北京山區道路沿線崩塌災害特征分析與防治思路探討

李巖，南赟，曹穎

（北京市地質災害防治研究所，北京 100102）

北京位于華北平原西北隅，燕山山脈和太行山山脈銜接部位，自然地質條件較復雜。隨著城市建設的迅速發展，開山、修路、切坡等人類工程活動誘發的公路沿線崩塌災害時有發生。邊坡裸露巖體經過多年風化，節理裂隙發育，巖體破碎，崩塌災害逐漸進入多發、易發期。從2011—2021年（北京市地質研究所）北京市突發地質災害發生數量來看，道路沿線崩塌災害約占當年地質災害發生總數的65.7%，頻發的崩塌災害很大程度上制約了北京西部北部山區自然休閑、徒步旅游、駕車越野和山地探險等旅游業的快速發展。

公路邊坡崩塌災害作為一種全球性泛生型山地災害，存在部位具有隱蔽性，失穩破壞具有突發性，致災后果具有災難性，是公路交通生命線建設及運營中普遍存在的突發性重大地質安全隱患（劉曉曉，2019；姜永玲，2019；趙忠海等，2018）。2016年8月5日房山莊戶臺崩塌、2016年10月30日懷柔灤赤路崩塌、2017年10月19日門頭溝下安路崩塌、2018年8月11日房山軍紅路崩塌、2021年3月1日密云密關路崩塌是近年來規模和影響較大的幾起崩塌，崩塌規模均在5000 m3以上，由于應急調查人員和群測群防員提前巡查警示，并未造成人員傷亡。

崩塌作為北京地區數量最多、分布最廣的主要地質災害類型，由于其特有的突發性和隱蔽性，危巖體分布的廣泛性，災害演化及破壞方式的復雜性，預警、預報、預防的難度很大，已成為北京地區城市地質安全關注的焦點。據北京市規劃和自然資源委員會網站公布數據，截至2021年5月31日，北京山區道路沿線崩塌隱患1668處，占災害隱患總數量的33%，但據應急調查顯示，尚有約60%的崩塌災害不在臺賬登記范圍內。

本文以歷年道路沿線邊坡崩塌災害發生事件為依據，總結山區道路沿線崩塌災害發生的時空分布特征，分析北京山區道路沿線崩塌災害的主要影響因素，研究崩塌災害與巖性、構造、坡度、坡高、降雨等因素的關系，為北京市山區道路沿線崩塌風險防控，應急預案制定，采取有效防范措施提供技術支撐。

1 崩塌災害基本情況

崩塌是指陡傾斜坡上的巖土體在重力作用下突然脫離母體崩落、滾動、堆積在坡腳（或溝谷）的地質現象（魏云杰，2019）。崩塌一般都發生于地形坡度大于50°、高度大于30 m的高陡邊坡上，以垂直運動為主（北京市地質礦產勘查開發局等，2008）。

根據北京市突發地質災害應急調查數據統計，2011—2021年全市共發生地質災害376起，道路沿線崩塌災害247起，占總數的65.7%。見圖1。

圖1 山區道路沿線崩塌災害情況統計（2011—2021年）Fig.1 Statistics of collapse hazards along roads in mountainous areas（2011-2021）

2 崩塌災害特征

2.1 空間分布特征

1）按行政區

通過對2011—2021年道路沿線崩塌分布位置進行分析（圖2），崩塌點主要分布于房山、門頭溝、延慶東北部、懷柔區中部、密云中西部，昌平區、平谷區相對較少，豐臺、石景山零星分布。

圖2 山區道路沿線崩塌分布示意圖（2011—2021年）Fig.2 Schematic diagram of collapse distribution along roads in mountainous areas(2011-2021)

2）按道路

崩塌共涉及60余條道路，含多條國道、省道和縣道，發生頻次排在前面的如京昆線（G108）、京拉線（G109）、京加線（G110）、灤赤路（S309）、琉辛路（S310）、南雁路（S219）、軍紅路（X209）等，道路沿線崩塌頻次前10位見圖3。

圖3 山區道路崩塌發生頻次前10位統計（2011—2021年）Fig.3 Top 10 histogram of road collapse frequency in mountainous areas(2011-2021)

2.2 時間分布特征

1）季節性

通過對2011—2020年道路沿線崩塌災害發生的時間進行統計分析，從發生時間來看，崩塌災害發生符合“七上八下”的規律，主要集中于6—8月降雨密集期，占總體崩塌災害數量的81.9%，統計結果見圖4。崩塌易發生于強降雨過程中或持續多次小型降雨之后，一般集中發生于降雨之后48 h內，汛期強降雨是崩塌災害發生的主要誘發因素。受凍融、凍脹、風化和震動影響，也有一些崩塌災害發生于早春和入冬季節。

圖4 山區道路崩塌災害發生數量按時間統計Fig.4 Statistics of occurrence time of road collapse hazard in mountainous areas

2）繼發性

北京山區道路崩塌災害表現出明顯的繼發性，某些山體邊坡具有特殊的巖體結構（順向坡，節理裂隙發育），成為崩塌災害發生的集中地。橫穿延慶區東北部千家店鎮的灤赤路30 km范圍內，自2013—2018年共發生12起崩塌災害，其中幾處路段幾年內連續發生3～4次；軍紅路近3年內同一災害點連續發生3次崩塌。在97處巖質崩塌中，同一座山體（災害點）發生的2次及2次以上崩塌數量占崩塌總數的20%。

崩塌災害的發生與坡型、巖性、構造、節理發育、風化程度有著密切的聯系，尤其是坡面存在臨空面，巖體發育貫通裂縫或軟硬巖相間，都是誘發崩塌災害發生的關鍵因素。崩塌災害發生后，上覆巖體下方會出現新的臨空面，坡面危巖體力學結構發生變化，在重力作用下，原有裂縫延伸發展，遇降雨會產生新的崩塌災害。

2.3 規模特征

根據崩塌規模劃分標準（國土資源部，2006），北京山區道路沿線崩塌災害規模以小型為主，體積小于500 m3的崩塌災害占總數的85%，介于500 m3至5000 m3的崩塌災害占總數的13.5%，大于5000 m3的崩塌災害有4起，分別是軍紅路崩塌（規模30000 m3）、莊戶臺崩塌（規模9500 m3）、灤赤路崩塌（規模8000 m3）和密關路崩塌（規模11000 m3）。

2.4 崩塌失穩特征

胡厚田（1985）根據崩塌的發育模式，將失穩破壞模式分為傾倒式、滑移式、鼓脹式、拉裂式和錯斷式5種類型。北京山區道路沿線崩塌破壞模式以滑移式、傾倒式和墜落式最為常見，部分屬于復合破壞模式，規模較小者多數為傾倒式和墜落式，規模較大者多為滑移式或復合式，其中，滑移式崩塌破壞模式數量超過40%，且大多為順向坡，順向坡是巖質斜坡中穩定性最差、最易變形破壞的斜坡類型（柴波等，2009）。

山區道路沿線幾起規模較大的崩塌（圖5），多發生于軟硬相間的巖層，地層皆為沉積巖地層，順向坡，有傾向臨空的結構面（平面、楔形或弧形），坡度通常大于45°，不穩定巖體一般受重力、靜水壓力或動水壓力的影響，沿軟巖面向臨空方向滑移墜落。以下為3起典型滑移式崩塌災害失穩特征分析。

2016年8月，房山區108國道舊線莊戶臺村路段發生崩塌（圖5-a），為砂質頁巖邊坡，因坡體頂部前緣發育豎向節理裂隙，雨水沿裂隙滲入致使下伏頁巖沉積地層含水率增加，飽和軟化，抗剪強度降低，上部砂巖在自重和后部靜水壓力的影響下沿頁巖軟弱面發生滑移。

2016年10月30日，延慶區灤赤路K132-K133段發生崩塌（圖5-b），為砂巖邊坡，節理面與巖層面呈小角度相交，順向坡，巖石堅硬性脆，表層風化強烈，裂縫彼此貫通，巖體被切割成破碎的塊石，崩塌發生前7日內連續降雨，雨水沿巖體結構面入滲，降低了巖石的抗滑與抗剪強度，坡體失穩，發生崩塌。

2018年8月11日，房山區軍紅路K18段發生崩塌（圖5-c），邊坡上部為侏羅系南大嶺組玄武巖，發育豎向節理，下部為二疊系石盒子組砂巖夾頁巖，前期連日降雨，雨水沿節理裂隙下滲至砂頁巖軟弱夾層產生浸潤作用，使軟弱面抗剪強度大幅降低，上覆巖體在自重作用下沿后緣裂隙發生破壞，向下產生滑移和擠壓，并對下部巖體產生刮擦，連同其下伏的砂巖發生變形破壞。

圖5 典型崩塌災害Fig.5 Typical collapse disasters

3 崩塌影響因素分析

崩塌災害的形成受多種因素影響，主要分為2大類，一類是內因，即地質背景條件，主要包括地形地貌、地質構造、地層巖性；另一類是外因，分為自然因素和人類工程活動因素，包括風化、震動、降雨、切坡和堆載等。崩塌孕育過程受降雨、地形地貌、地層巖性、地質構造和植被與人類工程活動等多種因素共同影響（胡玉鳳等，2014；劉傳正，2014），較為復雜，尤其降雨是誘發崩塌災害的關鍵因素（王海芝等，2020）。

3.1 降雨

誘發崩塌的因素很多，但從國內外不同類型崩塌誘發因素與降雨活動的統計學特征看，降雨過程及降雨強度變化是誘發崩塌地質災害活動最為活躍的因素。通過對2004—2020年年度降水統計分析（圖6），總體趨勢上看，年度降水呈現螺旋式上升的趨勢，與全市地質災害發生數量呈正相關性。

圖6 年降雨量與道路沿線崩塌災害數量關系圖（2004—2020年）Fig.6 Multi-year precipitation and collapse hazards along roads(2004-2020)

根據崩塌災害降雨條件分析，汛期90%的崩塌災害發生當日均有降雨，且降雨量達到中雨級別，有些達到暴雨，個別崩塌災害區域前期有連續降雨，雨水沿巖體結構面入滲，增加了坡體危巖重量，節理裂隙內充水，靜水壓力在短時間內升高，降低了巖石的抗滑與抗剪強度，水對巖體有一定的軟化作用，會降低巖體及結構面的強度，致使抗滑力減小。

3.2 地層巖性

巖質崩塌災害的發生與地層巖性關系密切，通過對道路沿線崩塌高發路段邊坡巖石類別的統計分析（圖7），砂巖類邊坡發生崩塌災害的數量占34%，其次為白云巖占19%，再次為花崗巖占12%，其他如灰巖、頁巖、片麻巖、玄武巖和安山巖等。汛期砂巖類邊坡崩塌災害發生頻率較高，非汛期碳酸鹽巖類邊坡崩塌頻率高。

圖7 道路沿線不同地層巖性崩塌災害統計Fig.7 Statistics of collapse hazards of different strata lithology along the roads

巖石是礦物的集合體，受礦物組成、膠結程度和風化作用的影響，各類巖石的密度、空隙性、吸水性、軟化性、透水性和抗凍性等物理性質千差萬別，巖石在力學作用下的變形、破壞和強度等性質差異性也很大。從巖石的物理性質分析，砂巖、灰巖、白云巖的空隙率和吸水率偏高，北京地區6—9月是降雨集中期，連續降水入滲，空隙、裂隙較發育的巖體自重增加，節理裂隙充填物質飽和，抗滑能力降低，側向應力增加，巖體平衡條件破壞，這也是汛期砂巖和碳酸鹽巖地層巖質邊坡崩塌災害發生率較高的主要原因之一。

飽水系數是評價巖石在一定條件下吸水性能的指標，也是評價巖石抗凍性的指標，巖體的飽水系數愈大，表明常壓下吸水后留余的空間有限，巖石越容易被凍脹破壞，碳酸鹽巖風化破碎較強，節理裂隙發育，吸水性好，飽水系數較大，經歷汛期降水后，巖體含水量增加，早春和秋冬季山區早晚溫差較大，較市區溫度降低較快，碳酸鹽巖地層所在巖質邊坡受凍脹作用影響較大，容易造成巖體崩落。

3.3 地形地貌

通過對北京市山區道路沿線斜坡高度進行統計分析，高度50 m以下的斜坡占60%；崩塌災害所在斜坡高度20～50 m居多（圖8），約占48%。崩塌災害發生的斜坡坡度基本在50°以上（圖9）。

圖8 山區道路沿線不同高度斜坡崩塌災害統計Fig.8 Statistics of collapse hazards of different height slopes along roads in mountainous areas

圖9 山區道路沿線不同斜坡坡度崩塌災害統計Fig.9 statistics of collapse hazards of different slopes along roads in Mountainous Areas

崩塌的形成要有適宜的斜坡坡度、高度和形態，以及有利于巖土體崩落的臨空面。這些地形地貌條件對崩塌的形成具有最為直接的作用（呂鎂娜，2020）。斜坡的坡度越大，斜坡越陡，斜坡臨空條件特征發育越好，對斜坡穩定性越不利，產生崩塌災害的可能性越大。

3.4 巖體結構對崩塌的影響

巖體結構類型劃分為塊體狀結構、塊狀結構、層狀結構、碎塊狀結構和散體狀結構，巖體結構特征對巖體在一定荷載條件下的變形破壞方式和強度起著至關重要的作用。通過對道路沿線邊坡崩塌災害巖體結構進行分析，大致分為2種情況，一種是邊坡巖體表層風化強烈，松散破壞，巖體一般發育3組及以上節理，巖層層面與節理面彼此交切，將巖體切割成破碎的塊石，偶有結構面貫通，碎塊狀結構非常發育；另一種情況是巖質邊坡為順向坡，坡向和巖層傾向大致在同一象限或相鄰的兩個象限內，夾角非常小，在巖體自重情況下非常容易發生滑移式崩塌災害，如延慶區灤赤路同一路段近年來崩塌災害發生頻率較高，就屬于此種情況。

4 崩塌防治面臨的問題和思路探討

由于道路邊坡是一項復雜的開放型系統，這使得邊坡崩塌災害防控工作在準確性和有效性方面存在困難（吳維義，2020）。下面就崩塌災害防治工作面臨的問題以及可以采取的措施進行分析。

1）早期識別

崩塌災害隱患點多、面廣、隱蔽性強、突發性強，北京地區在經過多輪不同尺度突發性地質災害調查評價后，近5年發生的崩塌災害中，仍約有60%左右未列入臺賬。運用高分辨率多光譜遙感影像、無人機航空攝影測量、機載LiDAR等技術開展高精度遙感調查，獲取高清地表形變數據和崩塌隱患信息，結合高精度地面地質調查和風險普查，建立適用于北京地區的隱蔽性崩塌隱患早期識別技術方法體系。

2）人防+技防

據統計，北京市山區道路里程在14000 km2以上（北京市地質研究所，2021），道路建設為山區溝域經濟的發展提供了便捷的條件，同時大規模開山修路也破壞了山體邊坡原有的穩定，經過多年風化，道路邊坡災害進入多發、易發時期。

軍紅路崩塌和莊戶臺崩塌2個成功預警的案例表明，人防是目前最直接、也最有效的避險方式（南赟等，2020）。因此加強對道路巡查人員的防災、識災專業培訓和應急演練，配備方便攜帶的綜合信息采集移動終端，是非常有必要的。形成以專業技術人員為指導，群測群防員作為主力巡查隊伍的群專結合的災害監測防控體系。同時，隨著崩塌災害研究機理和監測預警技術的不斷深化，普適性監測儀器的應用會成為人防的有力補充。

3）分級管控

影響邊坡穩定性的因素除了道路沿線邊坡物質組成、邊坡結構、地層構造等因素外，還包括風化、凍融、降雨、地震、開山修路、堆填加載等變量因素。不同區域崩塌災害發生的影響因素、演變過程差異性較大，目前北京地區對邊坡崩塌災害發生機理、災變演化和預警預報的研究目前還處于瓶頸階段，公路運營過程中，崩塌災害發生防不勝防。

以崩塌災害隱患臺賬為基礎，全面分析影響斜坡穩定性的孕災環境背景、自然演化因素和人類工程活動因素，從地質背景條件（地貌、植被、巖性、結構、構造）、災害影響因素（風化、凍融、節理、地震、荷載、切坡等）以及受威脅對象險情等級等幾個方面對斜坡進行風險評估，針對道路斜坡災害風險制定評估標準，劃分斜坡的風險等級，對不同斜坡按風險等級制定防控預案，有效地提升道路沿線崩塌災害防范的精準性和科學性。

4）綜合治理

北京山區每年汛期道路崩塌災害的發生率一直居高不下，給汛期出行帶來了極大風險，

目前道路邊坡治理效果不能滿足防災的需求。近年來，山區道路沿線開展了大量的邊坡治理工程，主要采取的措施有主動防護網、被動防護網、護腳墻，也有極少量格構、支撐、錨固工程，由于道路邊坡災害隱患受自然因素和人為因素的影響，不斷處于動態變化過程中，已經實施的治理工程有大部分屬于應急處理措施，后期運營過程中，不能起到完全的防護作用，需要道路養護部門時常巡查、排查。

針對道路沿線已經開展的邊坡治理工程效果進行評估，提升已治理災害的預警精度和準確度，為道路沿線邊坡崩塌災害防災減災精細管理提供技術支撐；按邊坡風險等級、威脅道路等級結合道路規劃建設有序開展工程治理，減緩或消除崩塌災害的威脅。

5）加強科普宣傳，提高全民防災意識，防患未然

提升民眾防災減災意識，大力普及惠及普通民眾的地質災害防災減災知識（劉連剛，2015），利用現有通信技術開展多種形式的科普宣傳活動，讓更廣大的民眾認識災害、了解災害發生的規律，提高防災避險的意識，掌握災害臨災征兆和避險常識。

5 結論

1）北京山區道路沿線崩塌活動的時間分布規律具有明顯的季節集中性，受降水影響明顯，且具有一定的滯后性和繼發性，從近年來崩塌活動的發展趨勢看，與降水具有明顯的正相關性；從空間分布來看，砂巖、白云巖和花崗巖地層分布地區崩塌發生的概率高于其他巖石地層分布區域。

2）北京山區道路沿線崩塌災害的發生受地形地貌、地層巖性、巖體結構、降水和人類工程活動等因素的控制，互相關聯，密不可分，其中降雨是產生崩塌的最活躍因素。

3）山區道路崩塌災害防治可以從“人防+技防”、風險評估、分級管控和提高全民防災意識等方面入手，多渠道進行風險防控。