黎城縣超高基巖崩塌形成機理和成災模式及監測預警方法

馬玉歡

（山西省地質勘查局二一二地質隊有限公司，山西長治 046000）

1 研究區地理位置

黎城縣處于山西省長治市東北。縣境內大部分地區為中山區，中山區占縣域面積約71.3%。對縣域內中山區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—剝蝕中山區兩個地區。以發展旅游業與采礦業為主的黃崖洞鎮、西井鎮作為黎城縣經濟較為發達的兩個鄉鎮均處于該中山區，該區域位于黎城縣北部，該中山區內普遍發育多處超高巖質邊坡，該兩個鄉鎮受到不同特征的超高巖質邊坡的威脅。

2 超高基巖崩塌形成機理分析

據調查分析可知，誘發該超高巖質邊坡形成崩塌的因素有很多，總體可分為內、外部因素。內部因素主要包括地形地貌、地層巖性、工程地質巖組、巖石類型及風化程度、坡體巖體結構特征；外部因素主要是人類開挖活動，降雨、地下水，地震與植被等其他因素。內部因素是主控因素。

2.1 內部因素

（1）地形地貌。崩塌所處的中山區域主要分布在縣域北部的山區，該區域基巖裸露，僅局部地區表部覆蓋有厚度較小的風積黃土層、殘坡積碎石土層。該區域山體陡峭，多形成陡崖峭壁，山前坡度較大，山體巖石多節理、裂隙發育。由于區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邊坡，該邊坡破壞發生崩塌將對村莊造成威脅。

（2）地層巖性。地層巖性對超高基巖崩塌的發育起著關鍵的作用。據調查陡峻的巖質邊坡一般是由厚層狀或塊狀的，堅硬或較硬的砂巖、石灰巖巖體構成。巖體存在較多的構造節理、卸荷裂隙，這些節理裂隙將巖體分割成多個大小不一的巖體。由于裂隙未有被充填，巖體較為松動，坡體高陡，在坡頂處存在多個危巖體。對于較軟的巖體，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。對于軟硬相間巖層結合形成的邊坡，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，從而形成崩塌。

對該區域巖質崩塌所處坡體的地層巖性進行調查可知，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巖；長城系常溝組及串嶺溝組的石英砂巖；寒武系及奧陶系的灰巖、白云巖、泥灰巖。

（3）工程地質巖組。按照巖土體工程性質、結構特征對該區域巖質崩塌坡體進行劃分。可分為堅硬塊狀變質巖巖組（Ar）；堅硬層狀碎屑巖巖組（Ch）；堅硬層狀碳酸鹽巖巖組（O+?）。

（4）巖石類型及風化程度。風化作用和卸荷作用都屬于外動力地質作用。它們兩者的聯合作用會使巖體發生應力消散，從而變得松弛，同時巖石內的礦物質產生蝕變流失，進而使巖體內部存在的結構面二次開裂，內部產生新的次生構造，如卸荷裂隙、風化裂隙等。

在這個過程中，巖體相應的強度變低、密度減小、吸水能力變強，導致巖體滲透性提高。對于陡峭的邊坡巖壁，風化卸載是造成陡壁退化的根本原因，也就是說巖體變形、松動失穩、崩塌等現象的發生都是建立在巖石風化、卸荷的基礎之上。

（5）坡體巖體結構。從巖體結構類型來看，整體塊狀結構的邊坡穩定性最好；碎裂、散體結構的邊坡穩定性最差，該類結構的邊坡在降雨風化等因素的誘發下極易發生崩塌、滑坡等地質災害。高度越大、坡度越陡的邊坡，坡腳應力就越集中，應力的集中加之受到擾動，極易使邊坡變形加劇，從而穩定性變差。

按照崩塌所處的坡體巖體結構劃分，現坡體結構以塊裂結構為主，節理裂隙將巖體分割成多個塊體，塊體中又發育有多個微小的裂隙。巖石多破碎，在風化的作用下巖石易向下墜落，從而發生崩塌。

2.2 外部因素

（1）人類活動。超高基巖崩塌分布在黃崖洞鎮、西井鎮，該區域礦業開發以鐵礦最為突出，鐵礦的地下開采所產生的震動對高陡邊坡坡頂的危巖體產生影響，使其失穩從而形成崩塌，現尤以水峧鐵礦區域內坡體變形較嚴重；近年來該區域大力發展旅游行業，建立多個旅游景區，如黃崖洞、四方山、太行紅山等，景區修建時對公路旁邊坡進行了人工切坡，多處未進行處理，人工邊坡在降雨等因素的誘發下極易形成崩塌。

（2）降雨。黎城縣屬于山區，降雨居多且時間較集中，由于山區植被稀疏，在短時間內易匯集成大面積的坡面水流。現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節理裂隙的擴張；雨水灌入巖體弱化了巖體內裂隙面的力學強度，使得巖體的穩定性降低，進而使坡體失穩。

（3）地下水。地下水主要是通過改變巖體的力學性質，對坡體穩定性產生影響。具體的表現有五個方面：一是水的物理作用。巖體受水的浸潤，導致其抗壓強度降低；二是水的力學效應。巖體裂隙面沖水，受水的動、靜水壓力影響，裂隙面擴張增寬；三是會劣化結構面的強度。受水的沖刷，結構面內的充填物流失，導致結構面光滑，抗剪強度顯著下降；四是會對可溶巖發生溶蝕作用。區內發育有易溶蝕的寒武系及奧陶系的灰巖，在水的影響下，溶蝕作用加劇，從而產生新的溶蝕裂隙；五是凍融作用。裂隙面內充水，水結冰后體積膨脹，巖體受膨脹產生的推力影響，產生滑動。

（4）地震。地震是誘發地質災害的主要因素之一。地震對危巖體的影響主要表現為三個方面：一是地震發生伴隨較大的地面震動，震動會加劇結構面張裂，使增大結構面的張開度，進而進一步降低巖體的完整性。二是地震產生會產生水平地震力，危巖體在水平地震力的影響下，產生滾動，從而使其失穩。三是地震會使超靜孔隙水壓力快速增大并逐漸累積。危巖體裂隙內充水，受水壓力的推動，危巖體將失穩，穩定性將大大下降。經對該區域調查可知，調查區地震動峰值加速度為0.10g，抗震設防烈度為Ⅶ度，總體斷裂活動不強烈。該區域歷史上發生地震較少，地震作用表現不明顯。

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

3 超高基巖崩塌成災模式

研究區內超高基巖崩塌根據其成災模式的可分為三大類：墜落式、滑移式和傾倒式。其中根據危巖體失穩的力學模式，進一步將巖質崩塌成災模式細分如下。

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，受水平豎向節理切割形成塊體，危巖體底部由于自然風化作用形成巖腔，上部巖體懸空，受巖體自重影響，在自重的拉應力下，巖體產生拉伸破壞。

3.2 拉裂—滑移式崩塌

當結構面傾角較大時，巖體易發生拉裂滑移式破壞。拉裂滑移式崩塌常見于陡崖河谷，下部發育有巖腔或內凹形坡面，在差異風化或者外界擾動的作用下，裂隙向下發展，前部巖體受壓變形，使巖體向坡外傾倒，在傾倒的過程中，在自身重力作用下壓迫下部巖體并發生滑落或者在自重影響下沿最危險的滑動面發生滑動破壞。

3.3 整體滑移式崩塌

該類崩塌，坡體中結構面傾向坡外，且結構面傾角小于滑塌式破壞破裂面傾角。該類崩塌一般多見于坡度大于50°的巖性軟硬相間的坡體，傾向坡外的結構面為潛在的滑面，結構面多為斷續貫通或完全貫通，結構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程時，危巖體一般繞下部支點向臨空面傾倒，崩塌體重心位置發生變化，使得崩塌體底部應力重新分布，進而使崩塌體底部應力邊界條件發生改變。研究區內的超高基巖崩塌其上部巖體受外界擾動或者風化作用影響，使得底部基座強度降低，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 超高基巖崩塌監測預警方法

超高基巖崩塌成為黎城縣北部石灰巖及砂巖地區最主要的地質災害。超高基巖崩塌中，因其危巖體普遍具有體積巨大、運動速度較快、運動距離較遠、破壞后堆積面廣、破壞性巨大，造成人員和經濟損失較嚴重等特點，因此對其監測預警方法的研究具有重大意義。可針對不同超高基巖崩塌的工程性質，因地適宜，采取不同的監測預警方法，進而取得最大利益及效果。

4.1 傳統的監測方法

第一類，簡易觀測法。主要為人工地表巡查，主要是觀測地表變形，危巖體的漲裂。建筑物的變形情況，通過觀測上述內容，以此獲得崩塌坡體的情況，從而做成進一步的避險措施。

第二類，站點觀測法。通過在崩塌變形區以外的穩定區域設觀測站，如采用全站儀、水準儀等測量儀器，在崩塌變形區內設置觀測點，對觀測點進行宏觀監測測量，監測觀測點的位移，以此判斷坡體的變形情況。

上述監測方法在實際運用中，存在較多缺陷，如耗費大量人力物力、儀器容易損壞、監測不全面等。近年來，隨著預應力錨索錨固力監測技術、深部位移監測技術（InSAR技術）、地基合成孔徑雷達（簡稱地基SAR）監測技術、無人機高邊坡表面位移監測技術等新技術的快速發展，高陡基巖崩塌變形監測領域已更加完善。

4.2 新型的邊坡監測方法

（1）預應力錨索錨固力監測技術。通過在基巖崩塌內設置預應力錨索，監測其錨固力的變化，以此捕捉邊坡內部應力變化情況，預測邊坡穩定性。此技術的研究雖然較成熟，但是在監測點的布設時多依賴于工程經驗，監測點布置盲目性，監測成本較大，針對于本次研究的高陡基巖崩塌，無法達到經濟、高效布設監測的目的。

（2）深部位移監測技術（InSAR技術）。這種監測手段在高陡基巖崩塌處建立深部位移監測系統，對基巖崩塌的深部變形進行監測。監測時，需在坡體處設置深部鉆孔，將電纜埋置于鉆孔內部，并與周圍地層緊密貼合，監測周邊地層的變形情況，以此達到動態監測的目的。或可采用基巖崩塌深部位移示蹤監測儀，以充電法為基本原理，在基巖邊坡面上的監測點，通過監測點在不同點電極下的電位分布與變化，達到基巖邊坡位移示蹤的目的。

（3）地基合成孔徑雷達監測技術（簡稱地基SAR）。地基合成孔徑雷達監測技術是一種無接觸測量技術，其基本原理與星載平臺和機載平臺的In SAR 技術相同，主要是以SAR的差分干涉測量為基礎，利用脈沖壓縮和波束銳化兩種技術對觀測數據進行處理，實現圖像數據在距離和方位兩個方向上的高分辨率，進而形成監測區域的二維高分辨圖像數據，再對圖像數據使用差分干涉測量技術進行處理，結合圖像數據像素點間相位差，計算監測區域的高精度地表形變信息。

地基SAR 監測技術作為近年來新興的監測技術，與傳統監測技術相較，它不僅能反映整個坡體及各特征點的變形情況，還具有全天候、高精度、無接觸、高效率等特點。

（4）無人機高邊坡表面位移監測方法。該方法是利用無人機對超高基巖崩塌區域進行高空拍攝。獲得相關的高精度照片，通過對不同時間段照片的比對，以此獲得邊坡變形情況。其特點是步驟簡單、方便，極大地提高了監測效率，且與崩塌無接觸。

5 結論

由前述分析可知，黎城縣超高基巖崩塌的發生與地質環境因素息息相關，對新型監測技術與傳統監測方法的對比，針對超高基巖崩塌的不同成因及成災模式，采用不同的手段對超高基巖崩塌進行監測。為本縣未來地質災害防控體系監測預警奠定了較為堅實的基礎。