發布時間：2020-04-06所屬分類：工程師職稱論文瀏覽：1次
摘 要： 摘要:秦嶺礦產資源開采區地質災害具有形成條件復雜、隱蔽性強與識別難等特點。如何識別隱蔽性地質災害是一難點。通過秦嶺釩礦開采區地質災害詳細調查，主要從斜坡體巖性組合特征、斜坡巖體結構特征、高程、坡型、坡度以及采礦活動六個方面總結了該區域地質災
摘要:秦嶺礦產資源開采區地質災害具有形成條件復雜、隱蔽性強與識別難等特點。如何識別隱蔽性地質災害是一難點。通過秦嶺釩礦開采區地質災害詳細調查，主要從斜坡體巖性組合特征、斜坡巖體結構特征、高程、坡型、坡度以及采礦活動六個方面總結了該區域地質災害發育規律。在此基礎上，結合無人機航拍室內解譯提出了一套適用于該地區的隱蔽性斜坡災害早期識別方法，從而為礦山斜坡災害預警與防治提供理論依據和技術支持。
關鍵詞:釩礦開采區;隱蔽性;地質災害;早期識別技術;秦嶺
秦嶺是華北與揚子兩大板塊碰撞造山帶[1]，該地區地質構造復雜、巖土體結構類型多變，形成高山峽谷、溝壑縱橫的地形地貌，是我國南北重要的地理分界線，造就了南北氣候的迥異，同時也是全國地質災害的高發地帶。近年來國內經濟逐年增長，西部大開發戰略得到進一步實施，人類工程活動和礦產資源的開發增多，崩塌、滑坡、泥石流等地質災害變得更加頻繁，特別是在礦產資源集中開采區，誘發地質災害的數量逐漸增多，且具有形成條件復雜、隱蔽性強、識別難等特點[2-4]。例如2015年8月12日發生在陜西省山陽縣中村鎮煙家溝碾溝村的特大型山體滑坡，掩埋中村釩礦15間職工宿舍和礦山配套設施及3間民房，8人遇難，57人失蹤，造成了嚴重的經濟和人員損失。
地質災害之所以能給人類社會造成如此嚴重的危害，在于人們難以事先對具有潛在威脅的災害進行準確的識別和預測，因而也就難以預先防范。目前除了對有潛在危險性的災害點進行全面治理之外，對地質災害綜合防治的另外一條積極主動的、有效的途徑，就是開展潛在的隱蔽性地質災害的早期識別研究[5-6]。該研究一直是世界性的難題，早在1970年代，H.T.里布(Rib)等[7]討論了如何認識潛在滑坡，并總結分析了遙感技術在滑坡判別中的應用。我國學者1975年編寫的《工程地質手冊》[8]中簡要從地貌、地層巖性、水文地質條件上識別滑坡。徐邦棟[9]詳細闡述了從地形地貌、地層巖性、結構構造及水文地質等條件判別潛在滑坡的依據和方法。邵鐵全[10]提出了滑坡超前預判的基本方法，即單要素預判法和綜合要素預判法。何滿朝等[11]針對巨型滑坡難以識別的問題，提出了利用宏觀地質特征和微觀結構特征相結合確定“滑坡巖體”的新方法。褚宏亮[12]運用三維激光掃描技術和機載激光雷達掃描技術進行了地質災害早期識別的研究。本文基于前人的研究成果，開展了無人機遙感與宏觀地質識別指標相結合的地質災害早期識別體系研究。
1地質環境概況
研究區位于陜西省東南部，商洛市南部，西起山陽縣中村鎮夏家店村，東至土門鎮龍王廟村，長約26km，南北寬約4.5km，總體帶狀分布。
1.1地形地貌
該區域屬于秦嶺山系南麓鵝嶺山脈，屬淺切割中山地貌，地勢西南高東北低，海拔在800～1500m，平均海拔1100m[13]，最低點位于峽峪溝段，海拔791.1m，最高點位于金獅劍西溝垴，海拔1441.6m，相對高差300～500m。溝谷縱橫，流水侵蝕嚴重，溝谷以NS方向展布為主，兩側坡體坡度在40°～60°之間。礦區內樹木雜草叢生，植被發育(圖1，圖2)。
1.2地質構造
該區域位于商丹縫合帶和勉略縫合帶之間，在此宏觀構造背景下，導致礦區內構造格局總體由近東西向的褶皺、斷裂構造組成。區內褶皺主要有:煙家溝倒轉背斜、正溝腦倒轉向斜。斷裂主要有:南秦嶺北部逆沖推覆構造帶、鳳鎮～山陽斷裂帶、板巖鎮～鎮安斷裂帶、兩河-閭河-白河斷裂帶和紅椿斷裂帶。
1.3地層巖性
該區域主要出露地層有上元古界震旦系燈影組(Z2dn)，下古生界寒武系-上奧陶系的水溝口組(1sh)、岳家坪組(2y)、石甕子組[(3-O1)s]，第四系地層主要分布于溝谷地帶(圖3，圖4)。
震旦系燈影組依據巖性組合、結構構造特征等可分為兩個巖性段:上巖性段巖性為灰色厚層微晶白云巖;下巖性段以淺～灰白色厚層～巨厚層微晶白云巖為主。水溝口組與燈影組接觸關系在局部地段被構造破壞，多數地段保留平行不整合接觸關系。水溝口組為一套海相碎屑巖、生物碎屑巖、泥質(粘土)巖、碳酸鹽巖沉積，為釩礦的賦礦層位，巖性主要為薄層硅質巖夾粘土巖，傾向北，產狀340～10°∠32～56°。中寒武統岳家坪組巖性主要為微晶礫屑灰巖夾粘土巖。第四系分布于河流的河谷底部和坡地，為河谷沖、洪積砂礫石，殘積、坡積砂土堆積(圖5)。
相關期刊推薦：《中國地質災害與防治學報》創刊于1991年。是經原國家科委正式批準，由中華人民共和國國土資源部主管，中國地質災害研究會主辦，專門登載有關自然和人類工程-經濟活動誘發的崩塌、滑坡、泥石流、地面塌陷、地面沉降、地裂縫、地震、黃土濕陷、粘性土脹縮、凍土融陷、地下水污染、海水入侵、礦井突水、巖爆、瓦斯爆炸、水土流失、土地沙漠化、鹽漬化等地質災害的發生、發展機制、規律、監測、預報，地質災害防治新技術、新方法以及地質環境保護等方面的科研成果或學術論文。
2地質災害發育規律
本次調查采用無人機低空航拍與實地詳查相結合的方式進行，重點調查礦區即釩礦帶周圍的斜坡災害，共查明災點35處，其中滑坡16處(表1)，崩塌13處，泥石流溝6條。在此基礎上，在Arcgis平臺下，以1∶10000地形圖作為基礎地理地圖，集成野外調查的地質災害點，以及前期所收集的地質資料，得到研究區的地質災害分布圖(圖6)。
2.1災害分布與巖性
組合的相關性調查區主要涉及兩組地層，震旦系燈影組Z2dn1-2地層和寒武系水溝口組第一巖性段∈1sh1和第二巖性段∈1sh2，水溝口組是釩礦的主要賦礦層。燈影組地層以白云巖為主，水溝口組第一巖性段為薄-中層狀硅質巖和薄層狀含碳硅質巖夾水云母粘土巖，第二巖性段為黑色薄層狀泥質碳質巖;由于整條釩礦帶位于耀州河倒轉背斜南翼，地層倒轉導致震旦系地層位于寒武系地層之上，呈平行不整合接觸，整體形成典型的“上硬下軟”兩個地質單元組成的雙層結構。
調查區多數災害是發生在這樣的巖性組合條件下的，由于上部中厚層狀白云巖致密堅硬，完整性和力學性質較好，從而形成突出的高陡地形;而下伏薄層碳質硅質巖夾粘土巖為軟巖，層理、節理發育，完整性和力學性質差，且遇水會發生軟化，因此在兩層巖性分界面處形成軟弱帶，成為滑坡和崩塌的重要致災因素。
2.2災害分布與高程的相關性
根據調查區的DEM柵格圖將調查區內的高程進行重分類分為5個等級:<800m、800～1000m、1000～1200m、1200～1400m、>1400m，由表2可以看出，災害點密度隨著高程的增加呈現先增后減的現象，斜坡災害主要發生在800～1200m之間，這是因為在高程較低的區域多是河谷的底部，地形平坦開闊，而800～1200m是區域上河流從峽谷進入寬谷的部位，這一部位地形坡度較陡，巖體卸荷最為強烈，人類工程活動頻繁，采礦響應最為突出，因而斜坡地質災害也最為發育。在高海拔區由于受采礦等人類工程活動影響較小，故災害發育較少。
2.3斜坡災害分布與坡度的相關性
根據野外調查結果，將調查區的斜坡劃分為<30°、30°～50°、>50°三個等級，統計不同坡度分類上的地質災害個數(圖7)可以看出，滑坡集中分布于30°～50°的坡體上，崩塌分布于50°以上的坡體上，而泥石流則發育在小于30°的坡體和溝谷中。
2.4斜坡災害分布與坡型的相關性
根據坡面形態可以將斜坡分為凹型坡、直線型坡和凸型坡，根據DEM提取的坡面曲率是對地面坡度沿最大坡降方向地面高程變化率的度量，可以間接的表示坡面形態，從而把坡面曲率值>0.5的歸為凸型坡，坡面曲率<-0.5的歸為凹型坡，-0.5<坡面曲率<0.5的歸為直線型坡。
從表3中可以看出，災害集中分布于凸型坡，而在凹型坡中發育最少，直線型坡體的災害分布介于二者之間。這是因為凹型坡是侵蝕基準長期穩定的結果，坡體中的應力集中較弱，坡體穩定性好，而凸型坡則相反，坡體表面向上凸起，反映了地殼隆升強烈、河流下切速度大于坡體侵蝕速度的結果，內部應力集中明顯，還可能出現拉應力，形成崩塌。
2.5災害分布與斜坡結構類型的相關性
斜坡結構類型反映了巖層原生層狀結構面產狀與斜坡的相互關系，總體控制了斜坡臨空條件和斜坡變形破壞的基本類型。結構類型主要表現為巖層傾角和斜坡坡向之間的相互關系。由此根據巖層傾角與斜坡坡向之間的夾角(α)分為:順向坡(0°～30°)、順斜向坡(30°～60°)、橫向坡(60°～120°)、逆斜向坡(120°～150°)、逆向坡(150°～180°)五類。
對本次野外調查結果進行統計，得到如圖8所示的結果，可見研究區內順向坡是災害的高發區，災點屬于順向坡的占比為41%，其次為順斜向坡占到24%，而橫向坡和逆斜向坡災點數量相近，逆向坡災點數量最少，即研究區斜坡災害易發程度為:順向坡>順斜向坡>橫向坡>逆斜向坡>逆向坡。另外根據對災害點巖層傾角的統計(表4)，發現巖層傾角集中在40°～60°，占災害總數的68.97%。
2.6人類工程活動
研究區釩礦帶東西展布，主要人類工程活動為礦山開采，沿線分布有10座礦山，規模大小不等，采礦活動對坡體穩定性的影響主要包括巷道開挖和爆破。
(1)巷道開挖對山體穩定性的影響分析
巷道開挖應力重分布范圍及塑性圈半徑是評價開挖巷道影響范圍的主要依據。根據巖體力學理論，在靜水壓力狀態下(洞室埋深大于洞室高度的三倍以上時)，一般認為地下洞室開挖引起圍巖應力重分布的范圍為6r0，在該范圍以外巖體結構不受開挖的影響。根據修正的芬納公式，塑性圈的最大半徑可按下式計算:
3、早期識別模型建立
地質災害的早期識別工作是對其研究、預警預報和進行治理的基礎，在識別的基礎上才能通過地表或外部現象認識到其成因機理，才能確定合理有效的防治措施[14]。研究區隱蔽性斜坡地質災害識別主要包括兩方面內容，首先進行災害點的室內解譯，通過變形跡象以及不同類型災害特有的幾何形態進行初步篩選判別，然后在野外進行驗證，同時利用地質識別標志判別其穩定性以實現隱蔽性斜坡災害的最終識別。
3.1無人機遙感室內解譯
由于研究區范圍大、山高溝深、植被茂密，有些區域人難以到達，所以我們首先使用無人機進行大范圍的航拍，然后在室內通過AgisoftPhotoScan軟件進行照片的拼接建立三維模型和DOM數字正射影像[15]，處理流程見圖9，三維模型更符合人類的思維慣性，它可以更直觀的反映地貌變化和地形起伏，之后通過解譯標志進行詳細解譯，獲得每個解譯點的位置、規模、幾何形態和危險性等[16]。解譯工作流程見圖10。
AgisoftPhotoScan是俄羅斯開發的一套攝影后處理軟件，是把靜態圖片自動拼接生成正射影像的攝影測量軟件，它的優勢是精度高、完全自動化，在特殊飛行軌跡、無控制點的情況下，可以制作三維影像和DOM正射影像。該軟件對照片質量要求低，只要保證拍攝場地照片有足夠的重疊率，沒有漏拍，就可以順利的自動拼接[17]。
本次航飛10個礦區，量測面積26km2，布設78條航線，飛行15架次，拍攝照片2500余張。以山陽中村鎮五洲礦業金獅劍開采區為例，航拍采用大疆PHANTOM4PRO無人機，布設6條航線，飛行3個架次，拍攝300余張照片，量測2.65km2，飛行高度500m，航向重疊率80%，旁向重疊率75%，相機傾斜45°。手動剔除質量較差的照片，將所有的照片導入到photoscan中生成三維影像和DOM正射影像，之后根據解譯標志(表5)進行初步解譯。三維模型見圖11。
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