地质灾害与环境环境
JOURNAL OF GEOLOGICAL HAZARDS AND ENVIRONMENT PRESERVATION
　1999年　第10卷　第4期　Vol.4　No.12 1999



软岩边坡变形破坏规律及其
对城市设施的影响
祖国林　李绍臣　王启瑞　张轶宏　白富英
摘要：以抚顺西露天矿大规模倾倒滑移变形体变形规律研究为例，探讨受软弱夹层控制的软岩边坡变形破坏规律及其变形破坏对城市工业设施的影响。
关键词：软岩边坡；倾倒滑移变形；变形破坏
中图分类号：P642.22；X141
文献标识码：A
文章编号：1006-4362(1999)04-0028-05
STUDY ON THE INFLUENCE OF SOFT ROCK DEFORMATION
FAILURE ON URBAN INDUSTRIAL ESTABLISHMENT
Zu Guolin　Li Shaochen　Zhang Yihong　Bai Fuying
(Fushun Branch,Central Coal Mining Research Institute,Fushun　113001)
Wang Qirui*
(*Heidaigou Open Pit Mining,Zhungeer Coal Industry Company,Neimeng　010069)
Abstract：Based on the study on the deformation of largescale toppling rock mass in Fushun west open pit,this paper research the features of deformation and failure of the soft rock slope controlled by weak intercalated beds,and its influence on urban industry establishment.
Key words：soft rock slope;deformation and failure;toppling
　　随着露天矿开采深度的增加，受软弱夹层控制的软岩边坡的蠕动变形破坏现象越来越多，高陡边坡岩体的动态稳定性和边坡围岩体上(境界外)构建筑物变形的安全性，以及围绕两者如何确定和实现最佳开采境界问题，越来越受到人们的高度重视和关注。
　　由于矿山地质环境的不可选择性，蠕动边坡岩体结构的渐进性破损、开挖边坡动态地质条件的复杂开放性，使得描述边坡岩体变形、破坏、失稳的全过程更具动态非线性特征。本文通过对抚顺西露天煤矿软岩边坡倾倒滑移变形及其对围岩体上构建筑物变形破坏特征及规律的研究，希望能对有类似地质条件的矿山安全生产与变形治理工程提供一定依据。
1　抚顺西露天矿北帮采矿及工程地质构造特征概况
　　抚顺西露天矿是我国的一座大型露天煤矿，已有90多年开采历史。煤田由露天、井工联合开采。-440 m标高以上浅部煤层为露天开采，目前矿山边坡高达380 m，边坡角25～30°。近年来随着北帮边坡的到界开采，边坡切断了向斜南翼岩层，导致北帮W200～W600区段的边坡发生大规模倾倒滑移变形。倾倒滑移变形破坏不但影响矿山生产运输安全，而且严重威胁紧临北帮地面的城市工业建筑设施(抚顺石油一厂等)的安全。近年，由于厂矿采取了边坡疏干减压、抗滑桩加固、断层带帷幕注浆等一些有效的治理措施，使边坡及厂区地基变形得到有效控制，延缓了变形的进一步发展。
　　北帮边坡工程地质条件比较复杂，在北帮上部发育有两条深大压扭性断裂构造F1和F1A。F1断层走向NE80°，倾向NW，倾角47～52°，上盘为白垩系岩层，下盘为第三系岩层。断层破碎带宽2～30 m，破碎带内发育有断层泥、断层角砾岩等。F1A断层走向NE80～85°，倾角70～75°，破碎带宽30 m左右，上盘为太古界鞍山群花岗片麻岩，下盘为白垩系岩层。F1和F1A之间的水平间距为200～250 m，两断层走向近似平行，但倾角不同，因而在地层深部形成一个由白垩系岩层组成的倒三棱岩体，其边界均有软弱的断层泥和角砾岩。
　　在F1和F1A断裂构造作用下，北帮地层产状、岩体质量和结构损伤受到剧烈影响：使位于F1和F1A之间的白垩系岩体受到严重破坏，岩体破碎，裂隙发育，呈破裂结构；使位于F1南侧的第三系地层被牵引，形成不对称向斜及复式褶曲构造，向斜北翼岩层倒转，南翼岩层倾角平缓，加之绿色泥岩中夹有多层软弱褐色页岩，有的已形成泥化夹层，对北帮边坡稳定和厂区地面变形极为不利。
2　蠕动边坡变形发展特征及其阶段划分
　　软岩边坡在靠界过程中，由于受坡体内软弱夹层的流变特性控制，使边坡体变形随之具有蠕动特性。蠕动边坡变形经历时间较长(往往10几年)，边坡变形虽有很大发展，但仍不至于破坏。蠕动边坡变形大体上可以分为瞬时阶段、稳态变形阶段和加速变形阶段。图1为抚顺露天矿坡表W27测点蠕动变形阶段划分及变形特征曲线。


图1　W27测点变形特征曲线
Fig.1　The deformation character curve of W27 point
　　(1) 瞬时阶段经历的时间较短，但蠕动变形发展很快，位移速度呈减速发展。图1中显示W27测点捕捉到的瞬时阶段历经4个月，累计位移达2 994 mm，其间月平均位移速度最大达70.19 mm/d，而初期的周平均位移速度高达204.6 mm/d。如此高的位移速度和这样大的位移量，曾使西露天矿28干线一度陷于半停产状态。
　　(2) 稳态变形阶段的时间段较长，特点是在此时间段内边坡蠕动变形速度大致保持在一个较小的范围内波动，可近似看作是一常量。由图1中的资料表明，W27测点从1987年逐渐过渡到稳态阶段，其年平均位移速度从1988年的2.46 mm/d，逐渐减缓到1989～1991年的1.00～1.28 mm/d。
　　(3) 加速阶段的特点是年均位移速度逐年增大。图1显示W27测点从1992年开始进入加速阶段，年均位移速度从1992年的1.5 mm/d，逐渐增大到1995年的4.15 mm/d，其间1994年最大达7.28 mm/d。
　　边坡蠕动变形进入加速阶段，就预示着终有一天会因蠕动变形的急剧发展而使边坡失稳破坏，因而应引起特别关注，一方面进行预测预报，一方面要采取各种措施进行治理，防止或推迟这一天的到来。有的文献和实测表明，加速蠕动变形阶段还可分为加速蠕变阶段来临、第二加速蠕变阶段、第三加速蠕变阶段。每个加速蠕变阶段的位移速度，随靠近剧滑而越来越大。
　　据加拿大AFTON煤矿倾倒边坡加速蠕变的实测经验：界限速度0.02 mm/min(或28.8 mm/d)标志着第二加速阶段开始，距发生剧滑约11～15 d；第三加速蠕变阶段开始的界限速度为0.1 mm/min(或144 mm/d)，距失稳破坏还有1～2 d；破坏前8.5 h的临界滑动速度为0.5 mm/min。
3　蠕动边坡变形“阶跃”现象的显现与发展
　　蠕动边坡变形发展到一定时间后，在某个较小的时间段内出现急剧的位移发展，但并未导致边坡破坏，这种现象称为位移的“阶跃”现象。观测表明，“阶跃”现象出现在汛期内，它与降雨有密切关系。在不继续开挖关键部位的坡体情况下，促使显现位移“阶跃”现象的因素有两个，一是时间，二是降雨。变形时间持续延长，岩体结构遭受渐进性破损，使岩体质量降低，强度衰减，而集中降雨则使地下水压增大。
　　在W27测点位移历时曲线中，1992年前“阶跃”现象有所显现，但并不明显。从1993年开始，每年汛期内均有明显的“阶跃”现象显现。1993年以前，边坡体经历了6年的渐进性结构破损，为集蓄降水提供了通道和空间，使边坡体内的地下水压增高，促使汛期边坡位移加剧发展，显现“阶跃”现象。1995年汛期降水量虽然与1994年相当，但其“阶跃”显现值仅为前一年的1/3，这是由于1995年初(3～6月份)在17段(-80 m)，实施了7 800 m的水平放水孔工程，增加了疏水通道，使坡体内地下水得以及时排出的原故。
　　“阶跃”现象不仅使当年的年均位移速度有了明显的增大，而且使其后继的非汛期平均速度较其前面的非汛期平均位移速度也有所增加。W27测点1991年汛期的小“阶跃”，使其前后的两个非汛期平均位移速度从0.88 mm/d增至1.39 mm/d；1994年的大“阶跃”使其前后的非汛期平均位移速度从1.88 mm/d增至2.22 mm/d；1995年的“阶跃”虽不是最大，但仍使后继的非汛期平均位移速度进一步增到2.55 mm/d。可见，非汛期位移速度的增大，显然与“阶跃”现象的显现与发展有关，而“阶跃”现象的主要起因在于集中降雨，因而疏干排水，加大疏水工程密度是消除“阶跃”现象、防止边坡蠕动变形加剧发展的有效措施。
4　抚顺西露天矿倾倒滑移变形破坏特征及整治建议
　　倾倒滑移变形主要受地质构造控制，是特定的地质构造与采矿技术条件相结合的一种特殊的边坡蠕动变形模式。由于倾倒滑移变形特殊的倾倒—滑移—倾倒的作用机制及弱层的流变特性，决定了倾倒滑移变形历时长、变形影响范围广的特点。抚顺西露天矿北帮W200～W600 区段倾倒滑移变形体由于受断裂构造、地下水、井下开采和露天开采等综合因素的影响，于1987年、1988年露天边坡曾发生了以W200，W600为中心的倾倒滑移变形，以后变形不断加剧；1993年由于受汛期特大集中降雨影响，变形速率成倍增长，变形扩展以W400为中心的整体变形破坏，汛期最大位移速度达154.8 mm/d，下沉93.0 mm/d。虽然1995年17段采取了疏干减压措施，边坡变形有所减缓，但与1992年相比仍为成倍增长。
　　受倾倒滑移变形影响，地面兴平路出现多条NE，NW，EW向“弧形”展布的裂缝，裂缝宽达0.6 m。地面上的民房、工务段办公室、食堂等建筑物由于出现大规模拉张、沉裂裂缝，以致被迫拆除。地面石油一厂厂区F1A断裂带产生空化、离层现象，形成南高北低的陡坎，断裂带附近地基拉张、沉裂变形严重，造成地下管线被拉张破裂、厂房沉裂，迫使原汽电车间和西汽锅部分厂房拆除或搬迁，经济损失巨大。典型观测点如断层带北测A9测点累计下沉1 387.7 mm，断层带南侧A10测点累计向南移动1 384.9 mm。F1以南第三系岩体与F1，F1A之间的白垩系倒三棱体构成的倾倒滑移变形体的变形，不仅直接影响F1A以南及附近岩体变形破坏，而且由于引发的F1A断层效应显现，使F1A以北一定范围内岩体发生沉陷滑移和沉陷迁移变形，厂房沉裂、倾斜变形严重。典型的W200剖面倾倒滑移变形影响范围分区如图2所示。


图2　W200剖面倾倒滑移变形影响分区图
Fig.2　The influence zonation of toppling deformation on of W200 section
　　由于本区工程地质条件的不可选择性及倾倒滑移变形向纵深发展的多级性，建议地面变形整治工程应遵循以下原则：
　　(1) 治标应先治本。露天开采是造成边坡倾倒滑移变形和地面变形破坏的直接原因之一，因此，在有条件情况下露天矿应加快实施内排土工程，实现内排压脚，减小或防止倾倒滑移变形的发展。
　　(2) 由于本区边坡倾倒滑移变形具有多级倾倒滑动特性，因此，边坡加固工程设计深度应到变形不动层。
　　(3) 疏干减压是抑制或延缓软岩边坡蠕动变形进一步发展的有效措施。实践证明，设计合理的疏干工程密度，是消除或减小变形“阶跃”、延缓变形发展的有效措施。
　　(4) 及时回填地面空化裂缝，减少地表水入渗。
　　(5) F1A断层带以南的建筑物，以搬迁为宜。
　　(6) F1A断层带以北的建筑物，在变形深度不大的情况下，可以实施一定的整治措施，以达到保护地面建筑物的目的。
5　结语
　　倾倒滑移变形为软岩边坡变形的一种特例，是由软弱夹层和反倾的地质结构体构成的一种特殊地质条件下的变形模式，其变形特征具有变形历时时间长、变形量大、破坏性强、变形影响范围广等特点，对它的研究在国内外尚属罕见，尚需在实践中作进一步地探索与研究。
第一作者简介：祖国林，男，36岁。副所长，高级工程师。1983年毕业于淮南矿业学院。现在煤炭科学研究总院抚顺分院从事边坡工程研究工作。已发表论文10余篇。
作者单位：祖国林　李绍臣　张轶宏　白富英　煤炭科学研究总院抚顺分院，抚顺　113001
　　　　　王启瑞　准格尔煤炭工业公司黑岱沟露天矿，内蒙古　010069
参考文献
［1］　谷德振.岩体工程地质力学基础［M］.北京：科学出版社，1979年.
［2］　孙广忠.岩体结构力学［M］.北京：科学出版社，1988.10.
［3］　李绍臣.阶越式边坡变形位移影响函数建立方法探讨［J］.露天采煤技术，1996，(3).
收稿日期：1999-07-03
