在系统收集和分析研究区已有地质灾害调查研究资料的基础上, 总结了全区地质灾害发育分布规律。区内共分布地质灾害16.53万处, 其中滑坡为最主要类型, 占全区地质灾害总数的50%以上; 其次为崩塌、泥石流及地面塌陷等。西部深切河谷区主要发育崩滑流灾害, 常沿深切河谷和断裂构造呈带状分布, 主要受活动断裂带、河谷斜坡卸荷、短时强降雨和地震等条件控制, 易形成大型地质灾害及次生灾害链, 突发性特征明显^{[15, 16, 36]}; 中部中山陡坡区的地质灾害类型主要以滑坡、地面塌陷为主, 规模多为中-小型, 多沿区内河流、集镇、交通干线、工矿区等集中分布, 受红层及灰岩等岩性的影响显著, 在叠加库水位波动、人类工程活动及暴雨等条件下极易发生灾害^{[6, 7, 9, 11, 12]}; 东部丘陵缓坡区地质灾害以发育中-小规模滑坡及崩塌等为主, 地质灾害主要受凝灰岩、花岗岩等强风化残坡积层、次级断裂及人类工程活动等不利条件组合控制, 同时叠加台风暴雨和强烈人类工程活动(切坡建房)等, 具有群发性的特点^{[13, 14, 23, 24]}(图1)。

图1

Fig.1

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	图1 南方山地丘陵区地质灾害分布特征Fig.1 Distribution characteristics of geological hazards in hilly area of southern China

据有关资料统计, 2010— 2019年近10 年间, 区内年均发生地质灾害约1万处, 年均死亡人数近250人, 直接经济损失约26.6亿元。其中, 2010年地质灾害发生的数量最多, 约26 930处。从地质灾害发生数量的区域特征上看, 年均地质灾害发生数量大于1 000处的主要集中在四川、湖南及江西等省。总体上看, 近10年来区内地质灾害的发生数量、死亡人数和直接经济损失等均有明显的下降趋势, 年均地质灾害发生数量具有更加集中的特征(图2)。

图2

Fig.2

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	图2 2010— 2019年间南方山地丘陵区发生的地质灾害数量统计Fig.2 Quantity statistics of geological hazards in hilly area of southern China from 2010 to 2019

南方山地丘陵区涉及的范围广、面积大, 跨越多个地质构造及地貌单元, 其控灾因素复杂多样, 不同技术方法在不同类型地区的适用性和应用效果仍在不断地探索之中。围绕解决“ 空-天-地” 一体化技术方法在区内不同地质灾害孕灾背景条件下的适用性问题, 采用一般调查区1:5万比例尺、重点区1:1万比例尺的精度, 基于星载和机载等遥感技术, 结合地面调查、工程地质钻探、物探等多种技术手段, 开展了不同精度的地质灾害调查^{[30, 31, 32]}, 重点研究地形、植被覆盖率等下垫面差异性对调查的影响。在川西山区、武陵山区、三峡库区及浙江丽水等7个典型地区开展了基于光学遥感、InSAR、LiDAR、三维倾斜摄影以及贴近式摄影等技术的地质灾害调查与早期识别, 并对比分析了各类技术手段在不同地区的应用效果(图3)。研究结果表明:

(1)在西部高山峡谷区, 受地形高差大、构造活动强烈及气候高寒等因素的影响, 植被覆盖率相对较低, 深切河谷区斜坡发育, 光学遥感、InSAR及LiDAR以其技术优势在地质灾害调查和早期识别中可以发挥重要作用, 取得较好的效果。“ 空-天-地” 一体化技术能够解决许多无人区或地面调查难以到达区域的地质灾害信息获取问题(图4), 但有时也会因为地形垂直高差大、风速高等因素而使该技术的应用受到一定制约。

(2)在中部高陡岸坡区, 星载和机载遥感技术在地质灾害调查与识别中效果会受到明显限制, 一方面是因为这些地区的植被覆盖普遍较好, 另一方面是因为河谷深切后地质灾害发育的临空面多以垂直侵蚀为主, 存在岸坡临空面与星载和机载探测方向夹角过小的现象, 导致有效探测点密度降低。

(3)在东部丘陵地区, 光学遥感效果相对较好, 但InSAR和机载LiDAR等效果较差, 主要原因是这些地区降雨充沛, 气候温暖, 植被覆盖率高, 遮挡了遥感探测波的穿透能力。

图3

Fig.3

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	图3 基于InSAR技术的川西雅砻江深切河谷区典型变形滑坡识别结果Fig.3 Deformation recognition of typical landslides in the deep valley of Yalong River in West Sichuan based on InSAR technology

图4

Fig.4

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	图4 基于机载LiDAR和贴近摄影技术的高山峡谷区地质灾害调查应用Fig.4 Application of UAV LiDAR and close photography technology in geological hazards survey in mountain and canyon area

基于对南方7个不同地质灾害高易发区的应用实践, 初步形成了每种技术方法在南方山地丘陵区不同条件下地质灾害调查应用中的优劣势总结与分析。

(1)初步形成1:1万比例尺典型城镇地质灾害风险评价技术方法。基于城镇所处地貌部位、威胁城镇的不同类型地质灾害成因机制及成灾模式, 划分出南方山地丘陵区具有代表性和典型性的高山峡谷型、丘陵切坡型、库区水位涨落型及岩溶塌陷型4种城镇。通过对不同类型城镇地质灾害调查与风险评价实例研究, 形成了针对不同类型城镇的地质灾害风险调查与评价技术方法, 为下一步不同类型城镇地质灾害风险评价技术指南的形成奠定了基础。如西部高山峡谷型城镇遭受的潜在地质灾害威胁主要来自后山高陡斜坡; 丘陵切坡型城镇潜在地质灾害威胁主要来自城镇后山失稳的人工切坡, 适宜采用地面调查和勘察技术相结合的方法开展重点调查评价; 三峡库区库水位涨落型城镇遭受的潜在地质灾害威胁主要来自因水位变动引起的地表滑坡蠕变, 适宜采用地面调查、勘察及短周期监测技术相结合的方法开展重点调查评价; 岩溶塌陷型城镇遭受的潜在地质灾害威胁主要来自地下的岩溶, 适宜采用地面调查和勘察相结合的方法开展重点调查评价。

以高山峡谷区(四川省康定市炉城镇、云南省德钦县城)、三峡库区水位涨落型城镇(重庆市万州区大周镇)、岩溶塌陷型城镇(重庆市彭水县)及丘陵切坡型城镇(浙江省丽水市松阳县象溪镇)等典型城镇为例, 开展了1:1万比例尺城镇地质灾害风险评价, 初步形成了评价流程与技术。基于地形地貌、地质条件等孕灾背景条件为一体的综合斜坡单元结构, 主要结合大比例尺地形数据和地面1:1万比例尺高精度地质灾害调查进行综合划分, 大大提高了地质灾害危险区范围圈定的精度, 为地质灾害危险性的精细化评价提供了更加可靠的依据(图 5(a))。考虑山区城镇建筑结构和功能的多元性特点, 基于GeoEye卫星和无人机航空摄影的高分辨率影像, 采用机器学习和图像识别的自动提取技术, 提升了大范围承灾体的识别效率, 丰富了地质灾害自动化和智能化评价技术方法(图5(b))。遥感技术的成功应用, 使城镇地质灾害风险评价结果及分区精度都得到了显著提高, 为地方集镇规划提供了丰富的地质依据(图5(c))。

图5

Fig.5

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	图5 三峡库区大周镇地质灾害风险评价Fig.5 Geological hazards risk assessment of Dazhou town in Three Gorges reservoir area

(2)开展1:2 000比例尺单体地质灾害风险评价。对于单体地质灾害的评价, 已有的评价精度存在偏低的问题^[26]。如何提高单体地质灾害风险评价的精细化程度, 是本工程重点关注的内容之一。以武陵山区典型地质灾害为例, 开展了1:2 000比例尺单体地质灾害定量风险评价。根据野外实际调(勘)查和工程地质测绘数据, 基于地质灾害破坏概率理论, 计算得到了不同工况下地质灾害的危险性。根据现场调查、访问, 确定承灾体信息, 结合滑坡形成机理和运动过程模拟计算结果, 考虑灾害作用强度的空间差异性, 对承灾体易损性进行了计算。采用地质灾害风险计算方法, 对地质灾害影响范围内承灾体的经济和人员风险实施了评估, 形成了基于地质灾害破坏概率理论与地质灾害作用强度数值仿真分析的单体地质灾害定量风险评价技术方法^[6], 为单体地质灾害风险定量评价工作做出了示范(图6)。

图6

Fig.6

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	图6 武陵山区典型滑坡在不同暴雨工况下地质灾害风险评价结果Fig.6 Risk assessment of typical landslide under different precipitation conditions in Wuling mountainous area

2019年在川西山区、怒江流域、澜沧江流域、三峡库区、武陵山区、大别罗霄山区及浙江丽水7个重点地区建成14处典型地质灾害监测预警点, 分别代表了南方山地丘陵区不同灾害成因、孕灾背景及诱发因素等具有区域代表性的地质灾害类型(表1)。

表1

Tab.1

表1(Tab.1)

表1 2019年已建成典型地质灾害监测预警点统计 Tab.1 Statistics of typical geological hazards monitoring and early warning sites built in 2019 监测预警点名称 灾害 特征 灾害点 代表性 主要地 层岩性 年均降 雨量/mm 所在 位置 不同类型监测设备的数量/个 GNSS 雨量 站 裂缝 计 地声 泥位 深部 位移 地下 水位 土壤含 水率 测距 仪 视频 三道桥沟泥石流 土质 高山峡谷区(高寒)暴雨泥石流 花岗岩 804 四川省甘孜州康定市 3 1 2 火普社滑坡 土质 缓坡区暴雨滑坡 砂泥岩 1 021 四川省凉山州昭觉县 5 1 2 2 白格滑坡 岩质 高山峡谷区(高寒)滑坡 混杂岩带 549 西藏自治区昌都市江达县 33 1 17 1 7 尖山沟泥石流 岩质 高山峡谷区暴雨泥石流 板岩 818 云南省曲靖市会泽县 2 1 1 1 梅家岩滑坡 土质 中山陡坡区暴雨滑坡 泥质粉砂岩 1 224 重庆市彭水县 3 1 2 0 0 0 0 0 监测预警点名称 灾害 特征 灾害点 代表性 主要地 层岩性 年均降 雨量/mm 所在 位置 不同类型监测设备的数量/个 GNSS 雨量 站 裂缝 计 地声 泥位 深部 位移 地下 水位 土壤含 水率 测距 仪 视频 亚锅片河泥石流 土质 高山峡谷区暴雨泥石流 变质岩、侵入岩 1 500 云南省怒江州泸水市 1 1 七棵树滑坡 土质 高山峡谷区暴雨滑坡 变质岩 1 500 云南省怒江州泸水市 2 1 万州区大周镇 土质 三峡库区水位涨落型滑坡 红层砂泥岩 1 049 重庆市万州区大周镇 16 4 潘家弄村兰胡兴屋后滑坡 土质 丘陵地区台风暴雨型滑坡 花岗岩 1 700 浙江省丽水市松阳县 1 1 岩背村钟屋组滑坡 土质 丘陵地区暴雨滑坡 砂岩、页岩 1 507 江西省赣州市于都县 3 1 3 3 0 杞下村滑坡 岩质 花岗岩 1 560 江西省赣州市兴国县 1 1 3 3 1 下埠村滑坡 岩质 变质岩 2 2 0 1 日因卡滑坡 土质 高山峡谷区暴雨滑坡 火山岩 646 云南迪庆州德钦县 7 1 1 2 2 钮贡滑坡 岩质 片岩 合计 72 18 32 3 4 10 2 8 1 3

表1 2019年已建成典型地质灾害监测预警点统计 Tab.1 Statistics of typical geological hazards monitoring and early warning sites built in 2019

在地质灾害监测预警部署上, 主要采用“ 地表+深部” 监测相结合的思路, 在地面部署基于全球导航卫星系统(Global Navigation Satellite System, GNSS)、地表裂缝计等技术的地表位移监测, 在地下部署基于测斜仪等技术的深部位移监测, 形成从地表到地下于一体的立体监测。同时结合地方政府建立的群测群防体系, 形成“ 人防+技防” 于一体的交互验证和校核模式, 提升了地质灾害全天候实时监测预警能力。在此基础上, 采用B/S结构研发了南方山地丘陵区地质灾害监测预警平台, 实现了多类型设备数据格式的接入和集中管理, 形成了地质灾害数据管理-应急-监测数据传输-统计与分析于一体的多要素数据管理平台。典型地质灾害监测点数据的接入为区内不同孕灾背景及类型的地质灾害监测数据的统计分析、形成机理分析等提供了基础(图7)。

图7

Fig.7

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	图7 南方山地丘陵区地质灾害监测预警平台Fig.7 Monitoring and early warning and alert system of geological hazards in hilly area of southern China

在此基础上, 初步总结了南方地区典型暴雨型滑坡、暴雨型泥石流及三峡库区库水位消涨型滑坡的监测预警模型, 提出了基于区域地质灾害历史统计数据分析和实时监测数据的滑坡预警临界值, 为不同地区、不同类型的地质灾害监测预警提供了基础依据。地质灾害监测预警数据除了实时传输汇总到指定服务器外, 同时还传输到各地方政府的监测预警数据库中, 为地质灾害应急决策提供参考。

(1)初步揭示了三峡库区侏罗纪红层岩体在干湿循环作用下的岩体劣化规律。针对三峡库区库水位涨落对岩体产生干湿交替循环后形成的劣化、崩解及破坏问题, 以三峡库区侏罗纪砂岩、泥岩为对象, 采用岩样崩解实验、 CT(Computed Tomography)扫描实验、扫描电镜(Scanning Electron Microscope, SEM)实验、能谱(Energy Dispersive Spectrometer, EDS)测试实验及岩样单轴抗压强度等试验手段, 开展了红层边坡崩解致灾机理研究(图8)。

图8

Fig.8

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	图8 三峡库区侏罗纪砂岩在不同次数干湿循环作用下的力学参数变化特征Fig.8 Degradation and stress-strain curve of Jurassic sandstone under the condition of dry and wet cycle in Three Gorges reservoir area

结果表明: 在干湿循环过程中, 水分子沿着岩样中的微裂纹、微裂隙和颗粒之间接触面等结构面向岩体内部渗透, 产生的润滑、软化作用降低了岩体内摩擦系数和黏聚力; 岩样中的长石、方解石和黏土矿物在水溶液中易发生溶解、迁移、扩散等化学反应, 并与水溶液发生离子交换, 岩石的矿物成分和微观结构发生改变。同时, 试样中的蒙脱石、伊利石等黏土矿物, 在饱水的过程中发生吸水膨胀。由于黏土矿物的渗水速率极低, 岩石吸水过程中内部与表面不能同步膨胀, 导致试样表层出现拉应力, 进而出现拉裂破坏, 产生细微裂纹, 而岩样内部的微裂纹、裂隙分布区, 尤其是裂纹、裂隙尖端的塑性区域, 是水-岩物理、化学作用及渗透作用的活跃地带。在水压作用下, 裂纹端点处产生的应力集中, 容易诱发裂纹扩张, 更有利于水分子在岩样中的内渗、外渗和渗透通道的形成, 进而为水-岩物理、化学作用提供了更多的反应表面, 使水溶液与造岩矿物、黏土矿物、胶结物发生水-岩作用的概率增大、速度加快。随着干湿循环作用的增加, 岩样内部的损伤不断累积, 微孔隙和裂隙不断发展并逐渐贯通, 细微观裂纹、裂隙逐渐向宏观裂纹、裂隙转变。随着干湿循环作用次数增加, 矿物颗粒之间的孔隙、裂纹逐渐发育, 次生孔隙率逐渐增加, 试样的微观结构逐渐由致密变得松散。也正是这些微观结构变化的累积发展导致了红层软岩宏观物理力学特性的劣化。

(2)发现了封闭气体的传力作用对土质滑坡稳定的不利影响。针对赣南地区花岗岩风化砂土和变质岩残积黏土滑坡的成因机制问题, 采用室内非饱和土持水性能试验、三轴强度试验以及现场原位试验监测等手段, 从土体水力-力学性能衰减和雨水作用特征等角度入手开展了边坡失稳机理研究。结果表明, 大气降雨会造成地表土体暂态饱和, 地表以下非饱和区内的气体被暂态封闭, 非饱和区的孔隙气被压缩, 压力随降雨入渗迅速增大。密封气体能将地表饱和区的水压力传导并作用于地下水位面, 增大深部孔隙水压力, 对滑坡稳定性产生不利影响, 降雨结束后气压则会缓慢消散(图 9)。

图9

Fig.9

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	图9 赣南地区典型土质边坡失稳破坏与空隙气关联性实验结果Fig.9 Relation between soil slope failure and void gas based on experiment results in South Jiangxi

研究揭示了边坡失稳破坏过程中不可忽视的气体作用, 对以往研究中认为气体阻隔入渗对边坡稳定性有利的认识提出了相反的结论和证据。

(3)创新地质灾害监测预警设备研发。针对地质灾害监测预警及工程防治中遇到的难题, 分别研制完成了3通道地声监测站、无线裂缝计监测设备、滑坡分层含水量监测系统、压电式雨量计监测设备、滑坡深部倾角计监测设备和2 000 kN玄武岩纤维筋预应力自由锚索等地质灾害监测预警装置及工程防治材料, 目前正在推广应用。其中无线裂缝计、压电式雨量计和倾角计3种普适型地质灾害监测设备及2 000 kN玄武岩纤维筋预应力自由锚索达到了行业领先水平。滑坡深部全孔测斜仪为柔性测斜阵列, 根据钻孔深度定制, 可获取钻孔孔底至孔口的全孔深测斜数据, 完全匹配钻孔深度, 每节探头均安装有加速度传感器和磁场传感器, 探头可测量钻孔倾斜方向及倾斜角度, 能全面监测滑坡深部位移变形状况。滑坡分层含水量监测系统采用介电测量原理, 其传感器在国内率先使用丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物ABS(Acrylonitrile Butadiene Styrene)外壳与环氧树脂双层封装, 摆脱了传统人工标定时带来的误差问题, 具备了更加良好的一致性与互换性, 在大批量应用与对比测量时均具有明显优势。地声监测装置通过借鉴微地震地面监测震源的原理, 探索采用阵列式声波监测技术, 在灾害发生实时预警的基础上, 快速计算出泥石流运动速度及方量等, 能有效提高泥石流发生时的预警精度。