尖山营不稳定斜坡影响因素与形成演化机理研究

林 杰

(贵州大学 国土资源部喀斯特环境与地质灾害重点实验室，贵阳 550025)

1 概 述

尖山营不稳定斜坡位于贵州省六盘水市发耳镇西侧尖山营至范家沙坝陡崖斜坡地带，属于构造侵蚀而成的低中山至中低山地貌。斜坡北东面与南面临空，以山脊线为分界线，平面上呈大角度的V型，陡崖斜坡地带分布范围0.20 km2，陡崖长度约1 300 m，宽约150 m，最高点为1 526 m。尖山营不稳定斜坡是发育在采空区上的滑坡与崩塌共存的复合型地质灾害，地层岩性软硬相间，但总体来说也是上硬下软。目前，国内对于单个滑坡或是崩塌灾害的研究取得的成果丰硕，但对于滑坡与崩塌复合的地质灾害的研究较少[1]。本文以六盘水尖山营不稳定斜坡为例子，对复合型地质灾害的地形地貌特征、影响因素、形成演化机理进行研究，取得的成果对采空区发育的滑坡与崩塌符合型的地质灾害的评估与防治有一定的理论意义与工程意义。

2 地质背景

水城县发耳镇尖山营地质灾害位于水城县南部发耳镇发耳煤矿三采区范围内尖山营至范家沙坝一带，行政辖区属六盘水市水城县发耳镇管辖，北至水城70 km，南至盘县119 km。水(城)-盘(县)高速公路及水(城)-柏(果)铁路从评估区南东侧通过。评估区内有乡村公路相通，交通条件较为方便。采空区崩塌中心地理坐标为：E104°44′11″，N24°18′30″[1]。历年日最高气温为32℃,日最低气温为-6.3℃，历年平均气温15.8℃。年平均降雨量为1 027.2 mm。

研究区位于珠江流域北盘江水系上游一级支流湾河上游补给区。区内主要地表水体有北盘江及其支流湾河、河坝小溪等。北盘江：为研究区内最大的地表水系，自北向南横穿评估区，研究区内长约5.5 km, 比降5‰左右，河谷不对称，阶地不发育。最大洪流量1 500 m3/s最小流量8.55 m3/s，年平均流量为127.96 m3/s。湾河：发源于研究区东部玄武岩地层，流向西，在仙人桥附近汇入北盘江，途中切割含煤地层及飞仙关组，评估区内长约9.6 km，比降约1%。河床局部地段发育一级阶地；流量受降雨控制。在湾河断面测得最大流量2 754.17 L/S，最小流量11.51 L/S。河坝小溪：位于研究区西部南边缘注入北盘江，规模较湾河小，沿河谷两侧均发育有V型冲沟，冲沟与河谷在平面上呈树枝状。其流量受降雨严格控制，季节性变化明显。

研究区地层从上至下依次是第四系(Q)松散堆积物主要是崩积物和坡积物；三叠系下统飞仙关组(T1f)组粉砂质泥岩、粉砂岩、砂岩、泥岩等互层的半坚硬工程地质岩组，岩体完整性一般，含少量裂隙水。节理裂隙发育，主要有四组陡倾的优势节理，①165°∠64°；②92°∠75°；③54°∠86°；④123°∠63°。节理面多平直粗糙，少数近地表部位稍有张开，并充填次生泥；二叠系上统龙潭组(P3l)灰-深灰色粉砂岩、细砂岩、泥岩及煤组成，属软质岩类工程地质岩组，富水性强。岩体结构整体为薄-中厚层硬岩为主，含软弱夹层(泥岩)的结构，局部出现细砂岩和粉砂质泥岩互层的层状结构，粉砂质泥岩和泥岩在浅表层一定范围内风化强烈，岩体破碎，形成了软弱层带。这种特殊的岩性组合形成了上软下硬型的特殊地层结构。

研究区位于发耳矿区范围之内，人为工程活动影响有矿山开采、老煤窑的开采、公路建设活动、村民房屋建设和村民耕种活动，主要是采矿工程活动。区内开采历史悠久，老窑甚多，沿巷道一般长30～40 m，少数可达300 m以上，开拓方式为斜井或平硐，主要为沿煤层露头线一带浅表层分布。六枝工况时期，开采区域为1煤顶部30301开采工作面，据发耳煤矿介绍，该采空区在发耳煤业采煤之前是否已诱发山顶地裂缝不详。

3 地形地貌特征分析

研究区位于贵州高原西部，地形叠宕起伏，切割强烈，属于构造侵蚀而成的低中山至中低山地貌。最高处位于尖山营山顶，标高1 526 m；最低处位于湾河西出口河床(本地最低侵蚀基准面)，标高约949 m；最大高差577 m；一般相对高差300～400 m。含煤地层出露标高一般为900～1 300 m，呈较开阔的走向谷或缓坡地形，其上覆三叠系形成桌状山，山势陡峻，岩溶不发育；而下伏龙潭组分布于评估区东部，多为单面山。见图1。

图1 研究区地形地貌图

研究区内尖山营不稳定斜坡主要发育于发耳镇西侧尖山营至范家沙坝陡崖斜坡地带，属于构造侵蚀而成的低中山至中低山地貌，斜坡北东面与南面临空，以山脊线为分界线，平面上呈大角度的V型，陡崖斜坡地带分布范围0.20 km2，陡崖长度约1 300 m，宽约150 m，最高点为1 526 m。从东侧往西侧来看，总体上具有陡缓相间的三级平台特征，一级缓平台为箐尾巴村以下，坡度约8°～15°；一级陡坡为箐尾巴村西侧，坡向约63°，坡度为50°～67°，高差20～30 m，宽度为15～25 m；二级缓平台为崩塌体下方，靠南侧的坡体坡向约40°，靠北侧的的坡体坡向约340°，坡度为8°～20°，高差为20～70 m，宽度为130～320 m；二级陡坡为崩塌体所在的陡崖，坡向约46°，坡度为55°～63°，高差为100～150 m，宽度为80～200 m；三级缓平台为尖山营斜坡的坡顶，坡向约330°，坡度为5°～25°，高差为30～100 m，宽度为100～600 m。尖山营地质灾害位于斜坡二、三级缓平台和一、二级陡坡，高程1 040～1 523 m，坡度接近66°，后缘裂缝沿北东侧下错3.31～8.98 m，可视深度约20 m。

4 影响因素分析

矿山开采形成采动坡体变形失稳与多种因素有关，是多种因素综合作用的结果，主要包括两个方面：①人们无法对其产生影响的，称为自然地质因素，如矿区岩体结构、岩性组合、地形地貌、开采深度及厚度、开采范围、降雨等；②人为影响因素，即开采技术条件，如开采次数、采区范围、采煤方法等等。

4.1 地层岩性

从尖山营陡崖上来看，上覆地层主要为三叠系下统飞仙关组(T1f)的灰绿色、紫红色强风化薄～中厚层状粉砂岩、细砂岩与粉砂质泥岩、泥岩互层；下部为二叠系上统龙潭组(P3l)的由灰-深灰色粉砂岩、细砂岩、泥岩及煤组成，呈软硬相间，该煤层的直接顶板以粉砂质泥岩、泥质粉砂岩为主，其次是细砂岩、粉砂岩以及泥岩；泥岩和煤就构成了形成软弱的平台，自然条件下产生流变导致肩部拉裂，易形成滑坡的基础条件[2]。见图2、图3。

图2 三叠系下统飞仙关组

图3 二叠系上统龙潭组

4.2 岩体结构

变形体上岩体风化严重，破碎且呈碎裂结构，主要发育4组优势结构面：①165°∠64°；②92°∠75°；③54°∠86°；④123°∠63°。可以看出，该区域发育的4组优势结构面，分别倾向北东和东南方向，且裂隙多张开，呈拉张状态，体现出明显的卸荷特征；结构面均呈交角剪切关系，结构面与层面产状相互切割，形成大小不一的楔形体，有产生崩塌的可能性[3]。见图4、图5。

图4 飞仙关组结构面示意图

图5 龙潭组结构面示意图

4.3 人类工程活动

在尖山营不稳定斜坡下方进行了多层重复采动，据调查，评估区内小滑坡发育于M1、M3、M5-2、M5-3、M7和M10采空区之上，从平面上看，评估内的DL01、DL02、DL03、DL04均表现出明显的下错痕迹，即为典型的采空塌陷破坏模式，形成的裂缝为拉裂式裂缝。在采空过程中，自动化监测点GPS08、GPS09位移矢量为沉降和北东方向外倾，具有同步性，这也表明采动对尖山营不稳定斜坡的变形有着直接影响，开采的范围是决定性的影响因素。

4.4 降 水

降水是诱发地质灾害的关键因素之一，降雨之后在尖山营地表岩土体中具有一定滞后性，两天后煤矿才见有雨水排出，坡面流沿节理裂隙进入地下，一方面严重裂缝进入矿坑，从风井排除地表。另一方面，泥岩或粉砂质泥岩遇水易软化，在自重力作用下向软弱面倾斜，如采空塌陷区、临空面、岩体结构软弱面等。同时地下水在节理裂隙中还存在静水压力，推动岩体向不稳定一侧倾斜变形。

5 不稳定斜坡形成演化机理

5.1 滑 坡

斜坡内部采空后，坡体内部原有应力场将会破坏，产生应力重分布和应力分异现象。典型特征为顶板冒落，上部岩层弯曲下沉。此时坡体内部产生附加竖向拉应力和附加水平应力，而这些附加应力是坡体变形破坏的内在因素。

5.1.1 冒落沉陷变形阶段

这一阶段其实是坡体受煤层开采扰动的过程，由于采空区在煤层开采初期一般设有临时支撑，顶板变形较小，对斜坡岩体稳定性影响不大；坡体内裂隙的产生主要受煤层在采动过程中的影响，多在采空区顶板处形成裂缝，延伸长度一般较小(图6)。

试验在松原职业技术学院葡萄所葡萄园进行，试材为双优成龄树。试验园为河床地，砂质黑钙土，pH值在7.0-7.42。篱架栽培，株行距0.5 m×2.5 m。

5.1.2 拉裂变形阶段

煤层开采一定时间后，采空区中的临时支撑失去维护，而逐渐破坏，导致顶板岩体弯曲下沉，并迅速扩展到顶板以上岩体，导致坡体内部一定范围内岩体节理裂隙发育，上部岩体向着采空方向弯曲变形，后缘拉应力集中，随着变形的日益加剧，最终在坡体后缘形成拉裂缝[4](图7)。

5.1.3 蠕滑变形阶段

采空区顶板塌落破坏，形成冒落带，冒落带岩体以碎裂砂岩块石和煤碎石为主，形成松散堆积[5]。这时在坡体内部便会形成3个带，由下往上依次为冒落带、冒裂带和地表裂隙带。受采空区塌落变形影响，斜坡前缘坡脚处岩体受内侧坡体弯曲-沉陷变形的推挤作用，沿层面向坡外运动，坡体持续的蠕滑变形，促使斜坡岩层间发生错动，易形成滑裂面(图8)。

5.1.4 剪切滑移破坏阶段

在持续降雨条件下，滑移面被雨水润滑并提供仰压力，不稳定斜坡体后缘产生推力，“锁固段”被剪断，贯通滑移面形成，斜坡岩体能量突然释放，产生高速运动[6]。斜坡高差较大，巨大的重力势能转化为高速的动能。滑体撞击并铲刮坡底的残坡积物，同时滑体发生解体形成高速运动的碎屑流[7](图9)。

图6 冒落沉陷阶段

图7 拉裂变形阶段

图8 蠕滑变形阶段

图9 剪切滑移破坏阶段

因此，尖山营不稳定斜坡的形成机制为“冒落沉陷-拉裂-蠕滑-剪切滑移”，从运动形式上来看为典型的推移式不稳定斜坡。

5.2 崩 塌

5.2.1 冒落沉陷变形阶段

这一阶段是坡体受煤层开采扰动的过程，由于采空区在煤层开采初期一般设有临时支撑，顶板变形较小，对斜坡岩体稳定性影响不大；坡体内裂隙的产生主要受煤层在采动过程中的影响，多在采空区顶板处形成裂缝，延伸长度一般较小[8]。现场的崩塌堆积体最大可达2 m3，有居民的房屋被砸毁(图10、图11)。

图10 现场最大崩积物

图11 居民房屋遭到破坏

5.2.2 拉裂变形阶段

煤层开采一定时间后，采空区中的临时支撑失去维护，而逐渐破坏，导致顶板岩体弯曲下沉，并迅速扩展到顶板以上岩体，导致坡体内部一定范围内岩体节理裂隙发育，上部岩体向着采空方向弯曲变形，后缘拉应力集中，随着变形的日益加剧，最终在坡体后缘形成拉裂缝[9]。

5.2.3 蠕动变形阶段

采空区顶板塌落破坏，形成冒落带，冒落带岩体以碎裂砂岩块石和煤碎石为主，形成松散堆积。这时在坡体内部便会形成3个带，由下往上依次为冒落带、冒裂带和地表裂隙带[10-11]。受采空区塌落变形影响，斜坡前缘坡脚处岩体受内侧坡体弯曲-沉陷变形的推挤作用，沿层面向坡外运动，坡体持续的蠕动变形，促使斜坡岩层间发生错动，易形成崩裂面。

5.2.4 剪断、倾倒、坐落破坏阶段

在持续降雨条件下，崩裂面被雨水润滑并提供仰压力，斜坡体后缘产生推力，“锁固段”被剪断，临空面失稳形成，斜坡岩体能量突然释放，产生剪断、倾倒、坐落。

该区域发育的2组优势结构面，分别倾向北东和东南方向，且裂隙多张开，呈拉张状态，体现出明显的卸荷特征；结构面均呈交角剪切关系，结构面与层面产状相互切割，形成大小不一的楔形体，有产生崩塌的可能性。

因此，尖山营崩塌的形成机制为“冒落沉陷-拉裂-蠕动-剪断、倾倒、坐落”。

6 结 论

本文基于地质历史分析法、层序地层学原理、无人机航测、岩体力学等方法，采用宏观与微观相结合、点面结合，以点带面，面中求点、充分利用前人资料、择重进行分析的手段，对研究区的地形地貌特征、影响因素、形成演化机理进行研究。结论如下：

1) 研究区具有陡～缓相间三级平台的特征(地形、平台、陡崖、高度、上陡下缓多平台)两级陡坡的坡度约为50°～67°和坡度为55°～63°，高差分别为高差20～30 m和高差100～150 m，具备滑坡崩塌地形条件。

2) 研究区不稳定斜坡的主要影响因素为地层岩性、地质构造、人类工程活动、降水。

3) 尖山营不稳定斜坡的形成机制为“冒落沉陷-拉裂-蠕滑-剪切滑移”，从运动形式上来看，为典型的推移式不稳定斜坡。

4) 尖山营崩塌的形成机制为“冒落沉陷-拉裂-蠕动-剪断、倾倒、坐落”。