黎城县超高基岩崩塌形成机理和成灾模式及监测预警方法

马玉欢

（山西省地质勘查局二一二地质队有限公司，山西长治 046000）

1 研究区地理位置

黎城县处于山西省长治市东北。县境内大部分地区为中山区，中山区占县域面积约71.3%。对县域内中山区按照地层岩性以及主要的成因类型划分为溶蚀—侵蚀中山、侵蚀—剥蚀中山区两个地区。以发展旅游业与采矿业为主的黄崖洞镇、西井镇作为黎城县经济较为发达的两个乡镇均处于该中山区，该区域位于黎城县北部，该中山区内普遍发育多处超高岩质边坡，该两个乡镇受到不同特征的超高岩质边坡的威胁。

2 超高基岩崩塌形成机理分析

据调查分析可知，诱发该超高岩质边坡形成崩塌的因素有很多，总体可分为内、外部因素。内部因素主要包括地形地貌、地层岩性、工程地质岩组、岩石类型及风化程度、坡体岩体结构特征；外部因素主要是人类开挖活动，降雨、地下水，地震与植被等其他因素。内部因素是主控因素。

2.1 内部因素

（1）地形地貌。崩塌所处的中山区域主要分布在县域北部的山区，该区域基岩裸露，仅局部地区表部覆盖有厚度较小的风积黄土层、残坡积碎石土层。该区域山体陡峭，多形成陡崖峭壁，山前坡度较大，山体岩石多节理、裂隙发育。由于区域地形多为中山丘陵，村民多在山前河谷地带建房、修路；村庄多分布于山间沟谷中或山梁顶部，周边分布有超高岩质边坡，该边坡破坏发生崩塌将对村庄造成威胁。

（2）地层岩性。地层岩性对超高基岩崩塌的发育起着关键的作用。据调查陡峻的岩质边坡一般是由厚层状或块状的，坚硬或较硬的砂岩、石灰岩岩体构成。岩体存在较多的构造节理、卸荷裂隙，这些节理裂隙将岩体分割成多个大小不一的岩体。由于裂隙未有被充填，岩体较为松动，坡体高陡，在坡顶处存在多个危岩体。对于较软的岩体，一般情况是很难形成陡峭的边坡的，故也就较难形成危岩体，因而较难形成崩塌。对于软硬相间岩层结合形成的边坡，软弱的岩层可作为底滑面，上部较硬的岩体可沿该滑面滑动，从而形成崩塌。

对该区域岩质崩塌所处坡体的地层岩性进行调查可知，该处地层岩性主要分为三大类，即：新太古界赞皇岩群的变质岩；长城系常沟组及串岭沟组的石英砂岩；寒武系及奥陶系的灰岩、白云岩、泥灰岩。

（3）工程地质岩组。按照岩土体工程性质、结构特征对该区域岩质崩塌坡体进行划分。可分为坚硬块状变质岩岩组（Ar）；坚硬层状碎屑岩岩组（Ch）；坚硬层状碳酸盐岩岩组（O+∊）。

（4）岩石类型及风化程度。风化作用和卸荷作用都属于外动力地质作用。它们两者的联合作用会使岩体发生应力消散，从而变得松弛，同时岩石内的矿物质产生蚀变流失，进而使岩体内部存在的结构面二次开裂，内部产生新的次生构造，如卸荷裂隙、风化裂隙等。

在这个过程中，岩体相应的强度变低、密度减小、吸水能力变强，导致岩体渗透性提高。对于陡峭的边坡岩壁，风化卸载是造成陡壁退化的根本原因，也就是说岩体变形、松动失稳、崩塌等现象的发生都是建立在岩石风化、卸荷的基础之上。

（5）坡体岩体结构。从岩体结构类型来看，整体块状结构的边坡稳定性最好；碎裂、散体结构的边坡稳定性最差，该类结构的边坡在降雨风化等因素的诱发下极易发生崩塌、滑坡等地质灾害。高度越大、坡度越陡的边坡，坡脚应力就越集中，应力的集中加之受到扰动，极易使边坡变形加剧，从而稳定性变差。

按照崩塌所处的坡体岩体结构划分，现坡体结构以块裂结构为主，节理裂隙将岩体分割成多个块体，块体中又发育有多个微小的裂隙。岩石多破碎，在风化的作用下岩石易向下坠落，从而发生崩塌。

2.2 外部因素

（1）人类活动。超高基岩崩塌分布在黄崖洞镇、西井镇，该区域矿业开发以铁矿最为突出，铁矿的地下开采所产生的震动对高陡边坡坡顶的危岩体产生影响，使其失稳从而形成崩塌，现尤以水峧铁矿区域内坡体变形较严重；近年来该区域大力发展旅游行业，建立多个旅游景区，如黄崖洞、四方山、太行红山等，景区修建时对公路旁边坡进行了人工切坡，多处未进行处理，人工边坡在降雨等因素的诱发下极易形成崩塌。

（2）降雨。黎城县属于山区，降雨居多且时间较集中，由于山区植被稀疏，在短时间内易汇集成大面积的坡面水流。现高陡坡体较多基岩裸露，雨水的入渗增加岩体自重，雨水的直接冲刷加快了岩体内节理裂隙的扩张；雨水灌入岩体弱化了岩体内裂隙面的力学强度，使得岩体的稳定性降低，进而使坡体失稳。

（3）地下水。地下水主要是通过改变岩体的力学性质，对坡体稳定性产生影响。具体的表现有五个方面：一是水的物理作用。岩体受水的浸润，导致其抗压强度降低；二是水的力学效应。岩体裂隙面冲水，受水的动、静水压力影响，裂隙面扩张增宽；三是会劣化结构面的强度。受水的冲刷，结构面内的充填物流失，导致结构面光滑，抗剪强度显著下降；四是会对可溶岩发生溶蚀作用。区内发育有易溶蚀的寒武系及奥陶系的灰岩，在水的影响下，溶蚀作用加剧，从而产生新的溶蚀裂隙；五是冻融作用。裂隙面内充水，水结冰后体积膨胀，岩体受膨胀产生的推力影响，产生滑动。

（4）地震。地震是诱发地质灾害的主要因素之一。地震对危岩体的影响主要表现为三个方面：一是地震发生伴随较大的地面震动，震动会加剧结构面张裂，使增大结构面的张开度，进而进一步降低岩体的完整性。二是地震产生会产生水平地震力，危岩体在水平地震力的影响下，产生滚动，从而使其失稳。三是地震会使超静孔隙水压力快速增大并逐渐累积。危岩体裂隙内充水，受水压力的推动，危岩体将失稳，稳定性将大大下降。经对该区域调查可知，调查区地震动峰值加速度为0.10g，抗震设防烈度为Ⅶ度，总体断裂活动不强烈。该区域历史上发生地震较少，地震作用表现不明显。

（5）植被作用。植物对基岩边坡的影响是一把双刃剑。植物可以防止水土流失，起到护坡作用。扎根于高陡坡体上的茂密草木会对坡体上的松散土石起到固定作用，也会对危岩体变形形成崩塌滚动起到一定程度的阻挡。但在一定的条件下植物也会降低边坡稳定性。在一些岩石的缝隙、层面和节理上，由于这些裂隙面多充填有土体，因此有时会生长着一些植物。随着植物的生长，植物根部也会随之加粗、延伸，这就会对上述裂隙面产生劈裂作用，使其不断的张开，进而加剧危岩体的变形，使其失稳，严重的会使危岩体直接失稳，产生崩塌。

3 超高基岩崩塌成灾模式

研究区内超高基岩崩塌根据其成灾模式的可分为三大类：坠落式、滑移式和倾倒式。其中根据危岩体失稳的力学模式，进一步将岩质崩塌成灾模式细分如下。

3.1 拉裂—坠落式崩塌

该类崩塌上部一般为巨厚层岩体，岩体较完整，受水平竖向节理切割形成块体，危岩体底部由于自然风化作用形成岩腔，上部岩体悬空，受岩体自重影响，在自重的拉应力下，岩体产生拉伸破坏。

3.2 拉裂—滑移式崩塌

当结构面倾角较大时，岩体易发生拉裂滑移式破坏。拉裂滑移式崩塌常见于陡崖河谷，下部发育有岩腔或内凹形坡面，在差异风化或者外界扰动的作用下，裂隙向下发展，前部岩体受压变形，使岩体向坡外倾倒，在倾倒的过程中，在自身重力作用下压迫下部岩体并发生滑落或者在自重影响下沿最危险的滑动面发生滑动破坏。

3.3 整体滑移式崩塌

该类崩塌，坡体中结构面倾向坡外，且结构面倾角小于滑塌式破坏破裂面倾角。该类崩塌一般多见于坡度大于50°的岩性软硬相间的坡体，倾向坡外的结构面为潜在的滑面，结构面多为断续贯通或完全贯通，结构面前端的出口一般临空。

3.4 拉裂—倾倒式崩塌

该崩塌在倾倒变形过程时，危岩体一般绕下部支点向临空面倾倒，崩塌体重心位置发生变化，使得崩塌体底部应力重新分布，进而使崩塌体底部应力边界条件发生改变。研究区内的超高基岩崩塌其上部岩体受外界扰动或者风化作用影响，使得底部基座强度降低，在重力作用下基座被压缩变形，从而使得崩塌体向坡外倾倒。

4 超高基岩崩塌监测预警方法

超高基岩崩塌成为黎城县北部石灰岩及砂岩地区最主要的地质灾害。超高基岩崩塌中，因其危岩体普遍具有体积巨大、运动速度较快、运动距离较远、破坏后堆积面广、破坏性巨大，造成人员和经济损失较严重等特点，因此对其监测预警方法的研究具有重大意义。可针对不同超高基岩崩塌的工程性质，因地适宜，采取不同的监测预警方法，进而取得最大利益及效果。

4.1 传统的监测方法

第一类，简易观测法。主要为人工地表巡查，主要是观测地表变形，危岩体的涨裂。建筑物的变形情况，通过观测上述内容，以此获得崩塌坡体的情况，从而做成进一步的避险措施。

第二类，站点观测法。通过在崩塌变形区以外的稳定区域设观测站，如采用全站仪、水准仪等测量仪器，在崩塌变形区内设置观测点，对观测点进行宏观监测测量，监测观测点的位移，以此判断坡体的变形情况。

上述监测方法在实际运用中，存在较多缺陷，如耗费大量人力物力、仪器容易损坏、监测不全面等。近年来，随着预应力锚索锚固力监测技术、深部位移监测技术（InSAR技术）、地基合成孔径雷达（简称地基SAR）监测技术、无人机高边坡表面位移监测技术等新技术的快速发展，高陡基岩崩塌变形监测领域已更加完善。

4.2 新型的边坡监测方法

（1）预应力锚索锚固力监测技术。通过在基岩崩塌内设置预应力锚索，监测其锚固力的变化，以此捕捉边坡内部应力变化情况，预测边坡稳定性。此技术的研究虽然较成熟，但是在监测点的布设时多依赖于工程经验，监测点布置盲目性，监测成本较大，针对于本次研究的高陡基岩崩塌，无法达到经济、高效布设监测的目的。

（2）深部位移监测技术（InSAR技术）。这种监测手段在高陡基岩崩塌处建立深部位移监测系统，对基岩崩塌的深部变形进行监测。监测时，需在坡体处设置深部钻孔，将电缆埋置于钻孔内部，并与周围地层紧密贴合，监测周边地层的变形情况，以此达到动态监测的目的。或可采用基岩崩塌深部位移示踪监测仪，以充电法为基本原理，在基岩边坡面上的监测点，通过监测点在不同点电极下的电位分布与变化，达到基岩边坡位移示踪的目的。

（3）地基合成孔径雷达监测技术（简称地基SAR）。地基合成孔径雷达监测技术是一种无接触测量技术，其基本原理与星载平台和机载平台的In SAR 技术相同，主要是以SAR的差分干涉测量为基础，利用脉冲压缩和波束锐化两种技术对观测数据进行处理，实现图像数据在距离和方位两个方向上的高分辨率，进而形成监测区域的二维高分辨图像数据，再对图像数据使用差分干涉测量技术进行处理，结合图像数据像素点间相位差，计算监测区域的高精度地表形变信息。

地基SAR 监测技术作为近年来新兴的监测技术，与传统监测技术相较，它不仅能反映整个坡体及各特征点的变形情况，还具有全天候、高精度、无接触、高效率等特点。

（4）无人机高边坡表面位移监测方法。该方法是利用无人机对超高基岩崩塌区域进行高空拍摄。获得相关的高精度照片，通过对不同时间段照片的比对，以此获得边坡变形情况。其特点是步骤简单、方便，极大地提高了监测效率，且与崩塌无接触。

5 结论

由前述分析可知，黎城县超高基岩崩塌的发生与地质环境因素息息相关，对新型监测技术与传统监测方法的对比，针对超高基岩崩塌的不同成因及成灾模式，采用不同的手段对超高基岩崩塌进行监测。为本县未来地质灾害防控体系监测预警奠定了较为坚实的基础。