熊紹真，史文兵，彭雄武，王 勇
（1.貴州大學資源與環境工程學院，貴州貴陽 550025；
2.貴州大學教育部喀斯特地質資源與環境重點實驗室，貴州貴陽 550025；
3.江西省地質局水文地質大隊，江西南昌 330000）
地質災害是世界上公認的僅次于地震的第二大破壞性自然災害，且災害類型多樣［1-6］，有崩塌、滑坡、泥石流、地面塌陷等。同時，人類工程活動尤其是地下采礦活動加劇了地質災害問題發生，往往造成重大人員傷亡和財產損失，一直以來受到國內外學者的重點關注。由地下采礦誘發的地質災害往往具有規模大、突發性強、成因復雜、破壞力強等特點。1903年加拿大煤層開采引起的Frank滑坡規模達3.0×107m3，死亡76人［7］。1966年英國發生Aberfan滑坡由地下開采誘發，造成144人死亡［8］。1980年湖北鹽池河磷礦區崩塌山體總體積100×104m3，造成284人罹難［9］。2017年貴州納雍普灑采動崩塌體積49.1×104m3，造成35人死亡［10］。
采動作用誘發大規模災害問題層出不窮，且此類災害發生具有不可預見性，歸根究底還是對該類地質災害的變形破壞過程和形成機理認識有限。因此，很有必要研究采動斜坡變形破壞過程及其機理，以便為此類災害的監測預警與防治提供可靠的科學依據。數值模擬方法是用來研究地下開采作用下斜坡變形破壞的機理和變形過程的重要手段［11］。貴州普灑崩塌發生后，許多學者用數值模擬方法對其進行研究，也有了一些研究成果，如肖銳鏵等［12］認為降雨和采動作用是普灑斜坡變形破壞的重要因素；
鐘祖良等［13］運用UDEC離散元方法探討采動作用下巖溶山體崩滑失穩變形破壞特征；
鄭光等［14］根據現場調查、無人機航拍及地質資料分析，初步分析了崩塌發生的成因機理；
Zhu等［15］利用地質信號及動態模型（DAN3D）進行數值模擬，分析了崩塌的形成機理和動力學特征；
余逍逍［16］運用底摩擦物理模擬和數值模擬研究多煤層開采對斜坡變形破壞的影響，認為地下采動對崩塌破壞具有顯著作用，提出普灑崩塌的變形破壞機制為采空塌陷-拉裂-蠕滑-剪斷。學者們都關注到地下采動作用是誘發普灑崩塌的主控因素［17］，其機制及破壞過程的研究對此類災害認識具有重要意義。盡管學者們對普灑崩塌的變形破壞過程比較深入的研究，但是關注點多集中在機制研究上，而對于地下開采順序、范圍、歷史等采礦狀況影響高陡斜坡變形破壞過程的研究較少；
普灑崩塌規模大、運動距離遠，已有的研究對于運動過程中復雜的下墊面地形的數值模擬與實際差別較大。因此，非常有必要借助三維模擬手段研究普灑崩塌全過程，為此類地質災害的識別、預警和預報提供指導。
文中以貴州納雍縣普灑崩塌為研究對象，在野外工程地質條件調查基礎上，查明了煤層開采歷史、開采順序、開采范圍等開采信息，運用離散元方法（3DEC）模擬了崩塌的破壞過程，分析了采動作用下覆巖變形響應作用，并與崩塌實際過程進行了對比，由此驗證了離散元方法研究崩塌過程的可靠性，為研究此類崩塌防治提供理論依據及參考。
1.1 地形地貌
研究區位于云貴高原向黔中山原過渡帶的貴州高原第二階梯黔西山原，屬烏蒙山系溶蝕侵蝕地貌。區
圖1 三維示意圖Fig.1 3D schematic
內總體地勢南高北地，地勢陡峭，高山聳立，山脈總體沿南西向延伸。研究區域（老鷹巖）三維示意圖見圖1，小老鷹巖山體最高標高為2 175 m，最低標高點位于斜坡下部普灑村的河溝處，標高為1 875 m，相對高差約300 m，坡面坡度為10°～25°，局部地段斜坡坡度可達55°（圖2）。斜坡上部為陡崖，下部為緩坡，高差約200 m。下部煤系地層二疊系上統龍潭組含煤地層，露頭部位地勢平緩，一般標高在1 700～1 900 m之間，平均標高約1 850 m，大部分區域被第四系覆蓋，主要為耕地及建房用地。研究區降水范圍為1 270 mm左右，年均降水量為1 238.8 mm。
1.2 地層巖性
普灑崩塌位于張威背斜東南翼。區內發育F1、F2和F3三大斷裂系。調查區域出露巖層由新至老分別為：第四系（Q），下三疊系夜郎組（T1y）、上二疊系長興-大龍組（P3c+d）、龍潭組（P3l）。剖面圖根據圖2中1-1截面，見圖3。
圖2 研究區平面圖Fig.2 The plane sketch about the study area
研究區內上部為三疊系下統夜郎組（T1y）青灰-灰褐色薄至中厚層狀灰巖，發育三組節理面：（1）145°∠85°，（2）6°∠80°，（3）200°∠75°；
分布于斜坡頂部。中下部（T1y1）為三疊系紫紅、灰色泥質粉砂巖，主要分布于斜坡中部。據調查，崩塌體后緣頂部有一層20～30 m的土黃色泥巖層出露，泥巖質地松散，手可挖動。巖性為二疊系上統長興—大龍組（P3c+d）深灰、灰色泥質灰巖分布于洼地以上的陡坡。二疊系上統龍潭組（P3l）煤系地層出露于斜坡坡腳，斜坡坡度小于10°，巖性為泥質粉砂巖、泥巖等軟巖以及煤層。第四系（Q）主要為粘土、砂質粘土，厚0～15 m。
1.3 采礦活動
礦區可采煤層分別為M6、M10、M14、M16、M18、M20層。崩塌前已開采3層煤層，分別為M16、M14以及M10，開采順序為：M16-M14-M10。該礦開采歷史主要分生產規模6萬t/年和30萬t/年2個階段。采煤方式為走向長壁采煤法，炮采工藝，全部垮落法管理頂板。采空區位置如圖2所示，紅色表示M16煤層，藍色表示M14煤層，紫色表示M10煤層。3層煤層有多個工作面，崩塌范圍內M16有3個工作面，M14有3個工作面，M10有2個工作面。M16、M14、M10煤層傾角約為7°，頂板巖性為粉砂巖和粉砂質泥巖。M16平均層厚1.60 m，M14平均層厚1.23 m，M10平均層厚2.12 m。
2.1 崩塌破壞特征
崩塌發生后，源區巖體失穩，鏟刮斜坡中部的裂隙化山體，而后進一步碎裂，最終以碎屑流的方式向300°～310°方向運動，堆積于斜坡坡腳及前緣平臺。斜坡前緣橋邊組及大樹腳組部分居民房屋被碎屑流摧毀掩埋。堆積體形態受到斜坡前緣小山包阻擋呈不規則的扇形向兩個方向堆積。崩塌陡壁后緣海拔約2 120 m，坡腳海拔約為1 922 m，相對高差約為200 m。崩塌方向的水平長度約為800 m左右，陡壁坡腳至堆積區前緣的水平長度約為660 m，堆積區平均厚度約為4m。崩塌源區方量約為49.1×104m3，鏟刮方量約2.1×104m3，堆積區受鏟刮的方量約為31×104m3，本次崩塌的總方量約為82.4×104m3。根據無人機航拍和現場調查，將普灑崩塌堆積區分為崩塌源區、下落鏟刮區、流通停積區［13］，如圖4（a）所示。
圖4 分區特征圖Fig.4 Partition feature picture
（1）崩塌源區
崩塌源區位于斜坡中上部，崩塌剪出口位于坡頂向下60～90 m處，剪出口附近的主要巖性是粉砂巖和泥灰巖。崩塌源區上部灰巖溶蝕發育，可見明顯的凹巖腔。據無人機航拍及野外調查，崩塌源區崩落巖體平均高約85 m，寬約145 m，平均厚度約40 m，總方量約49.3×104m3。崩塌物質主要為三疊系下統夜郎組（T1y）灰巖、泥巖、粉砂巖夾泥灰巖，如圖4（b）。
（2）下落鏟刮區
崩塌源區失穩巖體突然崩落后，在巨大的重力勢能及動能作用下沿著坡面不斷向下運動，沿途鏟刮坡表碎裂巖體及坡面堆積物，鏟刮厚度約1.5 m，鏟刮區寬約180 m，高80 m，則鏟刮方量約2.1×104m3［13］，如圖4（c）。
（3）流通停積區
崩塌堆積區位于斜坡前緣緩坡區域。主要為村寨和荒地，坡腳前緣約200 m處有一小山包。崩塌體失穩傾倒，經碰撞、解體、碎裂，最終以碎屑流的方式高速運動，摧毀了部分居民房屋，造成重大的人員傷亡。堆積區形態呈現“魚尾形”，中部較寬，前后緣較窄，延伸方向為SW-NE方向，如圖4（d）。
2.2 崩塌過程分析
崩塌體主要發生于2017年8月28日上午10點30分許，且崩塌發生前坡表不時有塊石崩落。據斜坡失穩過程的視頻資料顯示，崩塌發生整個過程可以清晰的反映出來。崩塌發生后，作者收集了監測員用無人機拍攝了崩塌的全過程的視頻。根據現場視頻影像可將斜坡的變形破壞過程描述為5個階段（圖5）。
圖5 崩塌過程圖Fig.5 Collapse process picture
視頻中清楚地呈現了崩塌前大約7 min的山體變形破壞現象。首先是崩滑災害初始階段，見圖5（a）。在0′22″時，斜坡左側后緣有石塊擠出，并發生了小型坍塌。之后1 min內斜坡頂部及右側有多次小崩落，并在2 min時斜坡中部有破碎塊石墜落。而后是坡面局部崩塌階段。2′24″，斜坡頂部有一小部分巖體塌落，并伴有聲響。經過崩塌源區右側坡面多次小崩塌后，崩塌源區中部巖體進一步的碎裂，進而發生小規模整體垮塌，見圖5（b）、（c）。坡面由右側小規模崩塌進一步加劇到向坡面中部擠壓變形，說明老鷹巖山體在不斷碎裂，應力在不斷調整，開始進入大變形階段，見圖5（d）、（e）。進入整體失穩階段，見圖5（f），在4′26″，斜坡頂部再次發生大方量崩塌，而后老鷹巖山體變形迅速向斜面右側、左側、中部推進，并有進一步加劇的趨勢，山體極不穩定。由于斜坡坡面變形加劇，崩塌源區兩側不斷有崩落體滾落，撞擊坡腳激起白煙。崩塌源區從南側到斜坡中部區域發育有裂縫，這些裂縫相互連接，向下逐步擴展。同時，斜坡中部發育有許多垂直裂縫，逐漸在崩塌源區下部形成一條擠壓破碎帶。最終進入斜坡整體潰散階段，見圖5（g），坡體位移快速增加，應力發生系統性的轉變，斜坡在重力作用下滑移-剪出，一瀉而下，帶有高勢能的崩滑體迅速沖向坡腳。崩滑體并沒有僅僅停留在坡腳，而是轉化為碎屑流高速推進到坡腳居民區，摧毀了大量的農田和房屋。在6′21″的時候，該事件結束，僅殘留直立的陡崖壁，見圖5（h）。
3.1 數值模型的建立
離散元方法可以用來分析不連續反傾斜坡變形破壞過程，能夠揭示斜坡演化過程和機制。文中結合已有地質資料及現場調查，建立符合實際的三維離散元數值模型（圖6）。模型范圍長550 m，寬350 m，高335 m。考慮到模型實際范圍太大及計算的可操作性，文中計算范圍為老鷹巖及坡腳采空區一帶。巖層賦本構模型為M-C彈塑性模型，結構面本構模型為摩爾庫倫模型。只考慮自重應力場，不考慮構造應力，取重力加速度為10 m·s-2，邊界條件為固定前后（X方向）、兩側（Y方向）和底面（Z方向），而模型老鷹巖頂部邊界和坡面為自由邊界。模型中Y軸為正表示斜坡東側，X軸為正表示斜坡內部，Z軸為正表示斜坡頂部。
圖6 數值模型圖Fig.6 Numerical model picture
3.2 參數確定
模型中巖體及結構面力學參數主要是根據現場采樣進行室內試驗所獲取，同時也參考了已有的成果及地區工程經驗綜合獲得［18-21］。各巖層力學參數都是室內試驗及參考前人成果獲得，結構面參數也是室內試驗獲得相應的力學參數，再做相應的折減獲得，其中剛度參數是先通過結構面直剪試驗得到的力學參數再參考經驗公式擬合得到［22］，如表1～表2所示。
表1 巖體力學參數取值表Table 1 Rock mechanics parameter value
表2 結構面力學參數取值表Table 2 Mechanical parameter value of structural plane
3.3 模擬結果分析
天然情況下，斜坡上部灰巖節理裂隙發育，其中一組陡直節理與坡面傾向差不多，把臨空破碎巖體和后緣巖體分隔開，在降雨、風化、溫差、自重等作用下易形成貫通裂縫，進而斜坡失穩破壞。灰巖巖溶發育，有落水洞、溶蝕裂隙等，利于雨水滲入弱化節理強度。斜坡中部厚層泥質粉砂巖節理也較發育，可見明顯多組節理。同時，斜坡陡峭，加上巖體被節理切割破碎，易成為崩塌堆積體的物質來源。節理裂隙附近容易形成應力集中區，加劇斜坡失穩破壞。天然情況下，斜坡各巖體、節理、層面賦予參數，再進行迭代計算，斜坡能夠達到平衡，沒有出現大的沉降，位移沒有大的變化，證明斜坡天然情況下是穩定的，應力分布總體平衡，不會發生斜坡失穩現象。
根據3DEC數值模擬的結果，崩塌的失穩過程可以很好的反映出來，可以分為以下4個階段：坡頂裂縫形成階段、山體局部變形失穩階段、斜坡整體失穩破壞階段和崩滑堆積階段。
（1）坡頂裂縫形成階段
斜坡節理裂隙發育，多組結構面相互交錯切割巖體，使得巖體呈碎塊狀，且斜坡三面臨空，這些都是斜坡變形破壞的基本地質條件。但是，多煤層的開采是斜坡變形破壞的主控因素。由圖7和圖8可知，隨著煤層的開采，上覆巖體不斷被擾動，巖體內部應力進行重分布，坡體的應力狀態也進行重新調整，采空區頂板巖層產生卸荷作用，在重力作用下巖層會出現輕微變形。隨后多煤層開挖，采空區的擴大，斜坡內部應力再次重新分布，導致采空區頂板變形加劇，引起坡體表面以及坡頂出現多條裂縫，巖體趨向碎裂化，這與圖7中現場斜坡變形情況比較吻合，坡頂形成了多條裂縫。坡頂出現明顯的變形，最大位移達到了5 m，且坡頂位移大小不一，說明坡頂巖體產生了不同程度的錯動，坡體開始出現不均勻沉降現象。
（2）山體局部變形失穩階段
煤層開采完后，斜坡巖體應力會重新調整，煤層頂板因失去支撐向下下沉，逐漸形成采空塌陷區。這個階段重力起著重要的作用，其對巖體的作用力可以理解為垂直方向和水平方向的合力。垂直方向分力垂直于巖層層面，使得上覆巖體產生不均勻沉陷變形，上覆巖體強度降低到小于重力垂直方向分力，導致裂縫產生，巖體趨向于破碎，從而整個坡體向下發生不均勻沉降，坡頂也發生強烈變形，出現錯動現象。同時，重力的水平分力推動巖體向臨空面方向運動，坡體裂縫進一步變寬邊長，向下擴展，坡表巖體更加破碎。整個坡體不斷的發生不均勻沉降，且臨空面附近沉降量值大，巖塊有向臨空面傾倒趨勢，往坡內沉降值相對減小。
圖7 斜坡變形圖Fig.7 Slope deformation picture
圖8 斜坡變形整體位移圖Fig.8 The overall displacement of slope deformation
圖9 坡面變形圖Fig.9 Slope deformation picture
圖10 山體局部變形階段整體位移圖Fig.10 The overall displacement of the hollowing collapse phase
圖11 斜坡失穩圖Fig.11 Slope instability picture
圖12 斜坡失穩整體位移圖Fig.12 Slope instability overall displacement picture
據調查，2016年老鷹巖山體受到地下開采擾動，山體變形劇烈，從而山體右側發生小規模崩塌，坡面也不時出現落石。由圖9和圖10所示，當迭代時步增加到27 000步時，坡頂變形更加劇烈，坡頂位移在2.5～7 m之間，不均勻沉降明顯，出現了多條裂縫，巖體更加碎裂化。斜坡整體也發生了不均勻沉降，采空塌陷區影響范圍不斷向坡頂延伸，導致坡頂拉裂縫不斷增多變寬，坡體整體開始向下發生不均勻的沉降，坡表巖體沿著拉裂縫不斷向臨空方向移動，易產生傾倒破壞，這與圖9中斜坡實際變形范圍比較一致。圖10也顯示坡表巖體產生位移，巖體趨向碎裂化，開始脫離坡表，沿著坡面掉落，形成小崩塌，說明坡表變形劇烈，這與崩塌前發生過小崩塌現象相吻合。
（3）斜坡整體失穩破壞階段
采空區頂板塌陷后，其影響范圍逐漸向坡頂方向發展，采空區被充滿，坡體的不均勻沉降也在不斷擴大直至結束。不均勻沉降影響范圍逐漸擴大，山體局部變形進一步加劇，使得向外傾倒的趨勢愈來愈明顯，坡頂及坡面間巖體多組節理裂隙與層面相互作用發生錯動，導致節理裂隙張開度變寬并趨向碎裂化。當運行至52 000步，圖11和圖12顯示破碎巖體與后緣穩定巖體被裂縫分割開，巖體向臨空面發生傾倒破壞，坡頂裂縫不斷被拉開，拉開間距不斷變大，漸漸與坡體內部節理貫通，使得巖體變形劇烈。同時，坡體巖體破碎，并開始產生大位移，最大可達94 m，巖塊大規模潰散、松動，由表及里，向下滾落或墜落，這與崩塌視頻中影像相一致，見圖5（g）。當山體向臨空面傾倒變形不斷加劇時，在重力的作用下，山體失穩掉落，斜坡內部巖體也逐漸失穩，坡頂巖體也失去支撐掉落，斜坡發生變形破壞，形成大規模崩塌。崩落體在向下滾動的過程中相互碰撞，逐漸解體，堆積于坡表前緣。形成陡崖面。
（4）崩滑堆積階段
山體變形劇烈，斜坡失穩潰散，上部巖體崩落，堆積于坡腳。由于斜坡高陡，崩塌體重力勢能轉化為巨大的動能，斜坡快速失穩滑動，傾滑而下，鏟刮斜坡中下部的松散坡積物，向斜坡前緣高速運動。當迭代到350 000步時，圖13和圖14顯示，崩塌塊體間受到沖擊和碰撞作用，崩塌體進一步解體、碎裂，而后以碎屑流方式高速運動，位移值也發生激增，最終呈現“馬鞍形”堆積于斜坡前緣，中部較寬，前后緣較窄。由于坡腳緩坡處有一個小山包，崩塌體運動到此處出現分流情況，大部分崩塌體向兩個方向呈不規則扇形堆積，少部分崩塌體出現爬坡現象堆積于小山包上。由圖13所示，數值模擬結果與現場調查圖比較吻合。
圖13 崩滑堆積圖Fig.13 Collapse stacking picture
圖14 堆積階段位移圖Fig.14 Stacking stage displacement picture
運用3DEC數值模擬分析普灑崩塌，可以很好的揭示崩塌的形成，再現崩塌發生整個過程。結合現場崩塌視頻和數值模擬結果，可以發現3DEC模擬的崩塌過程與現場視頻影像分析結果具有較好的一致性。同時，該類災害具有一定的特征：
（1）高陡的地形為斜坡提供良好的臨空條件。老鷹巖山體高陡，坡度為上陡下緩，三面臨空，易產生向臨空面傾倒破壞。
（2）地層巖性為上硬下軟型地層組合。普灑斜坡上部為灰巖，屬于硬巖；
下部為泥巖、泥質粉砂巖、煤層，屬于軟巖，具有典型的上硬下軟“二元結構”。下部軟巖的物理力學性質較低，而上部硬巖力學強度高，容易導致上覆巖體擠壓下部巖體產生變形破壞。
（3）巖體發育有三組陡傾結構面，切割山體。巖體內發育3組節理面：第1組結構面將后緣穩定巖體與源區失穩巖體切割開；
第2組結構面將南側的小老鷹巖陡壁與崩塌源區失穩巖體切割開；
第3組結構面構成崩塌源區的原始臨空面，3組結構面的切割，使斜坡內部巖體被切割成破碎的不規則的“三棱柱體”，構成塊體的來源。且結構面陡傾，不利于巖體的穩定性。
（4）地下采空加速上覆巖層彎曲變形，巖層節理裂隙擴張，上覆巖層出現“懸臂效應”。地下采動作用下，斜坡頂部巖體逐漸向臨空方向變形，使得裂縫沿結構面追蹤發展，逐漸拉開，向下發展，形成貫通性的潛在滑面。
文中結合現場調查和3DEC數值模擬發現，地下開采是誘發普灑崩塌的主要因素。地下開采引起坡體內部的應力重分布，上覆巖體產生塑性變形，逐漸形成塌陷帶，隨著時間推移，坡頂出現明顯變形，拉裂縫變大變寬，巖體愈加破碎，加劇巖體向臨空方向傾倒破壞，斜坡失穩破壞。而斜坡高陡，上部巖體失穩潰散后傾滑而下快速堆積于下部緩坡處，崩塌體經過沖擊作用、鏟刮作用和重力荷載突然增大產生巨大的動能，以高速碎屑流的形式失穩滑坡堆積于斜坡前緣。因此，普灑崩塌的變形破壞過程可以分為4個階段，即坡頂裂縫形成階段、山體局部變形失穩階段、斜坡整體失穩破壞階段和崩滑堆積階段。
此外，普灑斜坡變形跡象比較復雜，崩塌發生前發生過多次小型崩塌。地下開采影響斜坡變形和后緣裂縫發展過程都還是需要解決的問題，需要進一步重點研究。
（1）現場視頻中清楚地呈現了崩塌發生前約7 min的山體變形破壞現象。根據現場視頻影像可將崩塌過程分為5個階段；
崩滑災害初始階段、坡面局部崩塌階段、斜坡大變形階段、斜坡失穩階段和斜坡整體潰散階段。
（2）地下開采是誘發普灑崩塌的主要因素。采用3DEC模擬斜坡在地下開采作用下的變形破壞后運動情況，清楚地展現了斜坡失穩潰散的整個過程。且后崩塌過程與現場視頻影像以及現場調查結果具有較好的一致性。地下開采引起采空區頂板塌陷，導致斜坡出現不均勻沉降，坡頂變形劇烈，產生拉裂縫；
坡表巖體也愈發破碎，山體局部變形失穩，巖體開始脫離坡表，沿著坡面掉落；
而后山體變形劇烈，使得斜坡發生傾倒式破壞，斜坡失穩潰散，形成大規模崩塌。
（3）普灑崩塌的主要過程為：煤礦的開采過程中，斜坡受到擾動，加劇巖體產生變形，上覆巖體出現開裂塌陷現象，坡頂出現拉裂縫；
采空區形成后，整個坡體出現不均勻沉降，裂縫進一步向下擴展，巖體破碎趨向臨空面傾倒，開始脫離坡表，形成小崩塌；
坡頂巖體變形劇烈，斜坡整體失穩，發生大規模崩塌；
崩塌塊體間沖擊-鏟刮作用，崩塌體以高速碎屑流的方式向下滑動，并堆積于坡腳前緣。
（4）普灑崩塌堆積體呈“馬鞍形”堆積于斜坡前緣。由于崩塌塊體間沖擊作用和鏟刮作用，崩塌體產生巨大的動能，以碎屑流方式沿坡面高速向下運動；
在斜坡前緣遇到一個小山包，崩塌體就沿兩側方向滑動，堆積于兩側，具分流現象，堆積于山包兩側，只有少數崩塌體爬坡，堆積于小山包上。