书书书

Journal of Engineering Geology 工程地质学报 1004 － 9665 /2014 /22( 3) -0412-09

DOI: 10． 13544 / j． cnki． jeg． 2014． 03． 009

崩塌诱发其下部滑坡变形过程的分析研究*

肖 燃 郑 达 巨能攀( 地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室( 成都理工大学) 成都 610059)

摘 要 崩塌冲击或崩积物重力加载作用都可能诱发坡脚滑坡的变形或失稳。在查明坡体结构的基础上，采用 3DEC 离散元

数值模拟方法，对高陡斜坡在地下开采作用下崩塌所产生的机理、失稳模式、破坏规模、运动轨迹进行了全过程模拟，特别是

斜坡失稳后和坡脚滑坡的相互作用效应进行了深入分析。结果表明: 通过地下开采诱发的崩塌过程模拟及其研究，发现斜坡

在地下开采的扰动下会产生大规模的崩塌，其滚石会对滑坡体产生强烈的冲击作用，且所形成的崩积物会对滑坡体产生重力

加载作用。再通过监测数据以及现场收集的资料分析得出滑坡的蠕滑变形主要是由于崩积物重力加载作用引起的，且有继

续变形的趋势，在暴雨季节时，滑坡的变形速率可能会增大，有潜在大规模滑动的危险，需做好相应的防护工作。关键词 崩塌 滑坡 相互作用 3DEC 加载

中图分类号: P642． 22 文献标识码: A

* 收稿日期: 2014 － 03 － 04; 收到修改稿日期: 2014 － 05 － 05．

基金项目: 国家自然科学基金( 41102191) ，地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室自主研究课题( SKLGP2011Z019 ) 和国家 973

项目( 2013CB733202) 资助．

第一作者简介: 肖燃，男，硕士研究生，主要从事工程地质和岩土工程研究． Email: 277844557@ qq． com

ANALYSIS AND ＲESEAＲCH OF LANDSLIDES WITH DEFOＲMATION ATLOWEＲ POＲTION INDUCED BY COLLAPSE AT UPPEＲ POＲTION

XIAO Ｒan ZHENG Da JU Nengpan( State Key Laboratory of Geohazard Prevention and Geoenvironment Protection，Chengdu 610059)

Abstract The impact of collapse or colluvial gravitational load may induce deformation and instability oflandslide． On the basis of ascertaining slope structure，this paper applies the 3DEC discrete element numericalsimulation method to simulating the mechanism，the scale of buckling mode，destruction and movement by thecollapse of high and steep slope under the action of underground mining overall process． It especially analyzesdeeply the interaction effect of slope after instability and landslide． The results show that the process of collapse byunderground mining can disturb the underground mining slope and can produce a massive collapse． The rollingstones by collapse can have a strong impact on landslide． The generated colluvial deposits can have a gravitationalload on landslide． The creep deformation of landside is mainly caused by the impact of colluvial gravitational loadfrom the analysis of the monitoring data and the field of information collection． And landside has a tendency tocontinue to deformation． In rain season，the landslide deformation rate can be increased and become a risk ofpotential sliding mass． The corresponding protection work is necessary．Key words Collapse，Landslide，Interaction，3DEC，Loading

0 引 言

崩塌是高陡斜坡岩体在重力等作用下快速离开

母岩，产生跳跃、崩落等现象的过程，而滑坡是岩土

体沿着某一个面整体滑出的过程［1，2］。一般而言滑

坡的产生和特殊的地质条件以及触发因素有关，降

雨常常是触发滑坡的关键因素［3］。近年来在西南地区出现了少数由于斜坡崩落而

诱发滑坡的实例，最典型的例子便是贵州纳雍滑坡，

如陈泽富等在 2006 年对贵州纳雍滑坡进行了分

析［4］，发现滑坡在没有外力推动的条件下，处于稳

定状态，而当滑坡后缘受到崩塌体产生的冲击作用

后，便发生了滑动。又如 2000 年西藏易贡发生的特

大山体崩塌滑坡，由于高位大方量崩塌所产生的强

大冲击力触发了沉积百年的松散堆积物，从而引发

大规模的滑坡［5］。再如 2007 年四川达县青宁乡岩

门村发生的大规模滑坡［5］。该滑坡坡度平缓、排水

条件好、表层松散物质透水性差，本不具备产生滑坡

的条件，但由于滑坡后缘受到散落岩块的冲击力影

响，使饱水状态的岩土体产生超孔隙水压力，抗剪强

度迅速降低，由此而突然快速启动，形成滑坡。徐卫

亚等［6］对这种冲击及重力加载型滑坡较早地开始

研究，他通过对湖北长江三峡链子崖危岩体—猴子

岭斜坡体联合运动的实践研究，得出危岩体发生大

方量崩塌时，猴子岭斜坡体将可能引起整体滑移。此后张保军等［7］通过对湖北省清江茅坪滑坡的研

究分析，发现了滑坡后缘白岩山体频繁的崩塌对滑

坡产生了加载效应，使滑坡进一步变形，最后得出了

类似破坏模式的结论。上述都是这类滑坡的典型例

子，但他们大多是定性分析了这类滑坡的机理，定量

分析较少。何思明等［8 ～ 11］近年来对滚石冲击滑坡

的理论进行了较多的研究，以期能为这类灾害治理

提供参考依据。为了更好地了解斜坡( 本文将崩塌处的危岩体

简称为斜坡) 的失稳过程以及滑坡体变形的原因，

本文以德兴煤矿为例，在现场工作资料收集的前提

下，采用 3DEC［12］离散元数值模拟软件，建立了该崩

滑体的三维模型，再现了该崩滑体的失稳过程，并结

合现场和模拟的监测数据［13］以及变形破坏特征对

滑坡体变形的原因进行分析，为防治工程设计提供

科学依据。

1 崩滑体的工程地质条件

研究区的地壳经过强烈变动和几度抬升，以及

河流的下切作用，形成地势高，起伏大，山大坡陡，沟

多谷深的地形特点; 地貌特点是以岩溶地貌为主，

侵蚀地貌次之，第四纪沉积地貌很少，绝大多数地区

都是岩溶地貌和侵蚀地貌相互交错。斜坡位于大方县瓢井镇的近老鹰岩处，坡顶高

程约 1920m，坡脚高程约 1700m，垂直高差近 220m。斜坡斜面长约 300m，坡脚前缘长约 100m，崩塌方量

近 1. 32 × 106m3，属大型岩质崩塌。坡体顶部及两

侧主要为薄层至中厚层状的灰岩、薄层状的砂岩、黏土岩以及部分煤线。灰岩呈灰白色，表层较粗糙，并

发育有多条裂缝。裂缝间张开度较大，部分中空，部

分有软弱介质充填。坡体中部物源区主要为小碎石

及黏土，物质的分选性差，碎石的磨圆度差，在暴雨

图 1 崩塌体全貌图

Fig． 1 The close-up view about collapse

图 2 滑坡体全貌图

Fig． 2 The close-up view about landside

作用下，很容易形成流通区，沿着坡向向下流动，对

崩塌堆积体及滑坡会产生一定的冲击破坏作用。崩

塌初期仅有少许坡顶及坡表岩体在自重及外力作用

下被风化、剥蚀，后由于采空区及暴雨等的影响，岩体

31422( 3) 肖 燃等: 崩塌诱发其下部滑坡变形过程的分析研究

图 3 研究区平面示意图

Fig． 3 The plane sketch about the study area

图 4 工程地质剖面图

Fig． 4 The Engineering geology profile

出现垮落现象，但随着时间的推移，斜坡岩体变形破

坏迹象日趋严重，直至发展为如今的形态 ( 图 1) 。滑坡位于斜 坡 的 SW 向 ( 图 2 ) ，后 缘 高 程 约

1750m，前缘高程约 1500m，垂直高差近 250m。沿滑

动方向长约 942m，宽约 300m，体积为 5 × 106m3，属

大型土质滑坡。滑坡的主滑方向为 N10° ～ 20° E

( 图 3) 。

2 岩体控制性结构面及力学参数

德兴煤矿处的崩塌为岩质崩塌，而滑坡为土质

滑坡，故只考虑斜坡的岩体结构特征。坡体自上而

414 Journal of Engineering Geology 工程地质学报 2014

下主要由古生界二叠系上统长兴组薄层至中厚层状

灰岩、薄层状黏土岩，古生界二叠系上统龙潭组的薄

层状砂岩、黏土岩、煤层组成 ( 图 4) 。坡体主要发育有 3 组结构面: 层面及两组陡倾

结构面。它们相互作用，切割斜坡岩体。层面 C 缓

倾坡内，产状为 N7°E /SE∠17°; 结构面 J1 陡倾坡

内，近似平行于斜坡走向，产状为 N25°E /NW∠83°;

结构面 J2 陡倾坡内，近似垂直于斜坡走向，产状为

N70°E /SE∠88°。据现场调查统计，结构面 J1 近平直、较粗糙，间

距 1 ～ 3m，延伸较长，表面具有明显风化剥蚀痕迹，

该组结构面构成潜在失稳块体的后缘切割边界; 结

构面 J2 较平直、粗糙，延伸长短不一，间距 0. 2 ～3m，最薄可达 20cm 左右，张开 0. 2 ～ 1m，部分未见

填充，部分充填有软弱介质，表面具有冲蚀痕迹，该

组结构面构成潜在失稳块体的侧向切割边界。岩体

力学参数具体数据( 表 1) 。

表 1 岩体力学参数

Table 1 Mechanical parameters of rock mass

结构面或岩体

重度/kN·m －3

内摩擦角/ ( ° )

黏聚力/kPa

抗拉强度/kPa

灰岩 26 38 1200

煤层 17 36 350

滑坡土体 10 20 32

层面 35 130 230

结构面 J1 22 118 160

结构面 J2 25 88 120

3 建立 3DEC 数值分析模型

利用 3DEC 软件对斜坡的变形失稳及崩塌诱发

滑坡变形过程进行分析。三维离散元软件 3DEC 是

以二维的 UDEC 程序为基础来模拟三维节理岩体的

行为。它能使块体产生有限位移及旋转，并能使块

体间完全分离，还能模拟岩体静态或者动态载荷下

的受力和位移。因此，利用 3DEC 软件的特性实现

岩石块体在崩塌过程的移动、转动、张开等以及土质

滑坡体受岩石块体冲击后产生的位移的全过程模

拟，从而对岩体的变形、破坏模式、斜坡的稳定性、滚石冲击及加载作用下诱发滑坡变形做出正确的分

析。该 3DEC 模型在建立过程中对地质原模型进行

了一定的简化，只对部分滑体进行了加密以及只对

煤洞上面的山体进行了较密的节理切割 ( 图 5 ) 。

煤洞形状简化为矩形，矿柱尺寸为 5m × 5m，矿柱间

距为 20m。模型的 y 方向为竖直方向，即重力方向，向上为

正。z 方向的正方向为正北方向。x 方向为垂直于滑

面的 方 向，指 向 山 体 内 部 为 正。模 型 长 宽 均 为

500m，高差在 300m 内不等。模型的边界条件是对 x 方向两侧、z 方向两侧

和 y 方向底面的块体进行固定。模型计算采用莫尔

－ 库仑模型。数值计算所需的岩体与结构面力学参

数选自表 1。

4 斜坡崩落及其下部滑坡蠕滑变形演进过程模拟研究

为了解煤层开采对斜坡的扰动作用以及滚石对

土质滑坡体的冲击及加载作用，本次数值模拟是随

着煤层开采进行的。开挖顺序是由表及里，且每一

排中间向两边开挖，一排挖空再开挖下一排。本次

模拟在斜坡的顶部、中部、坡脚以及滑坡体上共布置

了 12 个模拟监测点 ( 图 5，监测点 1#、2#、3#、4#是同

一高程上由坡表垂直往里、每隔 10m 一个分布) ，通

过判断不同位置的变形趋势及稳定状态来掌握该处

的变形破坏特征。通过模拟发现，整个斜坡变形破坏过程可分为

3 个阶段: ( 1 ) 煤层在开采过程中对斜坡的扰动作

用，采空区顶板开裂并出现垮塌，引起坡顶开始出现

不均匀沉降以及斜坡坡表出现张拉裂缝; ( 2 ) 整个

坡体产生不均匀的压缩沉降，裂缝进一步扩展，且部

分岩石块体脱离坡表，形成崩塌; ( 3) 坡顶附近坡表

岩体变形剧烈，斜坡前缘发生大规模的崩塌; ( 4) 崩

塌冲击及崩积物重力加载滑坡体，滑坡体发生蠕滑

变形。第 1 阶段:

斜坡坡顶及坡表的岩体风化严重，节理裂隙发

育，多组结构面将岩体切割成碎块状，使变形破坏有

了良好临空条件，这成为岩体变形破坏的地质基础;

而煤层开挖则是这一变形破坏的直接诱因。由于坡

脚煤矿的开挖，上覆坡体被扰动，坡体内部岩体随着

开挖的进行其应力状态进行调整，在岩体自重应力

作用下，斜坡开始出现缓慢的变形现象。当运行至

13000 步时，图 6 中坡顶前缘已经产生了错动，坡体

开始出现不均匀沉降; 且图 11 中监测点 5# ( 坡顶前

缘处) 和监测点 6# ( 坡顶后缘处) 显示斜坡在 13000步时，坡顶处已经开始出现沉降。由于煤层采空，煤

51422( 3) 肖 燃等: 崩塌诱发其下部滑坡变形过程的分析研究

图 5 3DEC 模型及监测点位置图

Fig． 5 3DEC model and the monitoring location

图 6 第 1 阶段整体位移图

Fig． 6 The overall displacement of the first phase

图 7 第 2 阶段整体位移图

Fig． 7 The overall displacement of the second phase

层顶部两侧山体向中间移动，导致坡体产生水平张

力，使坡体顶部及坡表产生平行于斜坡走向的张拉

裂缝。图 11 中 监 测 点 7# ( 斜 坡 中 部 坡 表 处) 在

13000 步时也有明显的位移出现，由于坡表处没有

沉降产生，所以该处位移均为水平位移，因此斜坡正

在向临空面方向发生变形破坏。

图 8 第 3 阶段整体位移图

Fig． 8 The overall displacement of the third phase

图 9 第 4 阶段整体位移图

Fig． 9 The overall displacement of the fourth phase

图 10 监测点整体位移变化曲线对比图( a)

Fig． 10 The overall displacement curve ofmonitoring points in contrast( a)

第 2 阶段:

采空区形成之后，斜坡岩体在重力作用下重新

调整应力应变。重力对岩体的作用力被分解为一垂

直于层面和一平行于层面的分力，且垂直分力使得

采空区的上层顶板产生不均匀压缩变形，当采空区

614 Journal of Engineering Geology 工程地质学报 2014

图 11 监测点整体位移变化曲线对比图( b)

Fig． 11 The overall displacement curve of monitoringpoints in contrast( b)

图 12 监测点整体位移变化曲线对比图( c)

Fig． 12 The overall displacement curve of monitoringpoints in contrast( c)

上层顶板的强度不足以抵抗上部岩体的重力分力作

用时，顶板会产生裂缝，并向下发生不均匀压缩沉

降，坡顶处出现错动。当运行至 46000 步时，从监测

点 4#、5#、6#可以看出沉降已经完成，4#和 6#处的沉

降有 10m，而 5#处的沉降不到 5m，且从图 7 中也可

发现坡顶不均匀沉降明显。与此同时，水平分力会推动着岩石块体向临空

面运动，且岩块间存在着黏聚力，牵动坡顶岩体间的

裂缝进一步拉伸扩展，坡表岩体将会更加碎裂。由

于不均匀沉降，越靠近临空面沉降值越大，往坡内沉

降值逐渐减小，岩块倾倒偏移量逐渐增大。当运行

至 46000 步时，图 7 中显示坡表处岩块脱离坡表，岩

石块体会沿着坡面滚下或者落下，形成小型崩塌，且

监测点 1#和监测点 5#在该时步时已经有 5m 多的位

移，虽然该处块体没落下，但是也说明坡表变形剧

烈。

第 3 阶段:

采空区坍陷后，其影响范围逐渐向上发展，且此

时采空区已经被填满，整个坡体不均匀压缩沉降已

经结束。与此同时，由于不均匀沉降产生的倾倒偏

移量逐渐增大，在水平分力的作用下，坡顶岩体间的

节理裂隙张开度变大( 岩体在两组优势结构面与层

面的相互作用下发生错动) 。当运行至 136000 步

时，图 8 中显示大部分岩块沿着坡面滚下或者落下，

且从图 10 中 4 个监测点对比可以看出，离临空面最

远 4#块体没有掉落之外，其他块体均掉落，且掉落

顺序由表及里，随着坡表处块体逐渐失稳掉落，斜坡

体内部的块体在水平力作用下失去表部块体支撑而

逐渐失稳。坡顶岩块也由于失去下部岩体支撑而逐

渐落下，形成大规模崩塌，且大量崩塌体冲击土质滑

坡并堆积于滑坡体的后缘。第 4 阶段:

随着斜坡逐渐破坏，岩块崩落下来掉到滑坡体

上( 图 9) ，由于岩块重力势能转化为动力势能的过

程中，岩块对滑坡体有一个冲击力作用，可能致使在

岩块刚掉到滑坡体上的时候，滑坡体有一个瞬间向

前滑动的推力。滑坡体则主要受到滑坡体上崩积物

的重力加载作用而向前滑移。当运行至 136000 步时 ( 图 13) ，滑坡开始受到

崩塌块体的冲击力，结合图 12 可以看出，在 140000步到 250000 步之间，监测点 9#、10#和 11#的曲线有

明显的上凸形状，表明块体对滑坡体均有明显的冲

击回弹作用，且垂直落下时回弹现象更为明显。滑

坡体在崩塌块体的冲击作用下可能会产生一个瞬间

向前滑动的推力，此时滑坡体上局部产生了比较小

的位移。当运行至 266000 步时 ( 图 14) ，崩塌基本

结束，斜坡上不再有岩块掉落，崩塌块体大量地堆积

在滑 坡 体 上，结 合 图 12，位 移 变 化 曲 线 显 示 在

266000 步后，监测点 9#、10# 和 11# 的位移基本保持

不变，未有冲击回弹现象，说明崩塌基本结束; 而监

测点 12#位移在 266000 步后则继续增大，说明滑坡

后缘对滑坡前缘有一个推动作用，表明滑坡体此后

在崩积物的重力加载作用下继续蠕滑。从图 13 滑

坡体上的位移图也可以看出滑坡体上位移值越往前

缘越小，说明滑坡体后缘对滑坡体前缘有一个累积

推动的作用。

5 滑坡的变形破坏特征研究

滑坡形成于 2010 年，2012 年变形最为明显。

71422( 3) 肖 燃等: 崩塌诱发其下部滑坡变形过程的分析研究

图 13 滑坡蠕滑阶段图( 136000 步)

Fig． 13 Diagram of landslide creep phase ( 136000 step)

图 14 滑坡蠕滑阶段图( 266000 步)

Fig． 14 Diagram of landslide creep phase ( 266000 step)

位于滑坡中后部的电线杆出现了近 9°的倾斜且位

于滑坡右侧边界中前部的管道出现了约 1. 5m 的水

平错动 ( 图 15) ，这些证据均证明滑坡在这几年间

持续变形，并且滑坡中后部的土体在不断往滑坡前

缘推移，坡体正在发生蠕滑变形。在 滑 坡 后 缘 处 有 许 多 充 满 积 水 的 凹 坑

( 图 16) ，坑径 1 ～ 2m，凹坑主要是由斜坡岩块崩落

后冲击土坡形成，而这些凹坑表明滑坡体在崩塌冲

击作用下产生了局部的变形破坏。由现场安装的 GPS 得到的数据 ( 图 17) 可以看

图 15 滑坡蠕滑变形迹象示意图

Fig． 15 The plane sketch about signs of landslidecreeping deformation

图 16 滑坡受冲击作用变形迹象示意图

Fig． 16 The plane sketch about signs of landslide deformationunder the effect of impact

图 17 GPS 监测点滑动方向累积位移曲线对比图

Fig． 17 The cumulative displacement curve comparison chartof GPS monitoring points on the landslide sliding direction

出从 2012 年 8 月 7 日起一直到 2013 年 11 月 20日，滑坡整体的位移一直在增大，且在 2013 年前增

速较快。2013 年开始，滑坡的整体变形趋于停止，

直到 2013 年 4 月中旬，滑坡变形突然加速，后缘监

测点处 5d 之内变形量达到了 200mm，前缘和中部

监测点 5d 之内的变形量也达到了 100mm，且自此

以后一直到今天，滑坡的变形一直增大。结合图 18雨量监测曲线，可以看出，冬季该地区降雨较少，滑

坡的变形幅度也较小，随着夏季到来，该地区的雨量

814 Journal of Engineering Geology 工程地质学报 2014

图 18 雨量监测曲线图

Fig． 18 Ｒainfall monitoring curve

增多，滑坡在雨水的诱发作用下继续变形，说明降雨

是滑坡产生变形的一个重要原因。随着雨季结束，滑坡位移变化曲线有逐渐变缓

的趋势，但仍在增加，这与后缘崩积物有关，此时滑

坡体主要受到崩积物的重力加载作用而发生蠕滑变

形。且滑坡前缘处位移值较小，后缘处位移值较大，

这与 3DEC 模拟 ( 图 14) 相符。在 2013 年 11 月 20日时滑坡后缘位移变化已达到 6m，整个滑坡体已出

现较大变形。由曲线的趋势和数据来看，整个滑坡

将继续蠕滑变形。

6 结 论

( 1) 通过 3DEC 模拟斜坡在地下开采过程的变

化情况，清楚地再现了斜坡失稳的主要过程。由于

地下开采，斜坡顶板垮塌，导致斜坡出现不均匀沉

降，坡表变形剧烈，斜坡逐步失稳。且由于崩塌形成

的落石掉落到滑坡体上，对滑坡体产生了强烈的冲

击，大量崩积物对滑坡产生重力加载。形成对滑坡

体的“后缘冲击及重力加载”作用，使滑坡体发生变

形及滑动。( 2) 通过对模拟过程、滑坡体变形破坏特征的

研究以及对比滑坡体上模拟和现场的监测数据，可

以得出斜坡崩落岩块强力的冲击作用使滑坡体发生

变形破坏，且可能会对滑坡体产生一个瞬间向前的

推力。而滑坡的蠕滑变形主要是由于崩积物重力加

载作用引起的，且有继续变形的趋势，在暴雨季节

时，滑坡的变形速率可能会增大，有潜在大规模滑动

的危险，需做好相应的防护工作。

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檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵

5360 ～ 5365．

新书介绍

《崩滑地质灾害稳定性评价方法研究》

王根龙 叶万军 伍法权等著 上海交通大学出版社

内 容 简 介

本书是崩塌、滑坡地质灾害稳定性评价新方法研究，全书共分两篇十四

章，系统阐述了边坡( 滑坡) 稳定性评价极限分析法和不稳定岩体( 崩塌) 稳

定性评价计算方法。主要内容包括极限分析上限法原理、土质和岩质边坡稳

定性评价极限分析上限解; 崩塌地质力学分类、崩塌灾害机理及稳定性评价

方法、崩塌灾害危险性分级与分区评价。本书可供国土资源开发、地质灾害防治、水利水电、交通土建、矿山开采

等领域以及高等院校、科研院所从事地质工程、岩土工程勘测设计的科研、教学人员参考使用，也可供减灾、防灾及相关业务人员使用。

有需要的读者可与王根龙博士取得联系。联系电话: 029 － 87821982 Email: wang2006@ mail． iggcas． ac． cn

024 Journal of Engineering Geology 工程地质学报 2014