安县西部地震次生地质灾害及工程地质力学问题思考

  1 引 言

 

  公元2008 年5 月12 日，我国四川省汶川县发生8.0 级大地震，近7 万同胞在此次地震中罹难(截至2008 年6 月22 日12 时，汶川大地震已造成69 181 人遇难，374 171 人受伤，18 522 人失踪[1])，举国同哀。作为岩石力学和工程地质工作者，面对汶川大地震，不仅悲痛万分，而且有责任对滑坡、崩塌、滚石等次生地质灾害的机制、抗震救灾等问题进行工程地质力学的深入思考，并可望为抗震救灾和灾后重建提供科学依据。

 

  在汶川大地震某重灾区现场考察的基础上，作者从工程地质、岩石力学及以工程地质为基础进行两个学科结合的岩体工程地质力学的理论和方法出发，对以下3 个问题进行分析：

 

  (1) 汶川大地震次生地质灾害的主要类型；

 

  (2) 地质结构面对地质灾害的控制性作用；

 

  (3) 如何减轻地震灾害损失，以及避免次生地质灾害导致的损失。

 

  由于安县西部的地形属于高山峡谷区，且正好位于龙门山断裂带附近，所以灾情十分严重。据调查，安县西部的滑坡、崩塌、滚石等山地灾害严重，其结果是大量房屋被毁，小水电站和矿井被埋，公路严重堵塞(例如，被称为某公路“咽喉”的老虎嘴段，从5 月12 日发生地震以来，一直被严重堵塞，直到6 月12 日才被打通)，并形成了很多堰塞湖。

 

  可以预计，随着雨季的到来，上述灾害不仅会加重，而且还将引发大的泥石流灾害。正因为安县西部离龙门山断裂带较近，所以这次考察和研究的重点选在上述地区。

 

  2 考察路线的确定和考察区的区域地质概况

 

  2.1 考察路线的确定

 

  在考察区定为安县西部之后，进一步确定了两条考察路线：(1) 路线1——安县城区西北方向的山区；(2) 路线2——睢水镇以北的山区。

 

  为了提高考察效率，在有关部门的帮助下，采用了空中考察与地面考察相结合的方法。

 

  2.2 考察区的区域地质概况

 

  由于地震次生山地地质灾害发生的种类、特点和规模等与地层、构造等重要因素有关，所以有必要对有关区域地质条件进行概述。

 

  (1) 地层

 

  ① 在考察路线1 上，从绵阳市出发，向西进入山区后，将依次遇到三叠系下统地层和震旦系上统地层。前者主要由页岩、泥岩、粉砂岩、泥质灰岩和石灰岩等组成，后者则主要涉及白云岩、页岩、粉砂岩和石灰岩等。

 

  ② 在考察路线2 上，从睢水镇出发，向北进入山区后，将依次遇到三叠系下统、石炭系下统和震旦系上统等地层。关于三叠系下统和震旦系上统地层已在上述路线1 中作出描述，可以参考。至于石炭系下统的地层，主要为石灰岩、页岩和砂岩等。

 

  (2) 构造

 

  该地区的构造发育，主要分两组，即NE 向的逆断层和NW 向的平推断层(左旋)，并以前者为主。从总体上看，它们很可能属于发震构造龙门山断裂带的一部分。

 

  3 地震地质灾害的主要类型

 

  根据对安县西部地区的初步考察，地震所引发的地质灾害主要有顺层滑坡、坡积层滑坡、陡崖崩塌及滚石等。由于篇幅所限，本文仅以举例的方式对考察区的地震地质灾害的主要类型进行说明。

 

  3.1 顺层滑坡

 

  在考察过程中，作者看到了大量沿着层面滑动的顺层滑坡。所谓顺层滑坡，是指在一个岩层层面的倾向与边坡坡面的倾向基本上相同的边坡中沿层面下滑的滑坡。坡为发生在安县西部某地的一个体积可能超过5×106 m3 的大滑坡。根据目前所掌握的资料，它是考察区中规模最大，危害也最大的顺层滑坡。该滑坡不仅淹没一个小型水电站和矿井，夺去多人生命，而且还因截断河流而形成堰塞湖。根据实地调查，这个大滑坡是沿着震旦系上统地层的层面发生滑动的。

 

  3.2 坡积层滑坡

 

  在考察区所发生的地震次生地质灾害中，坡积层滑坡(即陡坡上的坡积层沿着强风化层与弱风化层之间的界面下滑而产生的滑坡或切过强风化层而产生的滑坡等)的数量也较多。一般而言，坡积层的滑体小于图1 所示顺层大滑坡的体积。是一个散布在整个画面上的坡积层滑坡群，图7 则同时出现了一个坡积层滑坡(左侧)和一个顺层滑坡(正面)。

 

  3.3 陡崖崩塌

 

  在考察过程中，作者还注意到大量的陡崖崩塌。

 

  据分析，考察区的陡崖崩塌具有以下特点：(1) 发生陡崖崩塌的山体都很陡，相应的坡角超过65°；(2) 一般而言，不存在一条或少数几条倾向临空面的控制性结构面，若存在，则将成为顺坡滑坡(包括顺层滑坡)；(3) 多组结构面的切割使得岩体变的较为破碎，完整性差。

 

  3.4 滚 石

 

  一些研究者把滚石划归于崩塌一类。据分析，

 

  崩塌和岩体滑坡往往产生大量快速滚落的块体，其中有些块体因运移距离较大而离开崩塌体或滑坡体，并造成危害区的范围也超过崩塌或滑坡所及之处，所以有必要将这些块体另称为滚石。除了与崩塌或滑坡同时产生的滚石外，还有几类不与它们同时而单独发生的滚石更需要重视，例如：(1) 在崩塌或滑坡发生之后的一段时间内，严重松动的崩塌体或滑坡体在某种因素(例如余震、降雨等)作用下有可能会诱发滚石；(2) 由于风化而造成块体滚落而形成滚石；(3) 人为扰动(如工程开挖、放炮等)造成滚石等。在考察区的实地调查表明，滚石现象很多。

 

  4 地质结构面对地震次生地质灾害

 

  的控制性作用

 

  4.1 结构面分级及考察区各级结构面的分布

 

  岩体工程地质力学的一个重要观点就是岩体变

 

  形破坏受结构面控制，或者说，岩体稳定性是受结构面所控制的[4]。按照地质成因，结构面可分为三大类，即原生结构面(如软弱蚀变带、挤压破碎带等)和变质结构面(例如片理、板理等)、构造结构面(包括断层、节理等)、次生结构面(包括卸荷裂隙、风化裂隙等)。按照谷德振[4]的观点，从规模上及其对岩体稳定性起的作用出发，可将结构面分为5级。

 

  据实地考察，作者发现安县西部山区发育着I～V 级结构面。其中上述NE 向逆断层，由于它们很可能属于龙门山断裂带的一部分，所以理论上可划归为I 级结构面。

 

  尽管考察区断层和褶皱发育，但延展性很强的层面不难看到。据分析，有些可以划归为II 级结构面。另外，有些断层，例如上述的NW 向平推断层，也属于II 级结构面。至于III 级结构面的例子，在考察区不在少数(主要为断层)。IV 级结构面则以分布在岩体中的节理、裂隙为主。至于V 结构面，更是随处可见，它们通常会在大小不一的岩块之中。

 

  4.2 结构面的控制作用

 

  地震实例和地震研究表明，龙门山断裂带对汶川大地震起到控制作用，而本考察区的I 级结构面NE 向逆断层是龙门山断裂带的一部分。

 

  关于考察区内地质结构面对地震次生地质灾害的控制作用，可以初步得到以下几点结论：

 

  (1) 顺层滑坡是反映结构面对滑坡控制的典型，因为滑体和滑床之间就是被一条层面或由若干条层面的组合切割而成，而滑体正是沿着它们下滑的。图1，3 和4 所示的3 个顺层滑坡，它们的发生都受到岩层层面的控制。

 

  (2) 坡积层滑坡也是受结构面控制的，但相关结构面的物质组成和力学性质都较为复杂。现场考察表明，坡积层滑坡的滑体往往沿着强风化层与弱风化层之间的界面下滑或沿着一条切过全风化层和强风化层的滑面下滑。因此可以认为，坡积层滑坡受上述界面或切过全风化层和强风化层的滑面所控制。

 

  (3) 陡崖崩塌的部位往往被多组结构面的复杂组合所切割。实际上，正因为该部位被结构面组合切割得十分破碎，其整体强度遭到严重破坏，所以在地震力作用下发生了崩塌，使大小不同、形状各异的多个块体沿着不同结构面的组合解体和崩落。

 

  因此从某种意义上看，陡崖崩塌的发生也是受结构面的组合控制的。这一观点可以从图10 所示的崩塌实例中得到验证。

 

  (4) 考察区到处可见的大量滚石基本上是地震条件下发生的顺层滑坡、陡崖崩塌及坡积层滑坡所造成的，而成为滚石的块体也是由不同结构面组合切割而成的。

 

  5 关于灾后重建的工程地质力学思考在度过灾区救人和堰塞湖抢险阶段后，就进入需要较长时间和大量资金投入的灾后重建阶段。在重建阶段将涉及到许多与工程地质、岩石力学及以工程地质为基础二者相结合而形成的工程地质力学[4]相关的课题。例如，重建选址问题，地质灾害监测，地质灾害防治，以及各种与工程地质、岩石力学、地质灾害监测和防治相关的信息综合集成等问题。总之，在防治地质灾害的研究中，工程地质、岩石力学和二者相结合而相成的工程地质力学可以发挥重要作用。

 

  5.1 关于重建选址的工程地质力学考虑重建的第一步应当是十分关键的科学选址。应当指出，只有在多学科综合指导下，并借助国外的经验，重建家园的科学选址才能获得成功。一般而言，灾区选址不仅需要考虑油库、水源地、垃圾场等重要设施的选址，而且还需要研究生态环境承载能力。所有的选址都应特别重视地质灾害防治的问题，因为所选的场址都必须保证安全。作为威胁重建场址安全的主要因素是地震次生地质灾害，包括滑坡、崩塌、泥石流和滚石等，在选址工作中需要对它们进行详查和分析。

 

  根据对安县西部考察区地震次生地质灾害情况

 

  的调查分析，需要考虑以下有关工程地质力学的课题：

 

  (1) 地震灾区各类次生地质灾害的现场详查

 

  根据灾区重建规划，对灾区所选各场址可能发生的各类次生地质灾害(包括滑坡、崩塌、泥石流、滚石等)的发生条件、规模、分布及可能产生的危害等进行工程地质详查。

 

  (2) 工程地质条件评价

 

  基于现场调查的结果，对所选的场址进行工程地质条件评价。

 

  (3) 基于稳定性分析和安全评价的工程地质分区对于所选的场址，需要在工程地质条件评价的基础上进行稳定性分析和安全评价，并在上述分析和评价的基础上进行工程地质分区。

 

  (4) 风险分析

 

  所研究的成果需要进一步进行风险分析，以确保灾后重建的安全。

 

  5.2 监测新方法、新技术的研究

 

  为了确保重建的安全，现场监测是必不可少的环节，包括对边坡(包括堰塞湖及相应导流槽的边坡)、隧道和重要建筑物的监测。对于现有的地质灾害监测方法和技术，有些使监测人员感到不便，有些甚至使监测者感到一定的危险性。例如，当用光学仪器测量正在移动的滑坡和崩塌时，立尺和立靶的工作不仅困难，而且有一定危险性。因此，需要进一步研究监测的新方法和新技术。以下3 种监测技术也许需要予以特别重视：

 

  (1) 无靶、无标尺的光学监测技术

 

  在对崩塌、正在滑动的滑坡和泥石流进行监测时，光学仪器具有其他仪器所不具备的优势，如监测距离较远(因而相对较安全)、一台仪器可测多点(因而监测费用较低)、量测方便(有些仪器具有自动监测功能)等。虽然光学仪器很难达到优于1 mm 的精度[6]，但对于余震和降雨等因素作用下不时发生的上述地质灾害来说，数毫米的精度有时也可以满足监测的需要。由于在采用这些光学仪器进行上述监测时通常需要在测点处立标尺或者立靶，所以现场立靶(尺)和收靶者将冒着被滚石砸中、遭遇崩塌等巨大危险。

 

  为了在保留光学仪器监测优势的同时彻底解决上述问题，作者以为，宁可略降精度也要采取无靶、无标尺的监测方法。

 

  (2) 无线遥测技术

 

  钻孔伸长计、沟埋式伸长计、测缝计等现场量测的精度通常高于上述光学仪器，通常可达0.05mm，甚至更高。但它们只能布置在可到达的部位进行人工监测，或者用一根通常不很长的测读电缆进行有线遥测[6]。这对于尚可能发生移动的崩塌体和滑坡体的监测来说，不仅很不方便，而且具有一定的危险性(包括监测者被砸中和测读电缆被砸断的危险)。作者认为，目前需要发展一种既能解决电测零点漂移、防潮、防尘等问题，又能解决监测者面临的危险和测读电缆可能被砸断等问题的无线遥测技术。至少有两条技术路线可用，即基于无线网络的数据传输和近距离自动发射数据。

 

  (3) 泥石流监测到2008 年6 月中旬为止，考察区发生泥石流很少，但随着汛期的临近，泥石流将会大量出现，对重建工作威胁很大。以往有关泥石流监测的研究不多，相应监测方法和技术的发展将变得越来越重要。

 

  5.3 滑坡、崩塌和滚石等地质灾害防治新技术的研究在重建过程中，受损山体不仅仍将受到余震和降雨的影响，还有可能被人为干扰(包括新的开挖、爆破振动等)。因此，已遭受巨大变形破坏的山体很可能产生再次或多次破坏，滑坡、崩塌、滚石、泥石流等仍可能出现。

 

  为了确保灾后重建的安全，除考虑选址(选线)避灾的布局措施外，还需采取现场防治技术。就后者而论，除岩土工程目前普遍采用的锚杆、预应力锚索、喷射混凝土、挡土墙、抗滑桩和排水沟、排水孔等加固措施外，还需要发展和应用一些新的技术[7，8]，例如：纤维导渗排水孔(为作者研制的发明专利)、可用于高陡边坡加固的预应力锚梁、层状网式钢筋石笼挡墙、预应力抗滑桩、用于泥石流防治的谷坊技术等。另外，还应大力发展用于滚石防治的各种技术[9～11]。

 

  5.4 工程地质力学综合集成方法和地质信息系统的应用从岩体工程地质力学的角度[4]来看，涉及灾区重建的各个方面(例如灾区地质灾害的现场详查、选址、工程地质条件评价和分区、各种地震次生地质灾害的监测和防治等问题)，都将面临着海量信息的处理问题。对于来自各个方面信息的任何缺失，都将可能在有关地质灾害发展趋势和工程处理的判断过程中发生，甚至造成巨大损失。由此可见，在考虑重建的工程地质力学问题时，应重视工程地质力学综合集成方法(EGMS)[12]、综合地质信息系统(SGIS)[13]和地理信息系统(GIS)[14]的应用。

 

  6 结 论

 

  (1) 汶川大地震及次生地质灾害所造成的损失惨重。在进入灾后重建阶段后，应把安全问题放在第一位，应特别注意次生地质灾害的监测和防治工作。

 

  (2) 在灾区重建工作中，工程地质、岩石力学

 

  和以工程地质为基础与岩石力学相结合而形成的岩体工程地质力学可以发挥重要作用，包括对地质灾害进行详查、选址方面进行工程地质条件评价和分区、稳定性分析和风险分析等诸多方面。

 

  (3) 在考察中取得了若干重要资料，并根据这些可贵的第一手资料对地震次生山地灾害进行分类和研究。

 

  (4) 根据次生地质灾害的现场调查和深入思考，就山地灾害的监测和防治问题提出了若干建议，可供灾区重建设计和施工参考。