內(nèi)外動力作用下天山北麓某礦區(qū)滑塌發(fā)生機制及防治對策

邵鵬 尚彥軍 伊學(xué)濤 孟和

摘? 要：隨著半山區(qū)地下煤碳資源不斷開采，采空區(qū)塌陷問題值得重視。新疆天山北麓受地震、降雨、采空塌陷等方面影響，斜坡區(qū)滑災(zāi)害變得更加復(fù)雜且影響范圍加大。以天山北麓某煤礦為例，通過地面調(diào)查、無人機攝影、鉆孔巖心數(shù)據(jù)分析等手段，在0.3 km2范圍內(nèi)圈劃出4個不同規(guī)模和形態(tài)的滑坡。通過多年遙感影像對比及變形數(shù)據(jù)分析，揭示滑坡在地震、降雨、地下采空區(qū)等內(nèi)外動力作用下發(fā)生的機制。基于煤礦安全和生態(tài)保護的原則，提出生態(tài)工程-巖土工程協(xié)同減災(zāi)對策。

關(guān)鍵詞：天山北麓;采空區(qū);滑塌;地震;降雨

滑坡在全世界常造成大量人員傷亡及經(jīng)濟財產(chǎn)損失[1]。據(jù)Froude研究顯示，從2004年1月到2016年12月，全球共有55，997人在4862起滑坡中喪生[2]。《中國統(tǒng)計年鑒》記載中國1950—2016年發(fā)生的373，630次滑坡總共造成10，996人死亡[3-4]?；碌陌l(fā)生受內(nèi)外動力作用影響，內(nèi)動力因素為地震，外動力因素為降雨、采礦開挖等人類工程活動[5-7]。從滑坡內(nèi)在因素看，斜坡體內(nèi)部軟弱結(jié)構(gòu)面的存在可降低邊坡穩(wěn)定性，導(dǎo)致邊坡變形，產(chǎn)生滑動。降雨是誘發(fā)滑坡主要外動力作用[8]。雨水入滲導(dǎo)致有效應(yīng)力降低，使斜坡穩(wěn)定性降低，同時增加了巖土體重量，導(dǎo)致下滑力增大[9]。礦區(qū)大規(guī)模地下開采是滑坡發(fā)生的主要外部因素。我國西部山區(qū)礦山開采占總開采面積的60%以上，礦區(qū)斜坡穩(wěn)定性多受地下采掘擾動活動影響，滑塌區(qū)分布與采空區(qū)位置有很大關(guān)系[10-11]。無人機在地形條件復(fù)雜及惡劣環(huán)境中，具快速應(yīng)急調(diào)查中常規(guī)人工觀測無法比擬的優(yōu)勢[12]。

本文以天山北麓某煤礦為例，通過地面調(diào)查、無人機觀測、鉆孔巖心分析等技術(shù)手段，圈劃出4個滑坡位置、規(guī)模和變形特征。揭示斜坡在地震、降雨、地下采空區(qū)等內(nèi)外動力作用下的發(fā)生機制。結(jié)合生態(tài)環(huán)境保護要求，提出生態(tài)工程-巖土工程協(xié)同減災(zāi)對策。

1? 研究區(qū)概況

研究區(qū)處于準噶爾盆地南緣烏魯木齊凹陷帶，位于天山北麓中低山區(qū)，地勢南高北低，南北向嶺谷相間分布[13]。地層總體呈NW向展布，為北傾的單斜形態(tài)。出露地層有石炭系、侏羅系、白堊系和第四系（圖1）[14]。實地調(diào)查發(fā)現(xiàn)，滑坡所在山體東側(cè)的沖溝無基巖出露，為條帶狀分布的厚層第四系殘坡積土，沖溝西側(cè)同一高度在陡崖上有基巖出露，結(jié)合衛(wèi)星影像判斷沖溝為斷層F1（圖2）。

研究區(qū)屬大陸性半干旱氣候，年平均降水量410 mm，最大450 mm。每年6—9月份雨量巨增，常形成暴雨，不利于山坡松散堆積體的穩(wěn)定。區(qū)內(nèi)河流為季節(jié)性河流，每年6—10月水量充沛。每年10月降雪，次年3—4月消融，強凍融循環(huán)作用加速了巖體的風(fēng)化破壞。據(jù)新疆地震局資料，研究區(qū)近百年間臨近該區(qū)50 km范圍內(nèi)共發(fā)生≥MS4.7級的中、強震14次，為地震多發(fā)區(qū)。2020年6月19日發(fā)生的3.0級地震和2020年6月22日發(fā)生的3.3級地震一定程度上導(dǎo)致滑坡的發(fā)生。

2? 滑坡規(guī)模及地表變形特征

實地調(diào)查發(fā)現(xiàn)，在不到0.3 km2研究區(qū)內(nèi)發(fā)育有4處滑坡（圖2）。除1號滑坡為近期發(fā)生的滑坡外，其余滑坡均發(fā)生1年之久。通過現(xiàn)場勘查和無人機觀測，所有滑坡均存在進一步發(fā)展的可能。大范圍滑動方向向基本平行于山體走向，即35°左右。

2.1? 1號滑坡

1號滑坡于2021年3月發(fā)生（圖3），滑坡滑向35°，下方即為煤礦場房?；驴傞L約400 m，深度不超過10 m，是一個淺層滑坡，體積約11×104 m3，為中型滑坡。上部為地下采空引起的地面塌陷，后緣受采空區(qū)影響形成長80 m、深3 m的階梯狀弧形拉裂縫，冰雪融水沿拉裂縫進入巖土體中，可聽見巖土體內(nèi)流水聲;中上部受保安礦柱作用有明顯的長約60 m的穩(wěn)定區(qū)域，該區(qū)域山體平整，無拉張裂隙。滑塌體中部受地下采空區(qū)影響再次形成階梯狀弧形拉裂縫;中下部滑體厚度較大，滑坡前緣發(fā)育鼓丘，形成大量鼓張裂縫。沿滑動方向越向下，坡上草皮出現(xiàn)草根向上的情況越多，可見灌木傾倒，呈“馬刀樹”狀態(tài)。滑坡前緣無水流，可見水流沖刷痕跡。滑坡側(cè)壁見呈雁狀排列的剪切裂隙?；w上方土體松散，兩側(cè)溝渠匯水面積大，暴雨天易形成泥石流。監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，滑坡前緣幾天內(nèi)向下移動18 m。

2.2? 2號破滑坡

2號滑坡后緣基本與1號滑坡后緣為同一高度，整體特征與1號滑坡基本相同，寬度較1號滑坡窄，寬約64 m?；麻L約380 m，深度不超過10 m，為一個淺層小型滑坡。上部后緣受采空區(qū)影響形成階梯狀弧形拉裂縫，寬0.2～0.5 m，冰雪融水沿拉裂縫進入巖土體中，降低了有效應(yīng)力。中上部同1號滑坡一樣，受保安礦柱作用形成長約60 m的穩(wěn)定區(qū)，該區(qū)域無明顯地面變形。受地形影響滑坡上下部滑向不一致，上部滑向30°，下部直接滑向東側(cè)溝谷，主滑方向約75°?；码x受災(zāi)體較遠，需注意預(yù)防暴雨天氣下滑坡堵塞溝谷形成堰塞湖的潰決型泥石流災(zāi)害影響。

2.3? ?3號滑坡

3號滑坡后緣形成27 m左右大型拉裂縫（圖4），滑坡后壁光滑，滑向45°，是淺層小型滑坡。前緣未剪出，屬變形階段，坡腳為人工開挖小路。

2.4? ?4號滑坡

4號滑坡緊鄰1號滑坡，位于1號滑坡前緣東側(cè)，與1號滑坡發(fā)生時間接近。面積較小，是一個淺層小型滑坡?；w見較多縱向裂縫，前緣可見扇形拉張裂縫。

3? 滑坡發(fā)生機制

3.1? 地震

研究區(qū)屬地震多發(fā)區(qū)。最近的2次地震是2020年6月19日發(fā)生的3.0級地震和2020年6月22日發(fā)生的3.3級地震。這2次地震雖震級不高，但對滑坡產(chǎn)生有著不可忽視的作用。王濤等研究表明，坡體對地震荷載的響應(yīng)存在一個高程放大效應(yīng)，坡體變形位移、速度、加速度隨高程增加而增大?；麦w在2次地震波水平加速度影響下，導(dǎo)致巖土體顆粒之間反復(fù)碰撞，降低了巖土體穩(wěn)定性。在地震作用加持下，原有裂縫擴展形成新的裂縫，為地下水的滲入提供了路徑。

3.2? 降雨及冰雪融水

降水是滑坡發(fā)生的主要因素。研究區(qū)冬季溫度達零下20°，巖土體內(nèi)自由水受溫度影響變成冰，在3—4月份天氣轉(zhuǎn)暖開始融化。晝夜溫差大，白天溫度高，冰雪融化。夜晚溫度低，重新結(jié)冰。強烈的凍融作用，加速了巖土體的風(fēng)化，造成巖土體結(jié)構(gòu)松散。水不斷進入巖土體裂隙中導(dǎo)致土壤變成非飽和狀態(tài)，巖土體內(nèi)孔隙水壓力增大，逐漸減小了巖土體的抗剪強度，同時水增加了自重，導(dǎo)致巖土體下滑力進一步加大。在重力和水聯(lián)合作用下，潛在滑移面的連通性逐漸增加，隨滑體的移動，后緣拉張變形逐漸增大，最終導(dǎo)致滑坡產(chǎn)生。

3.3? 地下采空區(qū)

資料顯示，在滑坡體100 m多米深度存在2條EW向舊采煤巷道，巷道寬220 m，高5 m。采空區(qū)正上方對應(yīng)地表塌陷區(qū)（圖5）。由于地下采空區(qū)的存在，地表在重力作用下產(chǎn)生沉降作用，導(dǎo)致1號滑坡后緣形成階梯狀弧形拉張裂縫和滑坡中上部1～2 m的低平塌陷區(qū)。塌陷引起后緣巖土體發(fā)生座落式位移，沿滑動方向?qū)⑾路綆r土體向前推覆，逐步產(chǎn)生貫通的滑動面，發(fā)生滑坡。

1號滑坡上部由于采空區(qū)影響形成塌陷，地下水沿裂隙直接進入采空區(qū)。中上部由于保安礦柱作用有效減少塌陷范圍。下部巖土體受重力和地形因素影響向下變形。泥巖夾層地下水聚集，逐漸向坡下流動，促使滑動面逐漸貫通，最終失穩(wěn)。綜上所述，滑坡受地震、降雨及冰雪融水、地下采空塌陷聯(lián)合作用產(chǎn)生了滑動（圖6）。

4? 防治對策及建議

（1） 截排水。注意滑坡側(cè)緣及滑坡后緣長約10余米的階梯狀弧形裂縫采取排水溝等方式進行地表水截流，防止地表水沿裂縫進入地下，造成巖土體抗剪強度降低。同時在滑坡內(nèi)部預(yù)埋排水管，助力滑坡體內(nèi)部淺層水排出。

（2） 削坡、護坡。在滑坡前緣鼓丘修筑擋土墻、抗滑樁等，增加抗滑力，鎖住巖土體，防止其進一步發(fā)展。或進行削坡，減小其下滑力。

（3） 監(jiān)測。建議增加監(jiān)測設(shè)施，重點監(jiān)測滑坡前緣位移變化及地表水變化。在雨季、冰雪融雪期及暴雨期重點監(jiān)測。采取群防群測的方法， 全面及時了解滑坡變化情況。

（4） 采空區(qū)回填。地面塌陷和地裂縫及時采用廢渣石回填、夯實。

（5） 植被。進行生態(tài)防治，禁止牛羊等進入滑坡塌陷災(zāi)害區(qū)，加強植被修復(fù)。生態(tài)防護措施能對物源進行有效阻滯和攔擋，減小災(zāi)害區(qū)在暴雨時發(fā)生泥石流的可能性。同時極大地減輕了巖土工程防災(zāi)減災(zāi)負擔，有助于擋土墻、抗滑樁等巖土工程措施有效、持久地發(fā)揮減災(zāi)效益。

5? 結(jié)論

（1） 本區(qū)發(fā)育4處滑坡，均存在進一步發(fā)展的可能。最近發(fā)生的1號滑坡和4號滑坡需及時進行治理，3號滑坡處在變形階段，2號滑坡無受災(zāi)體可暫緩擱置。后緣形成階梯狀弧形拉張裂縫，中上部產(chǎn)生寬約20 m的地面塌陷。滑坡體積大，直接威脅下方活動場房及礦上工人的生命安全。

（2） 地震、降水、冰雪融水及采空區(qū)等聯(lián)動作用導(dǎo)致滑坡發(fā)生。地震使巖土體變松弛，產(chǎn)生裂隙，增大了降雨及冰雪融水的滲入，導(dǎo)致孔隙水壓力增大，由此減小了巖土體的抗剪強度，促進滑坡的發(fā)生。同時采空區(qū)塌陷作用使滑坡后緣巖土體以坐落式向下滑坡，在滑動過程中推覆巖土體向前運動。

（3） 生態(tài)工程-巖土工程與減災(zāi)防治對策是一種有效地滑坡治理方案。在進行巖土體防治工程的同時進行生態(tài)植被修復(fù)，不僅能有效進行固土作用，還能恢復(fù)草場，綠化環(huán)境，是一種可持續(xù)發(fā)展的防治理念。

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