地质滑坡与地应力的关系

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1、地质滑坡成因与几何边界条件的探测煤炭科学研究总院西安研究院 王文祥 研究员摘要：产生滑坡的三个充分必要条件是：物质域、空间域、应力域，三者缺一都不会发生地质滑坡。空间域即几何边界条件 产生地质滑坡的几何边界条件之一是必然要形成。在地下如何探知潜伏的滑动面，需要借助地球物理勘探方法才能办到。本 文介绍的探测的方法是利用天然电磁波场源如何对潜在的地质滑坡滑动面根据低电磁电阻率条带是否形成加以确定。 关键词 ：地质滑坡 天然电磁波法勘探 物质域 空间域 应力域1. 地质滑坡概述滑坡：即是指山（斜）坡体上的部分岩体或土体在自然或人为因素的影响下，在某一时刻、沿某一个 滑动面向下运动的现象称为滑坡。地质

2、滑坡是长期地质作用的产物，其形成受各种条件制约。大致可分为自然因素和自然与人为因素两 大类。单纯人为因素的滑坡不属于地质滑坡范畴，如黄土层人为预留的坡度不合理，在重力作用下短时间 内出现的滑坡。触发地质滑坡的因素很多。其中降雨、人类的工程活动和地应力活动是最常见滑坡地质灾害的诱因。 很自然产生地质滑坡的边界条件有三种：其一物质边界条件（简称物质域）；其二几何边界条件（简称空 间域）；其三应力边界条件（简称应力域）。所谓物质边界条件是指滑坡过程中运移的岩体和土体；所谓几何边界条件是指滑坡产生时，运移的岩 体和土体底部有无二维的滑动面和滑动体运移后有无滞留的三维空间；所谓应力边界条件是指滑坡产生时

3、 沿滑动面向下的作用力大于作用在滑动面上的静摩擦力；很显然在降雨过程中，水的润滑作用降低了山体滑坡或泥石流在滑动面上的静摩擦力，地应力活动导 致地球表面山体某些不连续的破裂面形成山体滑坡底部连续的活动面（人类的工程活动有的是加速滑动面 的产生，有的是为山体滑坡提供滞留的三维空间位置）。前者一般与雨季、地表水的活动季节有关，这类 地质滑坡说明在大多情况下，几何边界条件已经具备或接近具备，所差是应力边界条件；后者一般与地下 地应力的积聚、释放有关，在大多数情况下，几何边界条件不成熟，一旦几何边界条件成熟，滑坡马上出 现。由于导致几何边界产生的地应力的边界条件人们不容易觉察到，所以其出现的时间多具随

4、机性，大部 分与地震的出现相伴生或滞后某些时间，有的是一段较长或更长的时间。了解了上述地质滑坡的成因，才能产生相关的探测、监测、预警、预防和治理的对策。2. 与降水有关的地质滑坡（泥石流）依据其成因，这类地质滑坡要注重在地形地貌地质调查上面做文章。也就是在物质域和几何域上面做 文章，其次是应力域。物质域方面主要考察岩土类型，岩石、土体是产生滑坡的物质基础，通常各类岩石、土体都能构成滑坡体，其中 结构松软，抗剪强度和抗风化能力低。在水的作用下，其性质易发生变化的岩石，土体，如松散的黄土、 红粘土、页岩、煤系地层等所构成的斜坡体最易发生滑坡。几何域方面主要研究地形、地貌特征。只有处于一定的地貌部位

5、，具备一定坡度的斜坡，才可能发生滑坡，前沿 开阔的山坡，铁路、公路和工程建筑物边坡等都是易发生滑坡的地貌部位。另外坡度大于10 度小于 45 度，下陡中缓上陡，上部成环状的坡形也是产生滑坡的有利地形。归纳起来犹如下几点：1）滑坡体表面总体坡度较陡，而且廷伸较长，坡面高度不平；2）有滑坡平台，面积不大，且不向下缓倾；3）滑坡体表面有泉水，湿地、且有新生冲沟；4）滑坡体表面有不均匀的局部平台。参差不齐；5）滑坡前沿有土石松散，小型垮塌时有发生，并且面临有被河水冲刷的危险；6）滑坡体上无巨大直立树木；7）滑坡体地表有无较大裂隙；如 1983年 3月 17日 17时45 分发生于甘肃洒勒山的滑坡是一个

6、典型的 实例。滑坡于1979年9月起动，当时在北坡发现宽约 10cm的东西向的裂隙，自1982年10月至12月开始3进入挤压滑坡阶段，最终于 1983年3月进入剧变和滑动阶段。滑坡体积 5000m，摧毁村庄4个。8）山体特殊观测点相对于某标准点是否出现位移；9） 高山峻岭中通过的河道通常为滑坡提供了理想的临空面。如1943年 2 月 7日在甘肃共和县的查纳滑坡是发生于西北黄土半成岩地区的一次规模巨大的灾害。滑体总量达1.27亿卅，滑速达40m3/s，100余人遇难，黄河曾短期断流；10）注意古滑坡体和堆积体边坡的复活。应力域方面 主要调查斜坡岩主体岩石的地层倾角与坡角关系、岩石破碎程度、较大破

7、裂面产状、断层三角面有无、 区域构造线方向和局部构造线方向与现代应力场的交角等构造成因，地表水冲刷、河流、河床、阶地与山 坡的几何关系以及不合理的人工活动，如开挖坡脚，坡体堆截，爆破，矿山开采等。只有被各种结构面切 割成不连续状态时，才可能具备向下滑动的条件。3. 与应力活动有关的地质滑坡3.1 受地震影响的地质滑坡地震是诱发滑坡的重要因素。受 1976年 7月 28日唐山地震波及，北京密云水库白河大坝上游坝坡发 生滑坡就是由于地震引起砂土液化所造成的。2008年汶川地震引发的次生地质灾害涉及到三省84县，面积达四十八万平方公里， 总的次生灾害至少上万处，其中光四川境内就有七千多处，这些次生地

8、质灾害主要指地质滑坡。3.2 地质滑坡是大地震来临之前的前兆2008 年 5 月 12 日汶川发生 8 级大地震， 5 月 7 日汶川县人民政府办公室关于切实做好 2008 年地质灾害防 治工作的紧急通知（汶府办发 200848号）通知中说：“今年 3 月 22 日威州镇茅岭发生山体高位崩塌，造成阿坝矿业民工工棚被毁，当场死亡民 工7人、失踪 1 人；3月 30日映秀镇中滩堡村发生山体崩塌，崩塌危石阻塞交通5个小时； 4月 8日绵池镇发生山体崩塌，摧毁制氧厂房 40 平方米。 3 次自然地质灾害共造成直接经济损失 230 余万元，发生时间 有所提前、发生频率较高，加之汛期来临，地质灾害防治形势

9、严峻，为切实做好地质灾害防治，现将地质 灾害防治工作有关事项紧急通知如下”。很显然在一个地区当地震即将来临之前，地质滑坡发生的频度增加这是一个很明显的前兆信号。因为 地下地应力的急剧活动影响到了地表。3.3 地下地应力活动导致的地质滑坡全国MDCB!电磁波联网预报地震协作组跟踪西安附近的震源区活动始于1998年1月5日泾阳发生MS4.6地震之后，到2007年1月18日11： 30，协作组根据仪器监测到的前兆异常做出了在2007年1月19日6： 00以后西安附近有可能有地震发生的预报，结果在 21日4点多312国道发生大面积滑坡。下面的图1是蓝田MDCB-6型临震信息监测仪监测到的异常图形。该图

10、形从监测以来这是第一次出现，偏偏又是在滑坡出现之前的第二天。1月19日做的临震预报，地震虽然没有发生，但在预报的时间内，兰田出现地质滑坡，不是在雨季，为什么会出现地质滑坡，是否是地下应力活动的结果。在2007年3月下旬图1 蓝田MDCB-6型临震信息监测仪监测到兰田地质滑坡出现之前的前兆信息图2 2007年西安附近地应力等值线对比图图2是2007年3月下旬测量的地应力等值线分布图。从图中可以明显看出2007年，西安地区的地应力高值区在西安的东南部，该地区这种高应力值活动造成了在红色三角地区兰田附近冬季发生大面积滑坡。3 .对地质滑坡几何边界条件一一潜在滑动面有无的探测从上面的地质滑坡成因分析中

11、，几何边界条件之一的滑动面有无是直接关系到该地区近期是否潜伏着 产生地质滑坡的主要因素之一。如何探知潜在地质滑坡体下面滑动面的有无和其发育状况，一般是要通过 地球物理勘探方法进行探测，下面介绍的是一种被动源法的地球物理勘探方法一一天然电磁波法。3.1 工作原理天然电磁波地球物理勘探方法也称SYT （石-S油-Y-探-T测方法）物性探测方法。该仪器接收的是超低频段天然电磁波。目前的理论界普遍认为这部分电磁波的是来自太阳风（各种射线和粒子流）轰击高空中的电离层和磁层时，磁层和电离层产生的0、12万Hz的脉冲电磁波；其次还来源于大气层中的雷电部分。这部分电磁波到达地面后，一部分进入地下，一部分又反射

12、回去。进入地下的电磁波遵从大地低频窗口截频公式f2,k = 9 105（1）（a +h）进入地下的这部分电磁波一部分被反射回地表，一部分继续向地下深部传播，一部分被介质吸收。反射回地表的这部分电磁波，其频率的大小和量值的多寡与界面的深度和物性特征一一电磁电阻率（利用电 磁波在介质通过时来反应介质电阻率属性的特征称为电磁电阻率，与利用自由电子在在介质通过时来反应 介质电阻率属性稍有不同）有关。SYT型物性探测仪就是把地下反射上来的不同频率的电磁波通过接收放大，转变成电压数字，再通过一定的软件程序将其转变成电磁电阻率来提取不同地层地质信息的。该仪器探测的频段范围通常为100 .3000Hz。该仪器

13、第一代产品（DTY型地电探测仪）在1989年经煤炭科学研究总院鉴定（鉴定编号：（89）煤科总院初鉴字第 001号）；1997年第六代产品DYL型地应力探测仪又经过安徽省地震局组 织地震界的有关专家鉴定（编号：评字（1997）第（1）号），1998年第五代产品SYT型物性探测仪又经过煤炭科学研究总院鉴定（鉴定编号：煤科计验字（1998）第（17）号）。在1995- 1997年期间，因在河北峰峰矿务局探测地下小窑充水巷道具体位置准确获煤炭工业局科技成果三等奖。有关该仪器的工作原理、 应用效果与理论探讨，在煤炭科学技术，煤田地质与勘探、地球物理学进展、地球物理学会年刊、煤炭学 报等刊物上曾发表了多篇

14、文章和出版的-论与天然电磁波法勘探、SYT天然电磁波法地球物理勘探规程及探测范例等专著。更为详细的资料可在网页相关内容上面查询。3.2 施工方案设计通过研究某地区地形、地貌特征。确定了潜在地质滑坡所在斜坡地段后，即可使用SYT 4型物性探测仪沿斜坡的倾向、走向布置测线进行勘探。测线间距一般在20-30 m。测线上各测点间距一般 5-10m，各测点探测深度为0 150m即可。SYT 4型物性探测仪探测步长为 1 m。3.3 探测成果简介图3中红颜色线条部位是潜在滑动面，黑色粗线条是岩层的地层倾角，蓝颜色条带代表滑动面附近岩 层破碎带已经充水。鸭蛋青线条所在部位代表在地表见到的裂缝处。图右侧颜色标

15、尺代表不同电磁电阻率(a)比例尺 1：1000fl-M4&03402BO220i120a m胪L440图3某地区潜在滑坡体SYT法探测成果剖面图值。从探测的结果看该滑动面发育尚未完全贯通，目前滑动面上方地质体的静压力还大于潜在滑动面上方23m左右，根据其面积可以计地质体重力沿山坡角度分解的作用力。目前滑动面上方滑动体的厚度大约为 算出未来滑动体的土方体积，并对并对未来灾害程度进行评估。4.结论利用SYT法对某些地区潜在的地质滑坡进行探测，从探测的成果看可以了解潜在滑动面的有无和发育状况，依据滑动面上方地质体的厚度计算出未来土方体积，可以对未来地质灾害做出评估，根据危险情况采取相应措施进行监测、

16、预警、预防和治理。参考文献1. 地质滑坡的成因许敏 来源：湖北安全生产信息网发布时间：2008-11-26 13:48:562. 浅谈我县地质滑坡的现状、成因及其对策何鹏 来源：网上查询3. ，论及地震短临预报，王文祥，刘勇等，陕西人民出版社，1997年3月4. 怎样预报观测台站周围、国内外最近7天地震 王文祥，杨武洋，陕西人民出版社，2006年7月Lan dslide causes and geometry boun dary con diti on detecti onXIAN BRANCH, OF CHINA COAL RESEARCH INSTITUTEWANG WENXIANGKey

17、 words: geology of Ian dslide domainGeometry of the doma inphysicalAbstract: On the three necessary and sufficient conditions are: material domain, spatial domain, stress field, the three one will not happen landslide. Spatial geometry boundary condition. Generation of landslide boundary condition i

18、s one of the inevitable to form. How to ascertain underground latent sliding surface, need have the aid of geophysical exploration methods can do. This paper introduces the detecting method is the use of natural electromagnetic wave source of potential landslide sliding surface according to low electromagnetic resistivity strip is formed to be determined.n atural electromag netic wave method in the explorati on stress field