摘 要：北京地區(qū)崩塌隱患多發(fā)，崩塌是北京最常見的一種地質(zhì)災害，但崩塌監(jiān)測預警工作仍處于起步階段。琉辛路（密云段）監(jiān)測路段崩塌多發(fā)，根據(jù)崩塌發(fā)育特征及儀器安裝條件共布設1臺雨量站，1臺預警警示裝置，10臺崩塌監(jiān)測儀，監(jiān)測結果表明：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，變形量17～77mm，曲線表現(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，變形量0.6～16mm，曲線表現(xiàn)為階梯狀。崩塌監(jiān)測預警指標選取位移量、位移加速度和降雨量3項指標，以位移-時間繪制變形曲線，以切向角、裂縫宏觀特征、加速度為判據(jù)判定預警級別，并做出應急響應。

關鍵詞：崩塌;監(jiān)測預警;切向角;危巖變形;應急響應;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)條件復雜，地質(zhì)構造非常發(fā)育，巖層風化破碎嚴重，新構造運動頻繁，加之人類劇烈活動，致使北京地區(qū)的地質(zhì)環(huán)境比較脆弱，地質(zhì)災害較為發(fā)育，且災種多，群發(fā)性強（趙忠海，2009）。據(jù)統(tǒng)計，截至2019年5月31日（黃來源，2020），北京市突發(fā)性地質(zhì)災害隱患點5037處，其中崩塌隱患2609處，占51.8%。崩塌是北京最常見的一種地質(zhì)災害，開展北京地區(qū)崩塌監(jiān)測預警研究刻不容緩。本文在分析北京地區(qū)崩塌隱患的發(fā)育特征、分布規(guī)律的基礎上，以北京市突發(fā)地質(zhì)災害監(jiān)測預警系統(tǒng)工程中琉辛路（密云段）崩塌監(jiān)測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∶5萬地質(zhì)災害詳查數(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型來看，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)生模式來看，以傾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)模等級來看，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)，在不遙遠的未來，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)定的未來發(fā)展趨勢。

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，山勢險峻，地形坡度多大于35°，地形切割較強烈，在低山區(qū)的深溝內(nèi)，地形切割也很強烈（王瑞霞等，2015），均易形成崩塌，尤其在堅硬、性脆、構造節(jié)理發(fā)育的花崗巖、石英巖、碳酸鹽巖等巖類分布區(qū)域，崩塌尤為發(fā)育。

目前，開展的調(diào)查工作僅對具有直接威脅對象的崩塌隱患進行統(tǒng)計，從崩塌與人類工程活動范圍的關系看，崩塌隱患主要分布在中低山區(qū)的道路沿線，其次為居民點附近（賈三滿等，2017）。經(jīng)統(tǒng)計（北京市規(guī)劃和自然資源委員會，2019），北京市2609處崩塌隱患中，1596處分布在道路沿線，占總數(shù)的61.2%，574處分布在居民點附近，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)生時間分布規(guī)律

依據(jù)2004年至2018年15年北京市地質(zhì)災害應急調(diào)查數(shù)據(jù)（圖1），共發(fā)生崩塌地質(zhì)災害209起，其中110起發(fā)生在7月，其次為6月、8月，3個月發(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)人類工程建設開挖坡腳的公路和居民點旁，切坡工程破壞了上部巖體的穩(wěn)定性，伴隨強降雨而呈現(xiàn)高發(fā)，尤其是特大暴雨、大暴雨和較長時間連續(xù)降雨過程中或稍微滯后，是崩塌出現(xiàn)最多的時間。

2 琉辛路（密云段）崩塌監(jiān)測

2.1 監(jiān)測點基本特征

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)災害監(jiān)測預警系統(tǒng)（一期）工程共選取6處隱患點進行示范研究，采取人工與自動監(jiān)測聯(lián)合的方式進行長期監(jiān)測。琉辛路（密云段）崩塌監(jiān)測點于二道河隧道附近，2005年該處發(fā)生2起崩塌災害，崩塌破壞路基100余米，導致四合堂地區(qū)7個村的電信全部中斷，辛未造成人員傷亡。經(jīng)現(xiàn)場調(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，威脅過往行人、車輛生命財產(chǎn)安全（韓建超等，2020）。

2.2 監(jiān)測儀器選擇與布設

根據(jù)琉辛路（密云段）崩塌隱患發(fā)育特征，并結合國內(nèi)外崩塌災害監(jiān)測技術發(fā)展水平，選取先進的崩塌監(jiān)測儀和一體化自動雨量站對崩塌體進行監(jiān)測，并配套安裝崩塌預警警示裝置，實時處于待機值守狀態(tài)，達到報警閥值時播報預警信息，保障居民、過往車輛生命財產(chǎn)安全。

崩塌監(jiān)測儀器點布設（崩塌監(jiān)測規(guī)范（試行）（T/CAGHP007-2018），應根據(jù)監(jiān)測崩塌體發(fā)育特征，一體化自動雨量站就近安裝;預警警示裝置應安裝在公路來車方向或居民集中區(qū)域;崩塌監(jiān)測儀應安裝在危巖體上，可實時監(jiān)測危巖體演化特征（圖2、圖3）。

2.3 監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

（1）降雨數(shù)據(jù)分析

一體化雨量監(jiān)測站采用高精度、高品質(zhì)翻斗式雨量計進行降雨量監(jiān)測，雨量采集分辨力2mm，允許通過最大雨強8mm/min。琉辛路雨量監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示多年平均降雨量為555mm，3日最大降雨量213mm，24小時最大降雨量為128mm，小時最大雨強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

崩塌監(jiān)測儀主要由三軸加速度計、三軸電子羅盤、三軸陀螺儀等運動傳感器組成;能準確獲取包括崩塌體多方向位移，運動姿態(tài)，崩塌墜落等關鍵數(shù)據(jù)（張亮等，2015）。

崩塌監(jiān)測儀固定在危巖體上，采集巖體移動數(shù)據(jù)（x、y、z）。其中，x為沿監(jiān)測儀長軸方向運動距離，y為沿短軸方向運動距離，z為垂直巖面向上運動距離，構成崩塌儀采集的移動數(shù)據(jù)集合。則巖體從a到a1的移動距離為√（x2+y2+z2 ）。

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

崩塌監(jiān)測儀位移監(jiān)測分辨率0.1mm，姿態(tài)角誤差±0.5°，通過監(jiān)測數(shù)據(jù)計算（李程等，2018）崩塌體沿節(jié)理面和位移，監(jiān)測路段共布設10臺監(jiān)測儀，其中D6、D8 三年未動，監(jiān)測特征如圖6、圖7所示。監(jiān)測結果表明，監(jiān)測路段危巖體位移存在兩種變化形式，D4-D5-D7、D10位移曲線相對平滑，位移緩慢變化;D3-D9-D11、D2變形曲線呈現(xiàn)階梯狀，位移以突變?yōu)橹?經(jīng)現(xiàn)場確認，D4-D5-D7、D10為拉裂-傾倒式崩塌，D3-D9-D11、D2為拉裂-墜落式崩塌，曲線特征與相關研究相符（申太奇，2016）。監(jiān)測路段拉裂-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;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，將導致整面巖壁的崩塌災害發(fā)生。

3 崩塌預警初探

影響崩塌隱患穩(wěn)定性的因素很多，預警難度相對較大，尤其大多數(shù)崩塌是突發(fā)的、隨機的，更增加了預警難度，監(jiān)測預警的關鍵就是從眾多崩塌監(jiān)測數(shù)據(jù)中篩選出崩塌進入加速變形破壞前具有預警意義的指標，通過各個指標的定性描述和定量分析，進而做出不同級別的災害預警。

3.1 預警指標

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構面，軟弱結構面可以為巖層層理，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、易風化的巖體及陡坡地形等因素是影響崩塌形成的基礎性因素。

對于降雨因素，一定地形條件下的巖體，具備一定的軟弱結構面后，豐沛的降雨過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。

而人類工程活動一方面誘發(fā)了崩塌的形成，一方面人口本身或人類工程活動的成果，如道路、住房、水庫等又成為崩塌的威脅對象，使得崩塌現(xiàn)象演變?yōu)榱吮浪鸀暮虮浪[患，可見，人類工程活動是崩塌災害或崩塌隱患形成的決定性因素。

結合先進的監(jiān)測儀器設備將宏觀的影響因素進行量化監(jiān)測，確定預警指標體系（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。并緊密結合三維激光掃描監(jiān)測、真實孔徑雷達監(jiān)測與群策群防的宏觀前兆監(jiān)測，相互對比增加預報的準確性。

3.2 預警判據(jù)

大量崩滑塌案例表明，按位移-時間曲線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足1968年日本學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)型則直接進入加速變形階段（王延平，2016）。而進入加速變形階段是崩滑塌災害發(fā)生的前提，也是預警的重要依據(jù)。

北京地區(qū)崩塌監(jiān)測預警研究仍處于起步階段，缺少監(jiān)測崩塌點災害發(fā)生案例及室內(nèi)重現(xiàn)模擬研究?，F(xiàn)階段北京崩塌預警更多的是基于國內(nèi)崩滑塌研究理論（許強等，2015;許強等，2019）設定預警閾值，并在監(jiān)測中不斷總結經(jīng)驗、修訂閾值。當崩塌體出現(xiàn)變形后，崩塌儀加密采集數(shù)據(jù)，在時間尺度上將位移-時間曲線變緩，將突發(fā)型轉為漸變型進行分析，達到閾值觸發(fā)報警后，根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)測條件，選取無人機、真實孔徑雷達或三維激光掃描儀等手段進行人工監(jiān)測，確認整個危巖面是否有繼續(xù)變形趨勢，以便及時避讓，保障人員生命財產(chǎn)安全（圖9）。

4 結論

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、振動等自然因素及人類修路、建房等工程活動的影響下，極易發(fā)生災害。本次研究初步確認：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及居民點附近，災害多發(fā)于每年6、7、8月份;⑶琉辛路（密云段）監(jiān)測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)測預警響應機制，并在應用中不斷修訂、完善，這也必將是今后一定時期內(nèi)北京地區(qū)的研究重點。

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