程地質巖組，巖體完整性一般，含少量裂隙水。節理裂隙發育，主要有四組陡傾的優勢節理，①165°∠64°；②92°∠75°；③54°∠86°；④123°∠63°。節理面多平直粗糙，少數近地表部位稍有張開，并充填次生泥；二疊系上統龍潭組(P3l)灰-深灰色粉砂巖、細砂巖、泥巖及煤組成，屬軟質巖類工程地質巖組，富水性強。巖體結構整體為薄-中厚層硬巖為主，含軟弱夾層(泥巖)的結構，局部出現細砂巖和粉砂質泥巖互層的層狀結構，粉砂質泥巖和泥巖在淺表層一定范圍內風化強烈，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構。

研究區位于發耳礦區范圍之內，人為工程活動影響有礦山開采、老煤窯的開采、公路建設活動、村民房屋建設和村民耕種活動，主要是采礦工程活動。區內開采歷史悠久，老窯甚多，沿巷道一般長30～40 m，少數可達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，開采區域為1煤頂部30301開采工作面，據發耳煤礦介紹，該采空區在發耳煤業采煤之前是否已誘發山頂地裂縫不詳。

3 地形地貌特征分析

研究區位于貴州高原西部，地形疊宕起伏，切割強烈，屬于構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，標高1 526 m；最低處位于灣河西出口河床(本地最低侵蝕基準面)，標高約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，巖溶不發育；而下伏龍潭組分布于評估區東部，多為單面山。見圖1。

圖1 研究區地形地貌圖

研究區內尖山營不穩定斜坡主要發育于發耳鎮西側尖山營至范家沙壩陡崖斜坡地帶，屬于構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，最高點為1 526 m。從東側往西側來看，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，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，靠南側的坡體坡向約40°，靠北側的的坡體坡向約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。尖山營地質災害位于斜坡二、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與多種因素有關，是多種因素綜合作用的結果，主要包括兩個方面：①人們無法對其產生影響的，稱為自然地質因素，如礦區巖體結構、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，即開采技術條件，如開采次數、采區范圍、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飛仙關組(T1f)的灰綠色、紫紅色強風化薄～中厚層狀粉砂巖、細砂巖與粉砂質泥巖、泥巖互層；下部為二疊系上統龍潭組(P3l)的由灰-深灰色粉砂巖、細砂巖、泥巖及煤組成，呈軟硬相間，該煤層的直接頂板以粉砂質泥巖、泥質粉砂巖為主，其次是細砂巖、粉砂巖以及泥巖；泥巖和煤就構成了形成軟弱的平臺，自然條件下產生流變導致肩部拉裂，易形成滑坡的基礎條件[2]。見圖2、圖3。

圖2 三疊系下統飛仙關組

圖3 二疊系上統龍潭組

4.2 巖體結構

變形體上巖體風化嚴重，破碎且呈碎裂結構，主要發育4組優勢結構面：①165°∠64°；②92°∠75°；③54°∠86°；④123°∠63°。可以看出，該區域發育的4組優勢結構面，分別傾向北東和東南方向，且裂隙多張開，呈拉張狀態，體現出明顯的卸荷特征；結構面均呈交角剪切關系，結構面與層面產狀相互切割，形成大小不一的楔形體，有產生崩塌的可能性[3]。見圖4、圖5。

圖4 飛仙關組結構面示意圖

圖5 龍潭組結構面示意圖

4.3 人類工程活動

在尖山營不穩定斜坡下方進行了多層重復采動，據調查，評估區內小滑坡發育于M1、M3、M5-2、M5-3、M7和M10采空區之上，從平面上看，評估內的DL01、DL02、DL03、DL04均表現出明顯的下錯痕跡，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，自動化監測點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

降水是誘發地質災害的關鍵因素之一，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，坡面流沿節理裂隙進入地下，一方面嚴重裂縫進入礦坑，從風井排除地表。另一方面，泥巖或粉砂質泥巖遇水易軟化，在自重力作用下向軟弱面傾斜，如采空塌陷區、臨空面、巖體結構軟弱面等。同時地下水在節理裂隙中還存在靜水壓力，推動巖體向不穩定一側傾斜變形。

5 不穩定斜坡形成演化機理

5.1 滑 坡

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

5.1.1 冒落沉陷變形階段

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

試驗在松原職業技術學院葡萄所葡萄園進行，試材為雙優成齡樹。試驗園為河床地，砂質黑鈣土，pH值在7.0-7.42。籬架栽培，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，采空區中的臨時支撐失去維護，而逐漸破壞，導致頂板巖體彎曲下沉，并迅速擴展到頂板以上巖體，導致坡體內部一定范圍內巖體節理裂隙發育，上部巖體向著采空方向彎曲變形，后緣拉應力集中，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。受采空區塌落變形影響，斜坡前緣坡腳處巖體受內側坡體彎曲-沉陷變形的推擠作用，沿層面向坡外運動，坡體持續的蠕滑變形，促使斜坡巖層間發生錯動，易形成滑裂面(圖8)。

5.1.4 剪切滑移破壞階段

在持續降雨條件下，滑移面被雨水潤滑并提供仰壓力，不穩定斜坡體后緣產生推力，“鎖固段”被剪斷，貫通滑移面形成，斜坡巖體能量突然釋放，產生高速運動[6]。斜坡高差較大，巨大的重力勢能轉化為高速的動能。滑體撞擊并鏟刮坡底的殘坡積物，同時滑體發生解體形成高速運動的碎屑流[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，尖山營不穩定斜坡的形成機制為“冒落沉陷-拉裂-蠕滑-剪切滑移”，從運動形式上來看為典型的推移式不穩定斜坡。

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，由于采空區在煤層開采初期一般設有臨時支撐，頂板變形較小，對斜坡巖體穩定性影響不大；坡體內裂隙的產生主要受煤層在采動過程中的影響，多在采空區頂板處形成裂縫，延伸長度一般較小[8]。現場的崩塌堆積體最大可達2 m3，有居民的房屋被砸毀(圖10、圖11)。

圖10 現場最大崩積物

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，采空區中的臨時支撐失去維護，而逐漸破壞，導致頂板巖體彎曲下沉，并迅速擴展到頂板以上巖體，導致坡體內部一定范圍內巖體節理裂隙發育，上部巖體向著采空方向彎曲變形，后緣拉應力集中，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]。受采空區塌落變形影響，斜坡前緣坡腳處巖體受內側坡體彎曲-沉陷變形的推擠作用，沿層面向坡外運動，坡體持續的蠕動變形，促使斜坡巖層間發生錯動，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，斜坡體后緣產生推力，“鎖固段”被剪斷，臨空面失穩形成，斜坡巖體能量突然釋放，產生剪斷、傾倒、坐落。

該區域發育的2組優勢結構面，分別傾向北東和東南方向，且裂隙多張開，呈拉張狀態，體現出明顯的卸荷特征；結構面均呈交角剪切關系，結構面與層面產狀相互切割，形成大小不一的楔形體，有產生崩塌的可能性。

因此，尖山營崩塌的形成機制為“冒落沉陷-拉裂-蠕動-剪斷、傾倒、坐落”。

6 結 論

本文基于地質歷史分析法、層序地層學原理、無人機航測、巖體力學等方法，采用宏觀與微觀相結合、點面結合，以點帶面，面中求點、充分利用前人資料、擇重進行分析的手段，對研究區的地形地貌特征、影響因素、形成演化機理進行研究。結論如下：

1) 研究區具有陡～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) 研究區不穩定斜坡的主要影響因素為地層巖性、地質構造、人類工程活動、降水。

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

4) 尖山營崩塌的形成機制為“冒落沉陷-拉裂-蠕動-剪斷、傾倒、坐落”。