貴州省開陽縣寨子組崩塌帶基本特征及危險(xiǎn)性評價(jià)

張家勇　劉黔云　潘魯生　杜方哥

摘 要：崩塌是一種常見山地災(zāi)害，具有隱蔽性高、失穩(wěn)破壞迅速、致災(zāi)后果嚴(yán)重的特點(diǎn)。以貴州省開陽縣寨子組崩塌帶為例，對該崩塌帶的工程地質(zhì)條件和演化歷史進(jìn)行了分析描述，對6個(gè)典型危巖體進(jìn)行了崩塌類型及穩(wěn)定性定性分析，結(jié)合赤平投影分析得出崩塌區(qū)在降雨等外力條件下極易發(fā)生崩塌。采用Rockfall軟件分析危巖體運(yùn)動特征，結(jié)果表明，危巖W1—W5均有一定概率到達(dá)道路，且危巖W1、W5、W6有可能到達(dá)村民房屋。最后，根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果繪制了崩塌帶危險(xiǎn)性區(qū)劃圖，提出在危巖區(qū)邊界處設(shè)置攔石壩的治理方案，為地方的防災(zāi)減災(zāi)提供了一定的科學(xué)依據(jù)和技術(shù)支撐。

關(guān)鍵詞：危巖崩塌;赤平投影;運(yùn)動特征;危險(xiǎn)性評價(jià)

中圖分類號：P694;P208? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

基金項(xiàng)目：貴州省提升地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警科技能力行動方案項(xiàng)目（GZMC-ZG201910003）

貴州省地處西南腹地，是無平原支撐的省份，地質(zhì)環(huán)境脆弱，地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)[1-3]。截至2018年10月25日，貴州省已查明地質(zhì)災(zāi)害隱患點(diǎn)12 231處，其中崩塌3 670處，占比高達(dá)30%，給人民的生命財(cái)產(chǎn)安全造成了嚴(yán)重的威脅。崩塌地質(zhì)災(zāi)害具有突發(fā)性，崩落速度快，極易在短時(shí)間內(nèi)造成巨大的損失，因此，研究危巖體崩塌災(zāi)害的危險(xiǎn)性評價(jià)具有重要的意義。

許多學(xué)者對崩塌的機(jī)理、穩(wěn)定性方面開展了一系列的研究，并取得了一定的研究成果。在早期，胡厚田[4]曾對各種崩塌落石的運(yùn)動速度、運(yùn)動距離和落石軌跡進(jìn)行了研究。許源華等[5]采用離散元方法，對上硬下軟類巖質(zhì)邊坡崩塌破壞發(fā)展過程做了深入的研究，總結(jié)出了該類邊坡崩塌破壞機(jī)制。謝宏等[6]研究了貴州采煤塌陷引發(fā)的地質(zhì)災(zāi)害及塌陷區(qū)的類型。陳筠等[7]對貴州省拉裂式崩塌分布特征及穩(wěn)定性進(jìn)行了分析。史文兵等[8]對軟弱基座型危巖崩塌進(jìn)行調(diào)查評價(jià)后，總結(jié)出該類危巖體主要的破壞模式為傾倒破壞、座滑、滑移和墜落。上述研究成果科學(xué)地闡述了西南地區(qū)崩塌的發(fā)育規(guī)律和破壞機(jī)制等，為崩塌災(zāi)害的預(yù)測和管理提供了科學(xué)依據(jù)。

開陽縣寨子組崩塌帶（研究區(qū)）“上硬下軟”巖組結(jié)構(gòu)大面積分布，歷史上曾多次出現(xiàn)崩塌，受威脅的村民大多密集分布于陡斜坡前方的稍平緩處，崩塌塊石最遠(yuǎn)運(yùn)移到坡腳附近的居民區(qū)，且崩塌的物源區(qū)還殘留著大量的危巖體，嚴(yán)重威脅著下方80戶420個(gè)村民的生命財(cái)產(chǎn)安全。對研究區(qū)開展相應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)性評估研究具有緊迫性和必要性，本文對該崩塌進(jìn)行了演化歷史分析和基本特征分析，對崩塌巖體進(jìn)行了赤平投影分析，采用Rockfall對落石運(yùn)動特征進(jìn)行模擬，最后對危巖帶進(jìn)行了危險(xiǎn)性區(qū)劃。上述成果可為西南山區(qū)巖質(zhì)崩塌防災(zāi)減災(zāi)提供技術(shù)支撐。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)地貌類型屬淺切割侵蝕溶蝕中山地貌，切割深度小于500 m，總體呈逶迤連綿的陡坡地形。該區(qū)域位于洋水河上游靠近源頭處，區(qū)內(nèi)相對高差300～500 m，地形坡度陡竣，一般在30～50°，高程在900～1 500 m。

區(qū)內(nèi)出露地層巖性主要是清白口系板溪群（Ptb）板巖，具有波痕構(gòu)造，震旦系下統(tǒng)南沱組（Ptn）紫紅色粉砂質(zhì)頁巖、變余粉砂巖，上統(tǒng)陡山沱組（Ptd）砂巖、褐黃色厚層含磷砂質(zhì)礫巖，上統(tǒng)燈影組（Pt ∈dy）淺灰、深灰色中厚至厚層白云巖，寒武系下統(tǒng)牛蹄塘組（∈n）黑色碳質(zhì)泥巖、明心寺組（∈m）金頂山組泥巖夾石英砂巖、砂質(zhì)泥巖和第四系覆蓋層（Q）（圖1）。在本地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)附近發(fā)育的斷層主要以北、東向二個(gè)方向?yàn)橹?，對地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育起控制性作用的斷層有F1，區(qū)內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜（圖1）。

2 崩塌演化歷史

從2009年以來，研究區(qū)發(fā)生多次崩塌，本文收集到了近幾年該崩塌帶一些相關(guān)文字、影像資料（包括2012年無人機(jī)影像、2014年和2016年Google Earth衛(wèi)星影像、2018年無人機(jī)影像），以及崩塌發(fā)生地原住居民的口頭傳述和照片等資料。以此為基礎(chǔ)，對該崩塌帶歷年的變形特征描述如下：

1）2009—2010年：崩塌單體3所在陡崖兩次發(fā)生塊石滾落，其坡腳上遺留有少量崩落巖塊（圖2）。塊石大小不一，多數(shù)為1.0 m×1.0 m×0.5 m，最大塊度為5 m×2.0 m×3.0 m，巖性主要為白云巖，總方量約300 m。

2）2011—2012年：在2012年無人機(jī)影像圖上可以看到，出現(xiàn)了6處規(guī)模大小不等的崩塌（圖3（a）），崩塌主要發(fā)生在山體兩側(cè)及正前方，崩塌堆積體主要堆積在陡崖前方的陡斜坡。經(jīng)過判釋，崩塌塊石最遠(yuǎn)滾動到距離啟動位置約279 m處。其中崩塌單體3的堆積體掩埋了一條在此通過的耕織道。

3）2013—2014年：2013年7月，由于連日的強(qiáng)降雨作用，在崩塌單體3（BT3）發(fā)生較大規(guī)模的崩塌（圖3（b）），主要為大塊狀碎石單體及碎石崩落，總方量約6×104 m3，所幸未造成人員的傷亡。

4）2015—2016年：在2016年google earth影像圖上可以看到，崩塌單體1、3頂部出現(xiàn)了小型垮塌區(qū)（圖3（c）），崩塌的堆積物停積在斜坡下部。新發(fā)生崩塌堆積體堆積的面積比老崩塌的小。

5）2017—2018年：在 2018年無人機(jī)影像圖上可以看到，新發(fā)生崩塌堆積體堆積的面積明顯比老崩塌的小（圖3（d）），表明近年未發(fā)生大規(guī)模崩塌。

根據(jù)研究區(qū)多年影像的對比，結(jié)合現(xiàn)場的調(diào)查，對區(qū)內(nèi)歷年崩塌的總方量進(jìn)行了估算，結(jié)果如圖4所示。從圖4可知，崩塌規(guī)模呈遞減的趨勢，發(fā)生大規(guī)模崩塌的概率在逐漸降低。

3 崩塌源區(qū)危巖體調(diào)查

根據(jù)無人機(jī)航拍生成的高分辨率數(shù)字地表模型（digital surface model，DSM）解譯和現(xiàn)場調(diào)查發(fā)現(xiàn)，崩塌源區(qū)還存在一系列危巖體。危巖體的特征如圖5、表1所示。

4 赤平投影分析

崩塌所在山體邊坡巖性為震旦系上統(tǒng)燈影組中至厚層白云巖，中至厚層結(jié)構(gòu)，巖層產(chǎn)狀134°< 33°，其厚度為0.1～2.0 m，傾向坡內(nèi)，巖體內(nèi)主要發(fā)育3組優(yōu)勢節(jié)理面：①260～280°<50～65°;②310～330°<65～80°;③190～210°<70～80°。崩塌區(qū)主要結(jié)構(gòu)面與陡崖臨空面的關(guān)系見圖6。只有裂縫2、裂縫3與層面的組合交棱線交線傾向與坡面傾向不一致，為穩(wěn)定結(jié)構(gòu);其余組合交棱線傾向均與坡面傾向一致，傾角小于坡面傾角，為不穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。

5 崩塌影響模擬

采用Rockfall模擬軟件對危巖體崩落路徑進(jìn)行分析[9-10]。危巖帶所在剖面可分為三段，自上而下依次為基巖→崩積體→植被覆蓋土質(zhì)邊坡。各段坡面的參數(shù)結(jié)合前人學(xué)者研究成果綜合確定[11-13]，見表2。

根據(jù)表1和表2，利用Rockfall軟件對上述確定的6塊危巖的運(yùn)動距離、彈跳高度、動能和速度等進(jìn)行了模擬，結(jié)果如圖7所示。由圖7可知，運(yùn)動速度和動能分布曲線變化趨勢大致相同。W1—W6在距崩塌點(diǎn)100～150 m處運(yùn)動速度和總動能達(dá)到峰值，這是因?yàn)樵撎庍吰聻槎妇徑唤拥牡胤?，地形由陡逐漸轉(zhuǎn)向平緩。危巖體發(fā)生崩塌后，落石與平臺發(fā)生強(qiáng)烈碰撞彈跳：碰撞前，運(yùn)動速度和總動能達(dá)到最大值;碰撞時(shí)，能量發(fā)生損耗，運(yùn)動速度和動能開始降低。W1—W6分別在距崩塌點(diǎn)270、276、218、204、274、205 m處彈跳高度和總動能均減小趨近于0，此時(shí)，落石運(yùn)動到最遠(yuǎn)距離。

根據(jù)Rockfall模擬結(jié)果，對危巖體停積位置進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果如圖8所示。從圖7和圖8可以看出：6個(gè)危巖體中，除W6外，W1—W5均有一定概率到達(dá)道路，且到達(dá)道路時(shí)具有巨大的動能和運(yùn)動速度，在此情況下，人幾乎沒有抵抗的能力。到達(dá)房屋的危巖體有W1、W5、W6，到達(dá)概率分別為0.2%、3.4%、0.2%。W1和W6到達(dá)房屋的總能量相近，分別為8 800 kJ、5 024 kJ，W5的總能量為16 500 kJ，明顯大于W1和W6。

6 危險(xiǎn)性區(qū)劃

根據(jù)Rockfall模擬得到的危巖體停積位置統(tǒng)計(jì)結(jié)果，6個(gè)危巖體中能到達(dá)房屋的危巖體有W1、W5、W6，到達(dá)概率分別為0.2%、3.4%、0.2%，仍有一定滾石運(yùn)移到房屋。因此，為確保人民的生命財(cái)產(chǎn)安全，按照崩塌運(yùn)動模擬中危巖體最遠(yuǎn)停積范圍結(jié)果對寨子村后山崩塌帶進(jìn)行危險(xiǎn)性區(qū)劃，如圖9所示。其中，危險(xiǎn)性區(qū)域總面積為0.23 km2。若發(fā)生崩塌，整條上山道路和5戶居民將處在危險(xiǎn)區(qū)范圍內(nèi)，威脅居民生命財(cái)產(chǎn)安全。故建議在房屋建筑后方危巖區(qū)邊界處設(shè)置攔石壩，并在危巖帶下方種植樹木，對滾石起到阻擋攔截作用，同時(shí)，還應(yīng)該減少或杜絕在危巖帶附近開山放炮，避免震動使危巖體發(fā)生崩塌。

7 結(jié)論

通過野外的詳細(xì)調(diào)查和后續(xù)的研究分析工作，總結(jié)出以下幾點(diǎn)結(jié)論：

1）基于多年遙感影像圖和無人機(jī)高分辨率DSM模型，結(jié)合現(xiàn)場調(diào)查，分析了該崩塌帶的演化歷史，確定了6個(gè)典型危巖體，并對其崩塌類型及穩(wěn)定性進(jìn)行了分析。

2）采用赤平投影方法對典型危巖體進(jìn)行定性分析可知，危巖體處于欠穩(wěn)定狀態(tài)，在強(qiáng)降雨等作用下易發(fā)生崩塌破壞。

3）采用Rockfall軟件分析危巖體運(yùn)動特征，6個(gè)危巖體中，除W6外，W1—W5均有一定概率到達(dá)道路，而能到達(dá)房屋的危巖體有W1、W5、W6。

4）對該崩塌危巖帶進(jìn)行了危險(xiǎn)性區(qū)劃，根據(jù)區(qū)劃結(jié)果提出了在危巖區(qū)邊界處設(shè)置攔石壩的工程措施。參考文獻(xiàn)：

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（責(zé)任編輯：周曉南）

作者簡介：張家勇（1981—），男，高級工程師，碩士，研究方向：地學(xué)大數(shù)據(jù)分析應(yīng)用與可視化，E-mail： 75766880@qq.com.

通訊作者：張家勇，E-mail：75766880@qq.com.

Basic Characteristics and Risk Assessment of a Collapse Zone

of Zhaizi Formation in Kaiyang County， Guizhou Province

ZHANG Jiayong LIU Qianyun PAN Lusheng DU Fangge

（Guizhou Geological Environment Monitoring Institute， Guiyang 550001， China）

Abstract： Collapse is a typical mountain disaster characterized by high concealment， rapid instability， and serious consequences. Taking the collapse zone of Zhaizi formation in Kaiyang county， Guizhou province， as an example， the engineering geological conditions and evolution history of the collapse zone weredescribed and analyzed. The types and stability of the collapse of six typical dangerous rock masses were qualitatively analyzed. Combined with the horizontal projection analysis， it was concluded that the collapse zone was easy to occur under the conditions of external forces such as rainfall. Rockfall software is used to analyze the movement characteristics of the dangerous rock mass. The results show that dangerous rock mass W1-W5 has a certain probability of perilous road， and perilous rock mass W1， W5， and W6 are dangerous villagers’ houses. Finally， according to the numerical simulation results， the dangerous zoning map of the collapse zone is drawn， and the treatment scheme of setting the rockfill dam at the boundary of the dangerous rock area is proposed. It provides some scientific basis and technical support for local disaster prevention and mitigation.

Key words： rock collapse; stereographic projection; motion characteristics; risk assessment