引起人为地质灾害的主要机理

作者：黄德志 古黄玲 辛宇佳 单位：中南大学地球科学与信息物理学院

地质灾害主要类型

地质灾害按致灾地质作用的性质可划分为很多类型，其中危害性十分突出的主要有：（1）地壳活动造成的灾害，如地震、火山喷发；（2）浅层次地质变形造成的地质灾害，如地面塌陷、地面沉降及地裂缝；（3）地质块体失稳带来的地质灾害，如崩塌与滑坡、泥石流；（4）矿山开采造成的综合地质灾害，如洞井塌方、突水、瓦斯爆炸、水土污染等；（5）土地退化带来的地质灾害，如沙漠化、水土流失；（6）河、湖、水库水体作用下地质灾害，如塌岸、淤积、渗漏、浸没、溃决等；（7）海洋地质灾害，如海平面升降、海水入侵、海崖侵蚀、海港淤积、风暴潮、水下滑坡、潮流沙坝等。按照造成地质灾害的地质应力类型又可分为：内应力地质作用造成的地质灾害，如地震、火山喷发等；外应力地质作用造成的地质灾害，如崩塌与滑坡、泥石流等。上述地质灾害的分类可理解为学术上分类，这种学术分类，不同学者或基于不同出发点，可能不尽相同。但根据地质灾害的诱发源，即与人类活动的关系，地质灾害只能分为由自然地质作用引起的自然（原生）地质灾害及人为（次生）地质灾害。在上述按致灾地质作用的性质划分的类型中，各种类型都有可能是人类生产和社会活动导致的人为（次生）地质灾害。人为地质灾害主要起因于人类活动改变了地球，包括地表及其以下的岩石圈（主要是地壳岩石圈）的物理结构和化学环境的改变以及两者的联合作用。

地壳结构破坏与岩石破裂

岩石破裂基本机理很多次生地质灾害与人类活动致使地质体或岩石破裂相关，岩石破裂的根本原因是岩石所受附加应力超过了其所能承受极限。以剪破裂为例，当岩石所受的剪应力超过了其抗剪强度时，岩石就会发生剪破裂。图1为材料剪破裂时的库伦剪破裂示意图，圆C代表材料内（地质上即为岩石内）某点的应力莫尔圆，线FP和FP′为某种岩石的库伦剪破裂线，随着σn的逐渐增大，圆C达到如图所示与剪破裂线FP和FP′相切，P及P′点既代表岩石内某点一个特定方向切面上的应力状态，又在剪破裂线上，即满足岩石剪破裂条件，此时岩石发生剪破裂。对于张破裂，岩石破裂的基本机理与剪破裂相似，当岩石所受的张应力超过岩石的抗张强度时，岩石就会发生张破裂。因此，岩石破裂的基本机理就是岩石内积累的地应力超过了其临界值。

岩石结构破坏与地应力集中由岩石破裂机理知道，当岩石内应力积累到一定程度而达到岩石的抗剪或抗张强度时，岩石就会发生破裂。受力物体的应力分布状况不仅随外力的性质、大小和方向以及截面方位的不同而变化，还同物体本身的结构有关。材料力学研究表明，如果物体内部存在空洞、微裂隙或截面方位发生急剧改变时，则会造成应力的局部剧增，这种现象称为应力集中，受力物体往往在应力集中处首先开始破坏。材料力学研究中，通常以应力集中系数σk表示应力集中的程度。图2示意材料内一圆孔附近的应力集中现象，其最大应力σmax与该方向上的主应力σ（或平均主应力）之比为σk（即σk=σmax/σ），这就是材料结构缺陷产生的应力集中现象。地壳中的岩石并非完整无缺的，在外力作用下，其内部某些部位极易产生应力集中现象，岩石内部若有早期的裂隙和断裂存在，受力后，就会在裂隙的端点（图3）、断裂的端点、拐点、尖灭点、交汇点、分叉点或弧形转折拐角的外侧等部位出现应力集中现象。若外力不断增加，应力集中也随之增强，最后可导致材料首先在应力集中处破坏。由于地壳无时无刻不在变动，因此地壳内的应力集中也由小到大，当其积累到超过岩石所能承受的限度时，就会使那一部分岩石产生破裂而释放出大量能量，地震往往由此产生。人类社会生产活动，如矿山开采、道路、桥梁和水库等修建、城市建筑等，都有可能在岩石中产生新的裂隙，由此就有可能导致应力集中，从而诱发地质灾害。

矿山开采和道路建设过程中人为造成地壳结构破坏与诱发地质灾害

人类社会生产活动造成的地质灾害类型很多，其中与人为造成地壳结构破坏相关的最突出地质灾害包括如下几个方面。

矿山开采造成地壳（或地质体）结构破坏的人为地质灾害矿山地质灾害是地质灾害的一个分支，是人类开采矿山而直接诱发的人为地质灾害。我国是采矿大国，开采技术和设备相对落后，导致矿山开采环境不断恶化。近年来，冒顶、地表塌陷、矿坑突水等重大地质灾害发生频率明显上升[1]。矿山开采造成的地质灾害包括：地下型——由采矿或抽水引起的诱发构造型地震或岩爆；地表型——主要表现为由地下开采引起的地表沉陷和山体失稳；地上型——废矿石堆放引起的滑坡、泥石流及环境污染。在这些矿山开采造成的人为地质灾害中，构造型地震、岩爆、滑坡及地面沉降与地质体结构人为破坏而产生地应力变化直接相关。实际上，诱发构造型地震只是天然构造地震的特殊表现形式，应力积累和断层的产生同样可用上述的库伦剪破裂准则解释。已有研究表明，矿区构造地震多与诱发的逆断层有关[2]，根据Anderson断裂模式[3]，逆断层的应力状态是最大主应力σ1水平、最小主应力σ3直立，由于地下采掘导致垂向上σ3明显减小，从而使得差应力σ1-σ3增大，应力莫尔圆直径增大，断裂更易发生。岩爆的发生也与开采造成地质体结构破坏而产生应力集中有关，由于开挖的坑道导致地应力分异，围岩应力发生集中，在应力作用下产生破裂。矿区大多崩塌、滑坡及地面沉降起因于地质体的结构破坏而导致地应力状态改变，从而打破地应力状态平衡。因此，减少矿山人为地质灾害，除了保证尽量地合理开采外，还可人为的对破坏的地质体进行复原和补修，例如，采矿过程中及时回填采空区，实施复田及人工地壳和地质体结构的尽量恢复，对减少矿区人为地质灾害可起到一定的作用。

交通建设造成地质体结构破坏诱发的人为地质灾害交通建设包括公路、铁路、桥梁及隧道等建设，在各类工程建设中，公路是遇到地质灾害危害程度最严重的工程建筑之一[4]。影响交通工程中地质体稳定的因素众多，包括地形地貌、地层岩性、地质构造、水文地质特征、第四系地质特征及气候条件等。交通建设过程造成的人为地质灾害严重，主要表现为由地质体结构破坏造成地应力状态改变而导致的人为地质灾害十分显著，如崩塌、滑坡、泥石流、岩溶等地质灾害。大量的研究表明，现在发生的各类地质灾害约有50%与人类活动有关，公路地质灾害70%以上，而公路滑坡85%以上是由于公路路线走向不合理，工程设计不合理和公路建设过程中施工方案不当等因素所造成或诱发的[5]。从地质角度看，地层的岩性及破碎程度及构造的发育程度对地质灾害的影响至关重要。地质历史过程形成的地层及构造特征已无可改变，但人为控制和减少交通建设过程因天然地质因素而造成的地质灾害的可能性仍有可能，主要依靠早期的地质勘察与防范，包括施工前进行详细的工程地质勘察、细致的工程地质和水文地质条件研究、客观科学及全面的岩石力学实验等，这对可能情况下的道路线路的科学设计和地质灾害的预判及提前预防都有着重要指导价值。例如，在断裂发育区，尽可能避开重要断裂及构造破碎带，尤其是断层角砾岩胶结程度较低的构造破碎带；在单斜岩层区，尽可能选取地面坡向与地层倾向相反的山坡，由此可以降低和控制因道路开凿而诱发的滑坡。交通建设中人为地质灾害十分显著，其基本原因是施工使得原始地壳或岩石的结构遭到破坏，其破坏及对地质灾害影响程度，一方面取决于岩石原始的地层及构造，另一方面也与上述的早期详细工程地质勘探和合理的路线选取有关。例如，隧道的开挖打破了山体原有的地应力平衡，改变了山体的水文地质条件，如果隧道位置选择不好，设计不合理，便会产生岩爆、冒顶坍方、地面沉陷等地质灾害。与此同时，人为地质灾害亦与施工过程有着一定关系，这就需要采取科学合理的施工方法，降低对原始岩石的结构破坏，尽可能避免大型爆破施工，以免产生新的破裂和局部地应力集中。