安縣西部地震次生地質(zhì)災害及工程地質(zhì)力學(xué)問(wèn)題思考

  1 引 言

 

  公元2008 年5 月12 日，我國四川省汶川縣發(fā)生8.0 級大地震，近7 萬(wàn)同胞在此次地震中罹難(截至2008 年6 月22 日12 時(shí)，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(xué)和工程地質(zhì)工作者，面對汶川大地震，不僅悲痛萬(wàn)分，而且有責任對滑坡、崩塌、滾石等次生地質(zhì)災害的機制、抗震救災等問(wèn)題進(jìn)行工程地質(zhì)力學(xué)的深入思考，并可望為抗震救災和災后重建提供科學(xué)依據。

 

  在汶川大地震某重災區現場(chǎng)考察的基礎上，作者從工程地質(zhì)、巖石力學(xué)及以工程地質(zhì)為基礎進(jìn)行兩個(gè)學(xué)科結合的巖體工程地質(zhì)力學(xué)的理論和方法出發(fā)，對以下3 個(gè)問(wèn)題進(jìn)行分析：

 

  (1) 汶川大地震次生地質(zhì)災害的主要類(lèi)型；

 

  (2) 地質(zhì)結構面對地質(zhì)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(zhì)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(mén)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(chēng)為某公路“咽喉”的老虎嘴段，從5 月12 日發(fā)生地震以來(lái)，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(zhù)雨季的到來(lái)，上述災害不僅會(huì )加重，而且還將引發(fā)大的泥石流災害。正因為安縣西部離龍門(mén)山斷裂帶較近，所以這次考察和研究的重點(diǎn)選在上述地區。

 

  2 考察路線(xiàn)的確定和考察區的區域地質(zhì)概況

 

  2.1 考察路線(xiàn)的確定

 

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

 

  為了提高考察效率，在有關(guān)部門(mén)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(zhì)概況

 

  由于地震次生山地地質(zhì)災害發(fā)生的種類(lèi)、特點(diǎn)和規模等與地層、構造等重要因素有關(guān)，所以有必要對有關(guān)區域地質(zhì)條件進(jìn)行概述。

 

  (1) 地層

 

  ① 在考察路線(xiàn)1 上，從綿陽(yáng)市出發(fā)，向西進(jìn)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(yè)巖、泥巖、粉砂巖、泥質(zhì)灰巖和石灰巖等組成，后者則主要涉及白云巖、頁(yè)巖、粉砂巖和石灰巖等。

 

  ② 在考察路線(xiàn)2 上，從睢水鎮出發(fā)，向北進(jìn)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(guān)于三疊系下統和震旦系上統地層已在上述路線(xiàn)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(yè)巖和砂巖等。

 

  (2) 構造

 

  該地區的構造發(fā)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(fā)震構造龍門(mén)山斷裂帶的一部分。

 

  3 地震地質(zhì)災害的主要類(lèi)型

 

  根據對安縣西部地區的初步考察，地震所引發(fā)的地質(zhì)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(zhì)災害的主要類(lèi)型進(jìn)行說(shuō)明。

 

  3.1 順層滑坡

 

  在考察過(guò)程中，作者看到了大量沿著(zhù)層面滑動(dòng)的順層滑坡。所謂順層滑坡，是指在一個(gè)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(fā)生在安縣西部某地的一個(gè)體積可能超過(guò)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(méi)一個(gè)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(shí)地調查，這個(gè)大滑坡是沿著(zhù)震旦系上統地層的層面發(fā)生滑動(dòng)的。

 

  3.2 坡積層滑坡

 

  在考察區所發(fā)生的地震次生地質(zhì)災害中，坡積層滑坡(即陡坡上的坡積層沿著(zhù)強風(fēng)化層與弱風(fēng)化層之間的界面下滑而產(chǎn)生的滑坡或切過(guò)強風(fēng)化層而產(chǎn)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(gè)散布在整個(gè)畫(huà)面上的坡積層滑坡群，圖7 則同時(shí)出現了一個(gè)坡積層滑坡(左側)和一個(gè)順層滑坡(正面)。

 

  3.3 陡崖崩塌

 

  在考察過(guò)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(diǎn)：(1) 發(fā)生陡崖崩塌的山體都很陡，相應的坡角超過(guò)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(lèi)。據分析，

 

  崩塌和巖體滑坡往往產(chǎn)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(kāi)崩塌體或滑坡體，并造成危害區的范圍也超過(guò)崩塌或滑坡所及之處，所以有必要將這些塊體另稱(chēng)為滾石。除了與崩塌或滑坡同時(shí)產(chǎn)生的滾石外，還有幾類(lèi)不與它們同時(shí)而單獨發(fā)生的滾石更需要重視，例如：(1) 在崩塌或滑坡發(fā)生之后的一段時(shí)間內，嚴重松動(dòng)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(huì )誘發(fā)滾石；(2) 由于風(fēng)化而造成塊體滾落而形成滾石；(3) 人為擾動(dòng)(如工程開(kāi)挖、放炮等)造成滾石等。在考察區的實(shí)地調查表明，滾石現象很多。

 

  4 地質(zhì)結構面對地震次生地質(zhì)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(zhì)力學(xué)的一個(gè)重要觀(guān)點(diǎn)就是巖體變

 

  形破壞受結構面控制，或者說(shuō)，巖體穩定性是受結構面所控制的[4]。按照地質(zhì)成因，結構面可分為三大類(lèi)，即原生結構面(如軟弱蝕變帶、擠壓破碎帶等)和變質(zhì)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(fēng)化裂隙等)。按照谷德振[4]的觀(guān)點(diǎn)，從規模上及其對巖體穩定性起的作用出發(fā)，可將結構面分為5級。

 

  據實(shí)地考察，作者發(fā)現安縣西部山區發(fā)育著(zhù)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(mén)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(fā)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(jiàn)，它們通常會(huì )在大小不一的巖塊之中。

 

  4.2 結構面的控制作用

 

  地震實(shí)例和地震研究表明，龍門(mén)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(mén)山斷裂帶的一部分。

 

  關(guān)于考察區內地質(zhì)結構面對地震次生地質(zhì)災害的控制作用，可以初步得到以下幾點(diǎn)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(zhù)它們下滑的。圖1，3 和4 所示的3 個(gè)順層滑坡，它們的發(fā)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(guān)結構面的物質(zhì)組成和力學(xué)性質(zhì)都較為復雜?，F場(chǎng)考察表明，坡積層滑坡的滑體往往沿著(zhù)強風(fēng)化層與弱風(fēng)化層之間的界面下滑或沿著(zhù)一條切過(guò)全風(fēng)化層和強風(fēng)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(guò)全風(fēng)化層和強風(fēng)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(shí)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(fā)生了崩塌，使大小不同、形狀各異的多個(gè)塊體沿著(zhù)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(fā)生也是受結構面的組合控制的。這一觀(guān)點(diǎn)可以從圖10 所示的崩塌實(shí)例中得到驗證。

 

  (4) 考察區到處可見(jiàn)的大量滾石基本上是地震條件下發(fā)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(guān)于災后重建的工程地質(zhì)力學(xué)思考在度過(guò)災區救人和堰塞湖搶險階段后，就進(jìn)入需要較長(cháng)時(shí)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(zhì)、巖石力學(xué)及以工程地質(zhì)為基礎二者相結合而形成的工程地質(zhì)力學(xué)[4]相關(guān)的課題。例如，重建選址問(wèn)題，地質(zhì)災害監測，地質(zhì)災害防治，以及各種與工程地質(zhì)、巖石力學(xué)、地質(zhì)災害監測和防治相關(guān)的信息綜合集成等問(wèn)題?？傊?，在防治地質(zhì)災害的研究中，工程地質(zhì)、巖石力學(xué)和二者相結合而相成的工程地質(zhì)力學(xué)可以發(fā)揮重要作用。

 

  5.1 關(guān)于重建選址的工程地質(zhì)力學(xué)考慮重建的第一步應當是十分關(guān)鍵的科學(xué)選址。應當指出，只有在多學(xué)科綜合指導下，并借助國外的經(jīng)驗，重建家園的科學(xué)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(chǎng)等重要設施的選址，而且還需要研究生態(tài)環(huán)境承載能力。所有的選址都應特別重視地質(zhì)災害防治的問(wèn)題，因為所選的場(chǎng)址都必須保證安全。作為威脅重建場(chǎng)址安全的主要因素是地震次生地質(zhì)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(jìn)行詳查和分析。

 

  根據對安縣西部考察區地震次生地質(zhì)災害情況

 

  的調查分析，需要考慮以下有關(guān)工程地質(zhì)力學(xué)的課題：

 

  (1) 地震災區各類(lèi)次生地質(zhì)災害的現場(chǎng)詳查

 

  根據災區重建規劃，對災區所選各場(chǎng)址可能發(fā)生的各類(lèi)次生地質(zhì)災害(包括滑坡、崩塌、泥石流、滾石等)的發(fā)生條件、規模、分布及可能產(chǎn)生的危害等進(jìn)行工程地質(zhì)詳查。

 

  (2) 工程地質(zhì)條件評價(jià)

 

  基于現場(chǎng)調查的結果，對所選的場(chǎng)址進(jìn)行工程地質(zhì)條件評價(jià)。

 

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

 

  (4) 風(fēng)險分析

 

  所研究的成果需要進(jìn)一步進(jìn)行風(fēng)險分析，以確保災后重建的安全。

 

  5.2 監測新方法、新技術(shù)的研究

 

  為了確保重建的安全，現場(chǎng)監測是必不可少的環(huán)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(zhì)災害監測方法和技術(shù)，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(xué)儀器測量正在移動(dòng)的滑坡和崩塌時(shí)，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(jìn)一步研究監測的新方法和新技術(shù)。以下3 種監測技術(shù)也許需要予以特別重視：

 

  (1) 無(wú)靶、無(wú)標尺的光學(xué)監測技術(shù)

 

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

 

  為了在保留光學(xué)儀器監測優(yōu)勢的同時(shí)徹底解決上述問(wèn)題，作者以為，寧可略降精度也要采取無(wú)靶、無(wú)標尺的監測方法。

 

  (2) 無(wú)線(xiàn)遙測技術(shù)

 

  鉆孔伸長(cháng)計、溝埋式伸長(cháng)計、測縫計等現場(chǎng)量測的精度通常高于上述光學(xué)儀器，通?？蛇_0.05mm，甚至更高。但它們只能布置在可到達的部位進(jìn)行人工監測，或者用一根通常不很長(cháng)的測讀電纜進(jìn)行有線(xiàn)遙測[6]。這對于尚可能發(fā)生移動(dòng)的崩塌體和滑坡體的監測來(lái)說(shuō)，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(fā)展一種既能解決電測零點(diǎn)漂移、防潮、防塵等問(wèn)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(wèn)題的無(wú)線(xiàn)遙測技術(shù)。至少有兩條技術(shù)路線(xiàn)可用，即基于無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )的數據傳輸和近距離自動(dòng)發(fā)射數據。

 

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

 

  5.3 滑坡、崩塌和滾石等地質(zhì)災害防治新技術(shù)的研究在重建過(guò)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(kāi)挖、爆破振動(dòng)等)。因此，已遭受巨大變形破壞的山體很可能產(chǎn)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(xiàn))避災的布局措施外，還需采取現場(chǎng)防治技術(shù)。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(fā)展和應用一些新的技術(shù)[7，8]，例如：纖維導滲排水孔(為作者研制的發(fā)明專(zhuān)利)、可用于高陡邊坡加固的預應力錨梁、層狀網(wǎng)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(shù)等。另外，還應大力發(fā)展用于滾石防治的各種技術(shù)[9～11]。

 

  5.4 工程地質(zhì)力學(xué)綜合集成方法和地質(zhì)信息系統的應用從巖體工程地質(zhì)力學(xué)的角度[4]來(lái)看，涉及災區重建的各個(gè)方面(例如災區地質(zhì)災害的現場(chǎng)詳查、選址、工程地質(zhì)條件評價(jià)和分區、各種地震次生地質(zhì)災害的監測和防治等問(wèn)題)，都將面臨著(zhù)海量信息的處理問(wèn)題。對于來(lái)自各個(gè)方面信息的任何缺失，都將可能在有關(guān)地質(zhì)災害發(fā)展趨勢和工程處理的判斷過(guò)程中發(fā)生，甚至造成巨大損失。由此可見(jiàn)，在考慮重建的工程地質(zhì)力學(xué)問(wèn)題時(shí)，應重視工程地質(zhì)力學(xué)綜合集成方法(EGMS)[12]、綜合地質(zhì)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(zhì)災害所造成的損失慘重。在進(jìn)入災后重建階段后，應把安全問(wèn)題放在第一位，應特別注意次生地質(zhì)災害的監測和防治工作。

 

  (2) 在災區重建工作中，工程地質(zhì)、巖石力學(xué)

 

  和以工程地質(zhì)為基礎與巖石力學(xué)相結合而形成的巖體工程地質(zhì)力學(xué)可以發(fā)揮重要作用，包括對地質(zhì)災害進(jìn)行詳查、選址方面進(jìn)行工程地質(zhì)條件評價(jià)和分區、穩定性分析和風(fēng)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(jìn)行分類(lèi)和研究。

 

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