铁生沟滑坡体滑动机理的分析
时间：2022-03-11 02:10:29
[摘要]铁生沟滑坡于嵩山西北侧山前丘陵区，该滑坡体属于大型土质滑坡，通过对滑坡体的地层岩性及构造、水文地质、工程地质条件、人类工程活动的研究分析，得出了滑坡体的影响因素，并通过数字模拟技术对变形特征进行了分析，得出了该滑坡体的成因机制，对滑坡体稳定性及发展趋势做了预测。
[中图分类号]P642 [文献码] A [文章编号] 1000-405X（2013）-10-205-2
煤矿开采中经常遇到不稳定滑坡体的影响。这种滑坡体有的是构造性的有的是重力下压造成的，也有的是采空后造成的支撑力空缺形成的。如何能够做到事先加以分析预防并在施工开采中采取相应措施是非常必要的[1]。本文试图通过对铁生沟滑坡体的滑动机理分析，为实际采煤作业中提供一定的借鉴作用。
1滑坡体基本情况
1.1地形地貌
河南省巩义市铁生沟滑坡位于河南省巩义市夹津口镇铁生沟村，北距巩义市约25km。滑坡中心点坐标为113°01.868′E，34°37.467′N。滑坡区地处嵩山西北侧山前丘陵区，滑坡体北侧紧邻小平顶山，地势北高南低，地面高程365-410m，滑坡区地面坡度约15°，属剥蚀丘陵地貌，冲沟较为发育。
1.2地层岩性及构造
区域地层区划属华北地层区嵩箕小区。滑坡区及周围出露基岩为上古生界二叠系上石盒子组黄绿、灰、紫红色页岩、泥岩、粉砂岩、长石石英砂岩等组成的湖泊-河流相沉积层，出露于低山丘陵区及沟谷内。产状：10°∠15°，累计厚度400-600m。
第四系分为残坡积物和黄土类地层[2]。前者分布于低山丘陵区前缘，岩性为碎块石、粉质粘土等，厚度0-40 m；后者则形成河谷阶地，厚度大于20 m，与上述坡积物呈过渡关系。
该滑坡体岩性以上述坡积物为主，可大致分为上下两个岩性段：其中上段由粉土和粉质粘土组成，厚度一般小于10 m；下段自底部以碎块石为主，向上过渡为碎块石与粘土互层。铁生沟滑坡在区域构造位置上位于上庄向斜核部，受五指岭断层影响，区域为一箕形褶皱，向斜轴部出露二叠系地层，局部构造形态走向进东西，倾向北西，倾角10-15°。根据中国地震动参数区划图（GB18306-2001），该区地震动峰值加速度（g）为0.10，相当于地震基本烈度Ⅶ度区。据历史资料记载，本区未发生中强以上地震。1966年以来，理氏2.2～3.7之间的弱震发生过4次，地震活动具有强震少、弱震频的特点[3]。
1.3滑坡区水文地质、工程地质条件
滑坡区位于山前剥蚀丘陵区，因煤矿开采影响，区域内基岩裂隙水多已疏干。浅层地下水为松散堆积层孔隙、裂隙水，受岩性控制，富水性差。大气降水渗入地下，转化为地下孔隙、裂隙水向南部涉村河径流。地下水对滑坡体的影响分为两个方面：一部分孔隙水赋存于岩土体孔隙、裂隙中，增加了滑坡体的自重；少量赋存于滑带加重了对滑带的浸润和贯通[4]。
滑坡区内岩土体类型较为单一，属松散土体类粘性土多层结构土体，岩性主要为粉质粘土、粉土夹碎块石，土质松散，粒间联结极弱，孔隙比大，透水性好，力学强度低。
1.4滑坡区人类工程活动对地质环境的影响
区内主要人类工程活动为边坡开挖、矿产开采和坡地耕作。其中厂矿建设用地所形成的坡脚开挖，以原监狱场地北侧较为强烈。次为省道建设削坡。以上两级开挖形成的陡坎相距仅10m，在坡体下部形成累计高达20m的高陡临空面，直接导致滑坡的形成和发展。。随着退耕还林措施的实施，现滑坡体表面仅剩少量坡耕地。
滑坡区位于铁生沟煤矿矿区范围内工业广场东北一带。该矿1997年10月投产，主要开采二叠系二煤，开采深度320-420m。年产煤量从最初的数104t/a逐步增加到目前近100×104t，累计动用储量600×104t。该矿区主要开采矿区南部的上山方向煤层。
2极限平衡分析
2.1不平衡推力传递系数法计算原理
本文采用的是不平衡推力传递系数法来计算其稳定性，下面就用不平衡推力传递系数法计算稳定性的力学原理作简要阐述。
应用不平衡推力传递系数法计算滑坡的稳定性，首先将滑坡体进行条分。在考虑条块间作用力时，假定第i条块与第i-1条块之间的法向力和剪切力的合力为Fi-1且与上一条块的底滑面平行。则第i条块受到的作用力有：块体i的重量（Wi）；水平力（Ti）；孔隙水压力（Ui）；抗剪切力（Si）。对第i条块进行力的平衡分析。经整理得[5，6]：
Fi=（Wisinαi+Ticosαi）-[cili+（Wicosαi-Ui-Tisinαi）fi]/k+Fi-1ψi-1
式中：
ψi-1=cos（αi-1-αi）+ fisin（αi-1-αi）/k
其中：ci，fi―分别为第i条块底滑面的内聚力（Kpa）和摩擦系数，i=1，…，n；k―稳定性系数；Wi―块体i的重量，计算时取单宽，KN；Ti―水平荷载力，如水平地震力，块体侧面的孔隙水压力等，KN；Fi，Fi-1―分别为块体i和块体i-1的剩余下滑力，KN；Ψi-1―第i-1块到第i块的传递系数；Ui―滑面上的孔隙水压力，KN；
对N个块体均进行上述计算，最后得到第N块体的剩余下滑力FN，经多次迭代至FN=0，这时的K值即为所求的稳定性系数。
2.2计算模型
根据勘探、监测资料，滑坡体滑面总体为前缓（略反翘）后陡，本文计算过程中均加以考虑。合理地选取滑面的物理力学参数是计算成果可靠性的基础，综合现有的现场资料利用工程类比法获得滑坡计算参数如表1。
2.3计算荷载和工况
计算荷载有：滑坡体自重、地下水作用力和地震力（滑坡区处于Ⅶ度区，水平地震系数取0.1）。工况组合：采用3种工况对滑坡体稳定性进行计算，既自然状态、饱和状态和饱和+地震状态。
2.4计算结果分析
滑坡体的计算结果见表2。由计算结果可知在天然状态下，滑坡体稳定系数为1.12-1.14，处于基本稳定状态，破坏概率小于10%；在汛期雨季时，其稳定性为1.00-1.03，破坏概率为40.5%，处于临界破坏状态；在最不利组合下，滑坡稳定性为0.94-0.97，破坏概率达80.5%，处于破坏状态。
3滑坡变形特征
巩义铁生沟滑坡自1992年以来，就处于缓慢变形中。经93～94年的初步勘查治理，滑坡体的滑动局部得到了一定控制，虽然每年雨季仍有不同程度的活动，但都未造成大的灾害和损失。但是，受2003年汛期强降雨的影响，该滑坡体与该年度汛期发生了强烈变形。随后进入持续变形阶段。
3.1滑坡体后缘
滑坡体后缘分布三条拉张裂缝，其中主裂缝走向93°左右，缝宽0.4―0.6m，长度大于150m，缝两侧垂直位移1.6―1.9m；其余两条为当时新增裂缝，缝宽0.4m，长15～20m，缝两侧垂直位移0.6m左右。滑坡后缘主裂缝月平均扩展速率为0.3-1.2 cm。
3.2滑坡体前缘
出现多处鼓丘和裂缝：如豫31公路，在60m长度范围内出现严重变形隆起，高达70cm，隆起带宽度2～4m，且有数条宽度5cm以上的裂缝，鼓丘在汛期过后有加速增高现象；监狱北侧挡土墙出现多处裂缝和变形，仅在2003年10月初20多天时间内墙体最大相对位移量近20cm；监狱巡逻道地面鼓丘高达50cm；监狱围墙多处出现5cm以上的裂缝，最大位移量近15cm，围墙沉降缝两侧相对位移量近15cm；监狱围墙内多处出现高度大于50cm的鼓丘，地面裂缝宽度12―15cm。
由于该滑坡的持续变形，已产生了较大危害：因受滑坡直接威胁，原巩义监狱于2004年初整体搬迁，原铁生沟煤矿停产半年以上；原巩义监狱四号监舍楼（1992年建造）墙体严重开裂变成危楼而被迫拆除；铁生沟煤矿办公、生活区（原巩义监狱）北侧挡土墙、围墙，扬帆花园地面，原武警支队院内围墙等多处出现鼓胀、裂缝、错动等变形现象；原巩义监狱一号监舍楼变为危楼，被封死入口；豫31公路在铁生沟煤矿办公、生活区段（约180米）路面鼓胀现象及北侧切削坡面坍塌现象严重，长期只能半幅通车。
3.3滑坡成因机制
构成滑坡体的主要成分为碎石土和粘性土互层，本身为易于发生蠕动变形的易滑地层。31省道两侧的两级人工边坡（公路北侧的修路切坡发生于1988年，监狱外墙北侧切坡发生于1989年） 形成后，1992年开始出现斜坡变形现象，所以人工切坡是导致该滑坡活动的根本因素，此外造成滑坡下部出现解体现象的地下塌陷作用也不容忽视。最终导致滑坡复活的主要自然因素是大气降雨。
根据该滑坡变形特征可将其归入蠕滑-拉裂型滑坡。主要表现为后缘下沉和前缘的隆起，深层为强烈的剪切变形。地表位移监测结果表明后缘的总位移量和位移速率大于前缘。滑带的形成是从后缘向前缘剪切，深部变形监测结果显示后缘滑带剪切变形大于前缘。该滑坡后缘弧形拉张裂缝贯通，形成弧形拉裂圈，并与两侧剪张裂缝连接，呈现整体滑移边界；滑体出现明显错落下沉，后缘壁明显；前缘鼓胀。上述变形特征基本相当于临滑阶段。只是近年来大气降雨量偏低，未能达到触发滑坡滑动的临界降雨量，该滑坡目前仍处于持续加速变形阶段。
4滑坡稳定性及发展趋势
从深部监测孔的监测资料得知，滑面接行于斜坡面，说明其已处于近乎连通状态，随着滑坡体变形量的积累，剪切应力同时在滑坡体前缘不断增加，一旦超出其抗剪强度，滑坡运动将不可避免。受2003年强降雨的影响，滑坡体发生了较强烈的位移变形，滑坡前缘一带的集中应力得到部分释放。随后进入平水年，但滑坡移仍在继续，具体表现为滑坡裂缝持续扩展，前缘不断隆起而且范围增大，且各部位位移处于不均衡状态，遇强降雨条件发生再次活动的可能性不断增加。
Analysis of landslide mechanism Tieshenggou Cast Coal
Zhang Guangcai， Bie Xinfeng， Cui Junjian， Zhang Dongbao
（Tieshenggou Coal Co.， Ltd.， Henan Zhengzhou 450052）
Abstract： Tieshenggou landslide is located at the northwest side of Piedmont hilly area of Songshan， the landslide is a large soil landslide， through the analysis and Study on landslide formation lithology and structure， hydrogeological， engineering geological conditions， human engineering activities， the influence factors of the landslide， and technology has carried on the analysis to thedeformation by digital simulation， the formation mechanism of thelandslide， a prediction of stability and development trend of the landslide.
Keywords： landside；landside mechanism；stability；staTieshenggou
参考文献
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