降雨诱发采动滑坡物理模拟试验研究.pdf

第4 5 卷第2 期 2 0 2 0 年2 月 煤炭学报 J O U R N A LO FC H I N AC O A LS O C I E T Y V o l _ 4 5N o ．2 F e b ．2 0 2 0 移动阅读 赵建军，李金锁，马运韬，等．降雨诱发采动滑坡物理模拟试验研究[ J ] ．煤炭学报，2 0 2 0 ，4 5 2 7 6 0 7 6 9 ．d o i 1 0 ．1 3 2 2 5 ／j ，c nk i ．j c c s ．2 0 1 9 ．0 1 8 8 Z H A 0J i a n j u n ，L IJ i n s u o ，M AY u n t a o ，e ta 1 ．E x p e r i m e n t a ls t u d yo nf a i l u r ep r o c e s so fm i n i n gl a n d s l i d ei n d u c e db yr a i n f 甜l [ J ] ．J o u m a lo fc h i n ac o a ls o c i e t y ，2 0 2 0 ，4 5 2 7 6 0 7 6 9 ．d o i 1 0 ．1 3 2 2 5 ／j ．c n k i ．j c c s ．2 0 1 9 ．0 1 8 8 降雨诱发采动滑坡物理模拟试验研究 赵建军1 ，李金锁1 ，马运韬2 ，余建乐1 1 ．成都理工大学地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室，四川成都6 l 0 0 5 9 ；2 ．四川省道达工程设计有限公司，四川成都6 1 0 0 5 9 摘要采动滑坡是岩土工程中极具挑战性的问题之一，采动滑坡为矿区地质灾害的主要类型，其 危害性相较于其他类地质灾害更加严重。采煤会诱发平缓结构斜坡发生强烈的地面变形，研究结 果表明天然状况下采煤结束后一定时间内地面变形将趋于稳定，采动滑坡的发生受降雨影响显著。 以贵州马达岭滑坡为地质原型，马达岭斜坡为平缓倾内的层状结构斜坡，具有上硬下软和上陡下缓 结构特征，是受采矿和降雨影响诱发的滑坡。采用物理模拟方法，应用模型箱和相似材料根据相似 比建立滑坡模型，采用土压力监测计、孔压力监测计和三维激光扫描仪对模型进行监测，研究了模 型在开采与降雨两类工况下变形及内部应力的变化情况和在开采与降雨共同作用下斜坡变形破坏 过程，再现了滑坡从孕育到发生的全过程，分析强降雨诱发采动滑坡形成的机制。研究表明采空 区形成后，坡内原有的应力平衡被打破，发生应力重分布，采空区顶板应力卸荷，边界部位应力集 中，顶板位置首先发生弯曲沉陷，产生大量离层裂缝，裂缝不断向四周扩展，逐渐形成大量竖向拉张 裂缝，采空区的边界部位出现多条斜向裂隙；同时采动的影响不断向上传播，采空区顶板处产生裂 缝多与上覆岩体中发育的裂缝贯通形成大型裂缝；降雨作用下，坡内裂缝持续发展，降雨导致采空 区及上覆岩体中形成稳定水位，增大坡后的静水压力，使裂缝不断增大，推动斜坡向临空面发生变 形，雨水下渗作用下，逐渐沿下部“阶梯状”裂缝、采空区、竖向拉张裂缝形成基本贯通的潜在滑动 面，最终在水压作用下，剪断锁固段形成贯通的滑面，发生整体滑动。马达岭滑坡其演化过程可分 为3 个阶段①采空区覆岩一斜坡变形阶段由于开采使上覆岩层产生变形破坏，模型坡表及内部 发育大量裂隙，为雨水的入渗提供有利条件；②降雨诱发斜坡整体变形演化阶段雨水入渗模型， 加剧裂缝发育，使模型向临空向发生变形，坡内裂隙已基本贯通，模型到达失稳的，I 各界点；③滑面 扩展一滑坡发生降雨作用下，岩体不断被软化，同时，模型内裂缝充水，使裂缝不断发育直至贯通， 导致滑坡发生。因此其变形破坏机制可总结为采空区覆岩一斜坡变形_ 降雨诱发斜坡整体变形演 化_ 滑面扩展一滑坡发生。 关键词采动滑坡；降雨；物理模拟；成因机制 中图分类号P 6 4 2 ．2 2文献标志码A文章编号0 2 5 3 9 9 9 3 2 0 2 0 0 2 0 7 6 0 一1 0 E x p e r i m e n t a ls t u d yo nf j a i l u r ep r o c e s so fm i l l i n gl a n d s l i d ei n d u c e db yr a i l l 】F a n Z H A OJ i a n j u n l ，L IJ i n s u 0 1 ，M AY u n t a 0 2 ，Y UJ i a n l e l 1 ．S 把招硒，k 6 0 删。叫q 厂‰触犯r d 胁肥凡￡幻no 蒯＆o e 删i r o n 脚mP r 0 ￡倒抽n ，吼e ，培如‰沁m 毋0 ，扎矾加f 0 ∥，仇n 列u6 1 0 0 5 9 ，饥i 舰；2 ．s 把 ∽n ‰如E n 一，啪 增D 郫蜒r nc 0 ．，厶d ．，仇，增血 6 1 0 0 5 9 ，吼i 船 A b s t r a c t M i n i n gl a n d s l i d ei so n eo ft h em o s tc h a l l e n g i n gp r o b l e m si ng e o t e c h n i c a le n g i n e e r i n g ．M i n i n gl a n d s l i d ei sa 收稿日期2 0 1 9 一0 2 一1 7修回日期2 0 1 9 0 4 1 6责任编辑韩晋平 基金项目国家自然科学基金资助项目 4 1 8 7 7 2 7 3 作者简介赵建军 1 9 8 0 一 ，男，山东临朐人，教授，博士。T e l 0 2 8 8 4 0 7 7 9 8 8 ，E m a i l j ．j ．z h a o q q ．c o m 万方数据 第2 期赵建军等降雨诱发采动滑坡物理模拟试验研究 7 6 l m a i nt y p eo fg e 0 1 0 9 i c a ld i s a s t e r si nm i n i n ga r e a s ，a n di t sh a z a r d sa r em o r es e r i o u st h a no t h e rt y p e so fg e o I o 舀c a ld i s a s t e r s ．C o a lm i n i n gw i l li n d u e es t r o n gg r o u n dd e f o Ⅱn a t i o n g e n t l es t m c t u r a ls 1 0 p e ，a n dt h eg r o u n dd e f o m l a t i o nw m t e n d t ob es t a b l ew i t h i nac e r t a i np e r i o da f t e rc o a lm i n i n gu n d e rn a t u r a lc o n d i t i o n s ．T h eo c c u I T e n c eo fm i n i n g i n d u c e dl a n d s l i d ei ss i g n i f i c a n t l ya f 玷c t e db yr a i n f a U ，s oi ti so fs i g n i f i c a n c et os t u d yt h ei n n u e n c eo f r a i n f a l lo nm i n i n g i n d u c e d l a n d s l i d e ．T h eM a d a l i n gl a n d s l i d ei nG u i z h o uw a su s e da sag e o l o g i e a lp r o t o t y p e ．T h eM a d a l i n g1 a n d s l i d ei sa1 a y e r e d s t m c t u r es l o p ew i t hg e n t l ed i p ，w h i c hh a st h es t r u c t u r a lc h a r a e t e r i s t i c so fu p p e rh a r da n dI o w e rs o f t ，u p p e rs t e e pa n d l o w e rg e n t l e ，a n dw a si n d u c e db ym i n i n ga n dm i n f a l l ．U s i n gt h ep h y s i c a ls i m u l a t i o nm e t h o d ，t h em o d e lb o xa n ds i m i l a r m a t e r i a l sw e r eu s e dt 0e s t a b l i s ht h el a n d s l i d em o d e la c c o r d i n gt 0t h es i m i l a r i t ym t i o ，T h em o d e lw a sm o n i t o r e db ys o i l p r e s s u r em o n i t o r ，p o r ep r e s s u r em o n i t o ra n d3 Dl a s e rs c a n n e r ．T h em o d e lw a ss t u d i e du n d e rm i n i n ga n dr a i n f a Uc o n d i ’ t i o n s ．T h ed e f b n n a t i o na n di n t e m a ls t r e s sc h a n g e sa n dt h es l o p ed e f b 瑚a t i o na n df a i l u r ep r o c e s su n d e rt h ej o i n ta c t i o n o fm i n i n ga n dr a i n f d lr e p r o d u c et h ew h o l ep r o c e s so fl a n d s l i d ef } o mg e n e r a t i o nt oo c c u r r e n c e ，a n da n a l y z et h em e c h a n i s mo fh e a v yr a i n f a l li n d u c e dm i n i n g1 a n d s l i d ef o n n a t i o n ．A f t e rt h ef o 瑚a t i o no ft h eg o a f ，t h eo r i g i n a ls t r e s sb a l a n c ei n t h es l o p ei sb r o k e n ，t h es t r e s sr e d i s t r i b u t i o no c c u r s ，t h es t r e s si nt h eg o a fI D o fi su n l o a d e d ，t h es t r e s sa tt h eb o u n d a r yi s c o n c e n t r a t e d ，a n dt h et o pp o s i t i o no ft h er o o fi sf i r s tb e n ta n dt h e ns u b s i d e d ，r e s u l t i n gi n al a r g en u m b e ro fc r a c k s ． C o n t i n u o u s l ye x p a n d i n gt ot h es u I T o u n d i n ga I e a ，al a 蜡en u m b e ro fv e r t i c a lt e n s i l ec r a c k sa r eg r a d u a U yf 0 H n e d ，a n da n u m b e ro fo b l i q u ec r a c k sa p p e a ra tt h eb o u n d a r yo ft h eg o a f ．A tt h es a m et i m e ，t h ei n n u e n c eo fm i n i n gc o n t i n u e st o p r o p a g a t eu p w a r d s ，a n dc r a c k so c c u ri nt h eg o a f r o o fa n di nt h eo V e d y i n gI D c km a s s ．T h ed e V e l o p e dc r a c k sp e n e t r a t et o f o H I ll a r g ec r a c k s ．U n d e rt h ea c t i o no fr a i n f a l l ，t h ec r a c k si nt h es l o p ec o n t i n u et od e v e l o p ，a n dt h er a i n f a Ul e a d st ot h e f 0 H n a t i o no fas t a b l ew a t e rl e v e li nt h eg o a fa n do v e r l y i n gI D c km a s s ，i n c r e a s i n gt h eh y d r o s t a t i cp r e s s u r eb e h i n dt h e s l o p e ，i n c r e a s i n gt h ec r a c ka n dp u s h i n gt h es l o p e ．T h ed e f b r n l a t i o no ft h ea i r f 而n ts u d ’a c e ，u n d e rt h ea c t i o no fr a i na n d w a t e r ，g r a d u a U yf o r n l sab a s i cs l i d i n gs u I f a c ea l o n gt h el o w e r “s t e p p e d ”c r a c k ，g o “，a n dV e r t i c a lt e n s i l ec r a c k ，a n dn n a U yc u t st h e1 0 c k i n gs e g m e n tu n d e rw a t e rp r e s s u r e ．T h es l i d i n gs u d l a c et h a tp e n e t r a t e sh a sa no V e r a Us l i d i n g ．T h e e V o 一 1 u t i o np r o c e s so ft h eM a d a l i n gl a n d s l i d ec a nb ed i v i d e di n t ot h r e es t a g e si n c l u d i n gQ t h eo v e r b u r d e n s l o p ed e f b H n a t i o n s t a g eo ft h eg o a f d u et ot h ed e f 0 Ⅱn a t i o na n df a i l u r eo ft h eo v e r b u r d e ns t r a t ac a u s e db ym i n i n g ，a1 a 曙en u m b e ro f6 s s u r e sa r ed e v e l o p e do nt h es l o p ea n dt h ei n t e r i o ro ft h em o d e l ，w h i c hp r o v i d ef a v o r a b l er a i n f a Ui n f i l t r a t i o nc o n d i t i o n ； ②t h er a i n f a ui n d u c e ds l o p eo v e r a ud e f o r m a t i o ne v o l u t i o ns t a g e r a i n w a t e ri n f i l t r a t i o na g g r a v a t e st h ed e V e l o p m e n to f c r a e k s ，c a u s i n gt h em o d e lt od e f o 珊t o w a r dt h ev a c a n td i r e c t i o n ．T h ec m c ki nt h es l o p eb a s i c a U yp e n e t H l t e s ，a n dt l l e m o d e lr e a c h e st h ec d t i c a lp o i n to fi n s t a b i l i t y ；③t h es l i ps u I f a c ee x p a n s i o n 一1 a n d s l i d eo c c u I T e n c e u n d e rt h ea c t i o no f m i I l f 甜1 ．t h er o c km a s si sc o n t i n u o u s l vs o f t e n e d ．A tt h es a m et i m e ，t h ec r a c ki nt h em o d e li sf i U e dw i t hw a t e r ，s ot h a tt h e c r a c kc o n t i n u e st od e v e l o pu n t i li tp e n e t r a t e s ，r e s u l t i n gi nl a n d s l i d e ．T h e r e f o r e ，i t sd e f o 咖a t i o na n df a i l u r em e c h a n i s m c a nb es u m m a r i z e da st h eo v e r b u r d e n ．s l o p ed e f o 珊a t i o no ft h eg o “，t h eo v e m Ud e f o Ⅱn a t i o ne v o l u t i o no ft h er a i Ⅲ以1 一i n - d u c e ds l o p e ，a n dt h es l i ps u I f a c ee x p a n s i o n - s l o p eo e c u n ．e n c e ． K e yw o r d s m i n i n g1 a n d s l i d e ；r a i n f a l l ；p h y s i c a lm o d e l l i n g ；f a i l u r em e c h a n i s m 采矿条件下，斜坡原始应力状态发生改变，打破 其初始应力平衡，在斜坡中产生应力重分布；采空区 顶板产生变形、冒落引起地表的沉陷、开裂和塌陷，直 至最后形成滑坡，常造成重大的经济损失和人员伤 亡‘卜2 | 。因此，对矿区由开采扰动引发的采动滑坡的 研究具有重要的实用价值和巨大的社会经济意义。 开采扰动条件下，煤层上履岩体变形破坏引起 的山体滑坡称为采动滑坡，上履岩体产生变形的斜 坡称为采动斜坡‘3 。。采动滑坡的研究最先出现在 1 5 世纪的欧洲‘4 | ，此后，J L C I N S K Y 对德国鲁尔区的 采动斜坡进行研究，1 8 7 6 年提出了“二等分理论” 1 8 8 2 年又提出了“自然斜面理论”o 。汤伏全总结 了国内矿山开采与斜坡失稳的研究成果，分析了采 空后的斜坡应力变化规律及变形破坏现象，得到采 空后坡体中首先会破坏软弱岩层或软弱结构面，形 成潜在滑动面的结论，初步建立“开采沉陷学”与 “滑坡学”之间的联系MJ 。2 0 0 9 年发生的鸡尾山滑 坡是由地下采矿诱发的块体滑动，由于其特殊的形 成机制，开展了大量研究。x u 等采用遥感、三维激 光扫描、数值模拟等方法对受采矿活动等影响的 尾山滑坡进行分析，得出其变形特征及触发 制‘川；Y I N 等采用F L A C 3 D 软件对鸡尾山滑坡失鸡机效 万方数据 7 6 2 煤炭 学报 2 0 2 0 年第4 5 卷 过程进行模拟，得到由重力、岩溶作用和与采矿活 动作用叠加一种新破坏模式。8J ，F E N G 等采用物理 模拟方法，模拟了鸡尾山滑坡破坏过程，分析认为鸡 尾山滑坡是由坡体结构，地下开采和岩溶共同作用的 结果一。z H E N G 等采用物理模拟方法研究由采矿引 起崩塌的形成机理，提出了3 种破坏模式，有助于采 矿地质灾害的早期识别和及时预警‘1 0J 。贵州省都匀 市青山煤矿马达岭滑坡是一个典型的平缓层状结构 采动滑坡，王玉川等采用有限元方法对马达岭滑坡进 行模拟分析，得出其形成模式为坍塌一张裂一剪切滑 移川；赵建军等采用颗粒流方法P F C 研究在多层开 采作用下滑坡的应力分布及变形特征，提出采空区覆 岩按变形可分为3 个分区即塌陷区、弯曲一沉降区和 拉裂一倾倒区。1 2 。”。；赵建军等运用室内模型试验再次 研究了马达岭滑坡的成因机制∞’1 4 j 。这些研究都没 1 瓢 畜 有揭示降雨对采矿滑坡形成的影响。 因此，笔者以马达岭滑坡为地质原型，采用物理 模型模拟在采矿与降雨耦合作用下的边坡变形破坏 过程。 1 试验设计 1 ．1 地质原型特征 2 0 0 6 0 5 1 8 贵州省都匀市原青山煤矿矿区马达 岭发生高速滑坡，约1 9 0 万m 3 滑体在高速的运动中 刮铲冲沟，形成近2k m 长的刮铲区，最终在坡脚堆 积，全貌如图1 所示，破坏了大片农田及公路，滑坡发 生在凌晨且山下无人居住，所幸并无人员伤亡。滑坡 发生前当地持续强降雨超过1 2 0h ，滑坡发生后滑坡 后壁煤洞泉水流出持续一周，是采矿与强降雨综合作 用诱发的典型滑坡、”。。 0 15 9 0 l5 7 0 15 5 0 l5 3 0 15 1 0 14 9 0c 14 7 0 蹦 扫日 14 5 0 ‘一 14 3 0 14 l O l3 9 0 13 7 0 l3 5 0 l3 3 0 根据王玉川‘1 63 、肖建国⋯3 和兰志勇‘1 8 1 对马达1 ．2 模型设计 岭滑坡的研究成果，滑坡所在斜坡具有明显软硬互 根据三大相似理论⋯1 来确定试验相似常数，首 层的结构特征，其中软岩以煤层、炭质页岩为主，硬 先根据马达岭滑坡的试验条件和实际大小，确定几何 岩为砂岩，岩层都缓倾坡内，平均产状2 8 6 。二1 6 。， 相似比C t 为2 0 0 ，则模型长为1 3 5c m 、宽为5 0c m 和 如图2 所示。滑坡主滑方向1 7 2 。，滑坡后缘海拔约 高6 5c m 。其次确定试验岩体的容重相似常数c ，为 攀m 拦譬。篓髦竺 璺訾孝兰1 ’最篡裂篡姿翟篓嚣嚣≥岩夹薄 1 5 0m 。同时，斜坡下伏被开采的4 层煤层从下到 层炭矗责善菇舅；苄磊辜妻羞蔷磊屋砉美荔喜骂 上分别有A 7 ，A 9 ，A 1 0 和A 1 1 ；A 7 ，A 9 两层垂直距 厚层炭质页岩和煤互层，同时考虑到试验的研究目的 离在2 0m 左右，开采高度2 0 ～2 5m ，开采深度约 以及试验的可操作性，将马达岭斜坡的地质原型做适 2 0 0m ，采空区规模较大；A l o ，A 1 1 煤层较薄，层厚 当简化，如图3 所示，最终概化结果共包括9 层，其中 约0 ．5 ～1 ．5m ，两层之间垂直距离1 5m 左右开采煤层2 层，炭质页岩2 层，砂岩5 层。其中下层煤由 万方数据 第2 期 赵建军等降雨诱发采动滑坡物理模拟试验研究 7 6 3 16 0 0 l5 5 0 l5 0 0 驰l4 5 0 恒 14 0 0 13 5 0 l3 0 0 O 1 0 02 0 03 0 04 0 05 0 0 平距／m 回蒜薹豢统回荔蓄翥蓊回喜军萧统亘砂岩垦娄霪圄灰岩图囊霪 亘页岩国泥灰岩亘煤层围碎石土口篥荤区口裂隙囫冀磊 图2马达岭滑坡典型剖面 F i g ．2G e 0 1 0 9 i c a lp r o f i l eo fM a d a l i n g1 a 1 1 1 s l i d e 6 5c m ，上层煤由A 1 0 ，A 1 1 两层煤合并简化组成，其 采空区厚约5c m ，长3 5c m 。模型基本保留了原型的 结构特点，即缓倾坡内、软硬互层、上陡下缓、上硬下 软。 三维激光 扫描仪 高j 患机臻旁鼢等舶高速摄像机 ▲土J 土力监测点 图3 模型设计 F i g ．3C o n c e p t u a lm o 1 e la n dm o n i t o r i n gp o i n t s 1 ．3 相似材料与配比 相似材料与配比的确定是在继承和结合前人的 研究成果基础上[ 2 旷2 1 I ，对马达岭滑坡的岩体进行正 交试验，同时考虑了4 个水平3 种因素，其中3 种因 素分别为河沙／重晶石粉，石膏／水泥，黏结材料／骨料 的质量比，其中河沙和重晶石粉为骨料，石膏、水泥为 黏结材料。 根据正交设计法对相似材料配比进行研究，确定 石英砂岩最终配比为石膏水泥河沙重金石 4 2 1 5 1 5 ，炭质页岩最终配比为石膏水泥河 沙重金石 1 0 1 3 2 ，煤层最终配比为石膏 河沙 l l O 。采用该配比所制的相似材料力学参数 见表l ，由表l 可见3 种相似材料的力学参数与实际 材料参数基本满足应力相似比，可用于模型试验。 表1 试验材料参数 T a b l e1P a r a m e t e r so fm o d e lm a t e r i a I s 1 ．4 降雨强度的确定 据国家气象局规定，降雨类型可按日降雨量，，， 划分为中小雨 ，。。 2 5m m ，大雨 2 5m m ，。； 5 0m m ，暴雨 5 0m m ，。I 1 0 0m m 。图4 为2 0 0 6 年都匀市全年日降雨量统计 图，结合上述分类标准都匀市全年降雨可分为三大区 间1 月至5 月中小雨为主；5 月至9 月大雨至大暴雨 为主；9 月至1 2 月中小雨为主。有研究表明滑坡前 1 5 日的降雨为影响滑坡的有效降雨量’2 卜2 3J ，马达岭 滑坡发生于2 0 0 6 0 5 1 8 ，图4 中可见滑坡前1 5d 有 效降雨量为1 5 0m m 。因此试验选取1 0 0n l m ／d 作为 试验模拟的正常降雨强度，2 0 0m t n ／d 作为试验模拟 极端暴雨的降雨强度。 万方数据 7 6 4 煤炭 学报 2 0 2 0 年第4 5 卷 2 0 0 1 6 0 g 蔓1 2 0 蝴 鐾8 0 叮 4 0 O I 2 0 0 6 年各月份 月／日 蠹 鐾 蠢 图42 0 0 6 年都匀市全年日降雨量统计 F i g ．4A n n u a l 谳n 蹦lo fd u y u n2 0 0 6 1 ．5 数据监测与采集 模型中布置4 个土压力监测点，4 个孔隙水压力 监测点，如图3 所示。土压力采用T E S B 8 2 2 数据采 集仪采集数据，孔隙水压力采用x s l 8 一V 多路信号采 集仪进行采集，采集时间间隔都为5s 。土压力和孔 隙水压力测点在模型前后布置，各4 个，需一同埋设， 埋设位于第3 ，4 层层问与第7 ，8 层层间的位置。 采用三维激光扫描仪进行扫描监测模型坡表的 整体变形，在试验开始前进行一次扫描，记录坡表的 初始形态，试验开始后每隔两个小时进行一次扫描， 必要时可多次扫描。 1 ．6 试验步骤 模型主要包括3 种岩体即煤、炭质页岩和砂岩， 其中砂岩采用预制砌块的方法制作，目的是为了模拟 砂岩中发育的裂隙，砌块采用3 种规格1 8c m 1 8c m 4c m ，9c m 9c m lc m 和9c m 9c m 2c m ， 硬质岩砂岩和软岩炭质页岩、煤层相间堆制，模拟斜 坡的边坡结构特征。开采煤层采用沙袋模拟，沙袋为 充填有干沙的塑料薄膜，沙袋之间紧密排布。在堆砌 各个岩层的过程中将监测仪器埋人设计部位。 待模拟边坡固结达到设计的强度后，进行模拟开 挖，煤层开挖方式为在模型箱一侧用电钻钻出小口， 用小铲和木棍掏出塑料袋中的干沙，最后取出塑料薄 膜，模拟煤层的开采。先开采下层煤，待应力变形稳 定后，再开采上层煤，待开采变形应力稳定后，进行降 雨模拟试验，降雨试验采用专业模拟装置进行，对模 拟边坡进行连续降雨，直至斜坡失稳破坏。 2 试验结果分析 物理模拟试验共耗时1 6 0h ，第0h 开始开采下 层煤层，0 ．5h 后开采结束，第4 8 ．5h 开始开采上层 煤层，0 ．5h 后开采结束，第7 7 ．2h 开始降雨，降雨强 度为1 0 0m m ／d ，第1 1 8h 降雨强度加大 到2 0 0m n ∥d ，在拍照和扫描时暂停降雨；第1 2 7h ，模 型失稳，形成滑坡；发生滑坡后继续降雨至第 1 3 3 ．5h ，停止降雨；第1 6 0h 试验结束 图5 c 。 2 ．1 孔隙水压力 模型各个测点孔隙水压力监测数据如图5 a 所 示。第7 7h ，试验开始降雨，由于在测点附近发育数 条竖向裂缝，雨水人渗，导致孔隙水压力值突然增长， 1 1 5 ～1 1 7h 中途拍照暂停降雨，孔隙水压力值相应降 低。第1 0 1h ，累计降雨量达到1 0 0m m ，水位已持续 上升到1 7c m ，坡脚处出现横向裂缝，同时模型整体 发生较大变形，模型中又有新的裂缝产生，降雨向采 空区渗流，使得模型内累计的孔隙水压力不断减小， 甚至还出现了负孔隙水压力。第1 1 0h ，降雨量约达 到1 4 2m m ，水位上升不明显，说明坡体内已有裂缝贯 通。第1 1 1h 模型上部发生局部垮塌，使裂缝闭合， 水位上升，测点孔隙水压力突然上升。第1 1 8h 将雨 强加大到2 0 0m H ∥d ，孔隙水压力继续增大。第 1 2 7h ，降雨量约达到了2 4 6m m ，水位达到2 4c m ，孔 隙水压力忽然增大，随后滑坡发生。滑坡发生后，水 位迅速下降，测点的孔隙水压力迅速下降，且波动较 大。第1 3 3h 试验结束降雨，孔隙水压力逐渐减小， 并上下波动，随后模型再次发生破坏，岩体发生扩容， 形成负孔隙水压力，模型逐渐排出水分，孔隙水压力 恢复正常，第1 6 0h 试验结束。 在第1 0 lh 左右，对比4 个孔隙水压力测点可以 发现，模型变形对水位和孔隙水压力具有较大影响，4 个测点孔隙水压力均出现明显消减，K 1 ，K 2 和K 4 三 个测点甚至还出现负孔隙水压力，且消减持续时间较 长。经过分析认为，由于测点布置于两层岩层之间， 测点附近岩体极有可能产生离层、剪胀等变形，使测 点附近体积增大，从而引起孔隙水压力降低，甚至出 现负孔隙水压力。由图5 a 也可以看出，模型发生 破坏前的瞬间，水位和各测点孔隙水压力急剧上升， 达到峰值，破坏后水位急剧下降，孔隙水压力快速回 落，说明急剧上升的水位孔隙水压力对滑坡的发生影 响较大。 2 ．2 土压力 记录试验过程中模型各个测点的土压力监测 数据，如图5 b 所示，由图5 b 可以看出，各测点 万方数据 第2 期赵建军等降雨诱发采动滑坡物理模拟试验研究 7 6 5 在开采阶段均发生多次应力突变，但其应力变化幅 度差异较大，T 3 测点应力变化较为复杂，下面以T 3 测点为例详细描述在试验过程中该测点监测值变 化规律。将下层煤开采后，4h 内应力迅速增大 0 ．6k P a ，产生应力集中，随后又缓慢增加。在4 3h ， 下层顶板发生垮塌，应力由l lk P a 骤增到1 4k P a ， 测点周围出现应力集中。上层煤开采后，采空区顶 板产生垮塌，且在上层煤采空区后边界向上延伸至 坡顶形成拉张裂缝，采动影响增大，使测点的应力 ∞ 山 ≤ - R 幽 * 篮 _ j m 发生明显消减，经多次骤降，到第5 1h 时应力已降 到6 ．8k P a ，仅有原应力的一半。至6 8h 模型再次 垮塌，测点应力骤增。在7 7h ，开始降雨，坡体内出现 孑L 隙水压力，测点土应力增大到1 3 ．7k P a ，又产生应 力集中。第1 0 1h ，孔隙水压力不断增大，对应的土压 力也随之增大，直至第1 1 8h ，降雨强度增大，模型内 裂缝多数贯通导致孔隙水压力及土压力骤减，到第 1 2 4h ，滑坡发生。测点的应力受采动及降雨影响具 有骤增骤降的突变特点。 时间，1 1 a 开挖 结束 图5 监测数据结果 F i g ．5M o n i t o 血g 1 a t ar e s u l t s 总结开采、降雨过程中模型内部应力变化规律发2 ．3 宏观变形 现采煤和降雨将打破模型的应力平衡，在采空区边界图6 ，7 分别为试验过程中模型侧面的变形破坏 产生应力集中，采空区顶板部位产生应力松弛，应力照片和表面的三维激光扫描结果，图6 a 和7 a 为 集中区应力值不断增大，当大于岩体强度时，会使模模型的最初状态，在试验过程中，模型不断的产生变 型产生变形破坏，并迅速释放出巨大的能量；应力松形破坏现象 弛区主要为煤层开采后，岩体发生卸荷，使得其应力开采下层煤时，由于模型内原有的应力平衡被 逐渐减小，同时当岩体发生变形后，其应力也会相应打破，导致测点T 3 的土压力骤增，采空区顶板也开 减小，产生应力松弛。始发生冒落、开裂等变形，随着应力不断调整，最终 E 芒晕* 如 巧 加 m 5 O ∞如∞如加O∞帅 m，∞搁∽ 万方数据 7 6 6 煤炭 学报 2 0 2 0 年第4 5 卷 顶板产生弯曲变形，且顶板附近发育多条裂缝，如 图6 b 所示。开采上层煤时，上层采空区顶板位 置出现掉块现象，岩层发生明显弯曲，上层采空区 后边界发育的竖向裂缝与离层发生贯通，顶板位置 出现较大沉降，导致上层采空区上覆岩体发育的水 a 试验开始 Oh d 降雨2 3h 后 1 0 0h 平裂缝明显张开，裂缝逐渐往坡表发展，当与近坡 表位置的裂缝连通时，将引起大幅垮塌，垮塌岩体 堆积在下部岩体之上，使下层测点T 3 的土压力快 速增大，下部岩体不断产生新的变形，如图6 c 和 7 b 所示。 b 下层煤开采稳定后 4 8h e 降雨4 9h 后 1 2 6h 图6 模型侧面变形破坏照片 F 唔．6 S i d eD e f o n n a t i o na n df a i l u r