發(fā)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(chǎn)資源開采區(qū)地質(zhì)災(zāi)害具有形成條件復(fù)雜、隱蔽性強與識別難等特點。如何識別隱蔽性地質(zhì)災(zāi)害是一難點。通過秦嶺釩礦開采區(qū)地質(zhì)災(zāi)害詳細調(diào)查，主要從斜坡體巖性組合特征、斜坡巖體結(jié)構(gòu)特征、高程、坡型、坡度以及采礦活動六個方面總結(jié)了該區(qū)域地質(zhì)災(zāi)
摘要:秦嶺礦產(chǎn)資源開采區(qū)地質(zhì)災(zāi)害具有形成條件復(fù)雜、隱蔽性強與識別難等特點。如何識別隱蔽性地質(zhì)災(zāi)害是一難點。通過秦嶺釩礦開采區(qū)地質(zhì)災(zāi)害詳細調(diào)查，主要從斜坡體巖性組合特征、斜坡巖體結(jié)構(gòu)特征、高程、坡型、坡度以及采礦活動六個方面總結(jié)了該區(qū)域地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育規(guī)律。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合無人機航拍室內(nèi)解譯提出了一套適用于該地區(qū)的隱蔽性斜坡災(zāi)害早期識別方法，從而為礦山斜坡災(zāi)害預(yù)警與防治提供理論依據(jù)和技術(shù)支持。
關(guān)鍵詞:釩礦開采區(qū);隱蔽性;地質(zhì)災(zāi)害;早期識別技術(shù);秦嶺
秦嶺是華北與揚子兩大板塊碰撞造山帶[1]，該地區(qū)地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜、巖土體結(jié)構(gòu)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(zhì)災(zāi)害的高發(fā)地帶。近年來國內(nèi)經(jīng)濟逐年增長，西部大開發(fā)戰(zhàn)略得到進一步實施，人類工程活動和礦產(chǎn)資源的開發(fā)增多，崩塌、滑坡、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害變得更加頻繁，特別是在礦產(chǎn)資源集中開采區(qū)，誘發(fā)地質(zhì)災(zāi)害的數(shù)量逐漸增多，且具有形成條件復(fù)雜、隱蔽性強、識別難等特點[2-4]。例如2015年8月12日發(fā)生在陜西省山陽縣中村鎮(zhèn)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(shè)施及3間民房，8人遇難，57人失蹤，造成了嚴(yán)重的經(jīng)濟和人員損失。
地質(zhì)災(zāi)害之所以能給人類社會造成如此嚴(yán)重的危害，在于人們難以事先對具有潛在威脅的災(zāi)害進行準(zhǔn)確的識別和預(yù)測，因而也就難以預(yù)先防范。目前除了對有潛在危險性的災(zāi)害點進行全面治理之外，對地質(zhì)災(zāi)害綜合防治的另外一條積極主動的、有效的途徑，就是開展?jié)撛诘碾[蔽性地質(zhì)災(zāi)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(jié)分析了遙感技術(shù)在滑坡判別中的應(yīng)用。我國學(xué)者1975年編寫的《工程地質(zhì)手冊》[8]中簡要從地貌、地層巖性、水文地質(zhì)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(jié)構(gòu)構(gòu)造及水文地質(zhì)等條件判別潛在滑坡的依據(jù)和方法。邵鐵全[10]提出了滑坡超前預(yù)判的基本方法，即單要素預(yù)判法和綜合要素預(yù)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(zhì)特征和微觀結(jié)構(gòu)特征相結(jié)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(shù)和機載激光雷達掃描技術(shù)進行了地質(zhì)災(zāi)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(zhì)識別指標(biāo)相結(jié)合的地質(zhì)災(zāi)害早期識別體系研究。
1地質(zhì)環(huán)境概況
研究區(qū)位于陜西省東南部，商洛市南部，西起山陽縣中村鎮(zhèn)夏家店村，東至土門鎮(zhèn)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(qū)域?qū)儆谇貛X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(yán)重，溝谷以NS方向展布為主，兩側(cè)坡體坡度在40°～60°之間。礦區(qū)內(nèi)樹木雜草叢生，植被發(fā)育(圖1，圖2)。
1.2地質(zhì)構(gòu)造
該區(qū)域位于商丹縫合帶和勉略縫合帶之間，在此宏觀構(gòu)造背景下，導(dǎo)致礦區(qū)內(nèi)構(gòu)造格局總體由近東西向的褶皺、斷裂構(gòu)造組成。區(qū)內(nèi)褶皺主要有:煙家溝倒轉(zhuǎn)背斜、正溝腦倒轉(zhuǎn)向斜。斷裂主要有:南秦嶺北部逆沖推覆構(gòu)造帶、鳳鎮(zhèn)～山陽斷裂帶、板巖鎮(zhèn)～鎮(zhèn)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(qū)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(jù)巖性組合、結(jié)構(gòu)構(gòu)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(guān)系在局部地段被構(gòu)造破壞，多數(shù)地段保留平行不整合接觸關(guān)系。水溝口組為一套海相碎屑巖、生物碎屑巖、泥質(zhì)(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(zhì)巖夾粘土巖，傾向北，產(chǎn)狀340～10°∠32～56°。中寒武統(tǒng)岳家坪組巖性主要為微晶礫屑灰?guī)r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(guān)期刊推薦：《中國地質(zhì)災(zāi)害與防治學(xué)報》創(chuàng)刊于1991年。是經(jīng)原國家科委正式批準(zhǔn)，由中華人民共和國國土資源部主管，中國地質(zhì)災(zāi)害研究會主辦，專門登載有關(guān)自然和人類工程-經(jīng)濟活動誘發(fā)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(zhì)災(zāi)害的發(fā)生、發(fā)展機制、規(guī)律、監(jiān)測、預(yù)報，地質(zhì)災(zāi)害防治新技術(shù)、新方法以及地質(zhì)環(huán)境保護等方面的科研成果或?qū)W術(shù)論文。
2地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育規(guī)律
本次調(diào)查采用無人機低空航拍與實地詳查相結(jié)合的方式進行，重點調(diào)查礦區(qū)即釩礦帶周圍的斜坡災(zāi)害，共查明災(zāi)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(chǔ)上，在Arcgis平臺下，以1∶10000地形圖作為基礎(chǔ)地理地圖，集成野外調(diào)查的地質(zhì)災(zāi)害點，以及前期所收集的地質(zhì)資料，得到研究區(qū)的地質(zhì)災(zāi)害分布圖(圖6)。
2.1災(zāi)害分布與巖性
組合的相關(guān)性調(diào)查區(qū)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(zhì)巖和薄層狀含碳硅質(zhì)巖夾水云母粘土巖，第二巖性段為黑色薄層狀泥質(zhì)碳質(zhì)巖;由于整條釩礦帶位于耀州河倒轉(zhuǎn)背斜南翼，地層倒轉(zhuǎn)導(dǎo)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(zhì)單元組成的雙層結(jié)構(gòu)。
調(diào)查區(qū)多數(shù)災(zāi)害是發(fā)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(xué)性質(zhì)較好，從而形成突出的高陡地形;而下伏薄層碳質(zhì)硅質(zhì)巖夾粘土巖為軟巖，層理、節(jié)理發(fā)育，完整性和力學(xué)性質(zhì)差，且遇水會發(fā)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(zāi)因素。
2.2災(zāi)害分布與高程的相關(guān)性
根據(jù)調(diào)查區(qū)的DEM柵格圖將調(diào)查區(qū)內(nèi)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(zāi)害點密度隨著高程的增加呈現(xiàn)先增后減的現(xiàn)象，斜坡災(zāi)害主要發(fā)生在800～1200m之間，這是因為在高程較低的區(qū)域多是河谷的底部，地形平坦開闊，而800～1200m是區(qū)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(yīng)最為突出，因而斜坡地質(zhì)災(zāi)害也最為發(fā)育。在高海拔區(qū)由于受采礦等人類工程活動影響較小，故災(zāi)害發(fā)育較少。
2.3斜坡災(zāi)害分布與坡度的相關(guān)性
根據(jù)野外調(diào)查結(jié)果，將調(diào)查區(qū)的斜坡劃分為<30°、30°～50°、>50°三個等級，統(tǒng)計不同坡度分類上的地質(zhì)災(zāi)害個數(shù)(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(fā)育在小于30°的坡體和溝谷中。
2.4斜坡災(zāi)害分布與坡型的相關(guān)性
根據(jù)坡面形態(tài)可以將斜坡分為凹型坡、直線型坡和凸型坡，根據(jù)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(tài)，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(zāi)害集中分布于凸型坡，而在凹型坡中發(fā)育最少，直線型坡體的災(zāi)害分布介于二者之間。這是因為凹型坡是侵蝕基準(zhǔn)長期穩(wěn)定的結(jié)果，坡體中的應(yīng)力集中較弱，坡體穩(wěn)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(jié)果，內(nèi)部應(yīng)力集中明顯，還可能出現(xiàn)拉應(yīng)力，形成崩塌。
2.5災(zāi)害分布與斜坡結(jié)構(gòu)類型的相關(guān)性
斜坡結(jié)構(gòu)類型反映了巖層原生層狀結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀與斜坡的相互關(guān)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(jié)構(gòu)類型主要表現(xiàn)為巖層傾角和斜坡坡向之間的相互關(guān)系。由此根據(jù)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(diào)查結(jié)果進行統(tǒng)計，得到如圖8所示的結(jié)果，可見研究區(qū)內(nèi)順向坡是災(zāi)害的高發(fā)區(qū)，災(zāi)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(zāi)點數(shù)量相近，逆向坡災(zāi)點數(shù)量最少，即研究區(qū)斜坡災(zāi)害易發(fā)程度為:順向坡>順斜向坡>橫向坡>逆斜向坡>逆向坡。另外根據(jù)對災(zāi)害點巖層傾角的統(tǒng)計(表4)，發(fā)現(xiàn)巖層傾角集中在40°～60°，占災(zāi)害總數(shù)的68.97%。
2.6人類工程活動
研究區(qū)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(guī)模大小不等，采礦活動對坡體穩(wěn)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(wěn)定性的影響分析
巷道開挖應(yīng)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(jù)。根據(jù)巖體力學(xué)理論，在靜水壓力狀態(tài)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(yīng)力重分布的范圍為6r0，在該范圍以外巖體結(jié)構(gòu)不受開挖的影響。根據(jù)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(zhì)災(zāi)害的早期識別工作是對其研究、預(yù)警預(yù)報和進行治理的基礎(chǔ)，在識別的基礎(chǔ)上才能通過地表或外部現(xiàn)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(qū)隱蔽性斜坡地質(zhì)災(zāi)害識別主要包括兩方面內(nèi)容，首先進行災(zāi)害點的室內(nèi)解譯，通過變形跡象以及不同類型災(zāi)害特有的幾何形態(tài)進行初步篩選判別，然后在野外進行驗證，同時利用地質(zhì)識別標(biāo)志判別其穩(wěn)定性以實現(xiàn)隱蔽性斜坡災(zāi)害的最終識別。
3.1無人機遙感室內(nèi)解譯
由于研究區(qū)范圍大、山高溝深、植被茂密，有些區(qū)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(nèi)通過AgisoftPhotoScan軟件進行照片的拼接建立三維模型和DOM數(shù)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(biāo)志進行詳細解譯，獲得每個解譯點的位置、規(guī)模、幾何形態(tài)和危險性等[16]。解譯工作流程見圖10。
AgisoftPhotoScan是俄羅斯開發(fā)的一套攝影后處理軟件，是把靜態(tài)圖片自動拼接生成正射影像的攝影測量軟件，它的優(yōu)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(zhì)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(qū)，量測面積26km2，布設(shè)78條航線，飛行15架次，拍攝照片2500余張。以山陽中村鎮(zhèn)五洲礦業(yè)金獅劍開采區(qū)為例，航拍采用大疆PHANTOM4PRO無人機，布設(shè)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(zhì)量較差的照片，將所有的照片導(dǎo)入到photoscan中生成三維影像和DOM正射影像，之后根據(jù)解譯標(biāo)志(表5)進行初步解譯。三維模型見圖11。
