安縣西部地震次生地質災害及工程地質力學問題思考

  1 引 言

 

  公元2008 年5 月12 日，我國四川省汶川縣發生8.0 級大地震，近7 萬同胞在此次地震中罹難(截至2008 年6 月22 日12 時，汶川大地震已造成69 181 人遇難，374 171 人受傷，18 522 人失蹤[1])，舉國同哀。作為巖石力學和工程地質工作者，面對汶川大地震，不僅悲痛萬分，而且有責任對滑坡、崩塌、滾石等次生地質災害的機制、抗震救災等問題進行工程地質力學的深入思考，并可望為抗震救災和災后重建提供科學依據。

 

  在汶川大地震某重災區現場考察的基礎上，作者從工程地質、巖石力學及以工程地質為基礎進行兩個學科結合的巖體工程地質力學的理論和方法出發，對以下3 個問題進行分析：

 

  (1) 汶川大地震次生地質災害的主要類型；

 

  (2) 地質結構面對地質災害的控制性作用；

 

  (3) 如何減輕地震災害損失，以及避免次生地質災害導致的損失。

 

  由于安縣西部的地形屬于高山峽谷區，且正好位于龍門山斷裂帶附近，所以災情十分嚴重。據調查，安縣西部的滑坡、崩塌、滾石等山地災害嚴重，其結果是大量房屋被毀，小水電站和礦井被埋，公路嚴重堵塞(例如，被稱為某公路“咽喉”的老虎嘴段，從5 月12 日發生地震以來，一直被嚴重堵塞，直到6 月12 日才被打通)，并形成了很多堰塞湖。

 

  可以預計，隨著雨季的到來，上述災害不僅會加重，而且還將引發大的泥石流災害。正因為安縣西部離龍門山斷裂帶較近，所以這次考察和研究的重點選在上述地區。

 

  2 考察路線的確定和考察區的區域地質概況

 

  2.1 考察路線的確定

 

  在考察區定為安縣西部之后，進一步確定了兩條考察路線：(1) 路線1——安縣城區西北方向的山區；(2) 路線2——睢水鎮以北的山區。

 

  為了提高考察效率，在有關部門的幫助下，采用了空中考察與地面考察相結合的方法。

 

  2.2 考察區的區域地質概況

 

  由于地震次生山地地質災害發生的種類、特點和規模等與地層、構造等重要因素有關，所以有必要對有關區域地質條件進行概述。

 

  (1) 地層

 

  ① 在考察路線1 上，從綿陽市出發，向西進入山區后，將依次遇到三疊系下統地層和震旦系上統地層。前者主要由頁巖、泥巖、粉砂巖、泥質灰巖和石灰巖等組成，后者則主要涉及白云巖、頁巖、粉砂巖和石灰巖等。

 

  ② 在考察路線2 上，從睢水鎮出發，向北進入山區后，將依次遇到三疊系下統、石炭系下統和震旦系上統等地層。關于三疊系下統和震旦系上統地層已在上述路線1 中作出描述，可以參考。至于石炭系下統的地層，主要為石灰巖、頁巖和砂巖等。

 

  (2) 構造

 

  該地區的構造發育，主要分兩組，即NE 向的逆斷層和NW 向的平推斷層(左旋)，并以前者為主。從總體上看，它們很可能屬于發震構造龍門山斷裂帶的一部分。

 

  3 地震地質災害的主要類型

 

  根據對安縣西部地區的初步考察，地震所引發的地質災害主要有順層滑坡、坡積層滑坡、陡崖崩塌及滾石等。由于篇幅所限，本文僅以舉例的方式對考察區的地震地質災害的主要類型進行說明。

 

  3.1 順層滑坡

 

  在考察過程中，作者看到了大量沿著層面滑動的順層滑坡。所謂順層滑坡，是指在一個巖層層面的傾向與邊坡坡面的傾向基本上相同的邊坡中沿層面下滑的滑坡。坡為發生在安縣西部某地的一個體積可能超過5×106 m3 的大滑坡。根據目前所掌握的資料，它是考察區中規模最大，危害也最大的順層滑坡。該滑坡不僅淹沒一個小型水電站和礦井，奪去多人生命，而且還因截斷河流而形成堰塞湖。根據實地調查，這個大滑坡是沿著震旦系上統地層的層面發生滑動的。

 

  3.2 坡積層滑坡

 

  在考察區所發生的地震次生地質災害中，坡積層滑坡(即陡坡上的坡積層沿著強風化層與弱風化層之間的界面下滑而產生的滑坡或切過強風化層而產生的滑坡等)的數量也較多。一般而言，坡積層的滑體小于圖1 所示順層大滑坡的體積。是一個散布在整個畫面上的坡積層滑坡群，圖7 則同時出現了一個坡積層滑坡(左側)和一個順層滑坡(正面)。

 

  3.3 陡崖崩塌

 

  在考察過程中，作者還注意到大量的陡崖崩塌。

 

  據分析，考察區的陡崖崩塌具有以下特點：(1) 發生陡崖崩塌的山體都很陡，相應的坡角超過65°；(2) 一般而言，不存在一條或少數幾條傾向臨空面的控制性結構面，若存在，則將成為順坡滑坡(包括順層滑坡)；(3) 多組結構面的切割使得巖體變的較為破碎，完整性差。

 

  3.4 滾 石

 

  一些研究者把滾石劃歸于崩塌一類。據分析，

 

  崩塌和巖體滑坡往往產生大量快速滾落的塊體，其中有些塊體因運移距離較大而離開崩塌體或滑坡體，并造成危害區的范圍也超過崩塌或滑坡所及之處，所以有必要將這些塊體另稱為滾石。除了與崩塌或滑坡同時產生的滾石外，還有幾類不與它們同時而單獨發生的滾石更需要重視，例如：(1) 在崩塌或滑坡發生之后的一段時間內，嚴重松動的崩塌體或滑坡體在某種因素(例如余震、降雨等)作用下有可能會誘發滾石；(2) 由于風化而造成塊體滾落而形成滾石；(3) 人為擾動(如工程開挖、放炮等)造成滾石等。在考察區的實地調查表明，滾石現象很多。

 

  4 地質結構面對地震次生地質災害

 

  的控制性作用

 

  4.1 結構面分級及考察區各級結構面的分布

 

  巖體工程地質力學的一個重要觀點就是巖體變

 

  形破壞受結構面控制，或者說，巖體穩定性是受結構面所控制的[4]。按照地質成因，結構面可分為三大類，即原生結構面(如軟弱蝕變帶、擠壓破碎帶等)和變質結構面(例如片理、板理等)、構造結構面(包括斷層、節理等)、次生結構面(包括卸荷裂隙、風化裂隙等)。按照谷德振[4]的觀點，從規模上及其對巖體穩定性起的作用出發，可將結構面分為5級。

 

  據實地考察，作者發現安縣西部山區發育著I～V 級結構面。其中上述NE 向逆斷層，由于它們很可能屬于龍門山斷裂帶的一部分，所以理論上可劃歸為I 級結構面。

 

  盡管考察區斷層和褶皺發育，但延展性很強的層面不難看到。據分析，有些可以劃歸為II 級結構面。另外，有些斷層，例如上述的NW 向平推斷層，也屬于II 級結構面。至于III 級結構面的例子，在考察區不在少數(主要為斷層)。IV 級結構面則以分布在巖體中的節理、裂隙為主。至于V 結構面，更是隨處可見，它們通常會在大小不一的巖塊之中。

 

  4.2 結構面的控制作用

 

  地震實例和地震研究表明，龍門山斷裂帶對汶川大地震起到控制作用，而本考察區的I 級結構面NE 向逆斷層是龍門山斷裂帶的一部分。

 

  關于考察區內地質結構面對地震次生地質災害的控制作用，可以初步得到以下幾點結論：

 

  (1) 順層滑坡是反映結構面對滑坡控制的典型，因為滑體和滑床之間就是被一條層面或由若干條層面的組合切割而成，而滑體正是沿著它們下滑的。圖1，3 和4 所示的3 個順層滑坡，它們的發生都受到巖層層面的控制。

 

  (2) 坡積層滑坡也是受結構面控制的，但相關結構面的物質組成和力學性質都較為復雜。現場考察表明，坡積層滑坡的滑體往往沿著強風化層與弱風化層之間的界面下滑或沿著一條切過全風化層和強風化層的滑面下滑。因此可以認為，坡積層滑坡受上述界面或切過全風化層和強風化層的滑面所控制。

 

  (3) 陡崖崩塌的部位往往被多組結構面的復雜組合所切割。實際上，正因為該部位被結構面組合切割得十分破碎，其整體強度遭到嚴重破壞，所以在地震力作用下發生了崩塌，使大小不同、形狀各異的多個塊體沿著不同結構面的組合解體和崩落。

 

  因此從某種意義上看，陡崖崩塌的發生也是受結構面的組合控制的。這一觀點可以從圖10 所示的崩塌實例中得到驗證。

 

  (4) 考察區到處可見的大量滾石基本上是地震條件下發生的順層滑坡、陡崖崩塌及坡積層滑坡所造成的，而成為滾石的塊體也是由不同結構面組合切割而成的。

 

  5 關于災后重建的工程地質力學思考在度過災區救人和堰塞湖搶險階段后，就進入需要較長時間和大量資金投入的災后重建階段。在重建階段將涉及到許多與工程地質、巖石力學及以工程地質為基礎二者相結合而形成的工程地質力學[4]相關的課題。例如，重建選址問題，地質災害監測，地質災害防治，以及各種與工程地質、巖石力學、地質災害監測和防治相關的信息綜合集成等問題。總之，在防治地質災害的研究中，工程地質、巖石力學和二者相結合而相成的工程地質力學可以發揮重要作用。

 

  5.1 關于重建選址的工程地質力學考慮重建的第一步應當是十分關鍵的科學選址。應當指出，只有在多學科綜合指導下，并借助國外的經驗，重建家園的科學選址才能獲得成功。一般而言，災區選址不僅需要考慮油庫、水源地、垃圾場等重要設施的選址，而且還需要研究生態環境承載能力。所有的選址都應特別重視地質災害防治的問題，因為所選的場址都必須保證安全。作為威脅重建場址安全的主要因素是地震次生地質災害，包括滑坡、崩塌、泥石流和滾石等，在選址工作中需要對它們進行詳查和分析。

 

  根據對安縣西部考察區地震次生地質災害情況

 

  的調查分析，需要考慮以下有關工程地質力學的課題：

 

  (1) 地震災區各類次生地質災害的現場詳查

 

  根據災區重建規劃，對災區所選各場址可能發生的各類次生地質災害(包括滑坡、崩塌、泥石流、滾石等)的發生條件、規模、分布及可能產生的危害等進行工程地質詳查。

 

  (2) 工程地質條件評價

 

  基于現場調查的結果，對所選的場址進行工程地質條件評價。

 

  (3) 基于穩定性分析和安全評價的工程地質分區對于所選的場址，需要在工程地質條件評價的基礎上進行穩定性分析和安全評價，并在上述分析和評價的基礎上進行工程地質分區。

 

  (4) 風險分析

 

  所研究的成果需要進一步進行風險分析，以確保災后重建的安全。

 

  5.2 監測新方法、新技術的研究

 

  為了確保重建的安全，現場監測是必不可少的環節，包括對邊坡(包括堰塞湖及相應導流槽的邊坡)、隧道和重要建筑物的監測。對于現有的地質災害監測方法和技術，有些使監測人員感到不便，有些甚至使監測者感到一定的危險性。例如，當用光學儀器測量正在移動的滑坡和崩塌時，立尺和立靶的工作不僅困難，而且有一定危險性。因此，需要進一步研究監測的新方法和新技術。以下3 種監測技術也許需要予以特別重視：

 

  (1) 無靶、無標尺的光學監測技術

 

  在對崩塌、正在滑動的滑坡和泥石流進行監測時，光學儀器具有其他儀器所不具備的優勢，如監測距離較遠(因而相對較安全)、一臺儀器可測多點(因而監測費用較低)、量測方便(有些儀器具有自動監測功能)等。雖然光學儀器很難達到優于1 mm 的精度[6]，但對于余震和降雨等因素作用下不時發生的上述地質災害來說，數毫米的精度有時也可以滿足監測的需要。由于在采用這些光學儀器進行上述監測時通常需要在測點處立標尺或者立靶，所以現場立靶(尺)和收靶者將冒著被滾石砸中、遭遇崩塌等巨大危險。

 

  為了在保留光學儀器監測優勢的同時徹底解決上述問題，作者以為，寧可略降精度也要采取無靶、無標尺的監測方法。

 

  (2) 無線遙測技術

 

  鉆孔伸長計、溝埋式伸長計、測縫計等現場量測的精度通常高于上述光學儀器，通常可達0.05mm，甚至更高。但它們只能布置在可到達的部位進行人工監測，或者用一根通常不很長的測讀電纜進行有線遙測[6]。這對于尚可能發生移動的崩塌體和滑坡體的監測來說，不僅很不方便，而且具有一定的危險性(包括監測者被砸中和測讀電纜被砸斷的危險)。作者認為，目前需要發展一種既能解決電測零點漂移、防潮、防塵等問題，又能解決監測者面臨的危險和測讀電纜可能被砸斷等問題的無線遙測技術。至少有兩條技術路線可用，即基于無線網絡的數據傳輸和近距離自動發射數據。

 

  (3) 泥石流監測到2008 年6 月中旬為止，考察區發生泥石流很少，但隨著汛期的臨近，泥石流將會大量出現，對重建工作威脅很大。以往有關泥石流監測的研究不多，相應監測方法和技術的發展將變得越來越重要。

 

  5.3 滑坡、崩塌和滾石等地質災害防治新技術的研究在重建過程中，受損山體不僅仍將受到余震和降雨的影響，還有可能被人為干擾(包括新的開挖、爆破振動等)。因此，已遭受巨大變形破壞的山體很可能產生再次或多次破壞，滑坡、崩塌、滾石、泥石流等仍可能出現。

 

  為了確保災后重建的安全，除考慮選址(選線)避災的布局措施外，還需采取現場防治技術。就后者而論，除巖土工程目前普遍采用的錨桿、預應力錨索、噴射混凝土、擋土墻、抗滑樁和排水溝、排水孔等加固措施外，還需要發展和應用一些新的技術[7，8]，例如：纖維導滲排水孔(為作者研制的發明專利)、可用于高陡邊坡加固的預應力錨梁、層狀網式鋼筋石籠擋墻、預應力抗滑樁、用于泥石流防治的谷坊技術等。另外，還應大力發展用于滾石防治的各種技術[9～11]。

 

  5.4 工程地質力學綜合集成方法和地質信息系統的應用從巖體工程地質力學的角度[4]來看，涉及災區重建的各個方面(例如災區地質災害的現場詳查、選址、工程地質條件評價和分區、各種地震次生地質災害的監測和防治等問題)，都將面臨著海量信息的處理問題。對于來自各個方面信息的任何缺失，都將可能在有關地質災害發展趨勢和工程處理的判斷過程中發生，甚至造成巨大損失。由此可見，在考慮重建的工程地質力學問題時，應重視工程地質力學綜合集成方法(EGMS)[12]、綜合地質信息系統(SGIS)[13]和地理信息系統(GIS)[14]的應用。

 

  6 結 論

 

  (1) 汶川大地震及次生地質災害所造成的損失慘重。在進入災后重建階段后，應把安全問題放在第一位，應特別注意次生地質災害的監測和防治工作。

 

  (2) 在災區重建工作中，工程地質、巖石力學

 

  和以工程地質為基礎與巖石力學相結合而形成的巖體工程地質力學可以發揮重要作用，包括對地質災害進行詳查、選址方面進行工程地質條件評價和分區、穩定性分析和風險分析等諸多方面。

 

  (3) 在考察中取得了若干重要資料，并根據這些可貴的第一手資料對地震次生山地災害進行分類和研究。

 

  (4) 根據次生地質災害的現場調查和深入思考，就山地災害的監測和防治問題提出了若干建議，可供災區重建設計和施工參考。