摘要
为阐明采动和降雨入渗条件下含深大裂隙岩溶山体变形和破坏规律,以贵州省纳雍县普洒滑坡为例,通过块体离散元数值分析,探讨煤层开挖扰动和降雨入渗作用下含深大裂隙岩溶山体失稳破坏机制。结果表明,随着M10和M14煤层开采,山体上覆岩层向采空区方向下移,新生裂隙向坡表发育。工作面上覆岩层裂隙带高度随采空区范围的增大而增加,M10和M14开采结束后,裂隙带分别发育至30倍和40倍采高,坡顶深大岩溶裂隙向坡下扩展。降雨入渗后,上覆岩层裂隙带与深大岩溶裂隙贯通,在孔隙水压力作用下深大岩溶裂隙向坡表扩展形成贯通滑动面,岩溶坡体发生崩滑破坏。研究发现,地下采动是普洒老鹰岩山体变形破坏的控制因素,后续降雨是山体失稳的主要诱发因素。
中国西南岩溶山区受长期构造运动和地下水侵蚀作用,岩溶作用强烈。受特殊的沉积环境和地质作用控制,山体上部普遍为陡峭硬质灰岩,下部为较缓软弱岩层,如页岩和泥岩等,形成上陡下缓的“靴”形地
岩溶崩滑灾害的发生受多种作用影响,主要包括自然因素和人类工程活动。岩溶山体内部裂隙发育,地下水的溶蚀作用强烈,形成大量岩溶裂隙和管道,地下水入渗后进一步扩展成深大岩溶裂
中国西南岩溶山区蕴藏着丰富的煤炭资源,近些年开采活动越发频繁。地下开采引起岩层移动和断裂,在地下形成较大的采空区,极易诱发山体滑坡,例如,重庆武隆鸡冠岭滑
前人对采动作用后,岩溶坡体失稳破坏机制进行了详细研究,取得较多成果,但对于深大岩溶裂隙对采动山体稳定性的影响研究较少,考虑降雨作用后情况更为复杂,仍需进一步研究。以贵州省纳雍县普洒滑坡为研究对象,在现场调查的基础上,通过数值计算模拟高陡岩溶山体地下开采和降雨入渗过程,阐明含深大岩溶裂隙山体的破坏机制。
贵州省纳雍县普洒“8·28”崩滑区属于构造剥蚀地貌,总体走向为西南,最高海拔2 147 m,最低海拔1 842 m,地形坡度10°~25°,部分地段坡度达到55°~70°。崩塌区裸露岩层主要包括三叠系下统夜郎组(T1y),上部主要为中厚层状灰岩,下部为砂质泥岩;二叠系上统长兴一大隆组(P3c+d),上部主要为泥质灰岩,下部为灰色中厚层状、薄层状灰岩;二叠系上统龙潭组(P3l),即地层,位于峨嵋山玄武岩组假整合面之上,主要由泥岩、粉砂质泥岩及煤层组成;地面被第四系土层覆盖。调查区内煤层和地层产状一致,均为单斜,倾向为138°~1 878°,倾角为78°~108°。受岩性组成影响,区内多形成“上硬下软、上陡下缓”的高陡斜坡。断裂构造较发育,主要不利断层有F1、F2、F3,如

图1 崩塌区地形地质
Fig. 1 The landform geology of the collapse are
纳雍县地处亚热带季风湿润气候区,气候温和,雨量充沛,年平均降雨量1 200 ~1 300 mm。6月份降雨量到达峰值,为223 mm;12月份最少,为22 mm;5月—9月降雨集中,占全年总降水量的70%以上。由

图2 纳雍县张家湾2017年崩塌前逐月降雨
Fig. 2 Monthly rainfall before the collapse of Zhangjiawan in Nayong County in 201
普洒山体上部为可溶性灰岩,下部弱透水泥岩形成相对隔水层,有利于地下水的汇

图3 岩溶塌陷坑和岩溶裂
Fig. 3 Karst collapse pits and karst pipe
根据地质资

图4 现场地质调查
Fig. 4 Field geological survey
坡脚下的采煤活动是对普洒滑坡影响较大的人类活动。该煤矿从2007年开始开采,已连续开采10余年,长期的煤炭开采活动对老鹰岩以下的地层结构产生了巨大的改造作用,导致地应力重分布,对崩塌滑坡灾害产生重要影响。该区可采煤层主要为M6、M10、M14、M16、M18和M20,如

图5 纳雍县普洒村滑坡剖面
Fig. 5 Landslide profile of Pusa Village in Nayong Count
以普洒崩塌山体为基本原型,依据滑坡剖面图,建立UDEC二维数值计算模型。如
岩层 | 密度/(kg· | 体积模量/GPa | 剪切模量/GPa | 内摩擦角/(°) | 黏聚力/MPa | 抗拉强度/MPa |
---|---|---|---|---|---|---|
灰岩 | 2 680 | 21.90 | 11.90 | 32.00 | 2.42 | 4.80 |
泥灰岩 | 2 600 | 14.00 | 9.80 | 40.20 | 1.43 | 3.50 |
粉砂岩 | 2 600 | 11.80 | 7.50 | 36.50 | 1.41 | 3.60 |
泥岩 | 2 480 | 4.80 | 3.50 | 31.11 | 1.21 | 2.70 |
煤层 | 1 280 | 4.20 | 2.70 | 46.98 | 0.50 | 0.28 |
结构面类别 | 法向刚度/GPa | 切向刚度 /GPa | 黏聚力/MPa | 内摩擦角/(°) | 抗拉强度/MPa |
---|---|---|---|---|---|
煤层面 | 2.80 | 2.70 | 0.80 | 15.22 | 0.10 |
岩层面 | 28.90 | 27.20 | 1.20 | 22.31 | 0.14 |
岩体节理面 | 30.10 | 33.30 | 0.75 | 19.30 | 0.22 |
断层面 | 30.30 | 29.50 | 0.48 | 14.80 | 0.00 |
基于实际煤层开采条件,数值模拟取M10、M14煤层进行开挖。首先,计算至山体初始平衡;然后,开采煤层,每个煤层设置10个开采步,每步开采10 m,每个计算步长为1

图6 滑坡二维数值模型
Fig. 6 The two-dimensional numerical model of landslide
根据调查资
采动和降雨作用下坡体变形云图,如

图7 煤层开采和降雨后的山体变形(单位:m)
Fig. 7 Deformation of the mountain after mining and rainfall (unit:m)
在坡体变形响应中,采动和降雨对上部岩体位移的影响是一个不断调整的过程。当开采到M10煤层时,坡体发生整体下沉,被裂隙槽切割的岩桥向坡体后缘倾倒,深大裂隙2上部闭合。裂隙底部产生向右下方扩展的裂隙,扩展的裂隙阻断了采动位移影响区向坡体后缘的传递。开采到M14时,坡顶岩体沿深大裂隙2下滑,坡体中部坡顶岩体下沉受到推挤作用,该部分岩体有被临空挤出的趋势。采动位移区扩展至深大裂隙3底部,裂隙底部产生向右下方扩展的裂隙,坡体后缘逐渐形成了类悬臂梁结构。降雨结束后,受到裂隙水压推力和渗流影响,坡体中部岩体无法承受来自坡顶岩体的推力,被临空挤出,沿深大裂隙2向下滑移,坡体发生失稳。综上所述,采动和降雨作用下坡体的变形过程可概括为:坡体沉陷变形—岩桥向坡内倾倒—上部岩体沿主裂隙滑移—中部岩体挤出。
坡表监测点的水平位移、竖向位移如

图8 坡表监测点位移
Fig. 8 Displacement of slope surface monitoring points
结合
覆岩监测点位移如

图9 覆岩监测点位移
Fig. 9 Displacement of overburden monitoring points
对比分析覆岩测点水平位移和竖向位移变化图可知,覆岩变形主要表现为山体整体下沉,其中,顶板测点8竖向位移最大为3.50 m,降雨对坡体变形影响主要表现为山体上部岩体临空挤出。

图10 坡体裂隙发育
Fig. 10 Slope fracture development
结合3个阶段的裂隙扩展图分析,M10和M14开采后深大裂隙底部和上覆岩层裂隙发育,使坡体上部裂隙开度增大,处于不稳定的状态。降雨后,在裂隙水压和坡顶岩体挤压作用下,坡体中部裂隙贯通,形成向临空面发展的裂隙面,坡体发生破坏。
统计不同工况下,上覆岩层裂隙带高度,绘制裂隙带高度演化图,如

图11 采动裂隙带高度演化图
Fig. 11 Height evolution of mining fracture zone
降雨后坡体渗流速度矢量图,如

图12 坡体渗流方向和孔隙水压图
Fig. 12 Seepage direction and pore water pressure of slope

图13 未采动情况下降雨后的山体变形 (单位:m)
Fig. 13 Deformation of mountain after raining without mining (unit:m)
普洒滑坡灾害的主要形成原因是人类开采活动和降雨入渗作用,山体在崩塌前经历了一个漫长的变形过程,在前期地下水的溶蚀作用下,山顶形成了4条深大岩溶裂隙,其中,深大裂隙2为主裂隙,对山体破坏变形起控制作用。将山体失稳过程分为2个阶段,采动过程和降雨过程,如

图14 坡体变形破坏示意图
Fig. 14 Schematic diagram of slope deformation and failure
1)采动过程
随着M10和M14煤层开采结束,煤层顶板破碎塌陷并压实采空区,上覆岩层出现大量采动裂隙,并呈现向上扩展趋势。坡顶岩桥向坡后倾倒,深大裂隙2上部闭合,各深大裂隙受采动沉陷影响向坡体右下方扩展。坡体上部出现明显下沉,沿闭合的主裂隙向下滑移,坡体中部软弱岩体受上部岩体推挤作用向临空面挤出。
2)降雨过程
降雨后采动裂隙范围进一步扩大,深大裂隙1和2与覆岩采动裂隙贯通。坡顶岩桥继续向坡后倾倒,各深大裂隙底部裂隙继续向右下方扩展。在裂隙水压力和上部岩体挤压作用下,坡顶岩体下滑程度加剧,坡中软弱岩体进一步向临空面挤出,出现大量破碎岩体,形成贯通的潜在滑动面,岩溶坡体发生崩塌破坏。
坡体变形失稳过程可概括为:坡体沉陷变形—坡顶向坡后倾倒—主裂隙闭合—上部岩体沿主裂隙滑移—坡体中部挤出—潜在滑面贯通—崩滑。
通过数值模拟探讨降雨作用下,含深大裂隙采动山体破坏机制,主要结论如下:
1)地下采动作用对岩溶山体的稳定性影响较大。岩溶山体在地下采动作用下煤层上覆岩层向采空区方向下移,新生裂隙使岩体强度降低。采动裂隙不断向坡表发育,上覆岩层裂隙带高度随采空区范围的增大而增加,M10和M14开采后,裂隙带分别发育至30倍和40倍采高。坡体抗滑力逐渐减小,山体稳定性不断下降,并随顶板岩层的冒落而显著变化。
2)深大岩溶裂隙对岩溶山体变形破坏影响显著,在采动作用下,坡顶深大岩溶裂隙向坡下和坡表扩展。随着采空区的不断增大,上覆岩层裂隙发育带逐渐向上扩展并与深大岩溶裂隙贯通,坡体向外挤出变形趋势显著增大。
3)加入降雨作用后,坡体位移向临空面不断增加,斜坡中部继续向外挤出,深大岩溶裂隙进一步扩展,在孔隙水压力作用下深大岩溶裂隙向坡表扩展形成潜在滑动面,普洒老鹰岩发生失稳崩塌破坏。
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