黎城縣超高基巖崩塌形成機(jī)理和成災(zāi)模式及監(jiān)測(cè)預(yù)警方法

馬玉歡

（山西省地質(zhì)勘查局二一二地質(zhì)隊(duì)有限公司，山西長(zhǎng)治 046000）

1 研究區(qū)地理位置

黎城縣處于山西省長(zhǎng)治市東北。縣境內(nèi)大部分地區(qū)為中山區(qū)，中山區(qū)占縣域面積約71.3%。對(duì)縣域內(nèi)中山區(qū)按照地層巖性以及主要的成因類型劃分為溶蝕—侵蝕中山、侵蝕—?jiǎng)兾g中山區(qū)兩個(gè)地區(qū)。以發(fā)展旅游業(yè)與采礦業(yè)為主的黃崖洞鎮(zhèn)、西井鎮(zhèn)作為黎城縣經(jīng)濟(jì)較為發(fā)達(dá)的兩個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)均處于該中山區(qū)，該區(qū)域位于黎城縣北部，該中山區(qū)內(nèi)普遍發(fā)育多處超高巖質(zhì)邊坡，該兩個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)受到不同特征的超高巖質(zhì)邊坡的威脅。

2 超高基巖崩塌形成機(jī)理分析

據(jù)調(diào)查分析可知，誘發(fā)該超高巖質(zhì)邊坡形成崩塌的因素有很多，總體可分為內(nèi)、外部因素。內(nèi)部因素主要包括地形地貌、地層巖性、工程地質(zhì)巖組、巖石類型及風(fēng)化程度、坡體巖體結(jié)構(gòu)特征；外部因素主要是人類開(kāi)挖活動(dòng)，降雨、地下水，地震與植被等其他因素。內(nèi)部因素是主控因素。

2.1 內(nèi)部因素

（1）地形地貌。崩塌所處的中山區(qū)域主要分布在縣域北部的山區(qū)，該區(qū)域基巖裸露，僅局部地區(qū)表部覆蓋有厚度較小的風(fēng)積黃土層、殘坡積碎石土層。該區(qū)域山體陡峭，多形成陡崖峭壁，山前坡度較大，山體巖石多節(jié)理、裂隙發(fā)育。由于區(qū)域地形多為中山丘陵，村民多在山前河谷地帶建房、修路；村莊多分布于山間溝谷中或山梁頂部，周邊分布有超高巖質(zhì)邊坡，該邊坡破壞發(fā)生崩塌將對(duì)村莊造成威脅。

（2）地層巖性。地層巖性對(duì)超高基巖崩塌的發(fā)育起著關(guān)鍵的作用。據(jù)調(diào)查陡峻的巖質(zhì)邊坡一般是由厚層狀或塊狀的，堅(jiān)硬或較硬的砂巖、石灰?guī)r巖體構(gòu)成。巖體存在較多的構(gòu)造節(jié)理、卸荷裂隙，這些節(jié)理裂隙將巖體分割成多個(gè)大小不一的巖體。由于裂隙未有被充填，巖體較為松動(dòng)，坡體高陡，在坡頂處存在多個(gè)危巖體。對(duì)于較軟的巖體，一般情況是很難形成陡峭的邊坡的，故也就較難形成危巖體，因而較難形成崩塌。對(duì)于軟硬相間巖層結(jié)合形成的邊坡，軟弱的巖層可作為底滑面，上部較硬的巖體可沿該滑面滑動(dòng)，從而形成崩塌。

對(duì)該區(qū)域巖質(zhì)崩塌所處坡體的地層巖性進(jìn)行調(diào)查可知，該處地層巖性主要分為三大類，即：新太古界贊皇巖群的變質(zhì)巖；長(zhǎng)城系常溝組及串嶺溝組的石英砂巖；寒武系及奧陶系的灰?guī)r、白云巖、泥灰?guī)r。

（3）工程地質(zhì)巖組。按照巖土體工程性質(zhì)、結(jié)構(gòu)特征對(duì)該區(qū)域巖質(zhì)崩塌坡體進(jìn)行劃分。可分為堅(jiān)硬塊狀變質(zhì)巖巖組（Ar）；堅(jiān)硬層狀碎屑巖巖組（Ch）；堅(jiān)硬層狀碳酸鹽巖巖組（O+?）。

（4）巖石類型及風(fēng)化程度。風(fēng)化作用和卸荷作用都屬于外動(dòng)力地質(zhì)作用。它們兩者的聯(lián)合作用會(huì)使巖體發(fā)生應(yīng)力消散，從而變得松弛，同時(shí)巖石內(nèi)的礦物質(zhì)產(chǎn)生蝕變流失，進(jìn)而使巖體內(nèi)部存在的結(jié)構(gòu)面二次開(kāi)裂，內(nèi)部產(chǎn)生新的次生構(gòu)造，如卸荷裂隙、風(fēng)化裂隙等。

在這個(gè)過(guò)程中，巖體相應(yīng)的強(qiáng)度變低、密度減小、吸水能力變強(qiáng)，導(dǎo)致巖體滲透性提高。對(duì)于陡峭的邊坡巖壁，風(fēng)化卸載是造成陡壁退化的根本原因，也就是說(shuō)巖體變形、松動(dòng)失穩(wěn)、崩塌等現(xiàn)象的發(fā)生都是建立在巖石風(fēng)化、卸荷的基礎(chǔ)之上。

（5）坡體巖體結(jié)構(gòu)。從巖體結(jié)構(gòu)類型來(lái)看，整體塊狀結(jié)構(gòu)的邊坡穩(wěn)定性最好；碎裂、散體結(jié)構(gòu)的邊坡穩(wěn)定性最差，該類結(jié)構(gòu)的邊坡在降雨風(fēng)化等因素的誘發(fā)下極易發(fā)生崩塌、滑坡等地質(zhì)災(zāi)害。高度越大、坡度越陡的邊坡，坡腳應(yīng)力就越集中，應(yīng)力的集中加之受到擾動(dòng)，極易使邊坡變形加劇，從而穩(wěn)定性變差。

按照崩塌所處的坡體巖體結(jié)構(gòu)劃分，現(xiàn)坡體結(jié)構(gòu)以塊裂結(jié)構(gòu)為主，節(jié)理裂隙將巖體分割成多個(gè)塊體，塊體中又發(fā)育有多個(gè)微小的裂隙。巖石多破碎，在風(fēng)化的作用下巖石易向下墜落，從而發(fā)生崩塌。

2.2 外部因素

（1）人類活動(dòng)。超高基巖崩塌分布在黃崖洞鎮(zhèn)、西井鎮(zhèn)，該區(qū)域礦業(yè)開(kāi)發(fā)以鐵礦最為突出，鐵礦的地下開(kāi)采所產(chǎn)生的震動(dòng)對(duì)高陡邊坡坡頂?shù)奈r體產(chǎn)生影響，使其失穩(wěn)從而形成崩塌，現(xiàn)尤以水峧鐵礦區(qū)域內(nèi)坡體變形較嚴(yán)重；近年來(lái)該區(qū)域大力發(fā)展旅游行業(yè)，建立多個(gè)旅游景區(qū)，如黃崖洞、四方山、太行紅山等，景區(qū)修建時(shí)對(duì)公路旁邊坡進(jìn)行了人工切坡，多處未進(jìn)行處理，人工邊坡在降雨等因素的誘發(fā)下極易形成崩塌。

（2）降雨。黎城縣屬于山區(qū)，降雨居多且時(shí)間較集中，由于山區(qū)植被稀疏，在短時(shí)間內(nèi)易匯集成大面積的坡面水流?，F(xiàn)高陡坡體較多基巖裸露，雨水的入滲增加巖體自重，雨水的直接沖刷加快了巖體內(nèi)節(jié)理裂隙的擴(kuò)張；雨水灌入巖體弱化了巖體內(nèi)裂隙面的力學(xué)強(qiáng)度，使得巖體的穩(wěn)定性降低，進(jìn)而使坡體失穩(wěn)。

（3）地下水。地下水主要是通過(guò)改變巖體的力學(xué)性質(zhì)，對(duì)坡體穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。具體的表現(xiàn)有五個(gè)方面：一是水的物理作用。巖體受水的浸潤(rùn)，導(dǎo)致其抗壓強(qiáng)度降低；二是水的力學(xué)效應(yīng)。巖體裂隙面沖水，受水的動(dòng)、靜水壓力影響，裂隙面擴(kuò)張?jiān)鰧?；三是?huì)劣化結(jié)構(gòu)面的強(qiáng)度。受水的沖刷，結(jié)構(gòu)面內(nèi)的充填物流失，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)面光滑，抗剪強(qiáng)度顯著下降；四是會(huì)對(duì)可溶巖發(fā)生溶蝕作用。區(qū)內(nèi)發(fā)育有易溶蝕的寒武系及奧陶系的灰?guī)r，在水的影響下，溶蝕作用加劇，從而產(chǎn)生新的溶蝕裂隙；五是凍融作用。裂隙面內(nèi)充水，水結(jié)冰后體積膨脹，巖體受膨脹產(chǎn)生的推力影響，產(chǎn)生滑動(dòng)。

（4）地震。地震是誘發(fā)地質(zhì)災(zāi)害的主要因素之一。地震對(duì)危巖體的影響主要表現(xiàn)為三個(gè)方面：一是地震發(fā)生伴隨較大的地面震動(dòng)，震動(dòng)會(huì)加劇結(jié)構(gòu)面張裂，使增大結(jié)構(gòu)面的張開(kāi)度，進(jìn)而進(jìn)一步降低巖體的完整性。二是地震產(chǎn)生會(huì)產(chǎn)生水平地震力，危巖體在水平地震力的影響下，產(chǎn)生滾動(dòng)，從而使其失穩(wěn)。三是地震會(huì)使超靜孔隙水壓力快速增大并逐漸累積。危巖體裂隙內(nèi)充水，受水壓力的推動(dòng)，危巖體將失穩(wěn)，穩(wěn)定性將大大下降。經(jīng)對(duì)該區(qū)域調(diào)查可知，調(diào)查區(qū)地震動(dòng)峰值加速度為0.10g，抗震設(shè)防烈度為Ⅶ度，總體斷裂活動(dòng)不強(qiáng)烈。該區(qū)域歷史上發(fā)生地震較少，地震作用表現(xiàn)不明顯。

（5）植被作用。植物對(duì)基巖邊坡的影響是一把雙刃劍。植物可以防止水土流失，起到護(hù)坡作用。扎根于高陡坡體上的茂密草木會(huì)對(duì)坡體上的松散土石起到固定作用，也會(huì)對(duì)危巖體變形形成崩塌滾動(dòng)起到一定程度的阻擋。但在一定的條件下植物也會(huì)降低邊坡穩(wěn)定性。在一些巖石的縫隙、層面和節(jié)理上，由于這些裂隙面多充填有土體，因此有時(shí)會(huì)生長(zhǎng)著一些植物。隨著植物的生長(zhǎng)，植物根部也會(huì)隨之加粗、延伸，這就會(huì)對(duì)上述裂隙面產(chǎn)生劈裂作用，使其不斷的張開(kāi)，進(jìn)而加劇危巖體的變形，使其失穩(wěn)，嚴(yán)重的會(huì)使危巖體直接失穩(wěn)，產(chǎn)生崩塌。

3 超高基巖崩塌成災(zāi)模式

研究區(qū)內(nèi)超高基巖崩塌根據(jù)其成災(zāi)模式的可分為三大類：墜落式、滑移式和傾倒式。其中根據(jù)危巖體失穩(wěn)的力學(xué)模式，進(jìn)一步將巖質(zhì)崩塌成災(zāi)模式細(xì)分如下。

3.1 拉裂—墜落式崩塌

該類崩塌上部一般為巨厚層巖體，巖體較完整，受水平豎向節(jié)理切割形成塊體，危巖體底部由于自然風(fēng)化作用形成巖腔，上部巖體懸空，受巖體自重影響，在自重的拉應(yīng)力下，巖體產(chǎn)生拉伸破壞。

3.2 拉裂—滑移式崩塌

當(dāng)結(jié)構(gòu)面傾角較大時(shí)，巖體易發(fā)生拉裂滑移式破壞。拉裂滑移式崩塌常見(jiàn)于陡崖河谷，下部發(fā)育有巖腔或內(nèi)凹形坡面，在差異風(fēng)化或者外界擾動(dòng)的作用下，裂隙向下發(fā)展，前部巖體受壓變形，使巖體向坡外傾倒，在傾倒的過(guò)程中，在自身重力作用下壓迫下部巖體并發(fā)生滑落或者在自重影響下沿最危險(xiǎn)的滑動(dòng)面發(fā)生滑動(dòng)破壞。

3.3 整體滑移式崩塌

該類崩塌，坡體中結(jié)構(gòu)面傾向坡外，且結(jié)構(gòu)面傾角小于滑塌式破壞破裂面傾角。該類崩塌一般多見(jiàn)于坡度大于50°的巖性軟硬相間的坡體，傾向坡外的結(jié)構(gòu)面為潛在的滑面，結(jié)構(gòu)面多為斷續(xù)貫通或完全貫通，結(jié)構(gòu)面前端的出口一般臨空。

3.4 拉裂—傾倒式崩塌

該崩塌在傾倒變形過(guò)程時(shí)，危巖體一般繞下部支點(diǎn)向臨空面傾倒，崩塌體重心位置發(fā)生變化，使得崩塌體底部應(yīng)力重新分布，進(jìn)而使崩塌體底部應(yīng)力邊界條件發(fā)生改變。研究區(qū)內(nèi)的超高基巖崩塌其上部巖體受外界擾動(dòng)或者風(fēng)化作用影響，使得底部基座強(qiáng)度降低，在重力作用下基座被壓縮變形，從而使得崩塌體向坡外傾倒。

4 超高基巖崩塌監(jiān)測(cè)預(yù)警方法

超高基巖崩塌成為黎城縣北部石灰?guī)r及砂巖地區(qū)最主要的地質(zhì)災(zāi)害。超高基巖崩塌中，因其危巖體普遍具有體積巨大、運(yùn)動(dòng)速度較快、運(yùn)動(dòng)距離較遠(yuǎn)、破壞后堆積面廣、破壞性巨大，造成人員和經(jīng)濟(jì)損失較嚴(yán)重等特點(diǎn)，因此對(duì)其監(jiān)測(cè)預(yù)警方法的研究具有重大意義?？舍槍?duì)不同超高基巖崩塌的工程性質(zhì)，因地適宜，采取不同的監(jiān)測(cè)預(yù)警方法，進(jìn)而取得最大利益及效果。

4.1 傳統(tǒng)的監(jiān)測(cè)方法

第一類，簡(jiǎn)易觀測(cè)法。主要為人工地表巡查，主要是觀測(cè)地表變形，危巖體的漲裂。建筑物的變形情況，通過(guò)觀測(cè)上述內(nèi)容，以此獲得崩塌坡體的情況，從而做成進(jìn)一步的避險(xiǎn)措施。

第二類，站點(diǎn)觀測(cè)法。通過(guò)在崩塌變形區(qū)以外的穩(wěn)定區(qū)域設(shè)觀測(cè)站，如采用全站儀、水準(zhǔn)儀等測(cè)量?jī)x器，在崩塌變形區(qū)內(nèi)設(shè)置觀測(cè)點(diǎn)，對(duì)觀測(cè)點(diǎn)進(jìn)行宏觀監(jiān)測(cè)測(cè)量，監(jiān)測(cè)觀測(cè)點(diǎn)的位移，以此判斷坡體的變形情況。

上述監(jiān)測(cè)方法在實(shí)際運(yùn)用中，存在較多缺陷，如耗費(fèi)大量人力物力、儀器容易損壞、監(jiān)測(cè)不全面等。近年來(lái)，隨著預(yù)應(yīng)力錨索錨固力監(jiān)測(cè)技術(shù)、深部位移監(jiān)測(cè)技術(shù)（InSAR技術(shù)）、地基合成孔徑雷達(dá)（簡(jiǎn)稱地基SAR）監(jiān)測(cè)技術(shù)、無(wú)人機(jī)高邊坡表面位移監(jiān)測(cè)技術(shù)等新技術(shù)的快速發(fā)展，高陡基巖崩塌變形監(jiān)測(cè)領(lǐng)域已更加完善。

4.2 新型的邊坡監(jiān)測(cè)方法

（1）預(yù)應(yīng)力錨索錨固力監(jiān)測(cè)技術(shù)。通過(guò)在基巖崩塌內(nèi)設(shè)置預(yù)應(yīng)力錨索，監(jiān)測(cè)其錨固力的變化，以此捕捉邊坡內(nèi)部應(yīng)力變化情況，預(yù)測(cè)邊坡穩(wěn)定性。此技術(shù)的研究雖然較成熟，但是在監(jiān)測(cè)點(diǎn)的布設(shè)時(shí)多依賴于工程經(jīng)驗(yàn)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置盲目性，監(jiān)測(cè)成本較大，針對(duì)于本次研究的高陡基巖崩塌，無(wú)法達(dá)到經(jīng)濟(jì)、高效布設(shè)監(jiān)測(cè)的目的。

（2）深部位移監(jiān)測(cè)技術(shù)（InSAR技術(shù)）。這種監(jiān)測(cè)手段在高陡基巖崩塌處建立深部位移監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，對(duì)基巖崩塌的深部變形進(jìn)行監(jiān)測(cè)。監(jiān)測(cè)時(shí)，需在坡體處設(shè)置深部鉆孔，將電纜埋置于鉆孔內(nèi)部，并與周圍地層緊密貼合，監(jiān)測(cè)周邊地層的變形情況，以此達(dá)到動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)的目的。或可采用基巖崩塌深部位移示蹤監(jiān)測(cè)儀，以充電法為基本原理，在基巖邊坡面上的監(jiān)測(cè)點(diǎn)，通過(guò)監(jiān)測(cè)點(diǎn)在不同點(diǎn)電極下的電位分布與變化，達(dá)到基巖邊坡位移示蹤的目的。

（3）地基合成孔徑雷達(dá)監(jiān)測(cè)技術(shù)（簡(jiǎn)稱地基SAR）。地基合成孔徑雷達(dá)監(jiān)測(cè)技術(shù)是一種無(wú)接觸測(cè)量技術(shù)，其基本原理與星載平臺(tái)和機(jī)載平臺(tái)的In SAR 技術(shù)相同，主要是以SAR的差分干涉測(cè)量為基礎(chǔ)，利用脈沖壓縮和波束銳化兩種技術(shù)對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，實(shí)現(xiàn)圖像數(shù)據(jù)在距離和方位兩個(gè)方向上的高分辨率，進(jìn)而形成監(jiān)測(cè)區(qū)域的二維高分辨圖像數(shù)據(jù)，再對(duì)圖像數(shù)據(jù)使用差分干涉測(cè)量技術(shù)進(jìn)行處理，結(jié)合圖像數(shù)據(jù)像素點(diǎn)間相位差，計(jì)算監(jiān)測(cè)區(qū)域的高精度地表形變信息。

地基SAR 監(jiān)測(cè)技術(shù)作為近年來(lái)新興的監(jiān)測(cè)技術(shù)，與傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)技術(shù)相較，它不僅能反映整個(gè)坡體及各特征點(diǎn)的變形情況，還具有全天候、高精度、無(wú)接觸、高效率等特點(diǎn)。

（4）無(wú)人機(jī)高邊坡表面位移監(jiān)測(cè)方法。該方法是利用無(wú)人機(jī)對(duì)超高基巖崩塌區(qū)域進(jìn)行高空拍攝。獲得相關(guān)的高精度照片，通過(guò)對(duì)不同時(shí)間段照片的比對(duì)，以此獲得邊坡變形情況。其特點(diǎn)是步驟簡(jiǎn)單、方便，極大地提高了監(jiān)測(cè)效率，且與崩塌無(wú)接觸。

5 結(jié)論

由前述分析可知，黎城縣超高基巖崩塌的發(fā)生與地質(zhì)環(huán)境因素息息相關(guān)，對(duì)新型監(jiān)測(cè)技術(shù)與傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)方法的對(duì)比，針對(duì)超高基巖崩塌的不同成因及成災(zāi)模式，采用不同的手段對(duì)超高基巖崩塌進(jìn)行監(jiān)測(cè)。為本縣未來(lái)地質(zhì)災(zāi)害防控體系監(jiān)測(cè)預(yù)警奠定了較為堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。