楊茂林，李國慶，石愛紅，李 宇

(1.國能神東煤炭集團有限責任公司，陜西 榆林 719315；2.煤炭開采水資源保護與利用國家重點實驗室，北京 102211；3.中國地質(zhì)大學(xué)(武漢) 資源學(xué)院，湖北 武漢 430074)

2019年12月29日，哈拉溝煤礦副井工業(yè)廣場35kV變電站東側(cè)靠近大石公路邊坡處發(fā)生滑坡地質(zhì)災(zāi)害，公路出現(xiàn)裂縫、局部沉降，坡體滲水嚴重。滑坡對副井工業(yè)廣場35kV變電站、醇基燃料庫房及大石公路行車造成安全隱患。

滑坡是一種常見的地質(zhì)災(zāi)害類型，其誘發(fā)因素主要有地質(zhì)環(huán)境演化、區(qū)域降雨、凍融、地震等自然作用以及庫水位升降、工程開挖、灌溉入滲等人類活動[1-4]。對于巖土復(fù)合型滑坡，強降雨誘發(fā)強風化層整體失穩(wěn)，巖體強度削弱，導(dǎo)致巖質(zhì)鎖固段快速破壞，從而形成突發(fā)性滑坡[5，6]。降雨使坡體孔隙水壓力升高，從而降低有效應(yīng)力和土體強度，是誘發(fā)滑坡的關(guān)鍵因素之一[7]。甘肅黑方臺灌溉型黃土滑坡具有多次漸進后退式破壞的特點，滑源區(qū)被滑坡殘留體覆蓋，導(dǎo)致地下水位局部雍高上漲[8，9]。黑方臺黃土坡體水分含量受降雨和灌溉共同影響，其中灌溉對淺層埋深3m內(nèi)的土壤水分影響更大，是區(qū)域滑坡頻發(fā)的主要誘發(fā)因素[10，11]。黃土區(qū)垂直裂隙發(fā)育，黃土具有濕陷性，灌溉水入滲路徑與降雨不同，黃土塬頂裂縫寬度、深度以及裂縫塬邊距均對坡體穩(wěn)定性有影響[12-14]。地下水與灌溉具有很好的相關(guān)性，而且地下水變化相對于灌溉具有一定的滯后期[9]。灌溉水易導(dǎo)致黃土飽水、軟化，形成塑性流體[15-19]。在微觀上，水量增多使黏粒分散，從而改變黃土微觀孔隙結(jié)構(gòu)，使土體骨架顆粒接觸關(guān)系由鑲嵌結(jié)構(gòu)變?yōu)槟z結(jié)結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致土體強度降低和結(jié)構(gòu)破壞[20]。隨著土體體積含水率增大，基質(zhì)吸力逐漸減小[21]，而基質(zhì)吸力對于小型淺層黃土滑坡穩(wěn)定性具有重要影響[22-23]。 在借鑒上述研究成果的基礎(chǔ)上，筆者通過現(xiàn)場調(diào)查、鉆探、滑坡變形監(jiān)測以及數(shù)值模擬等技術(shù)方法，考察了哈拉溝滑坡地質(zhì)條件與變形特征，探討了該滑坡的成因機制，為制定防治措施提供依據(jù)。

1 工程概況

1.1 滑坡區(qū)概況

哈拉溝煤礦是神華神東煤炭集團所屬的一座特大型現(xiàn)代化主力礦井，工業(yè)廣場東側(cè)35kV變電站為礦方生產(chǎn)主要供電設(shè)施，如果滑坡進一步擴大并破壞變電站，將直接影響煤礦安全生產(chǎn)。哈拉溝滑坡區(qū)位于大石公路與變電站之間，寬約45m，滑坡面積約920m2。本區(qū)屬于梁卯地貌，大部分為風積沙堆積區(qū)，溝谷兩側(cè)基巖部分裸露?；聟^(qū)坡積物主要為第四系風積沙土，土質(zhì)松散，松散層及松散含水層、風化基巖含水層、燒變巖含水層厚度不詳。

哈拉溝滑坡區(qū)地勢東高西低，西部為哈拉溝煤礦工業(yè)廣場和烏蘭木倫河，東部為大柳塔煤海塞罕壩中心公園。公園內(nèi)建有人工湖—神東湖以及景觀水渠，同時從井下抽取哈拉溝礦井水進行日常生態(tài)灌溉[24]。經(jīng)調(diào)查，神東湖水曾沿大象溝外排，但外排的約3～5萬m3水全部在滑坡東部的山頂溝渠中滲漏。初步分析該滑坡可能與地表水滲漏和人工生態(tài)灌溉有關(guān)。

1.2 勘查方法

為了查明哈拉溝滑坡的工程地質(zhì)與水文地質(zhì)條件，進行了現(xiàn)場地質(zhì)勘查與水文地質(zhì)鉆探?？辈閰^(qū)域位于神木市大柳塔鎮(zhèn)，勘查范圍為哈拉溝煤礦副井工業(yè)廣場35kV變電站以東與神東湖以西之間區(qū)域，面積約13.5萬m3。

實地踏勘主要采用穿越法并輔以追索法，從滑坡區(qū)向神東湖一線進行地質(zhì)調(diào)查，考察地表水體、基巖出露情況、煤層露頭線、煤層火燒邊界線及松散層分布等情況。

在滑坡區(qū)以東、神東湖以西區(qū)域范圍內(nèi)布置16個水文觀測孔，孔號為S1～S16，總進尺589.24m。本次勘查選用2臺XY-100型地質(zhì)鉆機進行施工，采用機械鉆探施工工藝，全孔取芯。各孔以?113mm孔徑施工至正?；鶐r內(nèi)2m，擴至?215mm孔徑，全孔下?133mm管(底部為花管，孔口為實管)，采用活塞或鋼絲刷反復(fù)洗孔。?133mm管高出地面0.5m，管上口加工管蓋，以作長期觀測之用。

1.3 工程地質(zhì)條件

區(qū)內(nèi)第四系松散層主要由第四系上更新統(tǒng)薩拉烏蘇組(Q3s)和第四系全新統(tǒng)(Q4)地層組成，厚度為0～51.13m，平均25.8m；主要沿鉆孔S1—S5—S8—S11一線(古沖溝區(qū)域)分布，并向兩側(cè)逐漸變薄，如圖1所示。

圖1 松散層厚度等值線

1)第四系上更新統(tǒng)薩拉烏蘇組(Q3s)：與下伏地層呈不整合接觸，厚度6.47～39.7m，平均20.9m。區(qū)內(nèi)主要分布于溝谷兩側(cè)及溝掌一帶。巖性由灰黃、黃色細砂、砂礫石、亞砂土、淤泥質(zhì)亞砂土、亞粘土組成。局部含有礫石層，見于鉆孔S3、S5、S6、S7、S14、S16，礫石層厚度0.3～29.82m，平均9.17m，各鉆孔礫石層厚度差異較大，分布極不均勻。底部零星分布有黃土層，僅見于鉆孔S1、S3、S9、S10、S12，厚度2.2～6.27m。

2)第四系全新統(tǒng)(Q4)：風積沙層呈黃褐色，松散狀未固結(jié)，以中細砂為主，區(qū)內(nèi)大面積分布，厚度0～12.60m，平均5.51m。質(zhì)地均一，遇風飛揚。

本次鉆孔勘查發(fā)現(xiàn)，滑坡區(qū)東部第四系松散層下發(fā)育一條古沖溝，上游為兩條支溝，走向近東西向，長度約300m，寬約120～180m，切割深度最大約50m，揭露最低點標高1110.56m，剝蝕深度接近2-2煤層頂板，古沖溝基巖頂界面等高線如圖2所示。

圖2 基巖頂界面等高線

1.4 水文地質(zhì)條件

勘查區(qū)第四系松散含水層主要包括第四系風積沙層(Q4)和第四系上更新統(tǒng)薩拉烏蘇組(Q3s)含水層，含水層厚度為2.21～31.28m，平均12.54m；含水層厚度較大區(qū)域位于鉆孔S1—S5—S13一線(古沖溝區(qū)域)，并向兩側(cè)逐漸變薄，如圖3所示。

圖3 第四系松散含水層厚度等值線

1)第四系風積沙層(Q4)含水層：主要分布于古沖溝流域。巖性為固結(jié)沙層，各地段相差較大，富水性中等到弱，水質(zhì)為HCO3—Ca·Na型水，礦化度為0.25～0.31g/L。

2)第四系上更新統(tǒng)薩拉烏蘇組(Q3s)含水層：為本區(qū)主要含水層，主要分布于古沖溝流域，強富水性，含水層厚度局部達到29.82m。局部含有礫石層，礫石層厚度0.3～29.82m，平均9.17m，各鉆孔礫石層厚度差異較大，分布極不均勻。

滑坡區(qū)東側(cè)上游直線距離約410m有人工水體“神東湖”，神東湖長約240m，寬約150m，儲水面積約2.3萬m2，2019年8至10月份開始儲水。經(jīng)現(xiàn)場調(diào)查，神東湖水曾沿大象谷外排，流到S14號鉆孔附近區(qū)域發(fā)生斷流，約3～5萬m3水全部滲漏入地下古沖溝，此外，還有公園地表日常生態(tài)灌溉水大量補給古沖溝流域。

2 滑坡變形與滲水特征

2.1 變形特征

采用全站儀5″級閉合導(dǎo)線方法進行地表位移監(jiān)測。監(jiān)測點利用全站儀采用極坐標法進行施測，于2020年1月18日開始監(jiān)測，監(jiān)測頻率：2020年1月18—23日，每日觀測兩次；1月24—28每日觀測一次；2月29日后每3日觀測一次，截止7月1日，共監(jiān)測83次。沿東西方向布設(shè)7條觀測線，觀測線間距約為8～14m；每條觀測線布設(shè)5個監(jiān)測點，每排監(jiān)測點間距沿觀測線自西向東方向逐步增大；另在山頂人工湖西側(cè)245m距離內(nèi)布設(shè)3個GPS監(jiān)測點(S1、S2、S3)；共計布設(shè)38個監(jiān)測點，如圖4所示。

圖4 監(jiān)測點分布

在開始監(jiān)測時，對每個監(jiān)測點按照7″級導(dǎo)線精度要求進行施測(角度、距離、三角高程測量各觀測兩測回)，并將解算結(jié)果作為初始坐標值、高程值。在邊坡變形影響以外通視良好、基礎(chǔ)穩(wěn)定且易于保護的建筑樓頂埋設(shè)4個點，作為垂直位移和水平位移的觀測基準點，基準網(wǎng)采用全站儀5″級閉合導(dǎo)線方法完成對基準網(wǎng)點測量及計算，基準網(wǎng)坐標系為1954年北京坐標系、1985年國家高程基準，基準網(wǎng)測量精度具體為：角度閉合差7″、坐標閉合差0.004m、測角中誤差±3.5″、相對誤差1/112400、高程閉合差1mm，滿足本次監(jiān)測精度要求。監(jiān)測結(jié)果如下：

1)變電站場地0號線：最大位移量8mm(A0)；最大下沉量9mm(A0)，地表無明顯變形。

2)變電站擋墻1號線：最大位移量11mm(D1)；最大下沉量23mm(D1)。擋墻無明顯變形。

3)變電站護坡2號線：其中3個監(jiān)測點(C2、D2、E2)發(fā)生明顯位移和下沉，最大位移量780mm(D2)，最大下沉量301mm(D2)，其它兩點未發(fā)生明顯變形，如圖5(a)所示。

4)大石公路3號線：其中2個監(jiān)測點(D3、E3)發(fā)生明顯位移和下沉，最大位移量42mm(D3)，最大下沉量80mm(E3)，其它點未發(fā)生明顯變形，如圖5(b)所示。

圖5 巖移監(jiān)測結(jié)果

5)大石公路東側(cè)山坡4號線、5號線、6號線和坡頂3個監(jiān)測點，均發(fā)生少量位移和下沉，主要原因是地表解凍后松散沙層下沉所致。其中，4號線最大位移量20mm(C4)，最下沉量15mm(B4)；5號線最大位移量11mm(A5)，最下沉量12mm(E5)；6號線最大位移量12mm(A6、C6)，最下沉量3mm(A6、B6)；坡頂3個點最大位移量7mm(S2、S3)，最下沉量4mm(S2、S3)。

2.2 滲水特征

滑坡區(qū)域出水點共12處，最大監(jiān)測涌水量總計為19.2m3/h，截止2020年4月10日，穩(wěn)定涌水量總計11.1m3/h，累計涌水量45427m3；截止2020年7月1日，滑坡區(qū)涌水量已由最大19.2m3/h減小至8.2m3/h，涌水量減小了11m3/h，累計疏放水量6.4萬m3。哈拉溝煤礦35kV變電站后涌水量變化曲線如圖6所示，各點穩(wěn)定涌水量分別為：變電站院(滲水)1.42m3/h；老哈拉溝滲水井(頂板淋水)2.74m3/h；老哈拉溝滲水井擋墻(滲水)1.69m3/h；燃料庫房后(滲水)0m3/h；食堂后擋墻(滲水)1.25m3/h；食堂地下室(滲水)0m3/h；1、2號平硐兩處合計淋水0.5m3/h；斜風井(底板涌水)1.0m3/h；護坡1#滲水井1.74m3/h；護坡2#滲水井0.65m3/h；護坡3#滲水井0.15m3/h。其中，涌水量較大點為哈拉溝滲水井、滲水井擋墻(滲水)、變電站院(滲水)、護坡1#滲水井，說明地下水排水渠道主要集中于古沖溝溝口即滑坡點及其附近區(qū)域。

圖6 哈拉溝煤礦35kV變電站后涌水量變化曲線

根據(jù)東部16個水文孔水位觀測數(shù)據(jù)，水文孔S3、S5、S6、S7、S9、S12于2月17日以后水位上漲，其中S6孔水位上漲幅度最大，約0.148m。分析原因為鉆孔經(jīng)過提水后，處于水位恢復(fù)期，逐漸上漲到含水層真實水位，然后進入緩慢下降階段。其它孔水位都有下降，下降明顯的有S14、S11號孔，S14孔下降最大6.55m，S11孔下降最大6.36m。S14孔靠近神東湖水外排斷流滲漏處且處上游高點，S11孔位置靠近神東湖處上游高點且位于古沖溝溝谷區(qū)域，以上兩孔地下水位受到前期滲漏補給影響較大，隨著下游區(qū)域的疏放，該區(qū)域水位下降明顯。而位于古沖溝下游的S1、S2、S4號孔及位于古沖溝溝谷中心線附近的S8、S10號孔，水位下降幅度均較小，說明神東湖水體疏放完畢后，古沖溝流域含水層補給來源被切斷，古沖溝上游區(qū)域水位影響明顯，隨著下游滲水井及邊坡上導(dǎo)水渠的導(dǎo)流疏放，地下水水位總體上將緩慢下降并趨于穩(wěn)定。

3 滑坡產(chǎn)生機理與防治措施

3.1 機理分析

地質(zhì)勘查與監(jiān)測結(jié)果顯示，地表水滲漏與生態(tài)灌溉水入滲對于滑坡穩(wěn)定性具有重要影響。為了進一步考察灌溉作用下滑坡地下水位及穩(wěn)定性的變化，根據(jù)勘查結(jié)果建立了概化地質(zhì)模型，應(yīng)用Geo-studio軟件中的SEEP/W、SLOPE/W模塊分析滑坡的滲流和穩(wěn)定性。

選取具有代表性的鉆探點S2—S3—S6—S9—S12繪制剖面圖，建立計算模型，該模型共有了864個節(jié)點，789個單元，參數(shù)見表1。坡體左側(cè)水位以上和底面無限遠處設(shè)置為不透水邊界；坡面左側(cè)水位以下設(shè)為定水頭邊界，坡面為自由入滲邊面。該區(qū)為生態(tài)灌溉區(qū)，因此將滑坡的上部設(shè)置為流量邊界，模擬地表水滲漏及生態(tài)灌溉水滲入，并在滑坡數(shù)值模型中設(shè)置了孔隙壓力監(jiān)測點，以考察孔隙壓力的變化。根據(jù)現(xiàn)場滲水試驗結(jié)果，設(shè)置灌溉邊界單位流量為0.8m/d，并考察了不同溫度下地下水滲透系數(shù)及滑坡的穩(wěn)定性變化。

表1 巖土體的物理參數(shù)

模擬結(jié)果顯示，總水頭隨著灌溉時間的持續(xù)或流量的增加而升高，如圖7所示。大量地表水通過溝渠滲漏或灌溉入滲后，在地下松散層中快速運移，順古沖溝滲流，側(cè)向補給進入烏蘭木倫河，也可能在位置較低處出露地表，形成滲水或涌水，這是哈拉溝滑坡地下水補給—徑流—排泄的循環(huán)系統(tǒng)。

圖7 灌溉前后總水頭變化

隨著滲漏或灌溉時間的持續(xù)和流量的增加，補給強度增高，地下水位普遍上升，尤其是滑坡區(qū)坡腳處水位升高最為顯著，坡體下部成為地下水排泄區(qū)，在坡腳處形成積水，如圖7所示。

隨著灌溉水入滲補給，形成地下徑流，徑流的路徑主要是沿著土-巖界面，如圖8所示。其中在灌溉區(qū)下部和模型中下部的土-巖界面處地下水流速度矢量的箭頭長且密集，說明在該區(qū)域徑流速度快。這是由于地表灌溉水滲入到松散層，形成地下徑流，地下水易沿著滲透系數(shù)和水力梯度較大的古沖溝基巖頂界面?zhèn)认蜻\移，從而導(dǎo)致該區(qū)域的徑流速度快。由于地下水位升高，位置水頭增加，徑流速度變快，流速水頭增加，進而導(dǎo)致總水頭增加。這與水文孔水位觀測數(shù)據(jù)的結(jié)果一致。

圖8 灌溉后的水流XY-速率

灌溉前后的孔隙水壓力如圖9所示，滑坡面監(jiān)測點孔隙水壓力的變化曲線如圖10所示。由圖9和圖10可知，隨著灌溉時間的持續(xù)和灌溉流量的增加，巖土體的含水量增加，孔隙水壓力增加。其中在滑坡的中上部孔隙水壓力增加小于10kPa，而在坡腳處增加了26kPa，表明坡腳處孔隙水壓力變化最為明顯，局部地區(qū)達到飽和。坡腳處孔隙水壓力明顯增大，基質(zhì)吸力減小，抗剪強度降低，是滑坡失穩(wěn)的主要因素。

圖9 灌溉前后的孔隙水壓力

圖10 數(shù)值模型中滑坡面監(jiān)測點孔隙水壓力的變化

灌溉前后的滑坡的穩(wěn)定性系數(shù)如圖11所示，由圖11可知，在灌溉之前，模擬得到滑坡的穩(wěn)定性系數(shù)為1.195，處于穩(wěn)定狀態(tài)；而灌溉后，滑坡的穩(wěn)定性系數(shù)為1.020，處于欠穩(wěn)定狀態(tài)，其中，最危險的滑動面是在坡腳處。滑坡失穩(wěn)主要是由于地下水循環(huán)系統(tǒng)的排泄區(qū)位于坡腳處，水位上升，孔隙水壓力增加，基質(zhì)吸力降低，滑坡的抗剪強度削弱，滑坡的穩(wěn)定性受到破壞。

圖11 灌溉前后的滑坡的穩(wěn)定性系數(shù)

溫度對粘度、滲透系數(shù)、穩(wěn)定性系數(shù)的影響見表2，由表2可知，水溫對滑坡的穩(wěn)定性有影響，隨著溫度的升高，滑坡穩(wěn)定性系數(shù)降低。這是由于其他條件不變的情況下，水溫升高，粘度降低，滲透系數(shù)增加，地下水位上升幅度更大，孔隙水壓力也升得越高，基質(zhì)吸力降低幅度增大，抗剪強度下降，導(dǎo)致滑坡的穩(wěn)定性系數(shù)降低。

表2 溫度對粘度、滲透系數(shù)、穩(wěn)定性系數(shù)的影響

3.2 防治措施

在滑坡區(qū)實施截排水工程，可以有效減少地表水滲入并促進排水，降低地下水位，最大限度減少水的不利影響。為了盡快降低滑坡區(qū)含水層水位，減小滑動風險，在滑坡區(qū)域內(nèi)施工了3個滲水井。滲水井孔徑1.04m，滲水井施工參數(shù)見表3。通過滲水井抽排坡體地下水，降低地下水位，消除了大石公路斜坡臨空面地表滲水，滑坡變形也得到了良好的控制。同時對變形破壞的公路進行了加固維修，對東部山頂公園內(nèi)溝渠滲漏點進行防滲漏處理，減少地表水滲漏。目前，哈拉溝滑坡穩(wěn)定性良好。

表3 滲水井施工參數(shù)

4 結(jié) 論

1)滑坡區(qū)東部第四系松散層底部發(fā)育一條近東西向的古沖溝，上游為兩條支溝，長度約300m，寬約120～180m，切割深度最大約50m，是地下水滲流的主要通道。

2)哈拉溝滑坡位于古沖溝溝口位置，坡腳12個出水點涌水量最大為19.2m3/h，截止2020年7月1日，涌水量穩(wěn)定為8.2m3/h，累計涌水量64000m3；大石公路南側(cè)最大平面位移達780mm，累計下沉量301mm。

3)哈拉溝滑坡為灌溉、滲漏誘發(fā)的土質(zhì)滑坡，以滲漏作用為主要誘發(fā)因素。神東湖水大量滲入導(dǎo)致地下水滲流速度增加、水位上升，孔隙水壓力增加，基質(zhì)吸力降低，滑坡土體抗剪強度降低，導(dǎo)致抗滑力降低；坡腳處大量滲水增加了坡體重量，并產(chǎn)生向外的動水滲透壓力，導(dǎo)致滑動力增加，進而誘發(fā)了該滑坡的發(fā)生；隨著溫度的升高，滑坡穩(wěn)定性系數(shù)降低。在坡腳施工了三口排水井，經(jīng)過抽水降低坡體地下水位，治理了上部溝渠滲漏點，目前該滑坡得到了有效控制。