北京地區(qū)崩塌監(jiān)測(cè)預(yù)警初探

摘 要：北京地區(qū)崩塌隱患多發(fā)，崩塌是北京最常見(jiàn)的一種地質(zhì)災(zāi)害，但崩塌監(jiān)測(cè)預(yù)警工作仍處于起步階段。琉辛路（密云段）監(jiān)測(cè)路段崩塌多發(fā)，根據(jù)崩塌發(fā)育特征及儀器安裝條件共布設(shè)1臺(tái)雨量站，1臺(tái)預(yù)警警示裝置，10臺(tái)崩塌監(jiān)測(cè)儀，監(jiān)測(cè)結(jié)果表明：降雨主要集中在每年7、8月份;D4-D5-D7、D10為拉裂-傾倒式崩塌，位移呈現(xiàn)緩慢移動(dòng)，變形量17～77mm，曲線(xiàn)表現(xiàn)為平滑狀;D3-D9-D11、D2為拉裂-墜落式崩塌，位移變化呈現(xiàn)突然移動(dòng)，變形量0.6～16mm，曲線(xiàn)表現(xiàn)為階梯狀。崩塌監(jiān)測(cè)預(yù)警指標(biāo)選取位移量、位移加速度和降雨量3項(xiàng)指標(biāo)，以位移-時(shí)間繪制變形曲線(xiàn)，以切向角、裂縫宏觀特征、加速度為判據(jù)判定預(yù)警級(jí)別，并做出應(yīng)急響應(yīng)。

關(guān)鍵詞：崩塌;監(jiān)測(cè)預(yù)警;切向角;危巖變形;應(yīng)急響應(yīng);北京

Abstract： Collapse hazards occur frequently in Beijing， which is one of the most common geological disasters in Beijing， but the collapse monitoring and early warning work is still in the initial stage. The monitoring section of Liuxin Road （Miyun section） is prone to collapse. According to the development characteristics of the collapse and the installation conditions of the instrument， a rain measuring station， an early warning device and 10 collapse monitoring devices have been set up. The monitoring results show that the rainfall is mainly concentrated in July and August of each year. D4-D5-D7 and D10 are split-dumping collapses， with a slow displacement， a deformation of 17-77mm and a smooth curve. D3-D9-D11 and D2 are tensile-falling collapses， with a sudden movement， a deformation of 0.6-16mm and a stepped curve. On the analysis of the collapse of the forming conditions and the existing monitoring project， at present， three indicators of collapse monitoring and early warning in Beijing are selected： displacement， displacement acceleration and rainfall， i.e.， drawing deformation curve with displacement and time， determining warning level with tangential angle， macroscopic characteristics of cracks and acceleration as criteria， and making emergency response.

Keywords： Collapse hazard; Monitoring and early warning; Tangential angle; Dangerous rock deformation; Emergency response; Beijing

0 前言

北京地處太行山山脈與燕山山脈交匯處，地形和地質(zhì)條件復(fù)雜，地質(zhì)構(gòu)造非常發(fā)育，巖層風(fēng)化破碎嚴(yán)重，新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)頻繁，加之人類(lèi)劇烈活動(dòng)，致使北京地區(qū)的地質(zhì)環(huán)境比較脆弱，地質(zhì)災(zāi)害較為發(fā)育，且災(zāi)種多，群發(fā)性強(qiáng)（趙忠海，2009）。據(jù)統(tǒng)計(jì)，截至2019年5月31日（黃來(lái)源，2020），北京市突發(fā)性地質(zhì)災(zāi)害隱患點(diǎn)5037處，其中崩塌隱患2609處，占51.8%。崩塌是北京最常見(jiàn)的一種地質(zhì)災(zāi)害，開(kāi)展北京地區(qū)崩塌監(jiān)測(cè)預(yù)警研究刻不容緩。本文在分析北京地區(qū)崩塌隱患的發(fā)育特征、分布規(guī)律的基礎(chǔ)上，以北京市突發(fā)地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)工程中琉辛路（密云段）崩塌監(jiān)測(cè)路段為例分析崩塌變形特征。

1 崩塌隱患基本特征

1.1 崩塌隱患發(fā)育特征

依據(jù)1∶5萬(wàn)地質(zhì)災(zāi)害詳查數(shù)據(jù)（北京市地質(zhì)研究所，2014），北京地區(qū)崩塌隱患斜坡巖土體類(lèi)型以巖質(zhì)為主，占總數(shù)的93.4%;從崩塌隱患所處的微地貌類(lèi)型來(lái)看，坡度大于60°的陡崖占總數(shù)的81.0%;從崩塌隱患的坡高來(lái)看，坡高小于50m的斜坡約占總數(shù)的88.5%;從崩塌隱患發(fā)生模式來(lái)看，以?xún)A倒式崩塌和滑移式崩塌為主，分別占到總數(shù)的34.6%和33.6%（表1）。

北京地區(qū)的崩塌規(guī)模大小不一，一般從幾十方至幾千方不等。從規(guī)模等級(jí)來(lái)看，崩塌隱患以小型為主，占總數(shù)的93.9%。

北京地區(qū)的崩塌穩(wěn)定性以較穩(wěn)定狀態(tài)為主，占總數(shù)的62.5%，但仍有35.5%的崩塌隱患處于不穩(wěn)定狀態(tài)，在不遙遠(yuǎn)的未來(lái)，多數(shù)現(xiàn)狀較穩(wěn)定的崩塌將向不穩(wěn)定狀態(tài)發(fā)展，本市崩塌隱患總體上呈現(xiàn)不穩(wěn)定的未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)。

1.2 崩塌隱患分布規(guī)律

（1）崩塌隱患空間分布規(guī)律

在北京西部與北部邊緣地帶多為中山區(qū)，海拔高度大于1000m，地形高差一般在500m以上，山勢(shì)險(xiǎn)峻，地形坡度多大于35°，地形切割較強(qiáng)烈，在低山區(qū)的深溝內(nèi)，地形切割也很強(qiáng)烈（王瑞霞等，2015），均易形成崩塌，尤其在堅(jiān)硬、性脆、構(gòu)造節(jié)理發(fā)育的花崗巖、石英巖、碳酸鹽巖等巖類(lèi)分布區(qū)域，崩塌尤為發(fā)育。

目前，開(kāi)展的調(diào)查工作僅對(duì)具有直接威脅對(duì)象的崩塌隱患進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，從崩塌與人類(lèi)工程活動(dòng)范圍的關(guān)系看，崩塌隱患主要分布在中低山區(qū)的道路沿線(xiàn)，其次為居民點(diǎn)附近（賈三滿(mǎn)等，2017）。經(jīng)統(tǒng)計(jì)（北京市規(guī)劃和自然資源委員會(huì)，2019），北京市2609處崩塌隱患中，1596處分布在道路沿線(xiàn)，占總數(shù)的61.2%，574處分布在居民點(diǎn)附近，占總數(shù)的22.0%，其它地段分布439處，占總數(shù)的16.8%。

（2）崩塌發(fā)生時(shí)間分布規(guī)律

依據(jù)2004年至2018年15年北京市地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)急調(diào)查數(shù)據(jù)（圖1），共發(fā)生崩塌地質(zhì)災(zāi)害209起，其中110起發(fā)生在7月，其次為6月、8月，3個(gè)月發(fā)生占總數(shù)的82.8%，究其原因北京地區(qū)崩塌隱患多分布于經(jīng)人類(lèi)工程建設(shè)開(kāi)挖坡腳的公路和居民點(diǎn)旁，切坡工程破壞了上部巖體的穩(wěn)定性，伴隨強(qiáng)降雨而呈現(xiàn)高發(fā)，尤其是特大暴雨、大暴雨和較長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)降雨過(guò)程中或稍微滯后，是崩塌出現(xiàn)最多的時(shí)間。

2 琉辛路（密云段）崩塌監(jiān)測(cè)

2.1 監(jiān)測(cè)點(diǎn)基本特征

綜合考慮北京市崩塌隱患發(fā)育特征及分布規(guī)律，北京市突發(fā)地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)（一期）工程共選取6處隱患點(diǎn)進(jìn)行示范研究，采取人工與自動(dòng)監(jiān)測(cè)聯(lián)合的方式進(jìn)行長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)。琉辛路（密云段）崩塌監(jiān)測(cè)點(diǎn)于二道河隧道附近，2005年該處發(fā)生2起崩塌災(zāi)害，崩塌破壞路基100余米，導(dǎo)致四合堂地區(qū)7個(gè)村的電信全部中斷，辛未造成人員傷亡。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，該處危巖體巖性為片麻狀花崗巖，屬火山侵入巖，巖石發(fā)育不同方向節(jié)理、裂隙，這些節(jié)理和裂隙彼此交切，將巖體分割成不規(guī)則的塊狀，多為大粒徑巨石，穩(wěn)定性較差，潛在方量約80000m3，威脅過(guò)往行人、車(chē)輛生命財(cái)產(chǎn)安全（韓建超等，2020）。

2.2 監(jiān)測(cè)儀器選擇與布設(shè)

根據(jù)琉辛路（密云段）崩塌隱患發(fā)育特征，并結(jié)合國(guó)內(nèi)外崩塌災(zāi)害監(jiān)測(cè)技術(shù)發(fā)展水平，選取先進(jìn)的崩塌監(jiān)測(cè)儀和一體化自動(dòng)雨量站對(duì)崩塌體進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并配套安裝崩塌預(yù)警警示裝置，實(shí)時(shí)處于待機(jī)值守狀態(tài)，達(dá)到報(bào)警閥值時(shí)播報(bào)預(yù)警信息，保障居民、過(guò)往車(chē)輛生命財(cái)產(chǎn)安全。

崩塌監(jiān)測(cè)儀器點(diǎn)布設(shè)（崩塌監(jiān)測(cè)規(guī)范（試行）（T/CAGHP007-2018），應(yīng)根據(jù)監(jiān)測(cè)崩塌體發(fā)育特征，一體化自動(dòng)雨量站就近安裝;預(yù)警警示裝置應(yīng)安裝在公路來(lái)車(chē)方向或居民集中區(qū)域;崩塌監(jiān)測(cè)儀應(yīng)安裝在危巖體上，可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)危巖體演化特征（圖2、圖3）。

2.3 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

（1）降雨數(shù)據(jù)分析

一體化雨量監(jiān)測(cè)站采用高精度、高品質(zhì)翻斗式雨量計(jì)進(jìn)行降雨量監(jiān)測(cè)，雨量采集分辨力2mm，允許通過(guò)最大雨強(qiáng)8mm/min。琉辛路雨量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示多年平均降雨量為555mm，3日最大降雨量213mm，24小時(shí)最大降雨量為128mm，小時(shí)最大雨強(qiáng)35mm，降雨主要集中在每年的7、8月份，與北京地區(qū)降雨特征相符（圖4）。

（2）危巖位移變形監(jiān)測(cè)

崩塌監(jiān)測(cè)儀主要由三軸加速度計(jì)、三軸電子羅盤(pán)、三軸陀螺儀等運(yùn)動(dòng)傳感器組成;能準(zhǔn)確獲取包括崩塌體多方向位移，運(yùn)動(dòng)姿態(tài)，崩塌墜落等關(guān)鍵數(shù)據(jù)（張亮等，2015）。

崩塌監(jiān)測(cè)儀固定在危巖體上，采集巖體移動(dòng)數(shù)據(jù)（x、y、z）。其中，x為沿監(jiān)測(cè)儀長(zhǎng)軸方向運(yùn)動(dòng)距離，y為沿短軸方向運(yùn)動(dòng)距離，z為垂直巖面向上運(yùn)動(dòng)距離，構(gòu)成崩塌儀采集的移動(dòng)數(shù)據(jù)集合。則巖體從a到a1的移動(dòng)距離為√（x2+y2+z2 ）。

崩塌體沿節(jié)理面δ與xoy交角為α、與yoz交腳為β，則走向方向的移動(dòng)距離為x*cosα+y*sinα+z*tanβ*sinα，垂直走向方向的移動(dòng)距離為z*sinβ*cosα+（x*sinα+y *cosα）*cosβ，其中，a到a1為崩塌儀采集的巖體移動(dòng)數(shù)據(jù)，（x1、y1、z1）為巖體移動(dòng)量（圖5）。

崩塌監(jiān)測(cè)儀位移監(jiān)測(cè)分辨率0.1mm，姿態(tài)角誤差±0.5°，通過(guò)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)計(jì)算（李程等，2018）崩塌體沿節(jié)理面和位移，監(jiān)測(cè)路段共布設(shè)10臺(tái)監(jiān)測(cè)儀，其中D6、D8 三年未動(dòng)，監(jiān)測(cè)特征如圖6、圖7所示。監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，監(jiān)測(cè)路段危巖體位移存在兩種變化形式，D4-D5-D7、D10位移曲線(xiàn)相對(duì)平滑，位移緩慢變化;D3-D9-D11、D2變形曲線(xiàn)呈現(xiàn)階梯狀，位移以突變?yōu)橹?經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)確認(rèn)，D4-D5-D7、D10為拉裂-傾倒式崩塌，D3-D9-D11、D2為拉裂-墜落式崩塌，曲線(xiàn)特征與相關(guān)研究相符（申太奇，2016）。監(jiān)測(cè)路段拉裂-傾倒式崩塌位移量較大17～77mm，可能危巖體后緣裂縫已貫通，危巖體沿著節(jié)理面緩慢移動(dòng);拉裂-墜落式崩塌位移量較小0.6～16mm，后緣裂縫尚未貫通，一旦貫通，將導(dǎo)致整面巖壁的崩塌災(zāi)害發(fā)生。

3 崩塌預(yù)警初探

影響崩塌隱患穩(wěn)定性的因素很多，預(yù)警難度相對(duì)較大，尤其大多數(shù)崩塌是突發(fā)的、隨機(jī)的，更增加了預(yù)警難度，監(jiān)測(cè)預(yù)警的關(guān)鍵就是從眾多崩塌監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)中篩選出崩塌進(jìn)入加速變形破壞前具有預(yù)警意義的指標(biāo)，通過(guò)各個(gè)指標(biāo)的定性描述和定量分析，進(jìn)而做出不同級(jí)別的災(zāi)害預(yù)警。

3.1 預(yù)警指標(biāo)

根據(jù)崩塌的形成條件，其形成需要一定的地形條件和軟弱結(jié)構(gòu)面，軟弱結(jié)構(gòu)面可以為巖層層理，可以為節(jié)理裂隙、剪切裂縫或拉張裂縫，因此，節(jié)理發(fā)育的巖體、易風(fēng)化的巖體及陡坡地形等因素是影響崩塌形成的基礎(chǔ)性因素。

對(duì)于降雨因素，一定地形條件下的巖體，具備一定的軟弱結(jié)構(gòu)面后，豐沛的降雨過(guò)程往往伴隨崩塌的多發(fā)性，因此，降雨是形成崩塌的誘發(fā)性因素。

而人類(lèi)工程活動(dòng)一方面誘發(fā)了崩塌的形成，一方面人口本身或人類(lèi)工程活動(dòng)的成果，如道路、住房、水庫(kù)等又成為崩塌的威脅對(duì)象，使得崩塌現(xiàn)象演變?yōu)榱吮浪鸀?zāi)害或崩塌隱患，可見(jiàn)，人類(lèi)工程活動(dòng)是崩塌災(zāi)害或崩塌隱患形成的決定性因素。

結(jié)合先進(jìn)的監(jiān)測(cè)儀器設(shè)備將宏觀的影響因素進(jìn)行量化監(jiān)測(cè)，確定預(yù)警指標(biāo)體系（劉明鑫，2014;Adhikary et al.，1997;M.Saito，1969）包括位移量、位移加速度及環(huán)境因素降雨量。并緊密結(jié)合三維激光掃描監(jiān)測(cè)、真實(shí)孔徑雷達(dá)監(jiān)測(cè)與群策群防的宏觀前兆監(jiān)測(cè)，相互對(duì)比增加預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性。

3.2 預(yù)警判據(jù)

大量崩滑塌案例表明，按位移-時(shí)間曲線(xiàn)特征可將崩滑塌分為漸變型、突發(fā)型、穩(wěn)定性（圖8），漸變型崩滑塌基本滿(mǎn)足1968年日本學(xué)者齋藤迪孝提出的三階段變形規(guī)律（山田剛二等，1980），即初始變形階段、等速變形階段和加速變形階段，突發(fā)型則直接進(jìn)入加速變形階段（王延平，2016）。而進(jìn)入加速變形階段是崩滑塌災(zāi)害發(fā)生的前提，也是預(yù)警的重要依據(jù)。

北京地區(qū)崩塌監(jiān)測(cè)預(yù)警研究仍處于起步階段，缺少監(jiān)測(cè)崩塌點(diǎn)災(zāi)害發(fā)生案例及室內(nèi)重現(xiàn)模擬研究。現(xiàn)階段北京崩塌預(yù)警更多的是基于國(guó)內(nèi)崩滑塌研究理論（許強(qiáng)等，2015;許強(qiáng)等，2019）設(shè)定預(yù)警閾值，并在監(jiān)測(cè)中不斷總結(jié)經(jīng)驗(yàn)、修訂閾值。當(dāng)崩塌體出現(xiàn)變形后，崩塌儀加密采集數(shù)據(jù)，在時(shí)間尺度上將位移-時(shí)間曲線(xiàn)變緩，將突發(fā)型轉(zhuǎn)為漸變型進(jìn)行分析，達(dá)到閾值觸發(fā)報(bào)警后，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)條件，選取無(wú)人機(jī)、真實(shí)孔徑雷達(dá)或三維激光掃描儀等手段進(jìn)行人工監(jiān)測(cè)，確認(rèn)整個(gè)危巖面是否有繼續(xù)變形趨勢(shì)，以便及時(shí)避讓?zhuān)Ｕ先藛T生命財(cái)產(chǎn)安全（圖9）。

4 結(jié)論

北京地區(qū)存在大量的已知和未知的崩塌隱患，在降雨、根劈、凍融、振動(dòng)等自然因素及人類(lèi)修路、建房等工程活動(dòng)的影響下，極易發(fā)生災(zāi)害。本次研究初步確認(rèn)：⑴北京地區(qū)以小型、高度低于50m、坡度大于60°的傾倒式和滑移式巖質(zhì)崩塌為主;⑵崩塌隱患多分布于道路沿線(xiàn)及居民點(diǎn)附近，災(zāi)害多發(fā)于每年6、7、8月份;⑶琉辛路（密云段）監(jiān)測(cè)表明危巖體位移變化兩種形式，呈階梯狀的拉裂-傾倒式崩塌以及呈突變的拉裂-墜落式崩塌; ⑷監(jiān)測(cè)危巖體位移量、位移加速度、環(huán)境降雨量及宏觀特征，確定現(xiàn)階段崩塌監(jiān)測(cè)預(yù)警響應(yīng)機(jī)制，并在應(yīng)用中不斷修訂、完善，這也必將是今后一定時(shí)期內(nèi)北京地區(qū)的研究重點(diǎn)。

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