参考文献

第五章　常见地质工程问题及研究

第一节　概　述

地质工程是以地球科学为理论基础，以地质调查、矿产资源普查与勘探、重大工程的地质结构与地质背景涉及的工程问题为主要对象，以地质学、地球物理、地球化学、数学地质、遥感技术、测试技术、计算机技术等为手段，为国民经济建设服务的先导性工程领域。

近年来，随着我国经济建设的快速发展，大型、超大型水利水电工程、高等级公路、城市地下空间开发及大型矿产资源的开采等相继进入建设高潮，出现了诸如采煤过程中的瓦斯爆炸、涌水；隧道掘进过程中出现的塌方、岩爆、涌水；水利水电工程中的滑坡等地质灾害。特别是我国实施西部大开发的战略目标。西电东送、西气东输等一大批国家重点工程在祖国的西南部诞生，如具有世界最长深埋隧道的南水北调西线工程、世界最大地下洞室群的龙滩电站、世界第二大深切峡谷的虎跳峡电站等都处在西部复杂地质环境中，显然，在这些重大工程的建设中，受到我国西部地区独特的复杂地质条件如复杂的地壳结构、高山峡谷的特殊环境、强烈的内外动力地质作用、极为活跃的构造运动、地质灾害频繁、地质环境脆弱等影响，或多或少存在着诸如滑坡、深开挖边坡、洞室围岩稳定及坝基抗滑稳定等工程地质问题。

总之，人类工程活动破坏或改变了固有的地质环境，而地质环境同时又制约各项工程建设，影响工程建筑物的稳定和正常使用，如意大利瓦依昂水库库岸滑坡等。因此，运用科学的技术方法，用最少的投资保证工程的安全运行是每个地质工作者责无旁贷的责任。作为地质工程专业技术人员，面临新的挑战，必须具备运用科学的方法去解决复杂地质问题的能力。

本章主要讲述地质工程理论在地基工程、斜坡地质灾害防治、城市地下空间开发、水电资源开发利用、矿产资源勘查与开发利用、城市地质调查等领域的应用。

第二节　地基工程地质问题

高层建筑的结构问题一直是建筑行业着重需要解决的，而应运而生的地基便扮演着拯救者的角色，坚固的地基是建设高质量建筑物的保证和前提。高层建筑物的修建过程中，地基是工程的支承体，接受由基础传递来的全部荷载，在保证地基本身不破坏的同时，要求地基的变形或沉降不至于危及上部结构的安全与正常使用。

然而，地基本身又是地质体，从属于建设地点自然环境条件下的表层地质构成。建设场地可能选定在地表上人类能够生存的任何地方，如山陵地带、平原地带、滨海地带、沼泽地带或冻土地带等，因此其地表地质的构成是千变万化的，地基可能是岩体，但更广泛的是覆盖在地表的土体。它们的工程地质性质大不相同，对建筑工程的支承能力也有很大差别。

地基按岩土介质可分为土质地基与岩质地基。任何建筑物都建造在地基上，地基失去稳定就意味着工程的破坏，因此，研究各类工程地基的可能性、适宜性和稳定性显得尤为重要。地基的主要问题在于弄清地基的工程地质特性，地基承载力和稳定性分析是建筑工程的重要工程地质问题，要求施加在地基上的基底压力应小于地基承载力特征值，并保证地基的稳定性要求，对特殊地基要进行专门的稳定性分析。

一、地基承载力

任何建筑物都建造在一定的地层上，通常把直接承受建筑物荷载影响的那一部分地层称为地基。未经人工处理就可以满足设计要求的地基称为天然地基。如果地基软弱，其承载力不能满足设计要求时，需要对地基进行加固处理，例如采用换土垫层、深层密实、排水固结、化学加固等方法进行处理，经过处理以后的地基称为人工地基。基础是将建筑物承受的各种荷载传递到地基上的下部结构，一般应埋入地下一定深度处，进入较好的地层。图5-1为地基与基础示意图。直接承受基础传来荷载的土层或岩层，称为持力层；持力层以下的岩土层叫下卧层。持力层是直接支承基础的岩土层，选择合适的地基持力层，直接关系到基础的可靠性及上部结构的稳定性。

图5-1　地基与基础示意图

作为建筑地基的岩土，可分为岩石、碎石土、砂土、粉土、黏性土和人工填土等，所以地基按岩土介质的不同分为土质地基与岩质地基。要保证建筑物的安全与正常使用，必须有牢固的地基。要保证地基的稳定可靠，就必须结合地基工程地质条件进行分析。

（一）土质地基承载力

地基承受建筑物荷载作用后，内部应力会发生变化。一方面，附加应力引起地基内土体变形，造成建筑物沉降；另一方面，会引起地基内土体的剪应力增加。地基承载力是指地基土单位面积上所承受的荷载，以k Pa计。通常可分为两种承载力：一种称为极限承载力，它是指地基即将丧失稳定性时的承载力；另一种称为地基承载力特征值，它是指地基稳定有足够的安全度，并且变形控制在建筑物容许范围内时的承载力。因此，要求施加在地基上的工程设计荷载应小于地基承载力特征值。

1.地基破坏模式

地基土破坏模式可以通过现场载荷试验来研究，这实际上是一种基础受荷的模拟试验。在地基土上放置一块模拟基础的承压板，受加载条件的限制，板的尺寸较实际基础小，一般约为0.25～1.0m2，置于基底的设计标高上，然后在板上逐级施加荷载，同时测定在各级荷载作用下承压板的沉降量，并观察周围土位移情况，直到地基土破坏失稳为止。

通过试验可得到荷载板各级压力p与相应的稳定沉降量s之间的关系，绘得p-s曲线，如图5-2（a）所示。对该p-s曲线的特性进行分析，就可以了解地基的承载性状。通常地基破坏的过程可分为以下三个阶段：

图5-2　地基破坏的三个阶段

（a）p-s曲线；（b）线弹性变形阶段；（c）弹塑性变形阶段

（1）压密阶段（或称线弹性变形阶段），相当于p-s曲线上的Oa段，在这一阶段，p-s曲线接近于直线，土中各点的剪应力均小于土的抗剪强度，土体处于弹性平衡状态。在这一阶段，荷载板的沉降主要是由于土的压密变形引起的，如图5-2（a）和（b）所示。p-s曲线上相应于a点的荷载称为比例极限。

（2）剪切阶段（或称弹塑性变形阶段），在这一阶段，p-s曲线已不再保持线性关系，沉降的增长率随荷载的增大而增加。在这一阶段，地基土局部范围内（首先在基础边缘处）的剪应力达到土的抗剪强度，土体发生剪切破坏，这些区域也称塑性区。随着荷载的继续增加，土中塑性区的范围也逐步扩大，如图5-2（c）所示，直到土中形成连续的滑动面。因此，剪切阶段也是地基中塑性区的发生与发展阶段。相应于p-s曲线b点的荷载称为极限荷载。

（3）破坏阶段，相当于p-s曲线上的bc段，当荷载超过极限荷载后，荷载板急剧下沉，即使不增加荷载，沉降也不能稳定，因此，p-s曲线陡直下降。在这一阶段，由于土中塑性区范围的不断扩展，最后在土中形成连续滑动面，如图5-3（a）所示，土从载荷板四周挤出隆起，基础急剧下沉或向一侧倾斜，地基发生整体剪切破坏。

试验研究表明，地基剪切破坏的形式除了整体剪切破坏以外，还有局部剪切破坏和刺入剪切破坏形式。

局部剪切破坏的特征是：随着荷载的增加，基础下塑性区仅仅发展到地基某一范围内，土中滑动面并不延伸到地面，如图5-3（b）所示。基础两侧地面微微隆起，没有出现明显的裂缝。其p-s曲线如图5-2（a）中的曲线B所示，曲线也有一个转折点，但不像整体剪切破坏那么明显，在转折点之后，p-s曲线还是呈线性关系。

图5-3　地基的破坏形式

（a）整体剪切破坏；（b）局部剪切破坏；（c）刺入剪切破坏

刺入剪切破坏的特征是：随着荷载的增加，基础下土层发生压缩变形，基础随之下沉，当荷载继续增加，基础周围附近土体发生竖向剪切破坏，使基础刺入土中。基础两边的土体没有移动，如图5-3（c）所示。刺入剪切破坏的p-s曲线如图5-2（a）中曲线C，沉降随着荷载的增大而不断增加，但p-s曲线上没有明显的转折点没有明显的比例界限及极限荷载。地基究竟发生何种破坏形式，主要与土的压缩性有关。一般来说，对于密实砂土和坚硬黏土将出现整体剪切破坏，而对于压缩性比较大的松砂和软黏土，将可能出现局部剪切和刺入剪切破坏。此外，破坏形式还与基础埋深、加荷速率等因素有关。当基础埋深较浅、荷载快速施加时，将趋向发生整体剪切破坏；若基础埋深较大，无论是砂性土或黏性土地基，最常见的破坏形态是局部剪切破坏。

2.地基承载力的确定方法

地基承载力特征值可由载荷试验或其他原位测试、公式计算，并结合工程实践经验等方法综合确定。如果p-s曲线是典型的[图5-2（a），A曲线]，在曲线上能够明显地区分三个阶段，则可以较方便地定出该地基的比例界限荷载和极限承载力。如果p-s曲线上没有明显的三个阶段，这时可根据实践经验，取对应于沉降s=（0.01～0.02）b（b为荷载板直径或者宽度）时的荷载作为地基承载力。

当基础宽度大于3m或埋置深度大于0.5m时，从载荷试验或其他原位测试经验值等方法确定的地基承载力特征值，还要进行修正

式中 f a——修正后的地基承载力特征值，k Pa；

f ak——地基承载力特征值，k Pa；

ηb、ηd——基础宽度和深度的地基承载力修正系数，按基底下土的类别查表5-1确定；

γ——基础底面以下土的重度，地下水以下取浮重度，k N/m3；

γm——基础底面以上土的加权平均重度，地下水以下取浮重度，k N/m3；

b——基础底面宽度，m，当宽度小于3m时按3m取值，大于6m时按6m取值；

d——基础埋置深度，m，一般自室外地面标高算起。

当偏心距小于或等于0.333倍的基础底面宽度时，根据土的抗剪强度指标确定地基承载力特征值可按下式计算，并满足变形要求：

式中 f a——由土的抗剪强度指标确定的地基承载力特征值，k Pa；

M b、M d、M c——承载力系数，按表5-2确定；

b——基础底面宽度，大于6m时按6m取值，对于砂土小于3m时按3m取值；

c——基底下一倍短边宽度内土的黏聚力标准值，k Pa。

表5-1　承载力修正系数表

注 1.强分化和全分化的岩石，可参照所风化成的相应土类取值，其他状态下的岩石不修正。
2.地基承载力特征值按照深层平板载荷试验确定时间，ηd取0。

表5-2　承载力系数表

（二）岩质地基承载力

岩质地基是指建筑物以岩体作为持力层的地基。岩石具有比土体更高的抗压、抗拉和抗剪强度，可以在岩石地基上修建更多类型的结构物。

为了保证建筑物或构筑物的正常使用，对于支撑整个建筑荷载的岩石地基要考虑以下三点：①基岩体需要有足够的承载能力，以保证在上部建筑物荷载作用下不产生碎裂或蠕变破坏；②在外荷载作用下，由岩石的弹性应变和软弱夹层的非弹性压缩产生的岩石地基沉降值应该满足建筑物安全与正常使用的要求；③确保由交错结构面形成的岩石块体在外荷载作用下不会发生滑动破坏，这种情况通常发生在高陡岩石边坡上的基础工程中。

根据《建筑地基基础设计规范》（GB 50007—2011），对于完整、较完整和较破碎的岩石地基承载力特征值，可根据室内饱和单轴抗压强度按式（5-3）计算

式中 f a——岩石地基承载力特征值，kPa；

f rk——岩石饱和单轴抗压强度标准值，k Pa；

φr——折减系数，根据岩体完整程度以及结构面的间距、宽度、产状和组合，由地区经验确定。无经验数据时，对完整岩体可取0.5；对较完整岩体可取0.2～0.5；对破碎岩体可取0.1～0.2。该折减系数值未考虑施工因素及建筑物使用后风化作用的影响；对于黏土质岩，在确保施工期及使用期不致遭水浸泡时，也可采用天然湿度的试样，不进行饱和处理。对破碎、极破碎的岩石地基承载力特征值，可根据地区经验取值，无地区经验时，可根据平板载荷试验确定。

岩基载荷试验采用圆形刚性承压板，直径为300mm。当岩石埋藏深度较大时，可采用钢筋混凝土桩，但桩周围需要采取措施以消除桩身与土之间的摩擦力。岩石地基承载力按如下测定：①对应于p-s曲线上起始直线段的终点为比例界限。符合终止加载条件的前一级荷载为极限荷载。将极限荷载除以3的安全系数，所得值与对应于比例界限的荷载相比较，取小值。②每个场地载荷试验的数量不应少于3个，取最小值作为岩石地基承载力特征值。③岩石地基承载力不进行深宽修正。

二、地基稳定性

岩土地基是建筑物的根本，统称为地基基础工程，其稳定性好坏直接影响到建筑物的安全和正常使用。基础工程是在地下或水下进行的，施工难度大，在一般高层建筑中，其造价约占总造价的25%，工期占总工期的25%～30%。当需采用深基础或人工地基时，其造价和工期所占比例更大。地基基础工程还是隐蔽工程，一旦失事，不仅损失巨大，而且补救十分困难。因此，对岩土地基稳定性进行工程地质分析，具有十分重要的实际意义。

（一）建筑地基稳定性

建筑地基所选持力层首先要满足承载力和变形要求，并且下卧层也能满足要求。对于中小型建筑物，良好土层是指坚硬、硬塑、可塑黏性土，中压缩性密实的其他土层，承载力大于150k Pa；软弱土层是指软塑、流塑黏性土层和松散砂层，承载力一般小于150kPa。

根据地基土分层情况，可分以下五类典型地基，如图5-4所示。

（1）a型地基。地基压缩层范围内由均匀的压缩性较小的土层构成，选择基础持力层应重点考虑地基土的冻胀性、房屋用途和作用在地基上的荷载等条件。

（2）b型地基。地基压缩层范围内由均匀的高压缩性的软土构成，对各类建筑物地基均不能满足变形条件时，需要采用人工地基，必要时加强上部结构的刚度，仍按a型地基条件选择持力层。

图5-4　地基土的组成类型

（a）a型地基；（b）b型地基；（c）c型地基；（d）d型地基；（e）e型地基

（3）c型地基。由两层土构成，上层软土，下层好土，持力层选择应综合考虑确定。若软土层厚小于2m，基础持力层应为好土层；若软土层厚为2～5m，对于低层轻型建筑，可将基础做在表层软土内，以避免大量的土层开挖，必要时可采用人工地基；对于3～5层的一般混凝土结构和无吊车设备的单层工业厂房，是否将下面的好土层作为持力层，应视具体情况来定。对高层和有地下室的一般混合结构房屋，应选下面的好土层作为持力层。若软土层厚大于5m，对低层轻型建筑和3～5层一般的混合结构房屋及无吊车设备的单层工业厂房，应以利用表土为主，必要时加强上部结构刚度或采用人工地基；对有地下室的房屋和高层建筑，是否以好土为持力层，或采用桩基，人工地基，应根据表土的具体厚度和施工设备条件定。

（4）d型地基。由两层土构成，上层好土，下层软土。当表土层厚度较大时，基础尽可能浅埋，用好土做持力层，以减小压缩层范围内软土层厚度，如果必要可将室外设计地面提高到天然地面以上（即在天然地面上填土）；如果土层很薄，按b型地基考虑。

图5-5　基础底面外边缘至坡顶水平距离示意图

（5）e型地基。由若干层交替的好土和软土构成，视各层土的厚度和压缩性质，根据减少基础沉降原则按上述情况确定。

根据《建筑地基基础设计规范》（GB 50007—2011），地基稳定性可采用圆弧滑动面法进行验算。最危险的滑动面上各力对滑动中心产生的抗滑力矩与滑动力矩应符合下式要求：

式中 M R——滑动力矩，k N·m；

M s——抗滑力矩，k N·m。

位于稳定土坡坡顶上的建筑，如图5-5所示，当垂直于坡顶边缘线的基础底面边长小于或等于3m时，其基础底面外边缘线至坡顶的水平距离应符合下式要求，但不得小于2.5m。

条形基础

矩形基础

式中 a——基础底面外边缘至坡顶的水平距离，m；

b——垂直于坡顶边缘线的基础底面边长，m；

d——基础埋置深度，m；

β——边坡坡角，（°）。

（二）岩基稳定性

1.岩基失稳破坏的类型分析

岩基失稳破坏的主要影响因素有5个方面：①区域地壳稳定性；②岩体的结构特征、变形特征强度特征、水稳性等；③边界临空面和结构面；④荷载的类型大小和方向；⑤工程类别对岩基失稳有重要影响，如高层建筑除了考虑垂直荷载之外，还应考虑水平荷载的影响；对高耸构筑物，水平荷载很大，应考虑迎风一侧基础的抗拔能力，以防构筑物倾倒。

岩基的破坏形式不仅与工程类型有关，还与影响岩体稳定的主要因素有关。破坏类型如下：

（1）当区域稳定性为相对稳定，工程岩体本身的内在条件较好（完整性好、变形模量和强度均大）时，岩体失稳破坏的类型取决于边界条件、工程类型及工程荷载性质的组合特点，岩体失稳破坏的方式往往以剪切滑移方式为主。

（2）当区域稳定性为相对活动（以活动性地震断裂活动为主），工程的场地条件较好（岩体本身的内在条件较好，且无失稳分离面和临空面作为边界条件等），若工区位于区域活动性地震断裂带附近（如地面塌陷、地裂缝等）时，岩基将随着地震断裂的活动而发生水平位移或垂直位移甚至产生断裂等失稳破坏情况，并致使筑于其上的构筑物失稳破坏；若工区不位于地面塌陷、地裂缝区域而处于高烈度地震区时，岩体一般不至于失稳破坏，地面建筑物则往往在水平地震力的作用下发生拦腰水平截断而倾覆，处于地下的构筑物一般很安全。

（3）区域环境和工程场地均处于突出的高水平构造应力状态，工程类型为地下圆拱直墙型隧洞工程，岩体本身内在条件好，无失稳分离面作为边界条件时，隧洞围岩失稳破坏的方式一般是隧洞两直墙在高水平构造应力的压迫下弯凸和相互不断靠拢，或两直墙岩体因应力剧烈释放而不断发生张裂崩塌破坏。

（4）当区域相对稳定，岩体抗压强度较高，不具备失稳滑移的边界条件，但近于水平的层面结合力弱，地面建筑物承受强大的风荷载时，可能发生的往往是岩基因抗拔力不足而发生建筑物迎风面之下的岩基首先张拉破坏并导致建筑物倾倒。

（5）区域相对稳定，工程场地为河流之滨，岩体本身内在条件较差。岸坡建筑物岩基失稳如图5-6所示，其主要以压缩性大的薄层状碎裂结构页岩为主，岸坡陡峭，坡前缘为中厚层状节理发育的砂岩，岩层陡倾，倾向坡里。在建筑物荷载的作用下，建筑物持力层将发生过大的压缩沉降变形，与其侧向膨胀变形相对应的侧向压力将使岸坡前缘砂岩层发生弯折、崩塌，前缘砂岩附近的持力层必随之发生压缩破坏，导致建筑物向河中倾覆，或沿可能的滑动面倾滑到河中。

2.岩基稳定性分析方法

由于不同类型的工程岩体对稳定性要求不同，不同结构特征及边界条件的岩体的变形与失稳机制不同，因此，岩体稳定性分析的方法亦不尽相同。归纳起来，国内外应用于岩基稳定性分析的方法有：地质分析类比法、岩体结构分析与计算法、岩体稳定性分类法、数值模拟计算法、地质模拟试验法等。

图5-6　岸坡建筑物岩基失稳示意图

地质分析类比法是比较分析待建工程地区的工程地质条件与具有类似工程地质条件相邻地区的已建工程，获得对待建工程岩体稳定性程度的认识；岩体结构分析与计算法是从分析岩体的结构特征和岩体的边界条件与受力状态入手，通过必要的室内外试验，获取岩体稳定性计算的参数，进行稳定性计算；岩体稳定性分类法是以大量岩体质量与性质的实践性数据为基础，从岩体稳定性角度出发，对岩体的质量进行单指标的分类或多指标的综合评判分类；数值模拟计算法是从研究岩体的应力与应变的本构方程和获取岩体变形参数入手，建立岩体在承受工程荷载条件下的力学模型，评价岩体的稳定性；地质模拟试验法是在岩体结构特征、岩体边界条件分析和室内外力学试验所得参数的基础上，以相似材料制作按比例缩小的地质试验模型，施加按比例缩小的荷载，观测其变形、破坏过程，获取所需计算参数，进而通过反馈分析、定量和定性计算分析岩体的稳定性和破坏规律。

以上5种方法，通常需要互相配合使用。但对中小工程，则常用地质类比法进行简单的分析计算。对于岩基的稳定分析，最重要的是确定被结构面分割的滑动割离体其受力条件以及计算的参数。

3.高层建筑岩基稳定性分析

下面以广州白云宾馆的岩基利用为例，分析高层建筑的岩基稳定性。

图5-7　广州白云宾馆岩基示意图

广州33层的白云宾馆，高114.05m，总重近10万t（图5-7）。建筑场地的上部覆盖层为残积、坡积的红褐色硬可塑粉质黏土，总厚度为10～27.72m，其下埋藏着第三系砂岩与砾岩交互成层的基岩，岩面起伏较大。由于高层建筑对整体倾斜的严格限制以及有抗震、抗风等要求，基岩上的覆盖土层不能满足工程要求。为此设置了287根直径为1m的混凝土灌注桩和直径为2m的钢筋混凝土墩。施工前用钻探把各桩（墩）的基岩摸清，灌注桩最长的为17.25m，端头嵌入新鲜基岩0.5～1.0m，经荷载试验确定单桩设计承载力为4500k N。桩完成后于桩身取芯（混凝土）检查质量。建成后，测点沉降量均小于4mm。

（三）特殊地基稳定性分析

1.不同类型岩土地基的稳定性特点

建筑场地根据岩土体结构可以分为坚硬、半坚硬岩石地基和松散土石地基。前者在一般情况下都能满足建筑物的要求；后者则又可根据岩性均一程度划分为均一土石地基、稳定成层土石地基、厚度变化强烈且夹有透镜体的成层土石地基。不同类型岩土地基的稳定性是不同的，具体表现在以下几个方面。

均一土石地基，可以是松散砂-砾质的或黏土质的砂-砾质土石。松散砂在静荷载作用下承载能相当高，但如为疏松结构则会在振动荷载下产生强烈沉降，所以不适宜作为有振动荷载的厂房地基。砂质地基在饱水情况下易于产生流砂或潜蚀，从而降低承载能力并影响工程稳定性，这时必须采取特殊的施工措施。黏土质土石在干燥情况下承载能力也能满足一般厂房要求，但随含水量增高、稠度状态变化，其承载能力就会降低。如选用一些特殊黏性土石作为地基，则往往需采取特殊措施。稳定成层的土石地基，由岩性上有某种差别而层厚稳定的土石组成，如夹有可压缩性很高的弱土层也是不利的，但沉降将是均匀的。

厚度变化强烈且夹有透镜体的成层土石地基，这是最不利的情况，建筑物将会产生强烈的不均匀变形。当夹有厚度变化比较大的软弱土层时，往往使建筑物产生不能允许的变形。为防止这种变形，则需经过特殊处理（图5-8），山麓或河谷斜坡多为此类地基。

图5-8　不均匀土地基的桩基处理

2.软土地基稳定性分析

淤泥、淤泥质土称为软土，由软土组成的地基称为软土地基。淤泥和淤泥质土一般是第四纪后期在滨海、湖泊、河滩、三角洲、冰碛等地质环境下沉积形成的。这类土大部分是饱和的，含有机质，天然含水量大于液限，孔隙比大于1。软土在我国沿海一带分布很广，如渤海湾及天津塘沽、长江三角洲，浙江、珠江三角洲及福建省沿海地区都存在海相或湖相沉积的软土。

软土的强度很低，天然地基上浅基础的承载力基本值一般为50～80k Pa，不能承受较大的建筑物荷载，否则就可能出现地基的局部破坏乃至整体滑动；在开挖较深的基坑时，可能出现基坑的隆起和坑壁的失稳现象。

软土压缩性较高，建筑物基础的沉降和不均匀沉降较大。若沉降过大将引起建筑物基础标高的降低，将影响建筑物的使用条件，或者造成倾斜、开裂破坏。软土渗透性很小，固结速率很慢，沉降延续的时间很长，给建筑物内部设备安装与外部连接带来困难；同时，软土的强度增长比较缓慢，长期处于软弱状态，影响地基加固的效果。

软土具有比较高的灵敏度，若在地基施工过程中产生振动、挤压和搅拌等作用，就可能引起软土结构的破坏，降低软土的强度。软土地基在地震作用下，还可能出现震陷现象。例如1976年唐山地震时，一些建筑物发生整体倾斜。

3.砂土液化地基稳定性分析

在强烈的地震作用下，饱和松散砂土及低塑性土的颗粒骨架会产生急剧的增密，于是孔隙水就承担了全部土体自重压力及所受的外压力，土中有效应力瞬时消失，土的抗剪强度趋近于零。一方面，导致场地地基的失稳；另一方面，常常在地层表面出现喷水冒砂现象。饱和砂土在循环荷载作用下，可能产生相态的转化，由固态转为液态，这种相态转变过程就是孔隙水压力发展过程。砂土液化是一种特殊情况下的强度问题，可称为液化破坏。

砂土液化现象非常广泛，地基失效而引起房屋、桥台、桥墩、码头、机场、道路和公用设施，以及水利工程等破坏。地基砂土液化涉及的因素很多，包括覆盖土层的厚度地下水位的深度、地震烈度、砂土粒度和密实度等。

4.岩溶地基稳定性分析

岩溶对地基稳定的影响，主要表现在以下5个方面：

（1）没有根据场地内岩溶发育和分布条件，结合建设要求趋优避劣、合理布局而酿成事故。

（2）因岩溶基岩面崎岖不平，并有土层分布，致使地基沉降不均匀；或因桩柱支撑不可靠而导致上部结构破坏。岩溶地基不均匀沉降和桩柱不可靠支撑如图5-9所示。

图5-9　岩溶地基不均匀沉降和桩柱不可靠支撑示意图

（a）水平的可溶岩基岩崎岖不平，桩端支撑不可靠产生不均匀沉陷；（b）倾斜的可溶岩基岩面桩柱挠曲产生不均匀沉陷；（c）基岩面附近溶洞上土层坍塌产生结构开裂；（d）倾斜岩溶基岩面因荷载产生层面滑移、结构开裂

（3）地下洞穴顶板坍塌，导致基础悬空、结构开裂。当有这种可能时，则应根据基础下洞穴所处位置、形态和大小，验算洞穴顶板的稳定，或对基础形式做合理调整与设计。

（4）因基础范围附近有洞穴或垂直溶隙，致使地基岩石受力后，沿层面产生向洞隙方向的滑移[图5-9（d）]。

（5）在工程条件下，如荷载的长期作用，地表水的下渗，以及地下水动力条件的改变，会造成新的不稳定因素。

在岩溶与土洞地区的地基稳定分析应考虑以下三个问题：溶洞和土洞分布密度和发育情况；溶洞和土洞的埋深对地基稳定性影响；抽水对土洞和溶洞顶板稳定的影响。由于地下水位大幅度下降，使保持多年的水位均衡遭到急剧破坏，大大地减弱了地下水对土层的浮托力。由于抽水产生地下水的循环，动水压力会破坏一些土洞顶板的平衡，引起土洞顶板的破坏和地表塌陷。

按表5-3列出的各项因素可对岩溶场地稳定性作出有利和不利的定性评价。但定性评价只是一种经验比拟法，仅适用于一般工程。

表5-3　岩溶场地稳定性评价表

溶洞顶板稳定性定量评价主要适用于顶板为中厚层、薄层、裂隙发育，易风化的较软弱的碳酸盐岩层，有可能坍塌的溶洞，或仅知洞体高度时。由于顶板坍塌后，塌落体体积增大，当顶板具有一定的坍落高度时，溶洞空间即被填满，无须考虑其对地基的影响。顶板应具有的塌落高度计算公式为

式中 H——顶板应具有的塌落高度，m；

H 0——洞体最大高度，m；

K——岩石松散（胀余）系数（石灰岩为1.2，黏土为1.65）。

顶板安全厚度计算适用于顶板较完整、厚度较大、强度较高，且已知顶板厚度和裂隙切割情况时，常用方法如下。

按极限平衡条件计算顶板能抵抗荷载剪切的厚度验算，公式为

式中 T——溶洞顶板的总抗剪力，k N；

P——溶洞顶板所受总荷载，k N；

H——顶板岩层厚度，m；

τf——岩体的计算抗剪强度（石灰岩一般为允许抗剪强度的1/12），k Pa；

L——溶洞平面周长，m。

按梁板受力情况验算一定厚度顶板的抗弯强度，公式为

因此，

式中 H——顶板岩层厚度，m；

[σ]——岩体允许抗弯强度（石灰岩一般为允许抗压强度的1/8），k Pa；

b——梁板的宽度，m；

M——弯矩，k N·m。

当顶板中间有裂隙，两端支座坚固完整时，按悬臂梁计算，见式（5-12）；

当一端支座有裂缝，其他处完整时，按简支梁计算，见式（5-13）；

当顶板完整无裂隙时，按固端梁计算，见式（5-14）。

式中 q——总荷载，k N；

L——洞宽，m。

对于完整的水平顶板，也可假定荷载按30°～35°扩散角向下传递。当传递线交于顶板与洞壁交点以外时，即可认为顶板上荷载由溶洞外岩体支承，顶板是安全的，也可用洞跨比法确定。一般认为，当顶板厚度与建筑物跨过洞穴的长度比值为0.5～0.87时，可认为顶板是安全的。

三、地基处理

（一）地基处理的目的

当天然地基不能满足各项工程建设要求时，就必须采取一定措施使地基满足使用要求。常用的措施有：重新考虑基础设计方案，选择合适的基础类型；调整上部结构设计方案对地基进行处理加固。一般而言，地基问题可归结为以下几个方面：

（1）承载力及稳定性。地基承载力较低，不能承担上部结构的自重及外荷载，导致地基失稳，出现局部或整体剪切破坏，或冲剪破坏。

（2）沉降变形。高压缩性地基可能导致建筑物发生过大的沉降量，使其失去使用效能，地基不均匀或荷载不均匀导致地基沉降不均匀，使建筑物产生倾斜、开裂、局部破坏，失去使用效能甚至整体破坏。

（3）动荷载下的地基液化、失稳和震陷。饱和无黏性土地基具有振动液化的特性。在地震、机器振动、爆炸冲击、波浪作用等动荷载作用下，地基可能因液化、震陷导致地基失稳破坏；软黏土在振动作用下，产生震陷。

（4）渗透破坏。土具有渗透性，当地基中出现渗流时，将可能导致流土（流砂）和管涌（潜蚀）现象，严重时能使地基失稳、崩溃。

对于存在上述问题的地基，称为不良地基或软弱地基。采用合适的地基处理方法可以使这些问题得到解决或较好地解决。换言之，地基处理的目的就是选择合理的地基处理方法对不能满足直接使用的天然地基进行有针对性的处理，以解决不良地基所存在的承载力、变形、稳定、液化及渗透问题，从而满足工程建设的要求。

认识和分析地基条件，评价其工程性质，选择合理的地基处理方法并完成卓有成效的施工，实现高质量、低成本的目标是岩土工程师的重要任务之一。

（二）地基处理对象

地基处理对象主要包括：软黏土、杂填土、冲填土、饱和粉细砂、湿陷性黄土、泥炭土、膨胀土、多年冻土、岩溶土洞等。另外，除上述各种软弱和不良地基上建造结构物需要考虑地基处理外，当旧房改造、增层等原因使荷载增大导致原地基不能满足新要求，或由于地下工程开挖带来的土体稳定、变形或渗流问题时，同样也需要进行地基处理。

（三）地基处理原理和分类

前面已经谈到，当天然地基不能满足建（构）筑物对地基稳定、变形以及渗透方面的要求时，需要对天然地基进行地基处理，以满足建（构）筑物对地基的要求，保证其安全与正常使用。现有的地基处理方法很多，新的地基处理方法还在不断发展。要对各种地基处理方法进行精确的分类是困难的。根据地基处理的加固原理，可对地基处理方法进行分类。

（1）置换。用物理力学性质较好的岩土材料置换天然地基中部分或全部软弱土或不良土，形成双层地基或复合地基，以达到提高地基承载力、减少沉降的目的，主要包括换土垫层法、挤淤置换法、褥垫法、振冲置换法（或称振冲碎石桩法）、沉管碎石桩法、强夯置换法、砂桩（置换）法、石灰桩法，以及EPS超轻质料填土法等。

（2）排水固结。土体在一定荷载作用下固结，孔隙比减小，强度提高，以达到提高地基承载力，减少施工后沉降的目的。它主要包括加载预压法、超载预压法、砂井法（包括普通砂井、袋装砂井和塑料排水带法）、真空预压与堆载预压联合作用，以及降低地下水位等。

（3）灌入固化物。向土体中灌入或拌入水泥、石灰，或其他化学固化浆材在地基中形成增强体，以达到地基处理的目的，主要包括深层搅拌法、高压喷射注浆法、渗入性灌浆法、劈裂灌浆法、挤密灌浆法和电动化学灌浆法等。

（4）振密、挤密。采用振动或挤密的方法使未饱和土密实以达到提高地基承载力和减少沉降的目的，主要包括表层原位压实法、强夯法、振冲密实法、挤密砂桩法、爆破挤密法、土桩和灰土桩法。

（5）加筋。在地基中设置强度高、模量大的筋材，以达到提高地基承载力、减少沉降的目的。强度高、模量大的筋材可以是钢筋混凝土，也可以是土工格栅、土工织物等。主要包括加筋土法、土钉墙法、锚固法、树根桩法、低强度混凝土桩复合地基和钢筋、混凝土桩复合地基法等。

（6）冷热处理。通过冻结土体，或焙烧、加热地基土体改变土体物理力学性质以达到地基处理的目的。它主要包括冻结法和烧结法两种。

（7）托换。对原有建筑物地基和基础进行处理和加固，主要包括基础加宽法、墩式托换法、桩式托换法、地基加固法以及综合加固法等。

（8）纠偏。对由于沉降不均匀造成倾斜的建筑物进行矫正的手段，主要包括加载纠偏法、掏土纠偏法、顶升纠偏法和综合纠偏法等。

（四）地基处理实质

地基处理是利用物理、化学、生物方法，对地基中的软弱土，或不良土进行置换、改良（或部分改良）、加筋，形成人工地基。经过地基处理形成的人工地基大致上可以分为三类：均质地基、多层地基和复合地基。广义地讲，桩基础也可以说是一类经过地基处理形成的人工地基。将桩基础也包括在内，通过地基处理形成的人工地基可以分为以下三类：

（1）通过土质改良或置换，全面改善地基土的物理力学性质，提高地基土抗剪强度，增大土体压缩模量，或减小土的渗透性。该类人工地基层属于均质地基或多层地基。

（2）通过在地基中设置增强体，增强体与原地基土体形成复合地基，以提高地基承载力，减小地基沉降。

（3）通过在地基中设置桩，利用桩体承担荷载。特别是端承桩，通过桩将荷载直接传递到地基中承载力大、模量高的土层。

按照上述思路，各种天然地基和人工地基均可归属于下述三类地基：①均质地基（包括多层地基）；②复合地基；③桩基础。

四、工程实例：某220k V变电站场地强夯地基处理方案设计

拟建的国家电网公司某户外220k V变电站位于河北省赤城县，距小营村东约600m，距国道G112南侧约100m，省道S241约275m。建设区域南北长125m，东西宽约100m，该区北侧紧邻G112国道，交通便利。站区范围内地形南高北低，相对平坦、较开阔，周围自然环境较好，附近虽有工厂，但污染较少，区内无矿产资源，不存在压矿问题，也不存在采空区，此外区内无重点保护的自然、人文遗址，也没有机场和军用设施。为缩短工程建设周期，提高工程质量，该项目主要针对站区地层特征，对区内强夯地基处理方案进行研究。

1.工程地质概况

拟建的某220k V变电站场地内的主要地基土层由上至下分别为：①粉质黏土，灰黑色，厚3.4～4.0m，具强烈湿陷性；②黄土状粉土，褐黄色，厚0.5～5.30m，具中等湿陷性；③粉土，褐黄色，厚0～1.2m，具轻微-不具湿陷性；④卵石层，杂色，密实，中-粗砂充填，未揭穿。场地范围内总体地形平坦开阔，地下水位埋深大于30m，场地湿陷性等级为Ⅱ级非自重湿陷性，各深度土层的主要物理力学参数见表5-4。

依据场区工程地质概况，可选的地基处理方案有强夯、柱锤挤密工艺的灰土挤密桩、水泥土挤密桩、挤密CFG、大开挖换填等。无论何种方案，按要求均须全部消除场地湿陷性，处理后地基承载力不小于180k Pa，以满足上部建（构）筑物建设要求。

表5-4　场地内土层物理力学参数

2.地基处理方案设计

拟建场地整平后标高约95.0m，根据建筑物概况、《岩土工程勘测报告书》《建筑地基处理技术规范》（JGJ 79—2012）、《湿陷性黄土地区建筑规范》（GB 50025—2018）、《建筑地基基础设计规范》（GB 50007—2011），采用强夯地基处理或挤密工艺的灰土、水泥土桩复合地基方案较适宜。经过地基处理方案的比选和经济技术分析评价，并结合施工工期要求，确定采用强夯施工方案，设计强夯夯击能为8000k N·m，间距4.0m×4.0m，处理后的地基承载力不小于180k Pa，故场地周边须挖隔震沟，导致施工范围将远超出建筑红线，且须移动外侧地下光缆和地面高压线，8000k N·m的夯击能可能影响到邻近居民与工厂。若减小夯击能，则需开挖运土出场，下部土层强夯施工完毕后，再将运出场地的土运回，场地整平后再进行强夯。在工程总造价不变的情况下，工期将延期2周。

拟建场地土样含水量若接近最优含水量，则可适当降低夯击能，可达到设计的加固深度；反之，含水量过大，施工中将出现“橡皮土”，或因含水量过小，有效加固深度会减小。为提高设计方案的可靠性，从现场取样（粉土层）进行了击实试验，结果见表5-5。由表5-4、表5-5可知，拟建场地土层含水量（17.6%），接近最优含水量（17.7%），因此对施工较有利。

表5-5　击实试验结果

注 筒质量为4589.3g，筒体积为947.4cm3。

强夯法的有效加固深度既是反映处理效果的重要参数，又是选择地基处理方案的重要依据。影响有效加固深度的因素除夯锤重、落距外，还与夯击次数、锤底单位静压力、地基土性质、不同土层厚度和埋藏顺序以及地下水位等密切相关。本项目施工拟选择夯锤直径为2.5m，锤重17.8t，吊高16.9m，自由落体自动脱钩，夯击能为3000k N·m，经计算得加固深度约6.9m。考虑到场地底层为卵石层，强夯冲击波的反射能力较强，预计在夯击能为3000k N·m的夯击下，加固深度可达到7.0～7.5m，满足工程施工要求。

拟建场地的平整、强夯施工顺序为：①将表层耕植土清除，场地北侧需加固处理的土层厚度仅为3.8～4.5m，最大不超过6.0m，由于需要加固土层的含水量接近塑限含水量，因此，用3000k N·m的夯击能进行强夯施工可满足加固深度要求；②在场地北侧的第一次和“隔排跳打”第二次点夯施工完毕后，进行北侧夯击能为1000k N·m的满夯施工；③进行场地整平，确保北侧土层厚度达到9～11m，下部4～6m的土层已得到强夯处理，未处理的素填土厚度为4.5～5.1m，在点夯施工完毕后，后期满夯的有效影响深度可达2.5～3.5m，可完成北侧地表回填土的夯实目标，南侧土层厚为9.8～11.2m，下挖深度为4.8～6.5m；④全场地采用3000k N·m的夯击能，用“隔排跳打”工艺进行施工，可完全消除拟建场地土的湿陷性；⑤在场地整平后，采用夯击能为1000k N·m进行满夯施工。由于强夯施工和场地整平可穿插同步进行，故可大幅度缩短施工工期。

3.强夯地基处理效果分析

施工完毕1周后，共布置静载荷试验点9个（编号为1～9号），湿陷性检测点12个（编号为10～21号）对本研究方案的施工效果进行检测，其中1号点的检测结果见表5-6。由表5-6可知：本研究方案基本消除了场地土体的湿陷性，可见该场地采用3000k N·m的夯击能进行强夯地基处理达到了设计要求。

表5-6　1号点的检测结果

4.小结

以河北省赤城县某户外220k V变电站拟建场地为例，结合区内地层特征及相关施工要求，对区内强夯地基处理方案进行了设计施工，有效解决了区内土体的湿陷性，此外，由于强夯施工和场地整平可穿插同步进行，在一定程度上缩短了施工周期，对于类似工程具有一定的参考价值。

第三节　斜坡地质灾害

一、地质灾害基本概念及特征

地质灾害是在地球发展演化过程中，由各种自然地质作用和人类活动所形成的灾害性地质事件。地质灾害在时间和空间上的分布及变化规律，既受制于自然环境，又与人类活动有关，后者往往是人类与地质环境相互作用的结果。一般认为，地质灾害是指由于地质作用（自然的、人为的或综合的）使地质环境产生突发的或渐进的破坏，并造成人类生命财产损失的现象或事件。地质灾害与气象灾害、生物灾害等都属于自然灾害的一个主要类型，具有突发性、多发性、群发性和渐变性等特点。由于地质灾害往往造成严重的人员伤亡和巨大的经济损失，所以在各种自然灾害中占有突出的地位。

由地质灾害的定义可知，地质灾害的内涵包括两个方面，即致灾的动力条件和灾害事件的后果。地质灾害是由地质作用产生的，包括内动力地质作用和外动力地质作用。随着人类活动规模的不断扩展，人类活动对地球表面形态和物质组成正在产生愈来愈大的影响。因此，在形成地质灾害的动力中还包括人为活动对地球表层系统的作用，即人为地质作用。

需要强调的是，只有对人类生命财产和生存环境产生影响或破坏的地质事件才能称为地质灾害。如果某种地质过程仅仅是使地质环境恶化，并没有破坏人类生命财产或影响生产、生活环境，只能称之为灾变。例如，发生在荒无人烟地区的崩塌、滑坡、泥石流等，不会造成人类生命财产的损毁，故这类地质事件属于灾变；如果这些崩塌、滑坡、泥石流等地质事件发生在社会经济发达地区，并造成不同程度的人员伤亡和（或）财产损失，则可称之为地质灾害。

由地质作用引起或地质条件恶化导致的自然灾害都可以划归为地质灾害，主要包括地震、火山、崩塌、滑坡、泥石流、地面沉降、地裂缝、水土流失、土地荒漠化、海水入侵、部分洪水灾害、海岸浸蚀、地下水污染、地下水水位升降、地方病、矿井突水溃沙、岩爆、煤与瓦斯突出、煤层自燃、冻土冻融、水库淤积、水库及河湖塌岸、特殊岩土地质灾害等。

复杂的地质条件、频繁的构造活动，以及东部季风气候带来的充沛降雨，使得崩塌、滑坡、泥石流、地裂缝、地面沉降、地面塌陷等灾害在我国分布广泛。特别是近年来受极端天气、地震、工程建设等因素影响，地质灾害多发、频发，给人民群众生命财产造成严重损失。地质灾害已经成为我国除偶发特大地震外的第一大自然灾害。

我国地质灾害种类多、分布广、频次高、强度大、灾情严重，是世界上地质灾害最严重、受威胁人口最多的国家之一。根据自然资源部地质灾害技术指导中心发布的全国地质灾害通报：2019年全国共发生地质灾害6181起，其中滑坡4220起、崩塌1238起、泥石流599起、地面塌陷121起、地裂缝1起和地面沉降2起，分别占地质灾害总数的68.27%、20.03%、9.69%、1.96%、0.02%和0.03%（图5-10），共造成211人死亡、13人失踪、75人受伤，直接经济损失27.7亿元。与2018年相比，地质灾害发生数量、造成的死亡失踪人数和直接经济损失分别增加108.4%、100.0%和88.4%（表5-7）。在2019年全国6181起地质灾害中，自然因素引发的有5904起，占总数的95.5%；人为因素引发的有277起，占总数的4.5%。自然因素主要为降雨等；人为因素主要为采矿和切坡等。

图5-10　2019年全国地质灾害类型构成

与前5年平均值相比，地质灾害发生数量、造成的死亡失踪人数和直接经济损失均有所减少，分别减少21.4%、28.2%和14.2%。

表5-7　2018—2019年地质灾害基本情况对比表

根据《地质灾害防治条例》第四条对地质灾害灾情分级的规定，2019年全国特大型地质灾害有25起，造成44人死亡、9人失踪、11人受伤，直接经济损失13.4亿元；大型地质灾害有37起，造成26人死亡、13人受伤，直接经济损失2.2亿元；中型地质灾害有262起，造成65人死亡、2人失踪、6人受伤，直接经济损失5.0亿元；小型地质灾害有5857起，造成76人死亡、2人失踪、45人受伤，直接经济损失7.1亿元。

二、斜坡地质灾害研究意义

崩塌、滑坡、泥石流（简称“崩滑流”）等斜坡地质灾害是地质、自然地理环境与人类活动等因素综合作用的产物。对于斜坡地质灾害的影响因素，总体上可分为地质因素及非地质因素两类，前者指崩滑流灾害发生的物质基础，后者则是发生崩滑流灾害外动力因素或触发条件。重力是斜坡地质灾害的内在动力，地形地貌、地质构造、地层岩性、岩土体结构特性、新构造活动及地下水等条件是影响斜坡失稳的主要自然因素，而大气降水、爆破、人工开挖和地下开采等人类工程活动对斜坡的变形破坏起着重要的诱导作用。

体积巨大的表层物质在重力作用下沿斜坡向下运动，常常形成严重的地质灾害。尤其是在地形切割强烈、地貌反差大的地区，岩土体沿陡峭的斜坡向下快速滑动可能导致人身伤亡和巨大的财产损失。慢速的土体滑移虽然不会危害人身安全，但也可造成巨大的财产损失。斜坡地质灾害可以由地震活动、强降水过程而触发，但主要的作用营力是斜坡岩土体自身的重力。从某种意义上讲，这类地质灾害是内、外营力地质作用共同作用的结果。

斜坡岩土体位移现象在自然界十分普遍，有斜坡的地方便存在斜坡岩土体的运动，就有可能造成灾害。由于土地资源的紧张，人类正在大规模地在山地或丘陵斜坡上进行开发建设，因而增大了斜坡变形破坏的规模，使崩塌、滑坡灾害不断发生。筑路、修建水库和露天采矿等大规模工程活动也是触发或加速斜坡岩土体产生运动的重要因素之一。

斜坡地质灾害，特别是崩塌、滑坡和泥石流，每年都造成巨额的经济损失和大量的人员伤亡。除了直接经济损失和人员伤亡外，崩塌、滑坡和泥石流灾害还会诱发多种间接灾害而造成人员伤亡和财产损失，如交通阻塞、水库大坝上游滑坡导致洪水泛滥、水土流失等。

当然，随着地质灾害防治工作的深入开展，地质灾害气象预警预报的不断推广，防灾避险科普知识的宣传普及、群测群防和乡镇国土所的评估、巡查、宣传、预案和人员“五到位”建设，广大干部群众的防灾避险意识逐步提高。但是，对于地质灾害发生机理、形成过程及其防治仍然有待深入，因此，加强斜坡地质灾害的研究具有重要的理论和现实意义。

三、我国斜坡地质灾害发育的分布规律

滑坡、崩塌、泥石流等斜坡地质灾害的分布发育主要受地形地貌、地质构造、新构造活动、地层岩性以及气候、人为活动等因素的制约，这些影响因素的空间分布特征直接控制了我国崩滑流灾害的区域分布规律。无论是灾害点分布密度还是灾害发生频度，我国大陆崩滑流分布的总体规律是中部地区最发育，西部地区较发育，东部地区较弱。

（一）中部强烈发育区

我国中部地区崩滑流的发育，从总体来看集中分布在0°～40°N，98°～112°E的范围内，包括横断山、川西山地、白龙江、金沙江中上游、滇东北、川东、鄂西、黄土高原、黄河上游、秦巴山区等地段。但各处的发育程度不尽一致，类型也有区别，不同地段各有特点。

中部地区地质环境脆弱，地形地貌、地质构造、地层岩性复杂，新构造活动强烈，地震频繁，为崩滑流的形成提供了内在条件；加之气候条件复杂（暴雨多）、人类活动强烈，两类因素的叠加作用，使该区成为我国崩滑流灾害最发育的地区。

中部的黄土高原地区，地形切割强烈，一般切割深度100～300m，沟壑纵横，水土流失强烈，为滑坡、崩塌的形成提供了有利的地形条件。滑坡、崩塌灾害也十分发育。黄河中、上游地区古滑坡甚多，大型滑坡体积可达几千万立方米，甚至上亿立方米。由于黄土疏松、多孔，地形切割强烈，沟谷十分发育，地表水系密度大、沟谷坡降大，沟谷纵比降可达20%～40%，为该地区泥石流发育提供了有利的条件。

复杂的气候条件是中部地区滑坡、崩塌、泥石流灾害发育的主要外部因素。秦岭以南地区降水较丰沛，年均降水量为800～1200mm；秦岭以北地区，雨量偏少，为干旱半干旱地区，年均降水量约400～600mm。从总体上看，整个中部地区降水主要集中分布在7—8月，降水量占全年降水量的30%～50%。因此，暴雨是该地区滑坡、崩塌、泥石流形成和发育的重要诱发因素之一。

20世纪70年代以后，随着大规模的开发大西南、大西北地区，人类活动的规模不断加大，崩滑流灾害发生的频次也逐渐增加。

（二）西部中等发育区

西部地区包括我国第一级地貌阶梯的青藏高原和部分第二级地貌阶梯的西部山地。青藏高原海拔在4000m以上，地形切割强烈。西部山地海拔大多在2000～3500m，相对切割深度500～1000m，地形切割也很强烈，山体斜坡稳定性差。这些自然因素为崩滑流的形成和发育提供了有利条件。

西部地区气候复杂多变，藏南受印度洋暖湿气流影响，降水主要集中在7—8月，暴雨强度大，年均降水量600～1000mm，丰沛的大气降水和冰雪融水为崩滑流灾害的发育提供了有利的外部条件。西部山地受高纬度亚洲内陆气流的影响，气候干燥少雨，年均降水量200～400mm，降水集中分布在夏季。所以，天山、阿尔泰山等地也发育较多的冰川泥石流，但滑坡、崩塌发生概率比较小。

（三）东部弱发育区

我国东部地区地处第三级地貌阶梯地带，地貌由低山、丘陵、平原组合而成。海拔一般为500～1000m，相对切割深度数十米至近百米，山地斜坡较缓，斜坡变形破坏较弱。东部地区气候主要受太平洋暖湿气流的控制，南北气候差异较大。南部虽降水丰沛，但由于地形相对高差小，且地层岩性以坚硬的岩石为主，地质环境不利于斜坡变形破坏，崩塌、滑坡、泥石流不发育。华北和东北，如燕山地区和辽南、辽西山地，尽管山地切割程度中等，且年降水量不大，但降水比较集中，暴雨强度大，加之地层岩性以古老的变质岩为主，岩石破碎，对山地斜坡变形破坏较为有利。因此，这些地区崩塌、滑坡、泥石流发育，但规模较小。另一方面，在这些地区发育的崩塌、滑坡、泥石流常具有群发性特征，所以危害比较严重。

四、崩塌地质灾害

（一）崩塌的特点

崩塌的过程表现为岩块（或土体）顺坡猛烈地翻滚、跳跃，并相互撞击，最后堆积于坡脚，形成倒石堆。崩塌的主要特征为：下落速度快、发生突然；崩塌体脱离母岩而运动；下落过程中崩塌体自身的整体性遭到破坏；崩塌体的垂直位移大于水平位移。具有崩塌前兆的不稳定岩土体称为危岩体。

崩塌运动的形式主要有两种：一种是脱离母岩的岩块或土体以自由落体的方式而坠落，另一种是脱离母岩的岩体顺坡滚动而崩落。前者规模一般较小，从不足1m3至数百立方米；后者规模较大，一般在数百立方米以上。

（二）崩塌的形成条件

崩塌是在特定自然条件下形成的。地形地貌、地层岩性和地质构造是崩塌的物质基础；降雨、地下水作用、振动力、风化作用以及人类活动对崩塌的形成和发展起着重要的作用。

1.地貌

地貌主要表现在斜坡坡度上。从区域地貌条件看，崩塌形成于山地、高原地区；从局部地形看，崩塌多发生在高陡斜坡处，如峡谷陡坡、冲沟岸坡、深切河谷的凹岸等地带。崩塌的形成要有适宜的斜坡坡度、高度和形态，以及有利于岩土体崩落的临空面。这些地形地貌条件对崩塌的形成具有最为直接的作用。崩塌多发生于坡度大于55°、高度大于30m、坡面凹凸不平的陡峻斜坡上。据我国西南地区宝成线风州工务段辖区内57个崩塌落石点的统计数据（表5-8），有75.4%的崩塌落石发生在坡度大于45°的陡坡。坡度小于45°的14次均为落石，而无崩塌，而且这14次落石的局部坡度亦大于45°，个别地方还有倒悬情况。

表5-8　崩塌落石与边坡坡度关系的统计

2.地层岩性与岩体结构

（1）地层岩性。岩性对岩质边坡的崩塌具有明显控制作用。一般来讲，块状、厚层状的坚硬脆性岩石常形成较陡峻的边坡，若构造节理和（或）卸荷裂隙发育且存在临空面，则极易形成崩塌。相反，软弱岩石易遭受风化剥蚀，形成的斜坡坡度较缓，发生崩塌的机会小得多。

沉积岩岩质边坡发生崩塌的概率与岩石的软硬程度密切相关。若软岩在下、硬岩在上坚硬岩体常发生大规模的倾倒式崩塌，下部软岩风化剥蚀后，上部构面的倾向与坡向相同；含有软弱结构面的厚层坚硬岩石组成的斜坡，若软弱结构面的倾向与坡向相同，极易发生大规模的崩塌。

页岩或泥岩组成的边坡极少发生崩塌。

岩浆岩一般较为坚硬，很少发生大规模的崩塌。但当垂直节理（如柱状节理）发育并存在顺坡向的节理或构造破裂面时，易产生大型崩塌；岩脉或岩墙与围岩之间的不规则接触面也为崩塌落石提供了有利的条件。

变质岩中结构面较为发育，常把岩体切割成大小不等的岩块，所以经常发生规模不等的崩塌落石。片岩、板岩和千枚岩等变质岩组成的边坡常发育有褶曲构造，当岩层倾向与坡向相同时，多发生沿弧形结构面的滑移式崩塌。

土质边坡的崩塌类型有溜塌、滑塌和堆塌，统称为坍塌。按土质类型，稳定性从好到差的顺序为碎石土、黏砂土、砂黏土、裂隙黏土；按土的密实程度，稳定性由大到小的顺序为密实土、中密土、松散土。

（2）岩体结构。高陡边坡有时高达上百米甚至数百米，在不同部位、不同坡段发育有方向、规模各异的结构面，它们的不同组合构成了各种类型的岩体结构。各种结构面的强度明显低于岩块的强度。因此，倾向临空面的软弱结构面的发育程度、延伸长度以及该结构面的抗拉强度是控制边坡产生崩塌的重要因素。

3.地质构造

（1）断裂构造对崩塌的控制作用。区域性断裂构造对崩塌的控制作用主要表现为以下几种：

1）当陡峭的斜坡走向与区域性断裂平行时，沿该斜坡发生的崩塌较多。

2）在几组断裂交汇的峡谷区，往往是大型崩塌的潜在发生地。

3）断层密集分布区岩层较破碎，坡度较陡的斜坡常发生崩塌或落石。

（2）褶皱构造对崩塌的控制作用。位于褶皱不同部位的岩层遭受破坏的程度各异，因而发生崩塌的情况也不一样。

1）褶皱核部岩层变形强烈，常形成大量垂直层面的张节理。在多次构造作用和风化作用的影响下，破碎岩体往往产生一定的位移，从而成为潜在崩塌体（危岩体）。如果危岩体受到震动、水压力等外力作用，就可能产生各种类型的崩塌落石。

2）褶皱轴向垂直于坡面方向时，一般多产生落石和小型崩塌。

3）褶皱轴向与坡面平行时，高陡边坡就可能产生规模较大的崩塌。

4）在褶皱两翼，当岩层倾向与坡向相同时，易产生滑移式崩塌；特别是当岩层构造节理发育且有软弱夹层存在时，可以形成大型滑移式崩塌。

4.地下水

地下水对崩塌的影响主要表现为以下几点：

（1）充满裂隙的地下水及其流动对潜在崩塌体产生静水压力和动水压力。

（2）裂隙充填物在水的软化作用下抗剪强度大大降低。

（3）充满裂隙的地下水对潜在崩落体产生浮托力。

（4）地下水降低了潜在崩塌体与稳定岩体之间的抗拉强度。边坡岩体中的地下水大多数在雨季可以直接得到大气降水的补给，在这种情况下，地下水和雨水的联合作用，使边坡上的潜在崩塌体更易于失稳。

5.地振动

地震、人工爆破和列车行进时所产生的振动可能诱发崩塌灾害。地震时，地壳的强烈震动可使边坡岩体中各种结构面的强度降低，甚至改变整个边坡的稳定性，从而导致崩塌的产生。因此，在硬质岩层构成的陡峻斜坡地带，地震更易诱发崩塌。

列车行进产生的振动诱发崩塌落石的现象在铁路沿线时有发生。在宝成线K293+365m处，1981年8月16日当812次货物列车经过时，突然有720m3岩块崩落，将电力机车砸入嘉陵江中，并造成7节货车车厢颠覆。

6.人类活动

修建铁路或公路、采石、露天开矿等人类大型工程开挖常使自然边坡的坡度变陡，从而诱发崩塌如工程设计不合理或施工措施不当，更易产生崩塌，开挖施工中采用大爆破的方法使边坡岩体因受到振动破坏而发生崩塌的事例屡见不鲜。宝成线宝鸡至洛阳段因采用大爆破引起的崩塌落石有7处，其中一处是在大爆破后3h产生的，崩塌体积约20×104 m3。1994年4月30日，发生于重庆市武隆区境内乌江鸡冠岭山体崩塌虽然是多种因素综合作用的结果，但在乌江岸边修路爆破和在山坡中段开采煤矿等人类活动也是重要的诱发因素。

（三）崩塌灾害实例

1.湖北省远安县盐池河崩塌灾害

1980年6月3日，湖北省远安县盐池河磷矿突然发生了一场巨大的崩塌灾害，标高839m的鹰嘴崖部分山体从700m标高处俯冲到500m标高的谷地。在山谷中乱石块覆盖面积南北向长为560m，东西向宽为400m，石块加泥土厚度30m，崩塌堆积的体积共100万m3。最大岩块有2700多t重。顷刻之间，盐池河上筑起一座高达38m的堤坝，构成了一座天然湖泊。乱石块把磷矿的五层大楼掀倒、掩埋，死亡307人，还毁坏了该矿的设备和财产，损失十分惨重。

盐池河山体产生灾害性崩塌具有多方面的原因。除地质因素外，地下磷矿层的开采是上覆山体变形崩塌的最主要的人为因素。这是因为磷矿层赋存在崩塌山体下部，在谷坡底部出露。该矿采用房柱采矿法及全面空场采矿法，1979年7月采用大规模爆破房间矿柱的放顶管理方法，加速了上覆山体及地表的变形过程。采空区上部地表和崩塌山体中先后出现地表裂缝10条。裂缝产生的部位，都分布在采空区与非采空区对应的边界部位。说明地表裂缝的形成与地下采矿有着直接的关系。后来裂缝不断发展，在降雨激发之下，终于形成了严重的崩塌灾害。在发现山体裂缝后，该矿曾对裂缝的发展情况进行了设点简易监测，虽已掌握一些实际资料，但不重视分析监测资料，没有密切注意裂缝的发展趋势，因而不能正确及时预报，也是造成这次灾难性崩塌的主要教训之一。

2.重庆武隆鸡尾山崩塌灾害

2009年6月5日15时许，重庆市武隆区铁矿乡鸡尾山发生大规模山体崩塌，掩埋了12户民房以及山下400m外的铁矿矿井人口，造成10人死亡，64人失踪（含矿井内27名矿工），8人受伤的特大型地质灾害，也是一次巨型滑移式崩塌地质事件。

鸡尾山山体变形已具有较长的历史。20世纪60年代发现张开裂缝，1998年危岩裂缝最大宽度达2m，2001年以来多次发生小规模崩塌，新增裂缝最长500m，并有多处纵向裂缝。2005年7月18日，鸡尾山发生山体崩塌1.1×104 m3。2009年6月2日滑源区前缘发生局部崩塌，6月4日同一位置再次发生崩塌，并向中下部岩体转移，崩塌范围扩大。6月5日15时许，长约720m、宽约140m、厚约60m，总体积约480×104 m3的危岩体沿下伏软弱层产生快速滑动破坏，在跃下前缘约70m高的陡坎后迅速解体撒开，沿途发生高速冲击、刨蚀和铲刮作用，碎屑流堆积长度达2.2km。整个过程历时约1min。

（1）有利于崩滑灾害产生的地质条件。鸡尾山山体属于单斜结构，岩层总体向N35°W方向倾斜，倾角达20°～35°。北侧前缘和东侧两面临空。坡体贯穿性结构面发育，主要有两组近于正交的陡倾结构面（裂隙），第一组结构面（75°～110°∠79°～81°）既形成该区东侧陡壁，又为本次崩滑体提供了西侧边界；第二组结构面（175°～185°∠75°～81°）构成崩滑体的后缘边界。滑源区灰岩层中存在连续分布的含炭质和沥青质页岩夹层，构成坡体中相对软弱的结构面，并为岩体滑动提供了潜在底滑面。山体岩溶作用强烈，溶洞、岩溶管道、落水洞和溶蚀裂缝等较为发育，破坏了山体的结构，在一定程度上降低了山体的稳定性。上述两组陡倾结构面及软弱夹层将巨厚层状灰岩切割成“积木块”状，为崩滑灾害的发生提供了基本的坡体结构条件。

（2）前部关键块体的控制作用。滑源区岩层产状为345°∠21°，而斜坡东侧陡壁总体走向为N7°E。岩层层面倾向山内，与斜坡陡崖走向存在22°左右的交角。因此，滑源区被结构面切割成“积木块”状的岩体并不能完全沿倾向方向顺畅地滑动，而是要受到前部岩体的阻挡。致使鸡尾山崩滑体最终能产生大规模滑动破坏的关键因素是：崩滑体西侧结构面的延伸方向在崩滑体中前部发生了明显的转折，即走向由N7°E转为N35°E，这一转折为崩滑体向东侧陡崖临空方向滑出提供了条件。因此，滑源区中前部的“三角形”块体就成为控制整个崩滑体稳定性的“关键块体”。一旦“关键块体”被剪断和突破，被切割成块状的岩体经长时间蠕滑变形积累的巨大应变能将在瞬间释放，另外滑源区前缘存在一超过50m的陡坎，由高差产生的势能将在滑体运动过程转化为巨大动能，并由此产生出乎意料的高速远程运动。事实上，从崩滑前（6月2日开始）多次小规模崩塌主要发生在滑源区前部这一现象已清楚地印证了“关键块体”的存在。

（3）采矿活动的影响。自20世纪20年代开始，人们开始在鸡尾山山体内开采二叠系梁山组（P1l）中的铁矿层（图5-11）。采矿活动自山体上游侧（南侧）向下游侧（北侧）不断扩展。20世纪60年代至灾害发生前的采矿活动主要位于滑源区北东侧之下，2004年以后的开采又刚好位于滑源区前缘之下。尽管其矿层较薄（均厚1.2m）、开采量不大（实际生产能力仅1万t/a）、采矿方式也有利于山体稳定（房柱式开采），但分析认为，长期大范围（采空区面积超过5万m3）的地下开采活动无疑会影响和改变上覆山体的应力场环境，从而对其稳定性构成扰动。尤其是采矿活动对滑源区后缘和西侧拉裂边界的形成和发展具有一定的促进作用。

图5-11　鸡尾山崩滑体剖面图

3.“8·14”成昆铁路山体崩塌灾害

2019年8月14日12点44分，受四川省部分地区持续降雨影响，在凉山州甘洛县境内，成昆铁路凉红至埃岱站间，埃岱2号至3号隧洞附近突发山体崩塌险情。在此参与成昆铁路抢险清淤工作的24人遇险。截至2019年8月18日21时25分，当日搜寻到8具疑似失联人员遗体，累计已发现12具疑似失联人员遗体。山体还在继续坍塌，给施救工作带来极大影响。

灾害发生后，铁路部门立即启动Ⅰ级响应，迅速组织力量，会同地方消防人员全力开展救援。四川省应急管理厅牵头成立了由中国铁路成都局集团、中铁十局及地方消防公安等部门组成的救援指挥部。截至2019年8月18日，据成昆铁路“8·14”山体边坡垮塌抢险救援指挥部消息：省州县三级抢险救援工作组会同铁路部门，在确保安全的前提下，共投入消防、武警、民兵等救援力量667人，出动救援机械设备39台。

五、滑坡地质灾害

（一）滑坡的特点

在自然地质作用和人类活动等因素的影响下，斜坡上的岩土体在重力作用下沿一定的软弱面整体或局部保持岩土体结构而向下滑动的过程和现象及其形成的地貌形态称为滑坡。滑坡的特征主要表现为以下几种：

（1）发生变形破坏的岩土体以水平位移为主，除滑体边缘存在为数较少的崩离碎块和翻转现象外，滑体上各部分的相对位置在滑动前后变化不大。

（2）滑体始终沿着一个或几个软弱面（带）滑动，岩土体中各种成因的结构面均有可能成为滑动面，如古地形面、岩层层面、不整合面、断层面、贯通的节理裂隙面等。

（3）滑动过程可以在瞬间完成，也可能持续几年甚至更长的时间。规模较大的整体滑动一般为缓慢、长期或间歇的滑动。滑坡的这些特征使其有别于崩塌、错落等其他斜坡变形破坏现象。

（二）滑坡的形成条件

自然界中，无论天然斜坡还是人工边坡都不是固定不变的。在各种自然因素和人为因素的影响下，斜坡一直处于不断地发展和变化之中。滑坡形成的条件主要有地形地貌、地层岩性、地质构造、水文地质条件和人为活动等因素。

1.地貌

斜坡更容易失稳而发生滑坡。斜坡的成因、形态反映了斜坡的形成历史、稳定程度和发展趋势，对斜坡的稳定性也会产生重要的影响。如山地的缓坡地段，由于地表水流动缓慢，易于渗入地下，因而有利于滑坡的形成和发展。山区河流的凹岸易被流水冲刷和掏蚀，当黄土地区高阶地前缘坡脚被地表水侵蚀和地下水浸润，这些地段也容易发生滑坡。

2.地层岩性

地层岩性是滑坡产生的物质基础。虽然不同地质时代、不同岩性的地层中都可能形成滑坡，但滑坡产生的数量和规模与岩性有密切关系。第四系黏性土、黄土与下伏三趾马红土及各种成因的细粒沉积物，第三系、白奎系及侏罗系的砂岩与页岩、泥岩的互层，煤系地层，石炭系的石灰岩与页岩、泥岩互层，泥质岩的变质岩系，质软或易风化的凝灰岩等更容易发生滑动的地层和岩层组合。这些地层岩性软弱，在水和其他外营力作用下因强度降低而易形成滑动带，从而具备了产生滑坡的基本条件。因此，这些地层往往称为易滑地层。

3.地质构造

地质构造与滑坡的形成和发展的关系主要表现在两个方面：

（1）滑坡沿断裂破碎带往往成群成带分布。

（2）各种软弱结构面（如断层面、岩层面、节理面、片理面及不整合面等）控制了滑动面的空间位置及滑坡范围。如常见的顺层滑坡的滑动面绝大部分是由岩层层面或泥化夹层等软弱结构面构成。

4.水文地质条件

各种软弱层、强风化带因组成物质中黏土成分多，容易阻隔、汇聚地下水，如果山坡上方或侧方有丰富的地下水补给，则这些软弱层或风化带就可能成为滑动带而诱发滑坡。地下水在滑坡的形成和发展中所起的作用表现为以下四点：

（1）地下水进入滑坡体增加了滑体的重量，滑带土在地下水的浸润下抗剪强度降低。

（2）地下水位上升产生的静水压力对上覆不透水岩层产生浮托力，降低了有效正应力和摩擦阻力。

（3）地下水与周围岩体长期作用改变岩土的性质和强度。

（4）地下水运动产生的动水压力对滑坡的形成和发展起促进作用。

图5-12　中国大型滑坡的主要诱发和触发因素所占比例分布图

5.人类活动

人工开挖边坡或在斜坡上部加载，改变了斜坡的外形和应力状态，增大了滑体的下滑力，减小了斜坡的支撑力，从而引发滑坡。铁路、公路沿线发生的滑坡大多与人工开挖边坡有关。人为破坏斜坡表面的植被和覆盖层等人类活动均可诱发滑坡或加剧已有滑坡的发展。图5-12为中国大型滑坡的主要诱发和触发因素所占比例分布图，其中人工扰动占到了23%。

（三）典型滑坡灾害实例

1.岷江叠溪地震滑坡

叠溪位于四川茂县的岷江上游左岸，距离成都市249km，距离茂县56km，E103°41′、N32°01′，是一座依山傍水修建的山区古城。叠溪是扼守川西平原通往松潘草原和青海、甘肃等省区重要交通要道。1933年8月25日15时53分，叠溪发生震中烈度Ⅹ度的7.5级强烈地震，波及范围北至西安，东至万县，西抵马尔康，南达昭通。Ⅷ度以上烈度区面积达2000km2，而Ⅵ度以上的烈度区面积更大，达1.4×104 km2。震中区的沙湾、叠溪、较场坝、猴儿寨、龙池等地瞬间天昏地暗，山崩江断，群峰晃荡，叠溪古城刹那间被WN方向的山崩垮落下来的岩石所埋葬。

由于发生在山区，此次地震的突出特征是在广大范围内诱发强烈的河流岸坡及沟谷斜坡的崩塌与滑坡，这些崩滑灾害摧毁了叠溪古城、沙湾、较场坝、猴儿寨、龙池及附近的21个羌寨，造成6865人死亡，1925人受伤。斜坡崩滑形成的滑坡坝在岷江及其支流上形成不同规模的11个堰塞湖，其中以叠溪附近的大、小海子规模最大。较场坝以北岷江两岸的观音崖和银屏崖遥相对峙，地震时两者从山顶坠入岷江，形成长800m、宽170m、高255m的大海子拦河大坝。至今，大海子水深仍有98m，并保持7.3×107 m3的库容。小海子位于大海子下游，并与其首尾相接，由较场滑坡堵江形成（图5-13）。

图5-13　1933年叠溪地震在叠溪—松平沟一带诱发的崩滑灾害分布

地震后第45天，即1933年10月9日19时00分，强烈的余震引发松平沟、白腊寨等7处海子溃决，加之岷江上游松潘地区阴雨连绵，江水暴涨，大海子拦河大坝溃决，积水倾湖而出，长驱直下，大店以上水位高达60m，到达都江堰市时水位仍有12m高，都江堰洪水流量高达10.2×103 m3/s。特大洪水消退后，江边到处是人畜尸体，仅茂汶一县就死亡2500余人，加上汶川、都江堰市等，共造成8千余人死亡。

叠溪地处松潘—甘孜地槽褶皱带、秦岭近地槽褶皱带与龙门山断裂带构成三角地带内，区域构造主要表现为一系列紧密线状弧形倒转褶皱及相伴的冲断层。区内出露基岩为泥盆系、石炭系、二叠系和三叠系浅变质岩，主要为变质砂岩、大理岩化灰岩、千枚岩和板岩等。叠溪地震诱发的斜坡灾害中，以较场滑坡的规模最大。较场滑坡堆积体位于小海子左岸，前缘顺岷江分布，长1400m。位于高程2110～2425m，顺坡向平均长约1400m，垂直于坡向的平均宽约900m，平面面积约1.5km2，其滑坡体平均厚度约170m，体积约2.1×108 m3。滑坡堆积体前缘宽、后缘窄，由数个不同高程平台和联结斜坡构成，坡面坡度15°～35°，前缘斜坡坡度一般40°～50°，局部达70°。根据物质组成，较场滑坡堆积体可分为前后两部分。后部具有二元结构，上部为第四系湖泊相沉积、底部为具有碎裂结构的三叠系变质砂岩、结晶灰岩和千枚岩。堆积体前部主要表现为由块碎石和亚砂土组成的崩塌堆积；其滑体前缘超覆于岷江漂卵砾石冲积层之上，形成小海子滑坡坝。

2.华蓥山溪口滑坡

1989年7月10日，由特大暴雨触发的四川溪口滑坡是20世纪80年代末期中国最大的崩滑地质灾害事件，该滑坡导致221余人死亡，直接经济损失达600多万元。

1989年7月，溪口所在地区遭受历史上罕见的特大暴雨袭击，月降雨量达222.9mm，7月10日记录到的最大小时降雨强度达到88.6mm。1989年7月9日上午，溪口北侧斜坡地势低洼地带出现了“土爬”。10日中午暴雨强度增大，斜坡上有块石滚下并击中农舍。此后不久，滑源区前部传出“隆隆”之地鸣声，随之地面鼓胀，山体从马鞍坪村村后坡脚倾斜而下，沿北偏西方向直接扑向长约300m的马鞍坪村平台。此后，滑坡体转化为泥石流沿溪口沟奔流而下，高速冲向溪口镇北角。整个滑坡事件从启动到停积历时约60s，摧毁溪口水泥厂、川煤12处、红岩煤矿、溪口粮库和沿途的数个村庄，造成重大伤亡和经济损失。

滑坡后缘最高点和剪出口之间的滑源区高程为848～655m，其中高程848～790m处为次级滑坡的断壁，高程790～695m为主断壁。主断壁平面呈梯形，上、下底宽分别为75m和110m，倾向NW，倾角47°。滑裂面从强风化碳酸盐岩进入第四系崩、坡积层后，呈缓弧形剪出，剪出口高程为655m。整个滑面形似“匙”状，上部裸露滑床长210m；下部滑面长约165m。主、次滑体体积分别约为1.8×105 m3和2.0×104 m3。滑坡纵剖面具有上硬下软的双层结构。上部由寒武系、奥陶系碳酸盐组成，两者以F7断层为界，该套地层总体的强度较高。从滑坡侧壁可看出，上部滑面沿强、弱风化带的界面发育。下部为志留系页岩、泥岩及粉砂岩，其强度总体较低。滑面沿泥页岩上覆崩坡积物中发育。根据岩体结构特征，可将滑源区分为6个区域，由上而下依次为：层状块裂结构、厚层状结构、层状结构、层状碎裂结构、碎裂结构、角砾状结构。需要指出的是：下部的角砾状结构岩体，实际为断层破碎带经重新胶结后形成的角砾岩，其胶结物成分以钙质为主，胶结致密坚硬、完整程度高（图5-14）。

图5-14　溪口滑坡源区地质结构示意图

1—初始地形线；2—滑后地形线；3—滑动面；4—强风化带；5—钙质角砾岩；6—第四系崩坡积物Ⅰ—层块碎裂结构；Ⅱ—厚层状结构；Ⅲ—层状结构；Ⅳ—层状碎裂结构；Ⅴ—碎裂结构；Ⅵ—角砾状结构；Ⅶ—奥陶系层状灰岩；Ⅷ—志留系泥、页岩；∈—寒武系地层；S—志留系地层；P—二叠系地层；Q—第四系地层

滑坡的发生首先与该地区上硬下软的地质结构有关。由于过去地质历史时期热泉出露而胶结强化的F7断层角砾岩起到承担、阻止上部坡体变形的锁固段作用，这一部位存在显著应力集中。

3.四川丹巴滑坡

四川省甘孜藏族自治州丹巴县县城坐落在大金河右岸的狭窄河谷地带，高程1864m，城区规划面积为2.5km2，城区人口约1.1万人，为全县政治、经济、文化中心，也是甘孜州的重要出口通道。2002年8月，丹巴县城后侧高200m、平均坡度32°的高陡斜坡出现变形。2004年10月，变形明显加剧。2005年1—3月，出现4次变形加速期，整体下滑迹象日趋明显。2月3日位移量由原来6mm增大到8mm；2月22日，日均位移速率增至17～33mm；3月8日，主滑面日位移量达到18.53mm；3月14日，斜坡变形再次加速并发生局部崩滑，前缘外推和鼓胀，多处房屋被摧毁，造成1066万元的经济损失。此时，斜坡累计变形量已达70～80cm，最大处接近1m，边界裂缝已基本贯通和圈闭，总体积2.20×106 m3的丹巴滑坡基本形成。如果该滑坡再次发生远距离整体滑移，将直接危害到县政府、县公安局及妇幼保健院等10多个企事业单位以及1071间房屋，涉及人口4620人，资产价值上亿元。如果滑体堵塞大金河河道，后果将更加不堪设想（图5-15）。

图5-15　四川丹巴县滑坡外貌

丹巴处于青藏高原东部，新构造运动以强烈抬升为特点，大金河的强烈下切形成高差大、坡度陡的地形，为滑坡灾害的发育奠定有利的地貌条件。区内多年平均降水量605.7mm，降雨集中，暴雨次数少，但降雨强度大。滑坡区基岩为志留系茂县群第四岩组（S4mx）石榴石二云片岩及少量黑云母变粒岩，盖层由古滑坡堆积层（Qd4el）、崩坡积层（Qc4ol　+dl）组成（图5-16）。地下水埋深较大，勘探钻孔中未见稳定水位，滑坡区附近无地下水出露。

图5-16　丹巴滑坡工程地质略图

由于滑坡尚未发生远距离滑移，钻孔勘查未发现明显的滑带擦痕及镜面，也未见地下水异常，仅部分钻孔及基岩面附近见到黏质砂土等细粒相物质增多的现象。根据综合推断，滑坡前缘及中部滑带位于堆积层-基岩界面，后缘滑带则位于堆积层中；_滑_面_倾角约30°，与坡面倾角基本一致，滑体厚度20～35m。滑坡表面不同方向、不同规模的拉裂缝十分发育，总长超过1500m。根据变形特征，整个滑坡可划分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三个区。

Ⅰ区为滑坡主体，前缘宽约200m，后缘宽约150m，纵长290m，地形坡度平均超过30°，平面形态呈不规则状长方形，面积约0.055km2，平均滑体厚30m，体积约1.7×106 m3，主滑方向353°。滑坡体前缘呈高6～28m的阶梯状陡斜坡，总体坡度50°～70°，局部陡立，滑体强烈剪出，造成坡脚建设街房屋地面、墙体开裂，破坏严重。滑坡体后部东低西高，地形总体较平缓，变形强烈，拉裂缝及错落台阶发育，裂缝基本贯通形成两条不规则弧形裂缝。

Ⅱ区位于滑坡后部左侧，主要受主滑体滑移牵引形成，面积约6.0×103 m2，滑体主倾方向20°，地形坡度20°～30°，滑体厚度15～20m，体积1.5×105 m3。变形主要体现在后缘及侧缘拉裂缝、前缘掉块滑塌。较I区整体变形速率大且不稳定。Ⅲ区位于滑坡右侧，前缘宽50m，后缘宽85m，纵长180m，面积0.014km2，地形纵坡30°～45°，滑体平均厚度25m，体积3.5×105 m3。滑体主要由大块石土组成，滑床位于基岩面。Ⅲ区左侧与Ⅰ区相连，变形主要体现在后缘及侧缘拉裂缝，宽5～15cm，错距5～40cm，可见深一般为10～50cm。丹巴滑坡初期整治采用坡脚堆载反压、坡体预应力锚索加固和削方减载的综合方案，其中堆载体积为7.2×103 m3，设置1300k N预应力锚索269根（长40～52m、锚固段长8～10m）、削方1.8×103 m3，加固效果显著。丹巴滑坡属于古滑坡复活，而复活原因则是多方面的。首先，厚度较大的古滑坡堆积叠置在相对稳定的变质岩高陡斜坡上，由于2种介质在物理、水理及力学行为方面的巨大差异，堆积层本身就具有沿基岩面滑移的潜势，而人类活动则加速古滑坡复活的进程。1998年以后，随着丹巴县城的发展，大量的房屋沿斜坡脚或依坡而建，部分挖方削坡，增大斜坡前缘的临空面，引起边坡变形，2003年边坡变形明显加剧。2004年3～10月，建设街大规模改建，大量削坡使原本就已陡峭的斜坡临空面进一步增大，造成坡脚支撑力减弱，导致斜坡向临空方向挤压蠕动变形、滑移，坡体结构破坏松弛，强度不断降低，从而在古滑坡前缘坡脚形成剪切蠕滑。

4.四川茂县滑坡

2017年6月24日6时许，四川省茂县叠溪镇新磨村新村组后山山体发生高位滑坡，瞬间摧毁坡脚的新磨村，掩埋64户农房和1500m道路，堵塞河道1000m，导致10人死亡、73人失踪，引起国内外的广泛关注。该滑坡源区所在位置103°39′46″E，32°4′47″N，垮塌区长约200m，宽约300m，平均厚度约70m，体积约450×104 m3。山体沿岩层层面滑出，滑体迅速解体沿斜坡坡面高速运动，沿途铲刮坡面原有松散崩滑堆积物，体积不断增大，运动到坡脚原有扇状老滑坡堆积体后，开始向两侧扩散，直至运动到河谷底部和受到对面山体阻挡才停止运动。最终形成顺滑坡运动方向1600m，顺河长1080m，平均厚度大于10m，体积约为1300×104 m3的滑坡堆积体，几乎将新磨村全部掩埋（图5-17），造成重大人员伤亡。

“6·24”新磨村滑坡灾害发生后，党中央、国务院领导作出重要批示，国务院立即启动了Ⅰ级应急响应，国家和地方各级相关部门也即刻作出应急响应，开展了现场应急救援和抢险救灾工作。对于此次新磨村滑坡发生，其主要原因包括先天的内在控制性因素和外在诱发因素。现分述如下：

图5-17　新磨村滑坡前后影像图

（a）2017年4月8日高分2号影像；（b）2017年6月25日无人机航拍影像

（1）有利于滑坡产生的地形条件。首先，滑坡发育在一高耸、单薄的山脊之上，这种山脊对地震波放大效应显著，很容易在强震作用下被震裂。其次，滑源区下方即为陡壁，为滑坡的高位剪出提供了良好的临空条件。再者，滑坡运动区为一较顺直斜坡，为滑坡的高速远程运动提供了有利的地形条件。

（2）有利于滑坡产生的地质条件。如前所述，滑坡区地处较场弧形构造的弧顶部位，岷江断裂和松坪沟断裂两条活动断裂的交汇部位，构造运动异常活跃，历史上多次发生地震。滑坡区岩性主要为三叠系杂谷脑组变质砂岩夹板岩，岩性软弱，力学强度低，且多存在软弱结构面，属典型的易滑地层。滑坡区地处松坪沟左岸，左岸为典型的中陡倾角顺向斜坡，属典型的易发生滑坡的坡体结构。活跃的构造部位、易滑的地层岩性和坡体结构，这些地质条件均有利于滑坡发生。

（3）多次地震的震裂损伤。滑坡位于地震高发区，该区历史上经历过多次地震，最近的包括1933年叠溪地震、1976年平武地震以及2008年汶川地震，多次地震使山体震裂松动，岩体破碎，裂缝发育，存在“内伤”。如前所述，1933年叠溪地震是滑源区山体震裂松动，在此次滑坡源区东西侧边界部位易形成明显的拉张裂缝，为滑坡的发生提供了结构基础。在后续两次地震中裂缝可能会进一步发展。后缘裂缝的存在为雨水的入渗，物理化学风化提供了重要的通道，致使其力学强度不断降低。

（4）降雨诱发滑坡的发生。滑坡区不利的地质条件、包括叠溪地震在内的多次地震作用，使滑源区具备了基本的变形破坏条件和基础。长期的重力作用使滑源区岩体进一步产生时效变形，裂缝不断扩展贯通，滑坡变形逐渐形成，最终使滑源区岩体逐渐进入临界失稳状态。2017年5月1日至滑坡发生前附近叠溪镇和松坪沟两处降水观测站资料表明，前两个月的时段内累计降雨量达200多mm，显著大于该地区同期降雨量。尽管滑坡发生前一周的降雨量较小，但6月8—15日经历了一次持续降雨过程，累积降雨量约80mm，最大日降雨量达到25mm。持续的降雨最终导致本已处于临界状态的滑块整体失稳破坏。

六、泥石流

（一）泥石流的一般特征

泥石流是山区特有的一种突发性地质灾害现象。它常发生于山区小流域，是一种饱含大量泥沙石块和巨砾的固液两相流体，呈黏性层流或稀性紊流等运动状态，是地质、地貌、水文、气象、植被等自然因素和人为因素综合作用的结果。泥石流暴发过程中，有时山谷雷鸣、地面震动，有时浓烟腾空、巨石翻滚；混浊的泥石流沿着陡峻的山涧峡谷冲出山外，堆积在山口。泥石流含有大量泥沙石块，具有发生突然、来势凶猛、历时短暂、大范围冲淤、破坏力极强的特点，常给人民生命财产造成巨大损失。

泥石流具有如下三个基本性质，并以此与挟沙水流和滑坡加予以区分。

（1）泥石流具有土体的结构性，即具有一定的抗剪强度，而挟沙水流的抗剪强度等于零或接近于零。

（2）泥石流具有水体的流动性，即泥石流与沟床面之间没有截然的破裂面，只有泥浆润滑面，从润滑面向上有一层流速逐渐增加的梯度层；而滑坡体与滑床之间有一破裂面，流速梯度等于零或趋近于零。

（3）泥石流一般发生在山地沟谷区，具有较大的流动坡降。泥石流体是介于液体和固体之间的非均质流体，其流变性质既反映了泥石流的力学性质和运动规律，又影响着泥石流的力学性质和运动规律。无论是接近水流性质的稀性泥石流，还是与固体运动相近的黏性泥石流，其运动状态介于水流的紊流状态和滑坡的块体运动状态之间。泥石流中含有大量的土体颗粒，具有惊人的运移能力和冲淤速度。挟沙水流几年，甚至几十年才能完成的物质运移过程，泥石流可以在几小时，甚至几分钟内完成。由此可见，泥石流是山区塑造地貌最强烈的外营力之一，又是一种严重的突发性地质灾害。

根据泥石流发育区的地貌特征，一般可划分出泥石流的形成区、流通区和堆积区。泥石流形成区位于流域的上游沟谷斜坡段，山坡坡度30°～60°，是泥石流松散固体物质和水源的供给区。泥石流流通区位于沟谷的中下游，一般地形较顺直，沟槽坡度大，沟床纵坡降通常在1.5%～4.0%。泥石流堆积区是泥石流固体物质停积的场所，位于冲沟的下游或沟口处，堆积体多呈扇形、锥形或带形。

（二）泥石流的形成条件

泥石流现象几乎在世界上所有的山区都有可能发生，尤其是在新构造运动时期隆起的山系最为活跃，遍及全球50多个国家。我国是一个多山的国家，山地面积广阔，又多处于季风气候区，加之新构造运动强烈、断裂构造发育、地形复杂，从而是我国成为世界上泥石流最发育、分布最广、数量最多、危害最严重的国家之一。泥石流的形成条件概括起来主要表现为三个方面：地表大量的松散固体物质、充足的水源条件和特定的地形地貌条件。

1.物源

泥石流形成的物源条件指物源区岩土体的分布、类型、结构、性状、储备方量和补给的方式、距离、速度等。而岩土体的来源又决定于地层岩性、风化作用和气候条件等因素。

从岩性来看，第四系各种成因的松散堆积物容易受到侵蚀、冲刷。因而山坡上的残坡积物、沟床内的冲洪积物以及崩塌、滑坡所形成的堆积物等都是泥石流固体物质的主要来源。厚层的冰碛物和冰水堆积物则是我国冰川型、融雪型泥石流的固体物质来源。

就我国泥石流物源区的土体来说，虽然成因类型很多，但依据其性质和组成结构可划分为碎石土、沙质土、粉质土和黏质土4种类型。沙质土广泛分布于沙漠地区，但因缺少水源很少出现水沙流，而多在风力作用下发生风沙流；粉质土主要分布于黄土高原和西北、西南地区的山谷内，在水流作用下可形成泥流；黏质土以红色土为代表，广布于我国南方地区，是这些地区泥石流细粒土的主要来源。板岩、千枚岩、片岩等变质岩和喷出岩中的凝灰岩等属于易风化岩石，节理裂隙发育的硬质岩石也易风化破碎，这些岩石的风化物质为泥石流提供了丰富的松散固体物质来源。

2.水源

水不仅是泥石流的组成部分，也是松散固体物质的搬运介质。形成泥石流的水源主要有大气降水、冰雪融水、水库溃决水、地表水等。我国诱发泥石流灾害的水源通常是由暴雨形成，由于降雨过程及降雨量的差异，形成明显的区域性或地带性差异。如南方雨量大，泥石流较为发育；北方雨量小，泥石流暴发数量也少。

3.地形地貌

地形地貌对泥石流的发生、发展主要有两方面的作用：

（1）通过沟床地势条件为泥石流提供位能，赋予泥石流一定的侵蚀、搬运和堆积能量。

（2）在坡地或沟槽的一定演变阶段内，提供足够数量的水体和土石体。沟谷的流域面积、沟床平均比降、流域内山坡平均坡度以及植被覆盖情况等都对泥石流的形成和发展起着重要的作用。

泥石流既是山区地貌演化中的一种外营力，又是一种地貌现象或过程。泥石流的发生、发展和分布无不受到山地地貌特征的影响。全球泥石流频发地带主要分布于环太平洋山系和阿尔卑斯—喜马拉雅山系。这两大山系的新构造运动活跃，地震强烈，火山时有喷发，山体不断抬升，河流切割剧烈，地形高差相对大，为泥石流发育提供了必需的地形条件。我国泥石流比较集中地分布于全国性三大地貌阶梯的两个边缘地带。这些地区地形切割强烈，相对高差大。坡地陡峻，坡面土层稳定性差，地表水径流速度和侵蚀速度快。这些地貌条件有利于泥石流的形成。地形陡峻、沟谷坡降大的地貌条件不仅给泥石流的发生提供了动力条件，而且在陡峭的山坡上植被难以生长，在暴雨作用下，极易发生崩塌或滑坡，从而为泥石流提供了丰富的固体物质。如我国云南省东川地区的蒋家沟泥石流，就明显具有上述特点。

泥石流的规模和类型受许多种因素的制约，除上述三种主要因素外，地震、火山喷发和人类活动都有可能成为泥石流发生的触发因素，从而引发破坏性极强的自然灾害。

（三）泥石流灾害实例

1.四川省“8·13”特大泥石流灾害

2010年8月12—14日，四川省部分地区降大到暴雨，局部地区大暴雨。本次降雨主要分布在成都、德阳、广元、绵阳、雅安、阿坝等“5·12”汶川地震的重灾区，并使极重灾区绵竹市清平乡、汶川县映秀镇和都江堰市龙池镇遭受了极为严重的泥石流灾害，造成了惨重的损失，这次泥石流灾害被相关部门统称为四川省“8·13”特大泥石流灾害。

（1）竹清平乡泥石流灾害。2001年8月12日18时至13日凌晨4时四川省绵竹市清平乡出现局地大暴雨，引发特大山洪泥石流灾害，使全乡6000余人遭受不同程度灾害，并造成7人遇难，7人失踪，33人受伤。泥石流灾害大范围损毁和掩埋了清平乡场镇（图5-18、图5-19），造成清平乡379户房屋受损，占总户数的20.9%，直接经济损失达6亿元左右。

图5-18　清平乡文家沟滑坡及泥石流灾害前后三维对比图

图5-19　绵远河流域文家沟泥石流汇水区、冲沟物源区和堆积河道区域航空影像

8月12日18时左右，清平乡开始降雨，22时之前，雨量较小，随后逐渐增大。22时30分时至13日凌晨1时30分左右，降雨演变为大到暴雨。随后逐渐减小，直至13日凌晨4时00分左右停止。据清平乡雨量站监测结果表明，此次降雨过程总雨量达到227mm。12日23时45分时左右，文家沟、走马岭沟开始暴发泥石流。13日凌晨l时左右，文家沟内大方量的泥石流整体涌出，泥石流像一股猛烈的巨浪一样瞬间抵达绵远河对岸，随即又折返回来形成堆积坝，堵塞绵远河，形成堰塞湖。后续的富含泥沙和碎块石的山洪泥石流逐渐漫过堆积坝，流向河流下游，将场镇上游新建的幸福大桥冲垮，整体向前推移至下游的老大桥，新桥桥面与老桥紧密贴合，致使桥洞大面积堵塞，形成“拦挡坝”。受此影响，13日凌晨2时30分左右，山洪泥石流改道漫流，进入左侧的清平乡场镇，淹没了镇上的学校、加油站及部分安置房。

清平乡在汶川地震前地质灾害就极为发育，共查明地质灾害隐患44处。汶川地震后新增地质灾害隐患71处。本次泥石流灾害共有11条沟同时暴发泥石流，在清平乡场镇形成了长达3.5km，宽400～500mm，平均厚约5m（最大厚度超过13m），总方量约600×104 m3的堆积和淤埋区，覆盖面积达120×104 m2左右。

（2）汶川县映秀红椿沟泥石流灾害。汶川县映秀红椿沟位于映秀新城区对岸，汶川地震的发震断裂带映秀—北川断裂带顺该沟穿过。红椿沟沟域面积5.35km2，主沟长3.62km，沟口至沟源相对高差1288m，沟床纵坡在沟口段10°～15°，沟源段15°～35°。“5·12”汶川地震在沟谷两岸诱发了大量的崩塌、滑坡，新增松散固体物源量约380×104 m3。

2010年8月13日下午4时30分左右，映秀镇开始降雨，至8月14日凌晨雨强加大，2 h降雨量达163mm。14日凌晨3时00分左右，红椿沟上游及其甘溪铺、大水沟、新店子等支沟同时暴发泥石流，5时左右结束。调查表明，在距红椿沟沟口约1km处的沟道内集中分布了“5·12”地震形成的B7崩塌、H 2、H 3滑坡等松散堆积物。此沟段物源量约100×104 m3，由大量泥土夹少量碎块石组成，结构松散，堆积厚度约20m。由于H 2和H 3呈“对冲”状态分布于红椿沟两岸，堵塞沟道形成滑坡坝。当上游洪水和泥石流体淤埋上涨到一定高度后滑坡体突然溃决，形成阵发性泥石流，将前部B7崩塌的部分物质冲掉。约70×104 m3的泥石流体，在经约1km沟道的加速流动后，其中约40×104 m3的泥石流龙头快速冲入岷江，形成宽约100m、长350～400m的堰塞体堵断岷江河道，将岷江主流逼向河谷右岸，直接冲进映秀新区，形成特大洪涝灾害。另30×104 m3因前缘受阻逐渐减速停积于沟口段。事后的调查分析表明，在此次泥石流暴发过程中，H 3滑坡几乎被全部冲走，其提供松散物质约18×104 m3；H 2滑坡的坡脚部分被侵蚀，提供5×104 m3左右的物源（H 2滑坡总体积为55×104 m3），B7崩塌大部分被冲走（B7总体积15×104 m3），提供了10×104 m3的物源，其他物源来自沟道中上游。2010年8月18日的另一次强降雨使停积于红椿沟沟口段的部分堆积物再次启动5～8×104 m3，使已疏通的河道再次被堵塞，造成映秀镇的二次洪涝灾害。

2.都江堰市龙池泥石流灾害

都江堰龙池镇于2010年8月13日午后开始降雨，15时30分降雨增大，最大1h降雨量达75mm（16时00分—17时00分），最大2h降雨量128.3mm（16时00分—18时00分），从15时00分到18时00分降雨量达150mm，从16时00分开始暴发泥石流。受特殊地形、地质条件影响，龙池镇在汶川地震前地质灾害就极为发育，共有21处地质灾害隐患点。汶川地震后，地质灾害隐患点增加到57处。在“8·13”强降雨过程中，龙池镇新增地质灾害点63处，其中泥石流37处、滑坡22处、崩塌4处，主要沿龙溪河两岸分布。“8·13”强降雨使龙池镇约50条沟同时暴发泥石流和滑坡灾害，估算进入河道的总固体物源量超出1000×104 m3，使分布于龙溪沟河床的绝大多数房屋被部分或全部掩埋，其中以八一沟最为典型和严重。八一沟泥石流位于龙池镇云华村、龙溪河右岸。八一沟是由八一沟、大干沟、小干沟和小湾支沟构成的大型泥石流沟，流域面积8.5km2，主沟长4.5km，沟床平均纵坡降200%。地震后多次暴发泥石流灾害。在“8·13”降雨过程中，先后有两次大规模的物源冲出，集中于13日16时00分左右和14日5时00分左右，总冲出量约200×104 m3，将沟内已完工的泥石流治理工程（拦挡坝和排导槽）全部摧毁。

分析“8·13”特大泥石流灾害的原因，主要有以下两点：

（1）“5·12”汶川大地震使震区山体大范围震裂松动，并触发了数以万计的崩塌、滑坡，巨量的松散固体物源堆积于沟谷、坡麓和斜坡浅表层，为泥石流的暴发提供了异常丰富的物源，是震区暴发特大泥石流灾害的根本原因。

（2）局地短时强降雨是灾区产生特大泥石流灾害的直接诱发因素。近年来，全球气候异常，容易出现局地短时强降雨天气。如在“8·13”特大泥石流过程中，在清平乡、映秀镇、龙池镇等泥石流暴发点都出现了局地强降雨天气，其降雨量都大大超过了震区泥石流启动的临界雨量（35～40mm/h）。此外，龙门山地区高山峡谷的地貌、复杂的地质构造、破碎的岩体结构，也为特大型泥石流的暴发提供了基本地形、构造和物源条件。

3.甘肃舟曲特大泥石流

2010年8月7日23时00分左右，甘肃省舟曲县城北面三眼峪和罗家峪受强暴雨影响，爆发了特大泥石流灾害。泥石流出山口后，沿沟床冲进月圆村、北关村、北街村、东街村、南门村、椿场村、罗家村、瓦厂村，所到之处淤埋耕地、摧毁房屋与建筑，三眼峪口被夷为平地。三眼峪泥石流出山口后，形成长约2km，宽170～270m（最宽350m，城区80m）、平均200m左右的堆积区，淤积厚度2～7m，平均约4m；罗家峪泥石流出山后，形成长约2.5km，平均宽度约70m的堆积区，平均堆积厚度2m。泥石流冲进白龙江，形成堰塞湖，水位上升10m左右，淹没大半个县城，造成重大财产损失和人员伤亡。据统计，泥石流灾害共造成4496户、20227人受灾，水毁农田约95hm2，水毁房屋307户、5508间，其中农村民房235户，城镇职工及居民住房72户；进水房屋4189户、20945间，其中农村民房1503户，城镇民房2686户；机关单位办公楼水毁21栋，损坏车辆18辆。截至2010年08月15日，共有1248人遇难，496人失踪，是新中国成立以来我国最严重的泥石流灾害事件。

对于此次泥石流灾害的发生，可以从物源、地形、水源三方面分析如下：

（1）物源条件。受构造运动和地震的影响，三眼峪和罗家峪内崩塌、滑坡较为发育，其堆积于沟道中，是泥石流物质的主要来源。据史料记载，1879年文县—武都地区曾经发生8级地震，形成大量的崩滑体堆积于沟道中，还形成了数量、高度不等的多级堆积坝，堵塞沟道。其中三眼峪的大峪、小峪形成了4座80～280m高的堆积坝，三眼峪4条支沟共有滑坡8处，滑动面积0.88km2，滑坡总体积1303.9×104 m3，发育崩塌体58个，方量约2830.1×104 m3，此外沟内还发育滑塌、坍塌和沟道堆积物约1029×104 m3，以上各项共计5163×104 m3，可以直接补给泥石流的松散固体物质2510×104 m3。根据对罗家峪的勘查，从遥感影像判断，其沟谷内的固体物质与三眼峪近似，主要由坡积物供给。

（2）地形条件。三眼峪、罗家峪地形独特，其沟谷形态呈圈椅状，上游宽阔，下游束窄，在流域出山口形成卡口，此种地形容易汇集上游水土，在下游形成大规模泥石流。三眼峪山体陡峻，源区坡度普遍超过50°，支沟沟道坡降14%，跌坎、堆石坝位置坡降超过50%，主沟沟床坡降9%。沟内山体基岩裸露，造成流域内地表径流极易汇流，为泥石流提供了有利的动力条件。野外调查与遥感解译表明，罗家峪与三眼峪地形、地表覆盖相近，利于泥石流活动。

（3）水源条件。具备丰富的固体物质与有利的地形条件后，强降雨是泥石流最重的触发因子。气象观测数据显示，2010年8月7日当地强降雨持续约40min，降雨量超过90mm，最大降雨量出现在舟曲县城东南10km的东山镇，降雨量96.3mm，舟曲县西北方向上游的迭部县代古寺为93.8mm，据此推断，三眼峪和罗家峪上游地区与这两个地区地处同一降雨带，降雨量与东山镇、代古寺相当，是舟曲县建站以来的最大降雨强度。受三眼峪、罗家峪自然条件的影响，强降雨迅速汇流，形成沟谷洪水，冲刷堆石坝及沟道中的固体物质，造成堆石坝及拦沙坝溃坝，形成泥石流。

第四节　城市地下空间开发

一、城市地下空间开发概述

随着我国城市化进程的不断加快，城市发展与土地资源短缺的矛盾逐步加剧。因此，开发利用地下空间对我国城市的发展尤为重要。近年来，我国城市地下空间开发利用如城市轨道交通、地下综合管廊进入了快速增长阶段，其建设规模之大、速度之快均是空前的，位居世界前列。然而，我国幅员辽阔，地质环境十分复杂，不同地域地质环境存在明显差异，地面沉降、地裂缝、活动断裂及岩溶等特殊地质现象十分发育，是世界上地质灾害最为严重的国家之一。

特殊的地质环境条件决定了城市地下空间开发利用的布局、功能、规模及深度等各个方面，是决定城市地下空间开发利用是否科学合理的前提条件和重要基础。毫无疑问，我国的城市地下空间开发利用在规划、设计、施工以及后期运营维护方面均应考虑特殊地质环境的影响。从地质环境条件来看，我国目前大规模的城市地下空间开发利用面临着一系列亟须解决的特殊地质环境问题的挑战，如上海、西安及天津等城市的地面沉降问题，西安、北京、大同及太原等城市的地裂缝问题，西安、乌鲁木齐、福州及深圳等城市的活动断裂问题，以及武汉、长沙、广州及桂林等城市的岩溶问题等。这些特殊的地质环境条件制约了我国城市地下空间的开发与利用，并构成了严重的安全隐患和威胁。

在城市地下空间特殊地质问题研究方面，国外研究相对较早，主要在冻土对地下管道、活断层与地震对隧道以及砂土液化对地下建（构）筑物的影响等方面展开。而我国在这方面起步较晚，很多专家学者对特殊地质状况如地面沉降、地裂缝、活动断裂及岩溶对城市地下空间特别是城市轨道交通（地铁）的影响开展了一些研究，取得了一些重要成果。其中上海地面沉降、西安地裂缝对地铁的影响及防治研究最具代表性。

以下以西安地裂缝研究为例，简要阐述地下空间开发过程中的地质问题。地裂缝作为一种与地面沉降、基底构造或活动构造密切相关的近地表土层破裂的地质灾害现象或不良地质状况，其广泛分布给我国地下空间开发利用尤其是目前大规模城市轨道交通建设带来了前所未有的安全隐患和重大挑战。西安市是我国地裂缝灾害最为严重的城市，地裂缝是西安市最重要的特殊地质问题，可以说西安市是我国地裂缝灾害最为严重的典型代表城市（图5-20）。自从20世纪50年代末开始，对西安地裂缝的成因进行了系统的研究，目前得到的共识是西安地裂缝是受深部构造控制、抽取地下水诱导引起的。西安市中期规划的15条地铁线路与地裂缝纵横交织，交汇点近百处。

图5-20　西安城市地裂缝分布图

—地裂缝及编号；—黄土梁；—断裂带；—河流

众所周知，地下空间开发成本高、技术难度大。但是，我国特殊地质环境下的城市地下空间开发利用策略、规划与设计理论方法和防灾减灾及应对关键技术方面仍然较为零散、不系统，而且存在诸多理论和技术空白。

二、地下空间是城市可持续发展的重要自然资源

人类利用天然洞穴防寒暑、避风雨、躲野兽始自远古。在人类社会发展历程中，始终未停止地下空间利用。但由于生产力和科技水平较低，地下空间利用尚不普遍。一般认为，现代地下空间的利用始自产业革命后，多以伦敦1863年建成世界上第一条地下铁道为标志。有关资料表明，1963年前的百年间，世界上修建地铁的城市有20多座，但到1990年则有百座城市有地铁运营或正在兴建，线路总长达3000多km。

同期人们还修建了大量的水底交通隧道、地下电站和工业厂房、民用地下建筑（商业街、车库、民防工程、公众文体建筑等）、地下仓库、地下管网和大量的地下军事设施，城市地下空间开发进入了一个新阶段。我国的城市地下空间利用是以人防工程为先导，大城市自20世纪60年代起都建设了大量的人防工程，目前有许多城市的地下防空洞被改造为地下商业街。

我国地铁建设较发达国家大约晚了100年，北京市1965年开始建设地铁1号线，1969年建成通车。伴随着城市化进程的加快，地铁在城市交通系统中发挥的作用愈发显著，是衡量城市发展水平的重要标志，凭借其安全性、快速性、舒适性、便捷性、经济性，已成为城市公共交通的重要组成部分。据统计，2019年全国地铁运营线路长度达5181km，同比2018年增长19.0%，占城轨交通运营线路总里程的76.8%。从主要城市来看，上海、北京地铁运营线路长度均超600km，其中上海以669.5km的线路长度位居第一，2019年地铁运营线路条数在10条以上的有北京、上海和广州，地铁线路条数分别为20条、15条和13条。

改革开放的实践和知识经济时代的到来，人们越来越认识到树立正确观念的重要性，在实施城市可持续发展战略中，充分认识城市地下空间的自然资源属性，是搞好地下空间开发利用规划的基础。按联合国环境规划署1987年的定义：自然资源是指一定条件下，能够产生经济价值以提高人类当前和未来福利的自然环境因素的总称。虽然在一般的自然分类方案中未见有地下空间的位置，但按上述定义，地下空间应属自然资源。联合国自然资源委员会决议（1982）明确指出：地下空间是人类潜在的和丰富的自然资源。从理论上来说，地下空间的自然资源属性是清楚的，但在城市建设的实践中还远未受到应有的重视。

在进行城市规划时，一般将城市空间分成地面、地上和地下空间三个领域，但其界限并非截然。从国内外城市发展情况看，城市建设都是从地面空间利用开始，之后逐渐向上部空间发展，地下空间是城市扩展到一定程度才开始开发利用。决定这种进程的关键因素是经济效益和环境效益。在发达国家，随着人们对环境质量要求的提高，许多城市开始拆除对环境影响大的高架路，扩建地下交通网，这表明地下空间开发对改善城市环境质量具有特殊的重要性。

地下空间是以土体或岩体为介质和环境，这是与以空气为介质的地面、地上空间的根本差别，也是地下空间开发成本高、技术难度大的主要原因。但另一方面，地下空间具有恒温、恒湿、隐蔽性好等一系列的优点。国内外大量的实践表明，城市的大部分功能都可由地下空间来承担。但应认识到，现阶段地下空间开发的首要目的是缓解城市发展与有限地面空间的矛盾，一般应充分考虑地下空间的特性，尽量做到扬长避短，取得社会、环境和经济利益的协调。同济大学陈立道教授等提出，为创造城市优美的生活空间，地面以上应为生活区、步行区，地下空间建设行车、仓储、公用设施等。

三、城市地下空间开发与工程地质区划

前已述及，城市地下空间是以土体或岩体为介质和环境。因此，城市工程地质条件直接控制地下空间开发的难易程度；换言之，地质条件对地下工程的安全和经济起决定性作用。在城市的发展和建设过程中，城市工程地质条件对地面工程的影响已受到了普遍的重视，任何工程在建设前都必须开展工程地质研究工作，这已由有关法规予以确定。国内外隧道、矿山、地下电站等地下工程建设的经验教训表明，工程地质问题对地下工程施工建设和安全运营的重要程度远大于地面工程，对此，却尚未引起城市地下空间开发方面有关决策者和技术人员的重视。随着我国经济的高速发展和城市化进程的加速，城市地下空间开发的工程地质工作将成为广大城市工程地质技术人员的重任，其当务之急则是依据工程地质环境搞好地下空间规划。我国国土辽阔，具有复杂的区域地质环境，而处于不同地域的城市工程地质条件存在较大差异，见表5-9。

表5-9　我国部分城市的工程地质类型

正确认识城市工程地质环境特征，是城市地下空间规划的基础。如滨海平原型城市多系海陆交互相软土沉积，而滨海山地型城市多坐落在基岩山地上，岩体和软土对地下工程的适宜性有本质的区别，这将使地下空间开发设计原则、施工方法等完全不同。又如天津和上海同是滨海平原型城市，但前者位于强震区，地震液化土层分布广，地下工程抗震必须认真处理；而后者地震烈度低，这方面问题则相对简单。

任何城市都是经过了长期的发展建设，且积累了大量的工程地质资料。但这些工程地质工作都是为地面工程建设要求而进行的，且多是从单项工程所需的点状资料。可以说绝大多数城市已有的工程地质成果尚不能满足城市地下空间开发规划需要。众所周知，工程规划是工程建设的战略决策阶段。国内外地下工程建设的经验教训表明，规划阶段对地质可题的认知程度将直接影响工程的施工建设和安全运营。这里需要强调的是，进行城市地下开发决策必须克服“人定胜天”的错误观念，树立工程与地质环境相协调的可持续发展理念。

四、城市地下工程地质问题

工程地质问题是人类工程活动与地质环境间不协调而危及工程的施工和安全运营的地质问题。由于工程类型的多样性和规模的差异性，加之工程地质环境的复杂多变性，可以说任何工程都会遇到一定的工程地质问题，也正是为解决工程地质问题而推动了工程地质学的发展。受人类工程活动和自然地质环境双重因素的制约，工程地质问题习惯上分为与区域稳定有关的工程地质问题、与岩土体稳定性有关的工程地质问题、与地下水渗流有关的工程地质问题和与淤积有关的工程地质问题几大类，进一步依工程类型和工程地质条件主因进行细分，又分为岩质边坡稳定问题、土坡稳定问题、黄土边坡稳定问题、膨胀土边坡稳定问题等。地质环境是自然历史形成的，具有一定的区域性特征，从而决定了某些工程地质问题只产生在特定地区的工程建设中。如与区域稳定有关的工程地质问题发生在构造活动带，与黄土有关的工程地质问题发生在黄土分布区等。人类工程活动类型虽然很多，但从与岩土体间的关系来看，可划分为移动土石（各类岩土体开挖）和改变岩土体赋存环境状态（应力状态、含水状况和温度场）两类，进而研究与之相关的工程地质问题。由于我国城市地下空间开发还处于初级阶段，关于城市地下工程地质问题的研究尚待开展，这里参考一般地下工程中地质问题，并结合城市地下空间开发特点，简列出城市地下工程地质问题的主要类型。

（一）城市地下区域稳定性问题

虽然总体上说地震对地下工程的破坏性要较地面工程小，但因其破坏力巨大，加之修复的困难性等。因此，城市地下区域稳定性问题是对位于构造活动带内的城市进行地下空间开发必须认真研究的重大工程地质问题。其中，主要有地下工程如何通过活断层和地裂缝带，地下空间周围易振动液化土层的评价处理问题等。另外地面沉降、岩溶塌陷也有人将其归为区域稳定性问题。对前者而言，我国已有许多城市不同程度地发生了地面沉降。由于地下工程多系刚性构筑物，与周围土层变形性差异显著，当地面沉降使地下工程周围土层变形达一定程度时，无疑将引起线性地下工程发生不均匀变形从而导致破坏，加之地下水及振动影响，使这方面问题会更突出。

（二）城市地下岩土体稳定性问题

由于地下空间是从岩土体中开拓出来的，因此城市地下岩土体稳定性问题就是城市地下空间开发中普遍存在的工程地质问题。但鉴于各城市的岩土体类型、工程特性、赋存环境等不同，使岩土体稳定的表现形式和程度有很大差别。如坐落在基岩区和软土区的城市地下空间稳定性问题，因岩体和土体的工程性质差别而不同，这是显而易见的。虽然人类开发城市地下空间历史较短，但在矿业、交通、能源、军事等诸多方面却已有长期的地下工程经验，广泛吸取这方面经验教训，并从城市的岩土体特征出发，解决城市地下岩土体稳定性问题是完全可能的。

（三）城市地下空间开发的地下水问题

绝大多数城市开发的地下空间是处于饱水岩土体中，地下水对岩土体工程性质具很强的物理、化学弱化作用，地下水引发的工程地质问题是城市地下空间普遍存在的重大问题。虽然近年来岩土体排水、堵水等防治水对地下工程岩土体稳定性影响的工程技术有了很大进展，但由于地下水引发的地下工程事故仍时有发生，其根本原因是对问题的复杂性和动态性认识不足，选用的工程措施与工程地质环境特征不协调。另一方面，解决岩土体地下水问题的岩体水力学、非饱和土土力学等理论尚在发展中，理论落后于实际工程需要也是原因之一。

（四）地面工程基础对地下空间开发的影响问题

由于城市地下空间开发远滞后于地面工程建设，修建地面工程时多未考虑地下空间开发，许多软土地区城市的高大建筑物多采用深入地下数十米的桩基，如上海的钻孔灌注桩已达80多米，协调地下空间开发与已有的地面工程基础间的关系，是城市地下空间开发不同于一般地下工程的特殊工程地质问题。如不能很好地解决这一问题，不仅影响地下空间开发，而且将影响地面工程的安全，近年许多城市都不同程度地发生了这类问题。由于问题的复杂多样，进行地下空间开发时，必须在查清已有工程基础的前提下，针对具体情况进行处理。

总之，城市地下空间是城市可持续发展的重要资源的观念应当成为城市发展的指导原则。城市地下空间开发规划应成为城市规划的重要组成部分，对加强城市工程地质区划研究及城市地下工程地质问题研究与提高地下岩土工程技术是城市地下空间开发的技术保证。

第五节　水利水电工程

随着社会经济的发展、人口增加、工农业及城市对水资源需求的与日俱增，水资源的供需矛盾日益尖锐。在人类面临的水、能源和粮食三大危机中，水成为我国21世纪最为突出的问题。在目前水资源严重短缺条件下，为了满足生产和生活用水，超量开采或盲目开采地下水的现象普遍存在，由于有限的水资源量承受不了无节制的过量开采，造成水资源长期无序使用及一系列环境地质灾害问题，对水环境也产生巨大影响。水资源危机和超量开采地下水导致的环境问题不仅制约着社会和经济发展，而且威胁人类生存，导致严重的生态危机。合理开发利用水资源和保护自然生态环境，科学有效地管理地下水资源，是解决这一问题的关键。

一、水利水电工程特点

水利水电资源具有可再生、无污染、一次开发后运营成本低等优点。水利水电开发是流域开发的一个核心内容，它常兼顾防洪、航运、灌溉、供水、养殖、旅游等综合功能，并注重水资源开发的多重效益，要求具备开发资源、发展经济、保护生态三大效应。水利水电工程是一个系统工程，涉及影响人类生存、发展的地质环境（包括岩石环境、土环境和水环境）问题和生态环境（包括自然环境、工程环境及社会经济环境）问题，与地质灾害问题密切相关，并具有以下突出的特点：

（1）为充分利用水能资源，减少淹没损失，避免过多地形成高坝大库，降低水电站对河流生态影响，水利水电资源开发均采取梯级规划、滚动开发的方式。

（2）水利水电工程总是建设在江河流域之上，都需要修建拦河坝体，在江河上形成数公里、几十公里甚至几百公里长的水体，是改变水流运动的大型土木工程，涉及枢纽工程（包括边坡工程、地下工程及地基工程等）、水库工程、移民工程、附属与临建工程等。

（3）水利水电工程涉及自然科学、社会科学、管理科学与人文科学等领域，是水利水电工程、土木工程、地质工程、电气工程、交通运输工程、环境工程等的集成，与参建各方密切相关，需进行质量控制、进度控制、投资控制、风险控制与协调控制。

（4）水利水电工程中每个工程不仅规模大小、结构形式、功能与作用各不相同，工程地质条件及建设环境条件也千差万别。

（5）水利水电工程由于投资规模大、建设周期长，所面临的风险也较多，其中包括地质灾害风险，工程项目从规划设计到生产运行管理，整个生命周期中都必须重视地质灾害风险管理。

（6）水利水电工程开发建设是认识自然、利用自然、改造自然的过程，只有充分地认识自然，才能有效地利用和改造自然。

二、水利水电工程地质发展历史

新中国成立前，中国没有专业的工程地质人员，少量简单的道路、桥涵、房屋等建筑设计中涉及的地质问题，主要由土木工程师凭经验确定解决方案，有时也会聘请少数地质师进行咨询。至于水利水电建设的工程地质问题，由于没有建设什么现代意义上的水利水电工程，也就谈不上相应的地质勘查与研究，尤其是大坝建设中的工程地质勘查几乎是一片空白。新中国成立后，随着水利水电建设事业的发展，水利水电工程地质也应运而生，并日益发展壮大，大致经历了三个时期。

（1）20世纪50—60年代中期。这一时期中国建设了许多水坝，主要集中在中国东部和中部地区，如淮河流域的梯级水坝，板桥、石漫滩、响洪甸、梅山、佛子岭等，黄河上的三门峡、浙江的新安江、资水的柘溪、广东新丰江、江西上犹江等。这一时期所建大坝的主要特点：一是坝高不大，绝大多数都在100m以下；二是坝型以混凝重力坝和当地材料坝为主，对基础要求相对较低；三是地质条件相对较简单，火成岩、变质岩坝基占多数，很少遇到诸如岩溶坝基、缓倾角含软弱夹层坝基、断裂构造复杂的坝基、高地震烈度区，以及人工高边坡和大跨度地下洞室等可能遇到的复杂地质问题。这一时期也有少数大坝因地质勘查工作深度不够或缺乏经验，开工后因地质条件复杂而被迫停工；也出现了诸如梅山水库右坝肩岩体过量位移、新丰江水库诱发地震、柘溪水库塘岩光滑坡等事故。这一时期是中国水利水电工程地质锻炼队伍、积累经验、培养人才，为今后发展奠定基础的重要阶段。20世纪60年代初，由中国科学院和水电部水电建设总局联合组织从事水坝工程地质勘查，并有一定经验的专业人员，以地质力学、岩体结构等理论为指导，对120多个水坝的工程地质勘查成果进行了整理分析，对其中30多个大、中型工程进行了现场调查，在此基础上系统地总结了中华人民共和国成立以来水坝建设工程地质的实践经验，并分专题从理论上做了概括和总结提高，编写出版了《水利水电工程地质》一书。该书以工程实例为基础，以经验总结为主要内容，具有一定的学术水平和很高的参考价值，是多年来水利水电工程地质工作者重要的参考书，也是对我国水坝工程地质第一阶段发展水平的总结。

（2）20世纪60年代后期至80年代中期。这一时期，中国在一些地质条件复杂的地区，兴建了一批有代表性且规模较大的大坝，如在岩溶十分发育且构造复杂的乌江渡，兴建了我国第一座高达165m的岩溶坝基高坝；在各种地质条件均很复杂的青海龙羊峡建设了我国当时最高的重力拱坝——龙羊峡大坝；在白山水电站兴建了我国第一座大跨度地下厂房；在长江干流白垩纪红层上兴建了长江第一坝——葛洲坝水电站。上述工程建设及相应的工程地质勘查，全方位地为提高中国大坝建设的工程地质勘查与研究水平提供了条件。如乌江渡水电站的成功建设，从根本上克服了在岩溶地区兴建高坝的恐惧心理；葛洲坝大坝的建设，积累了软弱夹层坝基建坝的经验；龙羊峡大坝在拱坝坝基稳定性分析及地质缺陷处理、近坝库岸滑坡危害性评价及监测技术、泄洪雨雾对下游岸坡稳定的影响等多方面，为大坝工程地质勘查提出了新问题，提供了新经验。为适应这些复杂地基地质勘查工作的需要，勘查新技术、新方法的研究在这一时期也取得了明显的进步。如：为适应软弱夹层研究而研制的φ1000mm的大口径取芯钻机、φ91mm的钻孔彩色电视、软弱夹层钻进和取样工艺、各类剪切带成因类型划分及相应力学参数的研究。这一时期列入国家“六·五”重点科技攻关项目的“复杂地基勘查技术研究”，是大坝建设工程地质勘查所取得的最重要的研究成果，对推动我国工程地质勘查技术和方法的进步起到了重要作用。

（3）20世纪80年代后期至90年代。中国政府为进一步综合利用水资源和防治水害，相继决定兴建当今最引人瞩目的三个巨型水利水电工程，即雅砻江二滩工程、黄河小浪底工程和长江三峡工程。这三大工程具有以下共同点：一是无论从工程规模、综合效益和建筑物的复杂性都处于当今世界的前列；二是三个工程都有各自独特的复杂工程地质问题，如二滩工程的区域构造稳定性，坝址区高地应力及大跨度地下厂房；小浪底工程近水平含软弱夹层地层中，大跨度、高密度地下洞室群开挖；三峡工程永久船闸深开挖高边坡及水库移民环境地质问题等。三是三个工程都经历了数十年的工程地质勘查与研究，有庞大的勘查工作量和丰富的勘查研究成果。二滩工程和小浪底工程已分别于1998年和1999年建成发电，三峡工程的施工，已跨过了受地质条件控制的关键阶段，前期勘测所做的主要结论都已得到检验。这三大工程的成功建设，标志着中国水利水电工程地质的实践经验和学术水平，已登上世界水坝建设工程地质研究的前沿。1985—1995年，国家在“七·五”“八·五”“九·五”重点科技攻关中，针对这三大工程的重大地质问题都列有专题进行研究。包括：区域构造稳定性评价和地震危险性分析；地震遥测台网建设及水库诱发地震研究；库岸滑坡的调查、稳定性分析计算、失稳判据研究、监测和预警系统；复杂地质条件下高重力坝及高拱坝坝基坝肩稳定性分析、地质概化模型及岩体力学参数取值原则与方法；人工开挖高边坡的稳定性评价、各种本构模型条件下的二维、三维计算、岩体时效变形效应；裂隙岩体渗流场及岩体水动力学；复杂地质条件下，如高地应力区、水平地层含软弱夹层地区大跨度地下洞室围岩稳定；大型不稳定块体的支护措施等。由于筑坝地区迅速扩大、坝型越来越丰富、施工水平快速提高，天然建筑材料愈来愈受到客观条件的限制，推动了天然建筑材料的研究。这一时期，为适应上述三大工程地质勘查与研究工作的需要，勘测新技术、新方法的引进、开发和推广工作也得到飞速的发展。如遥感技术、弹性波CT技术的广泛应用，大型地质力学模型试验，计算机技术和各种工程勘测软件的迅速开发，新一代钻孔彩色电视，高边坡快速编录技术，岩体质量分级及检测，GPS和GIS的广泛应用等。上述大量的专题研究和新技术新方法的推广应用，不仅满足了二滩、小浪底、三峡三大工程复杂地质问题研究的需要，而且迅速将我国大坝工程地质勘查技术推进到了世界领先的前沿水平。

当前，随着科技的进步和社会的发展，地质工程理论在水资源开发、水利水电工程建设与运营中都起到了举足轻重的作用。

三、水利水电工程涉及的主要地质问题

对于水电资源开发利用的研究，理论上应涵盖所有与工程建设及运行相关的工程地质和环境地质问题，主要包括区域构造稳定性评价及地震危险性分析、水库区工程地质及环境地质、坝址及枢纽建筑物工程地质与水文地质、天然建筑材料。从世界范围来看，各国对这四个问题所给予的重视程度和研究深度是不同的。但是在中国，由于特殊的社会经济和自然条件（人口众多、土地资源和水资源相对匮乏、多地震等）的制约，这四大问题中的任何一项都必须给予足够的重视，才能满足建坝的可行性论证和工程规划设计的需要，并确保工程施工和运行的安全。

1.区域构造稳定性及地震危险性评价

中国是一个多地震的国家，尤其是中国东部的太行山、燕山山前地震带、台湾、西部的青海、宁夏、新疆以及西南的广大地区，地震活动性强，区域构造稳定性及地震活动性评价在这些地区兴建水坝时是第一位的工作。有些大坝，如三峡工程、小浪底工程、丹江口大坝等，虽然位于构造相对稳定、地震活动不强烈的地区，但由于工程的特殊性，对区域构造稳定性和地震活动性问题也进行相关研究。区域构造稳定性和地震活动性的研究包括区域地质背景（区域地层、构造、地貌、地质发展史等），深部地球物理场特征，新构造运动的性质及强度，断裂展布特征及活动性，历史地震及现代测震资料的收集、核查和分析，地震本底情况研究，地震危险性分析及地震动参数确定等。

随着中国水坝建设的重点向西部转移，以及二滩工程、三峡工程和小浪底工程的建设，有关水利水电工程区域构造稳定性和地震活动性的研究在中国取得了举世瞩目的成就。如二滩工程兴建在新构造和地震活动均很强烈的川滇南北向构造带上，中国的工程师和科学家通过深入研究，弄清工程区周缘几条主要断裂的性状及其活动性，提出了相对稳定地块的概念。三峡工程在地震方面的安全性曾引起世界范围的关注，中国的专家学者通过30多年的潜心研究，作了许多卓有成效的工作，在许多方面堪称世界之首。如三峡工程专用地震监测台网，已有40余年的测震资料，在世界上是少有的。为深入研究三峡地区大地构造背景和几条主要断裂的性质，采用人工地震测深的方法研究这一地区的地壳结构，各壳层界面特征，莫霍面的埋深及变化，几条主要断裂的切割深度及断距等，得到了极其宝贵的资料，从最基本的地壳结构及深部地球物理场条件澄清了许多颇有争论的重大问题。中国工程师根据三峡工程的实践，总结出“深部构造（深部地球物理场）是背景，区域地质条件是基础，区域断裂构造是骨架，新构造运动是表征，近场断裂活动是核心，地震活动性是脉搏，地震危险性分析是归宿”的研究思路和方法。

中国的新丰江水库1961年发生Ms6.1级水库地震，是世界上4个震级大于6.0级的水库地震之一，其后在中国大陆先后共有约20座水库发生过水库地震。中国政府及有关的生产、科研部门对此给予了高度重视，并投入了巨大的力量进行研究。中国对这一问题的研究是由地震学家和从事水坝建设的工程地质学家配合进行研究。研究内容包括水库诱发地震震例分析；水库诱发地震成因分类；库区岩性条件，构造、新构造条件，水文地质条件及岩体渗透性（碳酸盐岩构成的水库还包括岩溶发育情况）；地应力状态；区域地震活动水平、地震本底情况（包括河水位变化情况下）的监测以及建立水库诱发地震预测模型等。以上研究内容及方法，在近十余年中国数座发生过典型水库诱发地震的工程中，进一步得到发展和系统的应用。

2.水库工程地质与环境地质

水库工程地质与环境地质问题的勘查研究是水坝建设中工程地质勘查不可或缺的重要内容。与国外的水坝建设相比，中国由于人口众多，水库区一般均有较多的移民搬迁和城镇迁建，加之土地资源相对匮乏，更增大了水库区工程地质与环境地质问题研究的重要性。水库区工程地质勘查研究的内容，因自然社会条件的不同而有所不同或侧重，主要有以下方面：库岸稳定性，主要是可能危及工程施工及安全运行的近坝库段的大型崩塌、滑坡、危岩体，以及可能影响水库正常运行和居民安全的大型滑坡；中西部山区泥石流对库区环境的影响也是一种常见的自然灾害；在特定地区，主要是华中及北方平原地区，水库蓄水引起的坍岸及浸没，常是水库工程地质研究的重点；矿产资源受水库直接淹没或因地下水位抬高对矿产开采的影响，在兴建水坝决策论证时必须全面作出评价；在岩溶地区，水库的封闭条件，库水有无向邻谷或向下游渗漏的可能及其规模，是在这一类地区兴建水坝必须首先做出明确结论的问题；有些地区由于水库蓄水，水库周边一定范围内地下水渗流场（水位、水温、水质）发生的变化及对当地工农业生产和人民生活带来的影响（正面的或负面的）也应作出评价；由于安置水库移民而大量兴建新的城镇及相应的工业、交通、通信和其他设施而引发的次生工程地质和环境地质问题，日益引起了中国政府的重视。

由于兴建水坝对下游地区可能带来的工程地质和环境地质问题，也引起了广泛的注意。三峡工程兴建后清水下泄对下游河床的冲刷，坍岸加剧且会危及部分堤防的安全；水位变化对江汉平原土壤潜育化的影响；长江与洞庭湖、鄱阳湖等大湖关系的变化，乃至对上海市和长江河口的可能影响，都进行了广泛而深入的研究。

3.坝址及枢纽建筑物工程地质与水文地质

坝址及枢纽建筑物工程地质是水坝建设工程地质勘查的主体，主要涉及坝基、地下洞室和人工开挖边坡三大类型的工程地质问题的勘查与研究。

水坝坝基工程地质勘查的基本任务是确定坝基岩体可利用程度及范围，确定各种类型地质缺陷的位置、性状、范围和计算所需的其他各种地质边界，提供进行各种数值分析所需的岩体物理力学参数，确定地质缺陷处理的原则和方法。近年来，随着计算技术、试验和测试技术的不断进步，早期主要依靠工程地质学家凭经验评定建基岩体质量，确定坝基（肩）开挖深度的做法，已逐渐让位于通过建立岩体质量评价体系进行定量分类，根据建筑物的工作条件确定可利用岩体的部位和利用岩面的位置。深层抗滑稳定问题的研究主要是确定滑动边界条件及选取合理的力学参数。三峡工程左岸厂坝1～5号机组坝段由缓倾角结构面构成深层抗滑稳定问题，通过对块状岩体中闭合、不连续缓倾角结构面的位置、产状、规模、连通率及其构成的确定性滑移模式研究，使这一问题的研究有了突破性进展。龙羊峡重力拱坝坝肩地质条件复杂，坝肩深层抗滑稳定问题十分突出，为此采用了混凝土阻滑键、传力槽、断层带物质部分置换及化学灌浆等复杂的基础处理措施。葛洲坝工程位于产状平缓多夹层的半坚硬岩石上，针对坝基抗滑稳定所做的地质勘查、岩石物理力学试验、稳定分析和基础处理措施，为中国在类似条件地区兴建水坝提供了完整的经验。

深开挖高边坡的稳定性及其支护措施的研究，也是坝址及建筑物工程地质勘查的重点，包括坝肩边坡、厂房边坡、地下开挖进出口边坡、下游消力池两侧边坡及船闸开挖边坡等，边坡的形态、工作条件及构成边坡的岩体条件也千差万别。统计表明，人工开挖高边坡带来的问题远高于水利水电工程建设中其他工程建筑物所遇到的问题，因此高边坡稳定性的勘查研究在中国愈来愈受到重视，并成功地解决了工程建设中许多高边坡工程的工程地质和岩体力学问题。

水坝建设中的地下工程，包括导流、泄洪、引水、排沙、灌溉、交通洞室及地下厂房等，由于受到地形条件的限制，中西部地区大坝建设中地下工程的类型和数量愈来愈多，规模也愈来愈大，条件也愈来愈复杂。中国自20世纪80年代中后期开始，兴建了众多的抽水蓄能电站和大型地下厂房。与边坡工程相似，水坝建设中的地下工程类型多，规模和运行条件各异，地质条件千差万别，从坚硬完整的花岗岩到岩溶发育的碳酸盐岩，至一经开挖遇水就膨胀塑流的泥岩、断层夹泥或蚀变岩；从水平地层到强烈挤压带，以至高地应力、高地热地区，因此也是水坝建设中工程地质勘查的重点对象。

坝址地质勘查的其他内容，如河床深厚覆盖层、岩溶地区坝基防渗排水、高水头大流量泄洪下游冲刷坑等的勘查研究，都随着水电建设重点地区的西移和工程规模的增大而日益复杂。

4.天然建筑材料

天然建筑材料勘查是水利水电工程地质勘查的一项重要工作。在中国早期的水利水电建设中，由于工程的规模较小，建设地点和条件优越，天然砂砾石料、土料及各类石料资源丰富，天然建筑材料相对比较容易解决。近年来，随着环境和生态保护的要求日益严格、工程地点不断向西部迁移、自然资源的限制等诸多因素的影响，天然砂砾石料土料已愈来愈无法就地取材，不得不转而研究新的料源和料种。其中，混凝土骨料发展最快的是人工骨料。在中国，很多种类型的坚硬岩石，如花岗岩、玄武岩、碳酸盐岩、变质岩、砂岩等，都曾用作人工骨料，以碳酸盐岩人工骨料最多。防渗土料已广泛使用砾石土、碎石土、风化残积土或其他混合料；高面板堆石坝的石料勘查也有别于过去常规堆石坝的要求。水利水电建设中天然建筑材料勘查所表现出的巨大的社会和经济效益，以及部分工程由于天然建筑材料选择失误所带来的损失，逐步引起了勘查设计部门对天然建筑材料勘查工作的重视。早期曾在中国甚为流行的一种做法，即地质工作将天然建筑材料放在次要地位的现象已逐步得到克服。

5.当前水利水电工程建设中出现的几个突出地质工程问题

当前我国的水利水电工程呈现三个明显特点，一是大型水坝建设向西部地区转移，与之相应的区域稳定问题、边坡问题、大型洞室（群）和深埋洞室问题、高地应力和地热问题、深厚覆盖层问题日益突出；二是长大线性调水工程方兴未艾，如南水北调、引滦入津、引黄入晋、引江济淮等，与之相应的特殊土、长大深埋洞室、线路穿越煤矿采空区、水文地质环境等问题十分突出；三是受市场经济的驱动，工程勘查周期大大缩短，对工程勘查人员综合素质的要求越来越高，施工地质的地位越来越重要。

过去，我国水利水电工程多在地震烈度Ⅵ度或Ⅵ度以下地区，目前Ⅶ～Ⅷ度区的工程逐渐增多，加上近场区复杂的断裂构造，区域稳定评价工作的比重明显增大；一些引水工程的地下洞室长达数十公里、埋深达千余米，高地应力、高地温、高压水流将是洞室掘进时面临的三大问题，现有的勘探手段难以直接对洞身部位的地质条件进行了解；在河南、山西等地，引水工程能否从煤矿采空区通过、如何评价工程的安全性、基础如何处理，是近几年遇到的工程地质新问题；由于地下工程开挖和大量排泄地下水，造成周边地下水下降和水文地质环境恶化，已经引发数个工程部位的生态环境问题，如引滦入津工程。

四、水利水电工程地质研究方法

我国数十座高100m以上的大坝的成功建设和数个长大引水工程的实施，为广大的工程地质和相关学科的科技工作者从理论到技术方法上追求勘查技术的创新和发展提供了广阔的舞台，使水利水电工程地质勘查工作的水平得到了迅速提高。

1.工程地质理论研究

几十年来，许多中国工程地质学者，努力从理论上建立一种可以指导工程地质实践、有助于认识和把握工程地质条件的学说。这种理论研究有两种类型，一种是有一套比较完整的思想观点和理论体系，用以全面指导勘查工作的实践和在较广泛的范围内解释复杂的工程地质现象；另一种是仅从一个方面提出一些新的观点和研究方法，服务于特定的专题，主要集中在以下一些工程地质问题上，如泥化夹层的成因演变及破坏机制的研究、高边坡失稳机制和破坏模式的研究、岩体结构及岩体质量分类研究、地下洞室围岩分类研究、裂隙三维网络模拟研究、岩溶河谷水动力类型分带及深部岩溶研究、裂隙水动力学的理论研究等。上述诸多的理论研究中，中国著名工程地质学家——谷德振院士通过大量的工程实践，提出岩体结构的全新概念——岩体结构制约岩体物理力学的性状和岩体变形破坏机制及控制岩体稳定性的著名论断，具有比较完整的学术观点和理论体系，在工作中形成了一套较完整的流程并得到了广泛的应用（图5-21），推动了我国工程地质学的整体发展，为我国工程地质学树立了新的里程碑。

图5-21　水利水电工程地质勘查流程

2.遥感技术

遥感技术应用于中国的水利水电建设始于20世纪70年代后期。由于这一技术具有视域广阔、信息丰富、用途广泛等优点，在很短的时间内就在水利水电工程地质勘查工作中得到了广泛的应用。目前，在中国的水利水电工程地质勘查中，遥感技术已得到广泛的应用，主要用于：中小比例尺地质填图；区域地质构造研究；库岸稳定性及崩塌、滑坡、泥石流调查（图5-22）；岩溶调查；地质环境调查与监测。

图5-22　某水电站库区滑坡遥感影像图

（a）坝址内遥感影像倒视图；（b）Ⅰ号滑坡三维遥感影像图；（c）Ⅰ号滑坡实地照片；（d）坝段Ⅲ号滑坡遥感影像倒视图；（e）坝段Ⅲ号滑坡三维遥感影像图

3.钻探技术

钻探仍是水利水电工程地质勘查的主要手段。随着工程建设的地基条件日趋复杂，许多特殊的地质问题，如软弱（泥化）夹层的层位确定及取样，砂卵石地层特别是巨砾、漂砾地层的钻进，砂砾石层取样，砂层取原状样，特硬地层如燧石层、石英砂岩地层的钻进，钻孔岩芯定向等问题，依靠常规的钻探方法无法获得满意的结果。国外解决类似的特殊地层钻进问题，有的有成熟的设备机具，但价格很昂贵；有的则还没有可靠的方法加以解决。在国家科技攻关中，中国的工程师本着为生产服务、自力更生的原则，为解决上述难题做了大量的研究工作，取得一批在实践中获得良好效果的成果，包括：大口径钻进技术、金刚石套钻取芯技术、金刚石钻具砂卵石层中钻进技术、液动阀式双作用冲击回转钻进设备、各种类型的砂层和软土层钻进及取样技术等。此外，在绳索取芯、破碎地层取芯技术等许多方面，都已达到了国际先进水平，缩小了和国外技术的差距。

4.工程地球物理勘探技术

在我国，水文地质工程地质物探与石油、矿山物探相比，起步较晚，约在20世纪50年代后期才有一些流域机构和部直属勘测设计院建立专业物探队伍开展工程物探工作。在改革开放和科教兴国政策的强力推动下，各水利水电工程勘测单位基本上都建立了专业物探机构，并相继从国外引进了一批较先进的工程物探仪器，开展了新技术方法的应用研究。同时，中国的科技人员结合工作中遇到的大量实际问题，开展了多方面的专题研究。如小口径钻孔彩色电视录像及图像处理系统的研究；浅层反射波法地震勘探及数据处理技术的研究；数字测井技术及全波列数字声波测井技术的研究；弹性波、电磁波层析成像技术（CT）研究；微伽重力仪在岩溶探测中的应用研究；瑞利面波勘探技术研究；超磁致伸缩声波震源发射装置。这些研究成果为推动我国工程物探的发展起到了重要作用。

5.地质力学模型试验

地质力学模型是一种物理模拟研究方法，用于研究工程建筑结构和岩体结构的共同作用，定量或半定量地解决在工程荷载作用下建筑物、基岩的变形和稳定状态，以及在超载作用下的破坏过程和破坏机制，从而对建筑物的安全作出评价。中国将大型地质力学模型试验用于大坝工程建设始于20世纪70年代后期，首先应用于葛洲坝工程二江泄水闸的抗滑稳定，其后用在龙羊峡大坝的坝肩稳定、三峡工程永久船闸高边坡的开挖程序和变形状态、三峡工程左岸厂房坝段深层抗滑稳定性、小浪底工程地下厂房多裂隙层状介质岩体的稳定性评价、二滩水电站拱坝整体稳定和坝肩稳定，以及铜街子、构皮滩、小湾、隔河岩等工程，均进行了二维（平面）和三维的地质力学模型试验，取得了许多重要的成果，为建筑物设计提供了极有价值的资料。

6.计算机技术应用与工程地质数值分析

近年来，随着计算机技术的迅速发展，中国的工程地质学科也迅速摆脱了长期以定性评价为主的局面，开拓了工程地质数值分析的新领域。尤其是大坝建设面临的如高双曲拱坝坝肩稳定性、高地应力区建筑物设计、高地震烈度区抗震设计、含众多软弱夹层及断层的坝基稳定性、大跨度地下洞室、高陡人工开挖边坡的稳定问题等，为计算机应用技术的发展提供了强大推动力。在这些条件下，基础岩体的应力状态十分复杂，采用传统的解析方法，无法考虑诸如岩体的各向异性、非均质性、不连续性、时效变形及复杂边界条件等情况。同时这些问题也促进了各种工程地质数值分析技术与方法的发展。中国水利水电工程地质勘查计算机技术和数值分析方法的应用，大体可分为三个层次：

（1）工程地质勘查原始数据的统计分析。利用计算机对工程地质勘查原始数据进行统计分析，目前应用较为广泛，它包括：原始资料和数据的统计、分类，各种分析试验成果的计算处理，各种工程地质条件的分类、分区、趋势分析和预测等。

（2）工程地质问题数值分析。工程地质问题数值分析是数值分析方法在工程地质领域应用的核心，主要包括两种类型的问题：一是工程地质现象形成机制和演化过程的数值模拟；二是工程岩体的稳定性评价和预测。复杂地质现象的数值模拟是用数值分析方法通过再现地质现象的形成和演变过程来揭示现象的内在规律。由于客观地质体不论其空间、时间尺度，还是物质条件和影响因素的复杂程度，都不是数值模拟所能准确再现的。因此，这种数值模拟方法的意义不在于具体成果的准确性，而在于规律探索，并预测其未来的发展趋势或失稳破坏的方式。由于数值分析方法不仅得到岩体变形（位移）和破坏的最终结果，而且可以获得工程岩体在外荷载作用下位移场、应力场的细部情况，可以在一定程度上模拟岩体的非均质性和各向异性，同时还可以通过对岩（土）体变形破坏规律和过程的模拟研究，评价岩体的稳定性现状并预测其未来的变化，因而不断发展和完善工程岩体稳定性的数值分析方法，是工程地质学今后发展的一个趋势（图5-23）。

然而，实践表明，由于工程岩体的特殊性和复杂性，完全依赖甚至主要依赖数值分析方法来解决大量的工程实践问题是不可取的。首先地质体是在漫长的地质历史时期形成的复杂体系，同时地质体高度的各向异性和非均质性也是任何其他材料所不能比拟的。因此，理论上的本构关系假定和必须简化的计算模型在解决这种问题时必然存在偏差，有时甚至表现得无能为力；同时人们对地质体的认识由于受到多种因素的限制，仍然有很大的局限性，因此，对与之相对应的数值分析方法自然不能期望过高；再者计算参数的选择在很大程度上决定了计算结果的可靠性，由于计算参数的不确定性，极大地限制了计算结果的准确性。因此，在进行数值分析时，应把握以下几个原则：

1）高度重视现场第一手资料的收集工作。任何工程地质数值分析的可靠性和准确性，很大程度上取决于对地质原型认识的正确性。

2）建立合理的地质概化模型和力学模型。任何数值分析都必须对地质体原型条件做合理的抽取、归并和概化，使之能较好地概括地质体的基本特征和环境条件，既突出工程地质问题的主导因素，同时又具有数值分析的可能性。

3）适时优化完善计算条件和参数。任何一项工程，特别是地质条件复杂的水坝工程的实施过程，都是一个不断加深认识和优化设计的动态过程。因此，要根据不断变化的地质情况，及时调整各种计算条件和参数，充分利用数值分析方法快捷、简便的优势，及时补充数据，修改和完善地质概化模型、力学模型和计算方法，使数值分析方法的优越性得到充分的发挥。

4）重视并充分运用岩体原位测试和变形监测技术。近年来，岩体原位测试和变形监测技术大量应用在大坝建设的各种建筑物的设计、施工和运行中，这是当前勘测、设计施工信息化的重要组成部分，如大坝CT技术、GPS监测技术、光纤监测技术、水下监测技术。另外，用反分析方法所确定的参数尽管其物理意义是模糊的，但用于优化设计则是可行的。因此，反分析计算也成为工程地质数值分析的一个重要手段。

图5-23　某水电站左岸地下厂房B类角砾岩区域稳定性分析

5）正确估量数值分析成果的可靠性和应用条件。数值分析方法在解决复杂的工程岩体问题时，有很大的局限性。因此不能简单地将数值分析的成果应用于岩体工程的设计中。

（3）计算机辅助制图和工程勘查管理系统及仿真技术的应用。这是第三个层次的计算机技术应用。它虽然不直接回答各类工程地质问题的分析结论，但却是加快勘查工作进度、扩大勘查成果的应用领域、提高勘查成果服务水平的重要途径，也是推动工程地质学广泛接纳现代科学技术的重要方面。

图5-24所示为广东省水利水电勘测设计研究院开发研制的水利水电工程地质勘查数据处理及CAD绘图系统，该软件主要包括三个部分：

1）工程地质勘查数据录入，通过工程地质数据录入界面输入现场获得的各种试验资料；主要有钻孔数据录入界面，包括钻孔总体参数、地层分层数据、标准贯入试验数据、取样数据、动探试验、水文地质试验、裂隙统计、静探试验、十字板试验、声波测试等所有试验数据；平面数据录入，地质点数据录入，剖面数据录入等功能。

图5-24　工程地质勘查数据处理及CAD绘图系统

2）现场试验数据统计分析功能：有土工试验成果统计、标贯试验成果统计、动探试验成果统计、钻孔一览表、地层厚度统计、水文地质试验成果计算及统计、渗透稳定及液化判别等。

3）工程地质CAD绘图系统，主要功能有柱状图绘制，剖面图绘制，平面图绘制等。计算机辅助制图技术在工程地质领域的应用在近十多年来得到快速发展，目前基本地质图件均已实现计算机辅助制图，包括柱状图、剖面图、各类地质结构面的统计图、各种展视图及地质平面图等。

五、典型水利水电工程的地质研究简介

中国是一个水利水电资源蕴藏极为丰富的国家，水利水电工程从无到有，数量不断增多，取得了丰富而宝贵的成功经验，下面就我国各个时期、各种不同类型地区成功建成的几座大坝作简要介绍。

1.乌江渡水电站——开创我国灰岩地区兴建高坝的先例

乌江渡水电站位于乌江中游，是乌江流域规划中确定开发的第一期骨干电站，也是我国在岩溶地区兴建的第一座高坝。因此乌江渡大坝的建设曾引起国内大坝建筑界的广泛关注，大坝的成功建设也为中国在石灰岩地区兴建众多的大坝开创了先例，并积累了丰富的经验，其中包括：

（1）石灰岩地区建坝，尽量选择坝址附近有可靠隔水层做防渗依托，成为在岩溶地区选择坝址的重要原则之一。

（2）重视岩溶发育规律和演变历史的研究，特别是河流发育过程、断裂构造和岩体水动力条件对岩溶发育的影响。

（3）在石灰岩地区利用地下水等水位线图指导研究岩溶发育状况是一种有效的方法。

（4）注意断层对隔水层隔水作用的破坏，是石灰岩地区大坝建设工程地质勘查时需认真注意的问题之一。

乌江渡大坝1979年建成，40余年的安全运行证明大坝建设十分成功。该项工程于1985年获国家科技进步一等奖。由于有乌江渡大坝成功建设的经验，消除了人们早期在岩溶地区建坝的恐惧心理。之后中国在石灰岩地区成功建设了一大批大型水电工程，如鲁布革、观音阁、隔河岩、东风、天生桥、万家寨等。

2.长江葛洲坝水利枢纽——软弱夹层研究的范例

长江葛洲坝水利枢纽位于长江三峡出口南津关下游2.3km，下距宜昌市2.0km，是兴建在长江干流上的第一座水坝（图5-25）。坝基岩体中含大量的软弱夹层，特别是泥化夹层及由此而引起的坝基抗滑稳定问题是工程建设的关键性技术问题之一。为此做了大量的技术探索和研究工作：

图5-25　葛洲坝水利枢纽全貌

（1）软弱夹层的勘查。为准确查清软弱（泥化）夹层的层位、分布范围、性状及厚度在空间的变化等技术难题，进行了大量的科学研究。软弱（泥化）夹层的成因和后期演变，夹层的类型划分，矿物、化学成分和结构、构造的分析研究，为后来众多工程的软弱（泥化）夹层的研究打下了基础。

（2）夹层的物理力学性质研究。不仅为葛洲坝工程提供了重要的设计依据，也在不同程度上推动了我国岩石力学特别是软弱层带岩石力学特性研究工作的进展。

（3）施工期地基岩体变形的监测。不仅大大加深了对地基岩体工程地质特性的认识，而且对适时修改设计，调整施工方案，提出工程措施起到了极其重要的作用。

（4）基础处理。由于地基岩体为软硬相间，多层面、多软弱夹层的复杂岩组，且是长江干流上的第一坝，因此，采取了极为慎重的综合基础处理措施。工程建成后，近40年的运行及监测资料反分析表明，葛洲坝工程运行期的各项指标均在设计控制范围以内，工程的安全是有保证的。该工程的勘测、设计和施工，先后获国家科技进步特等奖等多个奖项。

3.龙羊峡水电站——复杂地质条件的典型工程

龙羊峡水电站位于黄河上游青海省境内的龙羊峡峡谷进口段，大坝为混凝土重力拱坝，最大坝高178m。在龙羊峡水电站众多的工程地质问题中，最突出的是两大问题：一是坝肩岩体的抗滑稳定和基础处理；另一个是近坝库岸岸坡的稳定性及滑坡涌浪危害性评价。

（1）坝肩岩体抗滑稳定及基础处理。主要包括两岸坝肩几条陡、缓倾角的断层带设置混凝土抗滑键、传力洞（槽）塞，软弱破碎物质开挖置换，水泥、化学灌浆及复杂的防渗排水措施等。

（2）库岸的岸坡稳定及涌浪危害性研究。自坝前向上游长15.8km的河段内滑坡密布，约占库岸长度的80%以上。这些滑坡规模普遍较大，体积在数百万至上亿立方米之间。因此近坝库岸的岸坡稳定性及其在施工期、运行期的滑坡涌浪的危害性研究，成为龙羊峡工程的重大技术问题。这一问题的研究主要包括三个方面的内容：滑坡的地质背景及形成过程研究；滑坡涌浪危害性研究；滑坡监测及预报。通过多年的监测，取得了岸坡稳定性的重要资料，监测成果表明，滑坡不大可能产生高速滑动，引起巨大涌浪。

4.二滩水电站——我国已建最高的双曲拱坝

二滩水电站位于长江上游金沙江的支流雅砻江下游，为雅砻江梯级开发的第一期工程。大坝为混凝土双曲拱坝，最大坝高240m。针对区域构造稳定性、地震活动性、高地应力和坝基（肩）岩体力学特性所做的专门性勘查、试验与科学研究工作，在许多方面都积累了重要的经验，推动了我国工程地质相关学科的发展。

（1）构造稳定性和地震活动性的研究。经过大量的调查、长期监测等深入细致的研究及对南北向构造带的分段剖析，二滩水电站区域构造稳定性和地震活动性得出了明确的结论。二滩水电站的区域构造稳定性研究为我国在西部地震活动比较强烈的地区兴建高坝，积累了重要的经验。

（2）关于高地应力及其对工程的影响评价。二滩水电站是我国最早系统研究地应力的工程。围绕坝区应力场及其对工程的影响进行了大量的专题研究。在钻孔和平洞中测量大量的平面和三维地应力，求得坝区不同高程、不同地貌单元、不同建筑物部位的地应力值，再通过三维有限元分析，得出全坝区的地应力场，从而为评价地应力对建筑物设计、施工的影响提供了重要的基础资料。同时，地应力对岩体工程性质的影响及合理利用地应力提供了宝贵经验。

5.小浪底工程——平缓含软弱夹层地区建坝的新经验

小浪底工程位于黄河中游最后一个峡谷出口处，大坝为黏土斜心墙堆石坝，最大坝高154m。由于受到地形、地质条件的限制，工程总体布置，建筑物形式的选择及施工都必须面对许多无法回避的矛盾，也会遇到不利的工程地质条件和复杂的工程地质问题。其中最具特色和借鉴价值的是左岸单薄分水岭地下洞室群的围岩稳定及支护，以及泄水建筑物出口段边坡的稳定性问题。

（1）地下洞室群围岩稳定及支护设计。由于受到地形、地质条件和水工建筑物结构形式的限制，小浪底工程导流、泄洪、排沙、灌溉、发电等水工建筑物全部采用地下洞室形式，并集中布置在左岸单薄分水岭地段。由于洞室集中布置带来的复杂应力状态、岩体中众多的泥化夹层、软硬岩体本身强度的较大差异以及高倾角裂隙切割使得围岩稳定分析及支护设计极为复杂。小浪底地下工程的勘测、设计及施工，为在软硬相间，岩性极不均一，含大量软弱（泥化）夹层，且产状平缓的岩体中开挖大跨度地下洞室群提供了完整的经验。

（2）左岸泄水建筑物出口边坡稳定性及工程处理。岩性以细砂岩为主，次为粉砂岩和泥岩，并夹有众多软弱（泥化）夹层。岩层倾向下游（倾向泄水建筑物出口），因此存在出口边坡岩体沿泥化夹层或软弱层面产生较大面积平面滑动问题。上述边坡在施工期局部地段已发生不同程度的变形，表明边坡稳定问题的严重性。

在大量的勘查研究和多种方法的稳定分析计算的基础上，通过复杂的工程处理措施，泄水建筑物出口段边坡的稳定性得到了保证，监测成果表明，边坡未出现明显变形。

6.三峡工程——世界上最大的水电站

三峡工程是当今世界上规模最大的综合性水利枢纽。最大坝高181m，坝长2309.5m，装机容量18200MW，水库总库容39.3×109 m3。工程地质勘查始于20世纪50年代中期，先后历时40年。

三峡工程的地质研究，采用了地面地质、遥感地质、钻探、工程物探、专门性工程地质水文地质观测、测试与试验、岩（土）体物理力学性质试验研究、高精度形变测量、物理模拟、数值解析、先进的分析鉴定技术、专用地震监测台网等技术方法，围绕区域构造稳定和地震活动性、水库诱发地震、水库区工程地质与环境地质、坝址及建筑物工程地质与水文地质、天然建筑材料等与工程建设关系密切的重大地质问题进行研究。其中：区域构造稳定性和地震活动性方面，关于深部地球物理场和地壳结构的研究、主要断裂活动性的研究、现代地壳运动性质的研究、地震活动特征与地震危险性分析的研究等；水库诱发地震方面，关于库区深孔地应力的实测、小孔径台网强化的观测，极近场地震动参数的研究，库盆应力场和应变场的数值和物理模拟的研究等；水库区工程地质与环境地质方面，关于库岸稳定性的综合研究、水库区移民选址的工程地质勘查、水库下游河道演变及环境影响；坝址区及建筑物主要工程地质条件的研究方面，关于风化壳工程地质特性的研究、断裂构造工程特性的研究、缓倾角结构面的工程地质研究、岩体卸荷带特征研究、大坝建基岩体结构及质量研究、深挖岩质高边坡稳定性研究、岩（土）体物理力学性质试验研究等；以及天然建筑材料的勘查研究，都极具特色，取得了许多有价值的成果。

三峡工程的地质勘查研究时间跨度长达40年，经历了不同勘查阶段的多次反复和交叉，参与三峡工程重大地质地震问题研究的单位、部门和学者，都是国内相关科学研究的权威部门和专家，在一定程度上代表了我国工程地质，尤其是水坝工程地质勘查与研究的水平。

第六节　矿产资源勘查与开发利用

矿产是在地球演化过程中形成的物质资源。矿产资源是人类赖以生存和发展的重要物质基础，开发利用矿产资源对人类社会的进步起到了巨大的推动作用。人们的生活水平随着矿产可利用价值的增加而提高。随着科学技术的进步，有用矿物的范畴将不断扩大，矿产资源的可用性成为社会财富的一种衡量指标。

矿产资源数量有限，但人类对矿产资源的消费量却在日益增长，所以随着开发利用的加强，有些矿物开始短缺，甚至枯竭，矿产资源开发利用的同时也不可避免地对环境造成各种各样的破坏性影响。因此，只有严格控制矿产开发利用的环境污染，努力降低矿产资源开发利用的环境代价，才能促进矿业和经济社会可持续发展。

一、矿产资源的概念及其特征

1.矿产资源的基本概念

矿产资源，又名矿物资源，是指在地质作用过程中形成并赋存于地壳内（地表或地下）的有用的矿物或物质的集合体，其品位和储量适合工业要求，并在现有的社会经济和技术条件下能够被开采和利用呈固态、液态、气态的自然资源。矿产资源是一种非常重要的非再生性自然资源，是人类社会赖以生存和发展的不可缺少的物质基础。它既是人们生活资料的重要来源，又是极其重要的社会生产资料。广义的矿产资源指在内外力地质作用下，元素、化合物、矿物和岩石相对富集，人类开采后能得到有用商品的物质形态和数量。狭义的矿产资源是指自然界产出的物质在地壳中富集成具有开采价值或潜在经济价值的形态和数量。

2.矿产资源的特征

（1）不可再生性。矿产资源是亿万年地质作用的产物，在短暂的人类社会历史中，矿产资源是不可再生的，蕴藏量也是有限的。随着人类的大规模开发利用，矿产资源在不断减少，有的甚至发生短缺和枯竭。不可再生性决定了矿产资源的宝贵性，因此必须合理开发、综合利用。

（2）相对性。在勘探、开发和冶炼技术落后的时代，低品位的矿石对人类而言如同岩石一样，不具有资源的意义；随着采冶技术的提高，人类能够从昔日低品位矿石中提炼有用的物质时，这些矿石才具有资源价值。因此，在不同的人类历史阶段，矿产资源具有相对性。矿石的埋藏深度亦决定其是否具有资源价值，不能被人类开采的地下深处的矿石即使品位很高，也不能称为矿产资源。

（3）复杂性。矿产资源绝大部分隐伏在地下，地质成矿、控矿作用极为复杂。所以，不管地质调查工作多么详尽，也只能求得相对准确的结果。因此，在资源勘探矿山建设时，不仅需要大量的资金和较长的周期，而且有一定的投资风险。

（4）地理分布的不均匀性与成矿规律性。不同类别的矿产资源其成矿地质条件是不同的。有色金属多与岩浆活动有关，而煤、天然气和石油等则都分布于沉积岩地区，反映了成矿的规律性。矿产资源的分布主要受各种地质、构造条件的控制，由于成矿地质作用的复杂性和特殊性，导致许多矿产资源在地壳中的分布具有局部集中的现象，矿产资源在地域分布上呈现出明显的不均匀性。如世界1/3的锡分布在东南亚，我国北方多煤，南方多钨等。

（5）矿产资源的伴生性。自然界的矿产资源在区域分布上，有的是由平均含量相差不大的若干矿种或元素组成，称之为其生矿。更多的情况是以某种矿种为主，另有相对含量较少的一种或几种矿种或元素组合在一起形成伴生矿，这类矿床虽然可以一矿多用，但是矿石的选冶技术条件十分复杂，开采利用难度较大。随着地质勘探工作的不断深入和采冶技术的不断发展，人类综合利用矿产资源的能力也在不断提高，矿产资源的品种在不断增加，利用范围在逐步扩大。

（6）生态性。矿产资源赋存于地质生态环境中，人工开发矿产资源后，会对周边地质环境产生影响，破坏原有的地质生态环境的平衡状态，严重的可诱发不良现象而导致灾害的产生。如矿产资源开发利用导致生态环境进一步恶化，土地沙化、地下水位下降、水土流失、沙尘暴、地面沉降、露天开采占用了大量的土地，原有地表植被遭破坏等。

二、矿产的种类与形成

（一）分类

矿产资源属于不可再生资源。据统计，当今世界95%以上的能源和80%以上的工业原料都来自矿产资源。为了合理开发利用矿产资源，根据矿产的性质、用途、形成方式的特殊性及其相互关系而分别排列出的不同次序类别和体系，称之为矿产资源分类。矿产资源一般包括能源资源和原料资源两类，能源资源即矿物燃料和核燃料，原料资源有金属原料（金属矿产）和非金属原料（非金属矿产）。根据矿产资源的成分可分为金属矿产和非金属矿产，在目前世界矿业生产总值中，燃料产值约占70%，非金属原料约占17%，金属原料约占13%。人类社会对矿产资源的需求量约占自然资源需求总量的70%。因此，地球上的矿产按用途可以分为三大类，即金属矿产、非金属矿产和能源矿产。

1.金属矿产

金属矿产是指通过采矿、选矿和冶炼等工序从中可以提取一种或多种金属单质或化合物的矿产。金属矿产按工业用途及金属本身性质，还可进一步划分为：黑色金属矿产，如铁、锰等；有色金属矿产，如铜、铅、锌、钨等；贵金属矿产，如铂、钯、铱、金、银等；稀有金属矿产，如铌、钽、铍等；稀土金属矿产，如镧、铈、镨、钕、钐等。

2.非金属矿产

非金属矿产是指那些除能源矿产外，能提取某种非金属元素或可以直接利用其物理化学性质或工艺特性的岩石和矿物集合体。工业上只有少数非金属矿产是用来提取某种元素如磷、硫等，大多数是利用非金属矿物的某种物理性质、化学性质或工艺性质。非金属矿产是人类使用历史最悠久、应用领域最广泛的矿产资源。非金属矿产可分为4类：①冶金辅助材料，如菱镁矿、萤石、耐火黏土等；②化工原料，如硫、磷、钾盐等；③建材及其他，如石灰岩、高岭土、长石等；④宝石，如玉石、玛瑙等。

3.能源矿产

能源矿产又称矿物燃料，是指蕴涵某种形式的能量并可以转化为人类生产和生活所必需的光、热、电、磁和机械能的一类矿产，是人类获取能量的重要物质资源，是工农业发展的动力和现代生活的必需品。能源矿产包括煤、泥炭、石油、天然气、铀矿等。尽管水力、太阳能、海洋能、风能等越来越广泛地开发利用，但在能源消费结构中，能源矿产仍占90%左右，是人们取得能量的主要来源。中国已发现的能源矿种可分为三类：①燃料矿产，又称可燃有机物矿产，主要包括煤、石煤、油页岩、沥青、石油、天然气和煤层气等；②放射性矿产，包括铀矿、钍矿；③地热资源。

（二）矿产成因

矿产的成因与整个地质循环密切相关，并与构造作用、地球化学循环以及地质流体（包括地表水、地下水和泉水）有密切关系。矿产的形成作用一般包括岩浆作用、变质作用、沉积作用、生物作用和风化作用等。虽然矿产种类有很大差别，但成矿的基本机理非常相似。

1.岩浆作用

岩浆矿床是指岩浆经分异作用使其中的有用组分富集而形成的矿床。它可以形成具有经济价值的多种金属矿产，如铬、铜、镍、钴、铁等。有些矿床是早期晶体分离作用形成的，如橄榄石、铬铁矿；有些则是由晚期岩浆作用形成的，如钒钛磁铁矿等。

2.变质作用

矿床经常在岩浆岩及其侵入围岩的接触带处发现，该区以接触变质作用为特征。区域变质作用和热液变质作用也可形成某些有用矿床。变质矿床是经变质作用改变了工艺性能和用途的矿床或岩石经变质作用后形成的矿床。如煤经变质后形成的石墨矿床，变质硅灰石矿床、蓝晶石类（红柱石、蓝晶石及矽线石）矿床等。

3.沉积作用

沉积作用对聚集有价值的可开采的矿床具有重大意义。在搬运过程中，风和流水使沉积物按大小、形状和密度产生分选。用于建筑方面的最好的砂或砾石都是由风或流水的搬运、沉积而形成的。沉积作用还可以形成金和金刚石砂矿。机械沉积分异作用形成的砂矿床，化学沉积分异作用形成的盐类矿床等。

4.生物作用

生物作用也可形成矿床。许多矿床是在被生物强烈改造的生物圈环境中形成的。有机物如贝壳和骨骼可形成含钙矿物，人们已鉴定出几十种生物生成的矿物。生物成因矿物对沉积矿床的形成意义甚大，如生物及生物化学汇积作用形成可磷块岩矿床。

5.风化作用

风化作用也可以使些物质达到一定浓度，并具有开采价值，如红土型风化壳指上部具有较发育的黏土岩风化带或富含褐铁、赤铁矿的红土带（即最终水解带）的风化壳。富铝岩风化后产生的残留土壤，可使难溶的含水氧化铝和氧化铁相对富集，形成铝矿（铝土矿）。镍矿和钻矿也可在富铁镁火成岩风化后残留的土壤中找到。

（三）成矿时代

根据地史演化和有关的大地构造发展阶段，我国的成矿时代一般可划分为5期。

1.前寒武纪成矿期（ —600Ma）

这是我国的一个重要成矿期，持续时间最长。太古代末到早元古代，华北、华南及西北塔里木等地进入地槽阶段；晚元古代，华北、伊陕等地转为地台。该期较为重要的矿产有北方诸省的变质铁矿（鞍山式含铁石英岩）、绿岩带金矿、变质磷矿床（辽宁）、滑石菱镁矿床（山东）和刚玉矿床等。还有裂谷火山岩型铜矿（云南、山西）、岩浆型钒铁磁铁矿床（河北）以及内蒙古和新疆等地的稀有金属伟晶岩矿床。

2.加里东成矿期（500—410Ma）

此时我国地壳进入了一个新的发展阶段，境内稳定区和活动区均较发育。华北、西南进入相对稳定的地台时期，以产于浅海地带和古陆边缘海进层序底部的Fe、Mn、P、U等外生矿产为主，如宣龙式铁矿、瓦房子锰矿、湘潭式锰矿、昆明式、襄阳式磷矿等；中期海侵范围扩大，形成灰岩，白云岩矿床；晚期在海退环境下形成潟湖相石膏和盐类矿床；祁连山、龙门山、南岭等地进入地槽期，以内生矿床为主，也有变质矿床，如黄铁矿型铜矿（白银厂式）、镜铁矿型铁矿（北祁连山）、铬镍矿床、伟晶岩矿床以及气成热液矿床。

3.海西成矿期（410—260Ma）

我国东部仍处于地台阶段，以稳定的浅海相、海陆交互相、潟湖相及陆相沉积为主，相应形成一系列重要的外生矿床，如南方泥盆纪的宁乡式铁矿，遵义式锰矿，石炭-二叠系的煤、铝土矿、黏土矿等；我国西部仍处于地槽发展阶段，以内生金属矿床为主，有秦岭和内蒙古的铬、镍矿床，内蒙古白云鄂博式稀土-铁矿床，阿尔泰、天山地区的稀有金属伟晶岩，与花岗岩有关的W、Sn、Pb、Zn，南祁连的有色金属，川滇等地的Cu、Ni、Zn以及力马河Cu-Ni硫化物矿床。

4.印支成矿期（260—205Ma）

印支运动结束了我国大部分地区的海侵状态，使之上升为陆地，出现一系列内陆盆地，形成许多重要的外生矿床，有铜、石膏、盐类、石油、油页岩等；西部地区尚有三江地槽褶皱系，松潘-甘孜地槽褶皱系、秦岭地槽褶皱系及海南岛地槽褶皱系，其中形成众多的内生矿床，如Fe、Cu、Cr、Ni、稀有金属、云母、石棉等。

5.燕山成矿期（205—96Ma）

燕山成矿期是我国最重要的内生矿产成矿期，特别是我国东部。该期由地台转入地洼（活化）期，构造、岩浆活动和火山活动相当强烈，形成大批与中酸性岩浆岩有关的W、Sn、Mo、Bi、Fe、Cu、Pb、Zn矽卡岩型和热液型矿床。晚期形成一系列与小侵入岩体有关的Fe、N、Zn、Hg、Sb、Au、稀有金属、萤石、明矾石等矿床。喜马拉雅山地区及台湾仍处于地槽发展阶段，有与超基性及基性岩浆活动有关的Cr、Ni、Cu、Pb、Ag等矿床。在小型内陆盆地还有Fe、Cu、U、煤、盐、油页岩等外生矿床产出。

6.喜马拉雅期（96Ma至今）

我国西部以地洼活动为主，另外中生代开始发展的喜马拉雅地槽和台湾地槽成为仍在强烈活动的地槽褶皱区，产出伴随基性-超基性岩浆活动的Cr-Pt矿床（西藏）、Cu-Ni矿床、火山岩中的Cu、Au矿床（台湾）及Pb、Zn、S矿床（新疆西南部）等；外生矿床以沉积和风化淋滤矿床为主，主要有含铜砂岩、风化淋滤型镍矿、风化壳型铝土矿，各类砂矿、盐类，高岭土等，还有钾盐、煤炭和石油等。

三、矿产资源的供给现状

矿产资源是近代工业的基础，从绝对意义上说，地球的矿物是无穷无尽的。然而，由于技术水平与经济效益的限制，我们还不能从任何岩石中提取所需的物质。只有当某种元素富集到一定程度时，才具有可开采价值。例如铁矿，其可采的最低品位为30%～40%，现已查明的世界储量为1500亿t，仅为地壳中铁元素含量的二十万分之一。

（一）世界矿产的储量与生产状况

由于成矿时期和地质作用的复杂多变，矿产资源的分布很不规律。根据原国土资源部信息中心资料，目前世界40种主要矿种中，锰、铬、钻、钼、钒、铂族金属、锂、铌、钽、锆、稀土、钾盐、天然碱等有3/4以上的矿产储量集中在三个国家，钨、菱镁矿、钛铁矿、金红石、锡、锑、磷、硼、金刚石、重品石等有3/4以上的储量集中在5个国家。40种主要矿产中，储量排在前3位的国家，其储量占世界总储量的比例最低为30.7%，最高为9.5%，前5个国家的储量所占比例最低为45.8%，最高约为100%。从这个角度看，世界上几乎没有一个国家的矿产资源是可以自给自足的。矿产消费大国实施矿产资源全球化战略是其必然选择。

美国、加拿大、澳大利亚这三个国家及其他发达国家（仅包括储量排名在前5位的国家）控制世界储量30%，50%的矿产有8种：铅、锌、钛铁矿、金红石、银、锆、煤、铀，控制世界储量50%，70%的矿种有4种：钼、汞、钽、钾盐，控制世界储量70%以上的矿种有1种：天然碱。

地球的矿产资源储量虽是巨大的，但总是有限的。而且大多数资源可能将在21世纪内完全枯竭。尽管不同的计算方法或数据略有出入，但这个总趋势是基本相同的，即从现在起再过100年左右，绝大多数重要的不可再生资源如果不是消耗殆尽也将变得极端昂贵。

（二）中国矿产的储量状况

中国是世界上矿产资源比较丰富、矿种配套比较齐全的少数几个国家之一。截至目前，我国已发现矿产种类达到了173种。按矿种大类分，有能源矿产13种，金属矿产59种，非金属矿产95种，水气矿产6种。全国已发现并具有查明资源储量的矿产162种，亚矿种230个。中国矿产资源门类比较丰富，部分矿种储量居世界前茅，但人均为世界人均占有量的58%，居世界第53位。

1.能源矿产

能源矿产是我国矿产资源的重要组成部分。煤、石油、天然气在世界和中国的一次能源消费构成中分别为9%和9%左右。由于矿物能源在一次能源消费中占有主导地位，因而对国民经济和社会发展有特别重要的战略意义。已知探明储量的能源矿产有煤、石油、天然气、油页岩、铀、钍、地热等8种。中国煤炭资源相当丰富，2000m深以内的地壳表层范围内，预测煤炭资源远景总量达50592亿t。石油是工业的血液，是现代工业文明的基础，是人类赖以生存与发展的重要能源之一。中国32个油区探明地质储量有181.4亿t。天然气（包括沼气）是重要能源矿产资源之一，也是国内外很有发展前景的一种清洁能源。中国铀矿资金源不甚丰富，我国铀矿探明储量居世界第10位之后，不能适应发展核电的长远需要。地热资源是一种清洁能源。中国地热资源分布较广，资源也较丰富，但目前开发利用程度较低。

2.金属矿产

我国金属矿产资源品种齐全，储量丰富，分布广泛。其中已探明储量的矿产有59种。各种矿产的地质工作程度不一，其资源丰度也不尽相同。有的资源比较丰富，如钨、钼、锡、锑、汞、钒、钛、稀土、铅、锌、铜、铁等；有的则明显不足，如铬矿。

3.非金属矿产

我国非金属矿产品种很多，资源丰富，分布广泛。已探明储量的非金属矿产有金刚石、石墨、自然硫等95种。

（三）矿产资源的需求

随着世界人口的不断增加和人们生活水平的提高，人类对矿产资源的需求量越来越大。当前，在发达国家与不发达国家之间，存在着矿物资源消费量的差异，世界人口的20%享受着整个世界资源的80%。如美国仅占世界人口的5%，每年却消耗全世界年所消耗的资源的30%左右；如果全世界每人的消费量要达到美国的水平，那么全球矿产资源的生产量就必须提高几倍。

四、我国矿产资源的特点

矿产资源是一种十分重要的非可再生自然资源，是人类社会赖以生存和发展的不可或缺的物质基础。它既是人们生活资料的重要来源，又是极其重要的社会生产资料。据统计，当今我国95%以上的能源和80%以上的工业原料都取自矿产资源。

新中国成立以来，在党和国家领导人的亲切关怀下，中国矿业发展突飞猛进。中国已发现矿产173种，探明储量的矿种从十几种增至162种，矿产资源储量大幅增长，成为世界上少数几个矿种齐全、矿产资源总量丰富的大国之一。煤炭、钢铁、有色金属、水泥、玻璃等主要矿产品产量跃居世界前列，成为世界最大矿产品生产国。中国积极实施对外开放，已成为世界最大的矿产品贸易国，为世界矿业发展作出了巨大贡献。经过多年的发展，总体上我国的矿产资源既有优势，也有劣势。其基本特点主要表现在以下几个方面：

（1）矿产资源总量丰富、品种齐全，但人均占有量少。截至2018年年底，全国已发现173种矿产，其中，能源矿产13种，金属矿产59种，非金属矿产95种，水气矿产6种。已发现矿床、矿点20多万处，其中有查明资源储量的矿产地1.8万余处。2018年我国天然气、铜矿、镍矿、钨矿、铂族金属、锂矿、萤石、石墨和硅灰石等矿产查明资源储量增长比较明显。煤、稀土、钨、锡、钽、钒、锑、菱镁矿、钛、萤石、重晶石、石墨、膨润土、滑石、芒硝、石膏等20多种矿产，无论在数量上或质量上都具有明显的优势，有较强的国际竞争能力。但是我国人均矿产资源拥有量少，仅为世界人均的58%，列世界第53位。

（2）大多矿产资源质量差，国际竞争力弱。与国外主要矿产资源国相比，我国矿产资源的质量很不理想。考虑矿石品位、矿石类型、矿石的选冶性能等综合因素，我国金矿、钾盐、石油、铅矿、锌矿的质量为中等；煤炭、铁矿、锰矿、铜矿、铝土矿、硫矿、磷矿的质量处于最差地位。从总体上讲，我国大宗矿产，特别是短缺矿产的质量较差，在国际市场中竞争力较弱，制约其开发利用。

（3）部分重要矿产短缺或探明储量不足。我国石油、天然气、铁矿、锰矿、铬铁矿、铜矿、铝土矿、钾盐等重要矿产短缺或探明储量不足，这些重要矿产的消费对国外资源的依赖程度比较大。虽然我国是全球第六大石油开采国，但2018年中国的石油进口量就超过了美国，成为了全球第一大石油进口国。2019年，我国石油进口量为5.06亿t，同比增长9.55%，石油对外依赖度高达72%。

（4）成分复杂的共（伴）生矿多，大大增加了开发利用的技术难度。据统计，我国有80多种矿产是共（伴）生矿，以有色金属最为普遍。例如，铅锌矿中共（伴）生组分达50多种，仅铅锌矿中的银就占全国银储量的60%，产量占70%。虽然共（伴）生矿的潜在价值较大，甚至超过主要组分的价值，但其开发利用的技术难度亦大，选冶复杂，成本高。因而竞争力低。

（5）大型、超大型矿和露采矿少，严重制约着矿产开发的规模效益。我国矿产资源总体上是矿产地多，但单个矿床规模大多偏小。拥有大型、超大型矿床的多为钨、铝、锑、铅锌、镍、稀土、菱铁矿、石墨等矿产；一些重要支柱矿产如铁、铜、铝、金及石油天然气等矿产，以中小型为主，不利于规模开发，单个矿床难以形成较大的产量，影响资源开发的总体效益。如煤矿可露采的储量仅占7%，而美国、澳大利亚露采矿分别占总产量的60%和70%，因此生产效率、成本、回采率等，都难以与国外的相比。在金属矿产中，我国70%以上的铝土矿，80%以上的铜矿，90%以上的镍矿都需地下开采。而硫铁矿全国可露采的仅15%。此外，由于矿床规模偏小，并以地下开采为主，不能形成规模开发。这些都是造成我国矿产资源开发效率和经济效益低的重要原因。

（6）矿产资源地理分布不均衡，产区与加工消费区错位。由于地质成矿条件不同，导致我国部分重要矿产分布特别集中。90%的煤炭查明资源储量集中于华北、西北和西南，这些地区的工业产值占全国工业总产值的不到30%，而东北、华东和中南地区的煤炭资源仅占全国10%左右，其工业产值却占全国的70%多；70%的磷矿查明资源储量集中于云、贵、川、鄂四省；铁矿主要集中在辽、冀、川、晋等省，其开发利用也受到一定程度的限制。北煤南调、西煤东运、西电东送和南磷北调的局面将长期存在。此外，近年来在西部边远地区发现了一批大型、特大型矿区，开发难度亦大。基于矿产分布的不平衡态势，今后我国矿业发展战略重心西移已成必然之势。

（7）能源矿产结构性矛盾突出。我国能源行业现状，2017年我国一次能源消费量31.32亿t油当量，占全球能源消费比例23%。煤炭在我国一次能源中占比达到60%（图5-26）。我国资源禀赋特征“多煤、贫油、少气”条件决定了低热效率的煤炭在一次能源结构的主要地位。煤炭消费所占比例过大，能源效率低，煤炭燃烧还带来严重的环境问题。我国非能源矿产资源品种齐全，但存在着严重的结构性短缺，铁、锰、铜、铝等大宗矿产可采资源后备储量不足，铬、钾盐严重短缺；钨、锑、锡、稀土等优势矿产，富矿多，质量好，储量丰富，但存在生产及出口过量、不少矿产品出口价格偏低、储量消耗速度快、资源利用效率不高等问题，资源优势正在下降。

（8）贫矿多，富矿、易选的矿少，致使商品矿的成本大大增加。我国支柱性矿产大多存在这样的问题。我国铁矿平均品位仅33%，比世界铁矿平均品位低10%，而国外主要铁矿生产国如澳大利亚、巴西、印度、俄罗斯等，其铁矿石不经选矿品位就可达62%的商品矿石品位。我国锰矿平均品位仅22%，不到世界锰商品矿石工业标准48%的一半，且多属难选的碳酸锰。我国铜矿平均品位仅0.87%，而智利、赞比亚分别为1.5%和2%。我国铝土矿几乎全是一水硬铝石，生产成本远高于美、加、澳等国的三水或一水软铝石。磷矿全国平均品位仅17%，富矿储量仅占6.6%，且胶磷矿多，选矿难度大。我国硫矿以硫铁矿为主，贫矿多、富矿少，一级品富矿储量仅占4.3%，而国外大多以自然硫和回收油气副产硫为主。钾盐我国严重短缺，现在利用的盐湖钾镁盐，根本无法与国外固态氯化钾开发的成本效益相比。

图5-26　我国一次能源消费结构与全球主要国家对比图

（9）成矿地质条件良好、找矿潜力大。我国地处环太平洋、古亚洲和特提斯三大成矿域交汇处，构造岩浆活动频繁，演化历史复杂，成矿条件良好。20世纪50年代以来，我国地质工作发现了大量的物化探异常和矿化点，大部分尚未查验和评价，具有很大的找矿潜力。我国西部地区矿产调查勘查程度很低，但成矿条件很好，有很大的找矿余地。中东部地区已知的重要成矿带盲矿床及新类型矿床、老矿山深部与外围资源找矿潜力大。

图5-27　矿山开采涉及的主要地质问题

五、矿产开采中的地质工程问题

矿产资源是人类社会文明必需的物质基础。矿山开采可大致分为两种类型，即露天开采和地下开采（图5-27）。露天开采，又称为露天采矿，是从敞露地表的采矿场采出有用矿物的过程。露天开采作业主要包括穿孔、爆破、采装、运输和排土等流程，按作业的连续性，可分为间断式、连续式和半连续式。地下开采是指从地下矿床的矿块里采出矿石的过程，通过矿床开拓、矿块的采准、切割和回采4个步骤实现，地下采矿方法分类繁多，常用的以地压管理方法为依据，分为三大类自然支护采矿法、人工支护采矿法以及崩落采矿法。

矿山地质工程研究的主要任务是对矿山建设及开采过程中可能会遇到的地质工程问题和工程地质条件进行预报，从而保证矿山的安全高效生产。矿山建设和生产过程中经常遇到的地质工程问题有露天矿边坡稳定性问题、井巷及采场围岩稳定性问题等。而要控制以上两个问题的关键性工程地质条件有如下4项：软弱、破碎岩体及软弱夹层；软弱结构面，包括断层带、层间错动及贯通较长的大节理；地下水；地应力。这4个工程地质条件是控制上述矿山地质工程问题的关键，在矿山地质工程研究中必须查明。

另外，需要强调的是，开采矿产是人类在生产过程中与自然环境相互作用最强烈的形式之一。一个国家或地区的环境污染状况，在某种程度上总是与其矿产资源消耗水平相一致的，所以，矿产资源开发所产生的环境问题，日益引起各国的重视。一方面是要践行“绿水青山就是金山银山”的发展理念，保护矿山地质环境；另一方面是要合理开发利用，保护矿产资源。

（一）露天开采涉及的地质问题

与地下开采相比，露天开采的优点主要体现在：操作灵便、采收率高、开采成本低、作业安全、生产效率高、劳动条件优越，适合于大规模开采。矿产资源开发总量中50%～60%的煤、85%～90%的金属矿产、50%的化学矿山原料、100%的非金属和建筑材料，都是露天开采。露天开采对地质环境的影响主要表现在：泉水枯竭、河水改道、边坡失稳发生崩塌、滑坡；矿山剥离堆土及矿渣堆积占用土地；淤塞河道、导致水患和矿山泥石流；矿山“三废”（矿渣及尾矿、矿水及尾水、选冶废气）造成的土壤、水体及大气污染；破坏地貌景观，形成矿山荒漠化，加速水土流失等。其中，边坡稳定性问题是露天开采的主要地质工程问题之一。

在露天矿设计中，首要的问题是确定合理的边坡角。边坡角是在垂直边坡走向的剖面上从最上一个台阶的坡顶线到最下一个台阶的坡底线的连线与水平线的夹角。边坡角愈小，剥采比愈大。大型露天矿边坡角每增加1°可减少剥岩量几千万吨，节省投资2000万～3000万元。但是，露天矿边坡角如果设计过陡，将产生边坡破坏。加强露天矿边坡稳定性问题研究，合理地确定边坡角是露天矿工程中的一项重要任务。露天开采人为地塑造了边坡，随着开挖深度的加大，边坡的规模也不断扩大，这既严重地破坏了地应力的自然平衡，同时也导致了人工边坡的变形、破坏和滑移。露天矿边坡的破坏主要有两大类：具有明显滑动面的边坡失稳破坏和蠕变-坍塌变形破坏。前者包括平面滑动模式、楔形体滑动模式和曲面滑动模式，后者有倾倒破坏模式、溃屈破坏模式（图5-28）。此外，还有上述不同模式之间的相互组合而形成的复合式破坏模式。边坡岩土体中软弱结构面的发育程度及其组合关系是控制露天矿边坡稳定性的主要地质因素。

中国辽宁抚顺西露天矿是一座大型矿山，东西长6600m，南北宽2200m，设计最终采深400m。于1914年投产，1927年首次出现滑坡；尔后，相继发生边坡变形、滑坡、倾倒，几乎遍布采坑四周，采场揭露的不同埋深的各类岩体均发生过变形破坏。其中北帮西区1960—1984年先后发生过13次滑坡，多次破坏采掘平台、运输线路和车辆、排水系统及输电设备，甚至发生机车脱轨事故。位于河北省的首钢迁安水厂露天矿，自投产以来边坡发生109处滑塌和变形失稳，其中35处受断层、节理等软弱结构面控制。

图5-28　露天矿边坡破坏模式示意图

（a）平面滑动模式；（b）楔形体滑动模式；（c）曲面滑动模式；（d）倾倒破坏模式；（e）溃屈破坏模式

露天矿边坡失稳破坏的影响因素主要有岩石性质、岩体结构、地质构造、水文地质条件、风化条件、边坡形状、爆破震动等。边坡失稳防治的原则是以防为主，综合整治。在边坡开挖和采矿过程中，应及时排除地表水、深降强排地下水，减少爆破次数、降低爆破强度，合理确定不同深度岩体的边坡角，适时修整边坡轮廓，提高边坡稳定性。对大型采矿边坡，还需构筑抗滑挡土墙、抗滑桩、灌注水泥砂浆及减载、排水等工程措施。

（二）地下开采涉及的地质问题

地下采矿是一个复杂而特殊的典型地下地质工程系统，它由竖井、巷道、采场三大类地下工程组成。竖井包括垂直的竖井和倾斜的斜井，其功用有运输和通风两种，前者又称为主井，后者又称为副井，竖井属于半永久性工程。巷道一般指在煤层或围岩内挖掘的水平或缓倾斜分布的地下通道，为半永久的或者为采掘服务临时性的，主要用于运输、通风等。采场是采矿的工作空间，采矿直接活动的工作面称为掌子面，矿产资源采出后的空区称采空区，掌子面和采空区构成采场，采空区是保留时间很短的临时性工程。对于地下矿产开采主要涉及的地质问题主要有井巷围岩破坏、冲击地压、采场顶底板破坏、地下水系统破坏、采空区地面塌陷与地裂缝等。

1.井巷围岩破坏

为了采矿需要，必须开掘并维护大量的地下空间——井巷。就目前来说，维护的方式主要有锚喷、架棚和砌碹等几种类型。根据不同的条件及用途，通过上述几种方式的单一实施或联合实施，绝大部分都达到了支护的目的。

（1）巷道破坏的显现特征。从整体上说，其显现特征有两大类：一类是动压区，巷道上履岩层正处于剧烈运动和破坏阶段。另一类是静压区，巷道尚未受采动影响，或是采动影响已经停息上覆岩层处于稳定状态。

静压巷道破坏方式大致有两种：一是巷道开掘后产生的周边应力大于围岩强度，岩石随掘即冒。二是巷道开掘后产生的周边应力小于围岩强度，巷道完整，但随着时间推移产生大量变形，最后破坏。

动压区巷道也有两种，一种是在动压内即开的巷道，一种是采动影响下的静压巷道。它们的破坏方式类似于静压巷道，不同的是又受到了支承压力及岩层扰动，其形式有三种：①巷道围岩（支护）强度小于支承应力作用，随采动呈层状剥落，但巷道移近量并不明显。②受采动影响时，巷道（支架）产生大量缩变，但不冒落。③在采动过程中，伴附着移近量增加，支架破坏，巷道产生大面积冒落。

综上所述，巷道破坏的外部特征可归纳为4种：一是有明显的移近量，断面缩小但未冒落，二是随断面缩变发生冒落，三是无移近量而冒落，四是表层剥落。

（2）破坏原因。

1）围岩应力的重新分布及作用。巷道开掘后，原始的岩体应力平衡状态被破坏，造成应力重新分布。在双向等压应力场中，孔的切向应力沿极径方向衰减，但我们的巷道多不是圆形，加之不均匀地应力的作用，等应力圆将在巷道外接圆及以外的围岩中分布。分布的结果反映到巷道周边，往往是既不均匀也不对称的，产生了一系列剪切力面，以致岩石与岩体分离，在巷道周边发生剥落，并逐渐向纵深发展。这就是脆性岩石产生层状剥落的原因，是由拉应力和剪应力引起的。

2）围岩松动圈的对巷道破坏的影响。巷道的开掘爆破，三向应力变为二向应力，不仅使岩体抗破坏强度明显降低，并且产生应力集中。如果这种变化超过了岩石的强度，将会先在巷道周边应力集中较大的地区发生变形、破坏，导致邻近区受力条件更差，继而产生破坏。如此循环，直至围岩应力小于岩石强度，围岩不再松动和破坏为止。这样的一个围岩松动、破裂的范围称之为围岩松动圈。岩石越软松动圈越大，岩石越硬（强度越大）松动圈越小。松动圈大，巷道的变形量就大，破坏程度就高。实质上，松动圈形成和发展的过程就是巷道破坏的过程。这就是巷道随着时间增长移近量增大的原因。当摩擦抗力不足以抵抗某些岩块的应变时，岩块就要坠落，继而造成邻近岩块发生冒落，这就是伴随着移近量增加发生冒落破坏的原因。

3）岩石的变形特征。岩石具有在载荷作用下，组成岩石的基本微粒之间，相对位置发生变化的特征。当载荷不断增大超过围岩强度或者随着某一恒定载荷作用时间的增长，便会导致岩石破坏。因为岩石的各种应力和应变都与时间有关。有时尽管围岩应力小于围岩强度，但随着时间的增长同样会破坏（蠕变）。巷道刚掘进时，一般都不易立即冒落，而是经过一段时间才会发生的。在各种变形中，岩石的蠕变性对巷道的破坏危害最大，蠕变是静压巷道破坏的主要原因。

4）岩层移动、破坏的影响。随着回采面的连续推进，顶板岩层逐渐被破坏移动，一是给巷道附加了较大的支承载荷，二是使巷道围岩连带移近。反映到巷道中，某些地段的顶板岩层局部上升出现“反弹”。而另一些地段的顶板岩层则受到附加载荷作用而出现“压缩”。两种现象随工作面推进而相互交替，时张时弛，这是采动致使巷道破坏的主要原因。对于倾斜、急倾斜煤层开采下的巷道，这种扰动影响更大（超百米），平行于煤层倾向布置的巷道较平行于煤层走向布置的巷道影响小。前者可随岩层移动在巷道轴向方向发生整体移动；后者则在巷道断面内移动，周边围岩受力不均，有压有拉，且移近速度不均衡，致使岩层沿弱面滑移，这是巷道变形增大最后破坏的原因。

2.地下水系统破坏

井巷开掘，使地下水的赋存状态发生变化；矿床疏干排水改变了地下水的天然径流和排泄条件，同时导致地下水资源的巨大浪费，使区域地下水水位大幅度下降，造成矿区水文地质环境的恶化。此外，疏干碳酸盐围岩含水层时，其溶洞则构成了地面塌陷的隐患；当塌陷区或井巷与地表储水体存在水力联系时，甚至会酿成淹没矿井的重大事故；岩层疏干影响的预测和设计不合理时，还会导致露天边坡、台阶的蠕动和过滤变形而发生灾害。矿床开采必然会改变岩体的原始应力场，由此引起的水文地质条件和环境的影响范围，按开采规模有时可达数千平方公里，影响深度露天开采时可达500～700m，地下开采时可达1500～2500m。

（1）矿井突水。许多矿床的上覆和下伏地层为含水丰富的石灰岩，特别是石炭二叠纪煤系地层，不仅煤系内部有含水性强的地层，还有下伏的巨厚奥陶纪灰岩。随着开采的延深，地下水深降强排，产生了巨大的水头差，使煤层受到来自下部灰岩地下水高水压的威胁，在一些构造破碎带和隔水层薄的地段发生突水，严重威胁着矿井和职工的生命安全。

1984年开滦范各庄矿，一次淹井损失近5亿元；2003年9月2日0时30分许，河南省伊川县奋进煤矿黄村分矿10111工作面流水巷发生底板寒武系灰岩水突水事故，20min内突水量达9800m3，造成16人死亡，直接经济损失初步估算为1234.1万元；2015年1月30日18时55分，淮北矿业集团公司朱仙庄煤矿866-1采煤工作面发生突水事故，事故当班该采煤工作面出勤34人，27人安全升井（其中7人轻伤），7人被困（由于瞬间突水量大，来势凶猛，最终遇难），事故直接原因是在特殊地质环境条件下，866-1工作面顶板岩层充水条件发生变化形成离层水体，在水压、矿压及8煤层上覆岩土体自重应力等共同作用下突然溃出，造成事故发生。

有些新井因水的威胁长期不能投产，也达不到设计生产能力。在北方岩溶区，煤矿约有150多亿t储量，铁矿约有3亿多t储量因受水威胁而难于开采。当采矿平洞通过河流、水库下部，并有地表水和地下水连通通道时，不仅突水极为严重，而且还造成水库渗漏等问题。如中国四川奉节县后淆水库，库区煤层被挖掘开采，揭穿水库底部裂隙通道，发生大量突水，不仅煤层无法继续开采，而且造成水库渗漏而报废。

（2）海水入侵。为了保证地下采矿巷道的安全，必须对采矿区的地下水进行疏干。在沿海地区，因疏干排水常使地下水位低于海平面，结果导致海水入侵，破坏了当地的淡水资源，影响了生活供水和生态环境。海水入侵的范围随疏干排水的强度增大而不断扩大。如中国辽宁省的金州湾石棉矿、复州湾黏土矿矿区均因疏干排水而出现了海水入侵现象。

（3）区域地下水位下降。为了保证矿山的开采，必须对进入井巷内的地下水或威胁井巷安全的含水层的地下水进行疏干排水，从而使矿区附近的浅层地下水被疏干，附近的地表水也因排水或河流的人工改道而被疏干。结果造成区域地下水位下降，生态环境恶化，植物难以生长，有的矿区甚至出现土地石化和沙化。因采矿疏干排水还造成矿区附近水源缺乏，严重影响人民生活和经济发展。矿坑突水有时也会造成区域地下水位下降，如开滦范各庄矿突水后，以突水点为中心的10余km范围内，水位下降了20～30m，使厂矿、工业和生活供水原有系统失灵，发生吊泵，形成无水可供的局面。

3.采空区地面塌陷与地裂缝

对于地下开采的矿山，由于采空区上覆岩土体冒落而在地表发生大面积变形破坏并伴随地表水和浅层地下水漏失的现象和过程，称为矿区地面变形。如果地面变形呈现面状分布，则为地面塌陷；如为线状分布，则为地裂缝。矿区地面塌陷造成大量农田损毁，地表建筑物遭受严重破坏。

据初步统计，中国因采矿引起的地面塌陷已超过180处，累积塌陷面积达1150km2。中国发生采矿塌陷灾害的城市近40个，造成严重破坏的25个，每年因采矿地面塌陷造成的损失达4亿元以上。山西省大同市形成450km2的煤矿采空区，河北省开滦煤矿累计地面塌陷面积约1万hm2；20世纪80年代以来，由于受地面塌陷影响而迁移村庄31处，迁建费用近2亿元。由于地面发生大面积变形塌陷（沉陷）和积水，致使大量农田废弃，村庄搬迁。例如，辽宁省本溪市在已采空的18.7km2中有6.5km2的地面建筑物遭到破坏。采空区地表平均下沉达2m，最深的达3.7m。造成建筑物墙体移位、断裂、房屋倾斜，甚至倒塌，地上和地下的供水、排水、供热、通信、人防等管网和设施遭到了不同程度的损坏。又如，由于采煤，宁夏石嘴山市城区形成南北长4.1km、东西宽1.7km、面积达4.97km2的塌陷区，最大塌陷深度达20m。塌陷区裂隙交织，地面到处可见塌陷形成的陡坎、裂缝，一般裂缝长20～40m，宽0.13m左右，深约5m。最大裂缝长100余m，宽0.4m，深达15m左右。

矿层开采后，采空区主要依靠洞壁和矿柱维持围岩稳定，但由于在岩体内部形成一个空洞，使其周围的应力平衡状态受到破坏，产生局部的应力集中。当采空区面积较大、围岩强度不足以抵抗上覆岩土体重力时，顶板岩层内部形成的拉张应力超过岩层抗拉强度极限时产生向下的弯曲和移动，进而发生断裂、破碎并相继冒落，随着采掘工作面的向前推进，受影响的岩层范围不断扩大，采空区顶板在应力作用下不断发生变形、破裂、位移和冒落。从平面上看，地表塌陷区比其下部引起塌陷的采空区范围大，塌陷区中央部位沉降速度及幅度最大，无明显地裂缝产生；内边缘区下沉不均匀，呈凹形向中心倾斜，为应力挤压区；外边缘区下沉不明显，多数情况下形成张性地裂缝，为应力拉张区。从剖面上看，塌陷呈现漏斗状，破裂角和极限角决定了“漏斗”的开口程度（图5-29）。如果矿体埋藏浅、厚度不大，冒落带直达地表则在采空区正上方形成下宽上窄的地裂缝。

4.采矿诱发地质灾害

高陡临空地形地貌部位，由于山崖或山脚的采矿活动，常造成上覆山体开裂变形，甚至发生崩塌灾害。此类崩塌灾害的特点是，崩塌前岩体内的开裂和崩塌后形成的后缘边界多沿岩体内原有的构造裂隙面或卸荷裂隙面发生和发展；表现为蠕变—倾倒—坍塌模式。其破坏机制是原有裂隙规模扩大并由闭合发展为张开状态，或产生新的裂隙，继而产生倾倒变形、膨胀，局部出现滑移，最后出现坍塌。矿区山体崩塌形成灾害的事例在世界各地均有发生。中国湖北盐池河磷矿山体崩塌、四川鸡冠岭山崩，以及长江西陵峡链子崖山体开裂等均与山脚采矿活动有关。

图5-29　矿山采空区地面塌陷示意图

湖北省宜昌盐池河矿区巨型山崩发生于1980年6月3日凌晨5时，100多万m3的岩体从300m的高处急剧下落，在山脚形成厚达20多m的块石堆积体；山崩摧毁了位于崖下的矿务局和坑口的全部建筑，造成284人丧生，损失惨重。1994年4月30日，四川省武隆区鸡冠岭发生巨大的山崩，崩塌体总体积为397万m3，分布面积为17.85万m2。崩塌岩体入江时形成涌浪高达30余m，当即形成一拦河坝，使乌江断流半小时。7月2—3日，鸡冠岭地区下了一次暴雨，诱发乌江鸡冠岭崩塌堆积体大规模坍滑，坍滑量180万～200万m3，部分块石入江，加高、增宽了原来的堵江乱石坝，使乌江的客货运输完全中断。山崩摧毁了刚刚投产的兴隆煤矿（年产6万t），将1条拖轮、1条载货量160t的驳轮和2只渔船击沉，另1条载货量230t的驳船被落石砸坏，并推向对岸。山崩还造成30多人伤亡，直接经济损失1089万元，间接经济损失无法统计。

对于地下采矿诱发山体开裂、崩塌等灾害的研究，应重点调查山坡岩体性质、结构特征、构造地质条件和地下水作用特征，分析采矿引起的应力应变特征、边界条件、岩体剪切滑动及破坏特征等；同时，分析、研究采矿方法、顶板管理方法、采矿强度、采空巷道形状和采空区面积等要素对水体开裂的影响程度。

5.采矿诱发地震与岩爆

采矿诱发地震是指开采地下固体、液体矿产过程中出现的地震。据其成因不同，矿震可分为诱发构造型矿震、诱发塌陷型矿震及掌子面岩爆、煤爆诱发矿震等三类。

（1）诱发构造型矿震。这是因采矿导致断层的复活和弹性能量的提前释放造成的地震。可进一步分为采矿直接引发矿震和抽水采矿诱发矿震两类。采矿直接引发矿震是由于采矿使地下应力失去平衡而诱发的地震。采矿形成的自由空间使采空区周围的岩体由原来的三向受压变成两向或单向受压，引起应力的重分布，在采空区范围内沿原有断裂形成应力集中地段，促使地壳岩体应变能提前分散释放，从而诱发地震。例如，辽宁省北票煤田台吉井区，历史上从未发生过破坏性地震活动，微震活动也少见。1921年台吉井开始采煤；截至1970年，当采掘到距地面500～900m深时，井区开始出现微震活动；到1981年8月20日，井区共记录到Ms≥0.5级地震160次，其中有感地震37次，造成不同程度破坏的地震有4次。另外，采矿抽水也可诱发地震。抽水后，断裂面（带）失去水压而发生卸荷作用，形成偏差应力。当偏差应力大于断面的抗剪强度时，即诱发地震。湖南省恩斗桥矿区抽水前无地震活动记载，但抽水疏干后，相继发生了16次有感地震活动；震中靠近恩口向斜中部，震源深度相对较大。

（2）诱发塌陷型地震。矿区诱发塌陷地震多起因于采空区和顶板陷落。地震波由顶板块体脱落敲击底板而产生，矿震分布范围较小，震源极浅，大多处于开采平面上。震级小但震中烈度高。例如，具有80多年开采历史的山西省大同煤矿，1956—1980年间因顶板塌落而产生的有感地震达40多次；最大震级Ms3.4级，释放能量约1.0×109 J。塌陷型矿震在岩溶发育地区经常出现。中国南方的粤、鄂、湘、桂、赣及浙等省（区）的岩溶充水矿区普遍存在地面塌陷，因塌陷而引起的冲击震动也时有发生。

（3）岩爆。岩爆又称冲击地压，是地下采矿诱发的一种特殊的动力工程地质现象，它所辐射的能量，从煤岩微小裂纹破裂的10-5 J，到大尺度岩体破坏的109 J。冲击地压发生时，围岩迅速释放能量，煤岩突然被破坏，造成暴风、冒顶片帮、支架折断、巷道堵塞、地面震动、房屋损坏和人员伤亡。它是由于开采活动破坏了原岩应力状态，导致围岩应力高度集中，矿层及围岩产生急剧变形，当其单位面积上压力增加到引起变形率超过矿层及围岩塑性变形最大可能速率时，矿层及其围岩中积蓄的弹性能突然释放，矿层及围岩产生大位移和破坏，伴随发生震动（矿震）、冲击波、破裂声响等动力工程地质现象，这种动力工程地质现象在金属矿山及非金属矿山都有所见，而以煤炭矿山尤为突出。因此，下面以煤炭矿山为对象，对这一问题展开讨论。

冲击地压是特殊的矿山压力现象，也是煤矿开采面临的最严重的灾害之一。对煤炭矿山来说，从20世纪30年代以来，先后在我国抚顺、开滦、枣庄、北票、门头沟、南桐等煤矿开始陆续发生冲击地压。这是煤矿井工开采深度加大伴随发生的一种工程地质灾害现象。而且随着采深不断增加，冲击地压产生的次数日益增多，成灾强度日益猛烈，危害程度愈益严重。京西煤矿的门头沟矿1947年开始发生冲击地压，据统计，该矿自1976年9月到1980年年底，由月平均53次增加到498次，其中产生矿震里氏震级2.2级以上的由月平均24.2次增加到83.9次。山东省目前有冲击地压矿井43处，占全国30%；埋深超过1000m的冲击地压矿井20处，占全国47%，是全国冲击地压灾害最严重的省份。2011年以来，山东省共发生9起煤矿冲击地压事故，造成36人死亡，13人受伤。仅2018年，山东龙郓煤业“10·20”事故就造成21人死亡。可以说，煤矿冲击地压防治工作形势十分严峻。

冲击地压既可以发生在回采工作面，也可以发生在掘进工作面。如抚顺煤矿井工开采多数发生在回采工作面，天池煤矿则多发生在掘进工作面。冲击地压与采掘深度关系极大，如枣庄八一矿井开采深度为140m时，冲击地压发生不明显；采深达185m，煤巷掘进时，出现少量冲击地压；当采深达370m时，冲击地压明显地增加；而采深达500m时，冲击地压显现十分剧烈。大量事实表明，冲击地压发生存在有一个临界深度。上述的枣庄矿为185m，抚顺煤矿为280m，天池煤矿为240m，门头沟煤矿为240m，开滦煤矿和唐山煤矿为500m，大同煤矿忻州窑矿为236～270m，南桐煤矿的砚石台矿采深达160m时才出现。

在冲击地压防治领域，2016年10月以来，国家煤矿安全监察局先后发布《煤矿安全规程》和《防治煤矿冲击地压细则》，对煤矿安全生产和冲击地压防治工作作出了规范。这两个规范性文件实施后，对预防冲击地压事故发生，提升煤矿企业冲击地压灾害预防和治理能力发挥了重要作用。2019年7月30日，山东省政府发布了《山东省煤矿冲击地压防治办法》（省政府令第325号，以下简称《办法》），该《办法》自2019年9月1日起施行。作为我国目前第一部专门规范煤矿冲击地压防治工作的政府规章，《办法》的颁布实施，对加强煤矿冲击地压防治工作，有效防范冲击地压事故，保障煤矿职工生命和财产安全，促进山东省煤炭行业可持续发展具有重要意义。

冲击地压的产生实际上有地应力和煤及围岩力学性质两个条件。为了消除第一个条件，一方面需要从巷道布置、巷道断面选型着手，尽量消除巷道周边产生大的切向应力的可能；另一方面，采用适当的岩体改造措施，减小煤和围岩内的应力差。为了实现第二个条件，可以采取适当的岩体改造措施降低煤和围岩材料的刚度或提高其强度。为了降低材料的刚度可采用注水技术使系统内材料软化或采用高压水劈裂的方法降低系统的刚度；为了提高材料强度可采用灌浆或预应力锚索方法加固。当然，究竟采用何种处理技术需要根据施工技术和经济条件的综合比较来确定。

另外，利用钻屑法、地球物理法、位移测试法、水分法、温度变化法等多种方法进行预测预报，合理选择洞轴线和洞室断面形状，施工中采取超前应力解除、喷水或钻孔注水软化围岩，减少岩体暴露的时间和面积的扩展并及时支护围岩等措施，可有效防治岩爆及其危害。图5-30为天地科技股份有限公司研发的冲击地压应力在线监测系统，可以通过实时在线监测工作面前方采动应力场的变化规律，找到高应力区及其变化趋势，实现冲击地压危险区和危险程度的实时监测预警和预报。

图5-30　冲击地压应力在线监测系统

第七节　城市地质调查

一、概述

城市地质调查是一项服务于城市规划、建设和管理的基础性工作，其主要目标任务是查明城市的地质、资源和环境基本状况，评价城市发展的资源与环境承载能力，为城市可持续发展提供基础支撑。自2003年起，中国地质调查局与地方政府合作开展了北京、上海、杭州、天津、南京和广州等六个城市地质调查试点工作，建立了一套系统的城市地质调查方法技术体系和技术标准体系，为全国开展城市地质调查积累经验和提供示范。

党的“十九大”指出，坚定不移地贯彻新发展理念，实施区域协调发展战略，以城市群为主体构建大中小城市和小城镇协调发展的城镇格局；加快生态文明体制改革，建设美丽中国，要求推进绿色发展，着力解决突出环境问题，加大生态系统保护力度和改革生态环境监管体制。中央要求城市工作要贯彻五大发展理念，转变城市发展方式，完善城市治理体系，提高城市治理能力，着力解决城市病等突出问题，提高城镇化水平。

城市地质工作是城市规划建设的重要基础，贯穿于城市运行管理的全过程。做好城市地质工作，对推进我国新型城镇化建设具有非常重要的现实意义和战略意义。近年来，党中央国务院对城市地质工作提出了明确指示要求。2016年7月5日，在湖南岳阳召开的部分省份防汛工作会议上，要求国土资源部（现自然资源部）牵头，抓紧进行详查，加快摸清城市地下情况。在2016年政府工作报告中，明确提出要统筹城市地上地下建设，加强城市地质调查。这是城市地质调查工作首次出现在中央政府工作报告中，具有里程碑式的意义。2017年全国国土资源工作会议上强调，把加强城市地质工作作为战略任务来抓，明确要求开展地下空间三维调查、城市地下空间利用示范，评估城市地下空间资源潜力和利用前景，加快查清城市地下三维地质结构，推进城市立体发展和地下空间安全利用。在2017年全国地质调查工作会议上，提出要精准了解新型城镇化对城市地质工作的需求，加大力度推进调查工作。

二、国内外城市地质工作概况

（一）发达国家城市地质工作趋势

1862年，奥地利地质学家Eduard Suess编写的《维也纳市地质》，是城市地质的第一本学术专著。现代意义上的城市地质工作主要是在“二战”以后发展起来的。随着工业化和城镇化的不断推进，城市地质在工作区域、工作思路、工作内容、调查评价方法、调查成果服务等方面都发生了巨大变化。

工作区域从单个城市扩展到城市群地区乃至国土规划经济开发区。工作思路从调查分析单一的地质问题转变为从整体上综合考虑城市规划、发展的需求，超前服务于城市社会经济的可持续发展。工作内容从单纯查清地质条件到涵盖废弃物处置、水土污染防治、地质灾害风险性评估、地下水脆弱性评价、多目标地球化学、生态地质调查等多种内容的综合调查研究。工作方法从利用地球化学和物探技术为勘探开发服务拓展为多学科、多种先进的勘查、检测、分析技术相互结合，评价与编图从定性描述深入到定量评价。地质信息从编制纸介质的图件、报告提升到建立空间数据库和GIS平台上的地学信息系统，实现信息及时更新、动态评价和社会共享。

21世纪开始，以整体观点研究城市地质问题的工作得以深化，以适当的指标体系定量表征城市地质质量，进而建立和健全相应的监测系统，并将其纳入城市环境总体管理的轨道。英国、德国、法国、美国、加拿大、日本等发达国家城市地质工作的基础好，城市地质调查和填图任务已基本完成，开始向广度和深度发展。“动态化、超前化”是近年来这些国家城市地质工作的特点。现代城市地质工作有以下几个发展趋势：

一是城市地质工作重心将倾向于已有地质数据的管理、更新与重构，构建城市三维或四维地质模型。发达国家已经完成了国内大部分主要城市的城市地质工作，如英国已在40个城市开展了城市地质填图工作，目前倾向于针对各个城市已有数据的整理与三维模型化，构建城市地质数据库并进行更新、管理与维护，并在此基础上建立了全国尺度的区域性三维地质模型。

二是城市地质数据与信息将倾向于地质模型结合已有的网络软件（如Google Earth）进行发布，并构建数据交流平台。采用已有的网络软件可让非专业人员在无须培训的情况下查询、缩放和选择地质数据与地学信息。通过构建数据交流平台，了解不同部门开展的相关工程活动，集成其他成果数据，吸收用户反馈意见，完善城市地质成果，提升各类地下数据及地质成果的可用性等。

三是城市地质调查工作内容和服务对象在不断扩展，面临着解决成果应用服务机制的问题。城市地质所涵盖的内容是逐渐发展、动态的，其工作重点由最初的城市规划所需地质信息逐渐发展为囊括城市决策层在城市规划、发展、建设和管理过程中对地质资源利用、地质安全保障和地质条件优选等方面所需的系统的、全面的地质信息。而伴随着城市地质数据与成果的丰富，如何让数据与成果在非专业的政府管理者及社会公众得到有效利用将会是城市地质工作需要解决的难点。

四是城市地质学术研讨、成果交流与项目合作等将得到进一步加强，国际社会组织在这方面将起着越来越重要的作用。在城市地质工作的发展过程中，国际社会组织通过实施研究计划、组织学术研讨、编撰城市地质专著等活动，促进了各国城市地质工作方法、成果等方面的交流，极大地提升了城市地质工作在城市规划、建设和管理等过程中的有效应用，提高了城市地质工作的影响，对城市地质研究工作的发展中起到了至关重要的促进作用。伴随着世界各国城市地质工作的大力发展，国际社会组织将为学术研讨、成果交流与项目合作提供更多的契机。

（二）我国城市地质工作现状

1.现有工作基础

自1999年实施国土资源大调查以来，国土资源部门在城市地质调查方面主要开展了五方面工作：

（1）完成了306个地级以上城市地质环境资源摸底调查。2004—2012年，开展全国主要城市环境地质调查，初步查明了滑坡崩塌泥石流、地面沉降、水土污染、活动断裂、矿山地质环境问题等各类城市环境地质问题，摸清了地下水、地热、矿泉水、地质景观等地质资源状况。

（2）完成了6个城市三维地质调查试点。2004—2009年，与上海、北京、天津、广州、南京、杭州等市政府合作，开展三维城市地质调查，系统建立了城市地下三维结构，建立了三维可视化城市地质信息管理决策平台和面向公众的城市地质信息服务系统。

（3）与地方政府合作，推广试点工作经验。在总结试点城市地质工作经验的基础上，从2009年开始，采用部、省、市的多方合作模式，完成了福州、厦门、泉州、苏州、镇江、嘉兴、合肥、石家庄、唐山、秦皇岛、济南等28个城市地质调查工作。

（4）以城市群为单元，推进综合地质调查。2010年以来，为服务国家区域战略和主体功能区划的需求，组织开展了京津冀、长三角、珠三角、海峡西岸、北部湾、长江中游、关中、中原、成渝等重点城市群综合地质调查工作。

（5）瞄准国家重大需求，强化精准服务。打破专业界限，创新成果表达内容和方式，编制了一系列国土资源与环境地质图集、对策建议报告，在服务城市和城市群的空间布局、产业发展、生态环境保护、重大地质问题防治等方面发挥了重要支撑作用。其中，北京城市副中心、雄安新区、京津冀、粤港澳大湾区等地质成果服务成效尤为明显。

2.取得的工作经验

以上海市为代表的大城市地质调查试点工作经验，开创了城市地质成果服务规划国土资源、重大工程安全运营和地质灾害防治的技术路径，构建了地质工作服务城市规划管理的常态机制，实现了地质调查成果服务融入政府管理主流程。以福州、厦门、嘉兴、丹阳为代表的中小城市地质调查工作经验，探索了自然资源部中国地质调查局、省级自然资源主管部门、城市人民政府等三方合作的有效机制，充分发挥了三方积极性，建立了在全国可推广可复制的工作模式。大型城市群综合地质调查工作经验，以京津冀、长三角、珠三角等重要城市群为代表，瞄准重大需求，聚焦重大问题，打破专业界限，统筹部署工作，创新表达方式和表达内容，增强了城市地质在国家重大战略实施中的基础支撑作用和决策建议话语权（图5-31）。

图5-31　城市地质信息化建设

城市地质调查技术要求逐渐得到规范，形成了以一模（三维城市地质结构模型）、一网（地质环境监测预警网）、一平台（综合地质信息服务平台）为主体的技术方法体系，发布了城市地质调查行业标准。

3.存在的主要问题

近年来，我国城市地质调查工作取得长足发展，但仍存在一系列问题，主要体现在以下几点：

（1）城市地质调查工作理念落后，难以适应新型城镇化的要求。中央提出了“创新、协调、绿色、开放、共享”的发展理念，但是城市地质工作理念还停留在服务工业社会发展的阶段，缺乏大资源、大环境、大数据的工作意识，不能满足城市地上地下统筹规划、资源环境协调开发与保护等后工业化时代的新要求，难以支撑集约、智能、绿色、低碳、安全的新型城镇化建设。

（2）城市地质信息精度低更新慢，难以满足城市规划建设管理需求。我国仅34个城市开展了三维城市地质工作，尚有300多个城市未推进系统的城市地质工作，已开展的城市地质调查中小比例尺多，大比例尺少。不同部门存储的地质资料分散管理，没有及时汇交和更新城市地质信息，难以起到提高城市地质信息精度的作用，城市空间布局、资源开发、环境保护、灾害防治等方面需要的地质信息不足。

（3）未形成标准化成果产品体系，成果服务难于融入城市行政管理主流程。针对城市总体规划、详细规划和专项规划，缺乏相应地质调查评价报告和图件。针对工程建设市场，缺乏系统的地质信息资料服务产品。针对城市日常运行管理，缺乏重大地质安全、资源环境承载能力、生态文明建设绩效、地质灾害风险等监测预警产品。城市地质调查成果与城市规划建设管理工作融合仍然存在一定困难。

（4）城市地质调查工作机制不完善，难以充分调动各方工作积极性。上海等不同城市地质调查工作过程中，由于城市管理体制机制各异，探索形成的工作运行机制，在全国推广存在困难。需要进一步探索中央和地方联动、公益性和商业性地质工作融合发展、政府多部门协调等方面的有效工作机制，充分发挥各方面的作用，共同推进城市地质调查工作。

三、城市地质调查工作的需求

（1）优化城市群结构和空间布局，需要加强资源环境承载能力调查评价，建立监测预警体系。土地和水是城市发展的重要资源基础，地质环境是影响城市安全的重要因素。总体上看，华北、西北地区城市发展主要受水资源制约，东部沿海地区城市发展主要受土地资源制约，西南地区城市发展主要受地质环境制约。我国19个重点城市群中，8个城市群资源环境承载能力相对较弱。因此，合理优化城市群国土空间布局，迫切需要开展土地资源、水资源、地质环境等资源环境承载能力评价。

（2）提升城市土地资源集约利用，拓展城市地下发展空间，需要系统查明城市地质条件。地表土地供应紧张是制约我国城市发展的重要因素。开发地下空间是城市再开发的必然要求，也是提高土地集约化和综合利用水平的必然要求。与欧美发达国家相比，我国城市地下空间利用程度总体较低，开发深度较浅，地下空间开发具有巨大潜力。科学规划地下空间开发利用，需要了解城市地下空间资源禀赋特征，注重城市地下空间资源与共生资源的协同开发，监控可能诱发的地质环境负效应。

（3）建设绿色低碳城市，提高城市宜居水平，可以充分利用有利的地质资源条件。我国地级以上城市每年可开采的浅层地温能资源量折合标准煤7亿t，可实现建筑物供暖制冷面积320亿m2，相当于现状总建筑面积的两倍以上。在城市新区、重大工程、新农村建设及旧城改造过程中，可以加大浅层地温能供暖制冷利用力度，有效降低二氧化碳排放。我国城市及周边地区有地质遗迹798处，具有较高的旅游、科普、生态价值。充分利用这些地质资源，可以提高城市宜居水平，改善公众生活质量。

（4）提高城市安全保障水平，需要加强重大地质问题调查与监测，采取针对性的防控措施。我国地级以上城市受滑坡崩塌泥石流灾害威胁人口61万人，威胁财产185亿元，18个城市受威胁人口大多超过1万人。我国102个城市发生地面沉降，9个城市2015年最大沉降量超过50mm。我国41个城市受岩溶塌陷影响大，42个城市受活动断裂影响较大，7个城市土壤重金属污染在中度以上，54个城市地下水中发现“三致”有机物超标。解决以上重大城市地质问题，需要加强调查评价和风险管控。

四、城市地质调查主要任务

城市地质调查工作任务主要包括以下几个方面：

（1）查明城市工程建设与地下空间开发条件、地质资源、水土环境质量、地质灾害等。

（2）构建三维可视化地质模型。

（3）建设城市地质资源环境监测预警网络。

（4）建立城市地质信息服务于决策支持系统。

（5）提供支持城市发展的地质服务产品。

五、城市地质调查的主要内容

城市地质是一项涉及多专业、多领域、多学科的综合性地质工作，中国6个试点城市地质调查重点开展了以下6个方面的工作。

1.城市三维地质结构调查

主要调查城市所在区的三维地层结构、工程地质结构、水文地质结构，建立三维地质结构模型。在三维地质结构调查基础上，综合分析城市地下区域地壳稳定性、岩土工程地质条件、地下水对工程的影响，进行地下空间可利用适宜性评价。

2.地质灾害调查

查明主要活动断裂、地裂缝、地震活动、地面沉降、岩溶塌陷、黄土湿陷、滑坡、泥石流、海岸侵蚀、港口淤积、海水入侵、河湖塌岸等地质灾害的分布及活动规律，评价其对城市安全的危害性，为城市减灾防灾提供科学依据。

3.水土地球化学调查与环境质量评价

重点查明地表水体和土壤化学元素背景及污染状况；结合区域环境地质、地质基础条件等方面因素，进行区域环境规划，综合评价城市的环境质量状况，为土地资源的规划、合理利用及城市功能合理布局提供基础资料。开展垃圾填埋场的污染现状调查，评价现有垃圾填埋场产生的淋滤液对土壤、地下水和地表水水质构成的潜在威胁，调查城市垃圾场选址地的地质环境适宜性，提出拟选垃圾填埋场选区建议。

4.地质资源调查

调查城市地下水资源、地热、地下空间资源、矿产资源、建筑材料以及地质遗迹等，查明城市地区的资源状况及对城市发展的保障力，为城市的科学规划及可持续发展提供基础资料。

5.城市地质信息管理与服务系统建设

利用数字模拟、大型数据库系统、三维可视化和GIS等现代计算机技术，对城市区域地质、水文地质、工程地质、环境与灾害地质、地球物理、地球化学、遥感等多专业的地质信息和成果进行集成管理；构建城市地质结构三维可视化模型，建立城市地下空间资源、地质灾害、地下水资源与质量和生态环境分析评价和模拟预测，为城市规划决策、地质调查研究和社会地质信息服务搭建可视化信息服务平台。

6.地质资源环境承载能力综合评价

从城市安全、可持续发展的角度，对城市存在的不良地质因素的危害性进行综合性分析评价，对城市的地质资源保障程度进行分析评价。开展城市地壳稳定性评价、地下空间适宜性评价、土地利用适宜性评价、城市资源承载力和环境容量评价、城市安全性风险性评价等为城市规划、建设与可持续发展提出相应的对策建议。

六、城市地质调查的主要勘查技术

城市地质涉及多学科、多专业，遥感、钻探、物探、化探等各种技术是城市地质调查中常见的重要手段，但各种手段的适用性和效果各不相同。

1.遥感技术

遥感技术是城市地质研究中最常用的手段。主要通过不同时期的遥感资料，研究城市的发展变迁、水体的变化、土地的变化、江湖海岸的侵蚀和淤积变化、城市地貌的演变等。通过遥感资料圈定地质体和地质构造、水污染等。同时，利用遥感数据对建筑物的判别，结合建筑学规范，推测建筑物地基占有的地下空间情况。

2.钻探技术

钻探技术是了解地下地质结构最直接的方法手段。通过岩芯编录、原位测试和样品的测试分析，可以获得地下所有的地质、工程和水文地质资料。

3.地球物理勘探技术

许多城市地质问题不仅涉及地下深层的地质构造，还包括浅层的精细结构，地球物理勘探技术是最重要的手段之一。地震、重力、磁法、电法是圈定地下地质体，连接地质构造，勾绘地下三维地质图的重要资料。在岩溶、活动断裂、已被掩埋的垃圾填埋场、地下水调查等方面，地球物理勘探技术已被证明是较为经济和有效的方法。特别是在城市建成区，地面建筑和设施已全面覆盖的情况下，钻探无法施工，更显出无损勘探物探方法的重要性。最主要的地球物理勘探包括重力方法、磁法、电法、地震方法、放射性方法以及一些相关学科的研究方法。

4.地球化学勘探技术

一般应用于土壤、地表水、地下水和大气环境调查与监测，也可进行动植物地球化学污染的调查。了解城市地区地球化学元素场的分布情况，建立城市地区元素地球化学数据库，指导城市土地利用规划和环境保护与治理。

5.试验测试技术

城市地质调查要进行大量的试验和测试，主要有岩矿鉴定、古生物化石鉴定、岩石与土体地球化学测试、水化学测试、同位素测年等。工程地质调查包括工程原位测试，工程应力测试，室内土工试验和室内岩石试验。土工试验主要为土的物理试验、土的强度试验、土的流变试验、土的动力特性试验。原位试验测试包括岩土力学性质及地基强度的原位测试，岩土体中应力测量和水文地质试验。

6.信息处理技术

充分利用地理信息系统、网络技术、虚拟现实、数据库技术及数据存储和图形显示技术，实现各类资料组织管理、分析评价和可视化显示。

七、城市地质调查的主要方法体系

城市地质调查是一项综合性地质调查，需要借助于不同勘查技术的有效组合，建立科学的方法体系。

1.三维地质结构调查主要方法

城市三维地质结构调查包括基岩三维地质结构，松散层三维地质结构、三维工程地质结构和三维水文地质结构调查。调查所采用的主要方法包括地表填图、钻探和地球物理勘查。以钻孔精细研究地质体的垂向结构，以地球物理剖面连接钻孔结构划分，最终构成三维地质结构体。三维地质结构调查，依据城市功能分区和地质特征，采用平面分区、垂向分层的原则，分层次开展调查。

（1）工程地质结构调查。工程地质结构调查主要包括工程地质钻探、地球物理勘查、原位测试、土工试验、工程地质层划分和三维工程地质建模。主要调查地下100m以浅，在利用已有的地质、水文及工程钻孔以及地球物理资料，补充开展钻探及浅层勘查。一般按照城市功能分区分为重点工程建设区、中心城区和新城规划区、其他地区。重点工程建设区调查精度一般为1∶1万比例尺，每百平方千米施工800～1200个钻孔。中心城区和新城规划区调查精度一般为1∶2.5万比例尺，每百平方千米施工240～360个钻孔。其他地区调查精度一般为1∶5万比例尺，每百平方千米施工80～120个钻孔。视地质条件复杂程度适当增减钻孔密度。

（2）第四纪松散沉积物层结构调查。在充分收集整理和分析已有的各种地质资料的基础上，补充开展钻探、物探及测试分析等多种方法的综合调查，调查方法和精度视松散层厚度而定。松散沉积层在0～100m深度范围的，主要以钻探方法为主，调查精度一般为1∶5万比例尺，每百km2施工80～120个钻孔。100～500m深度范围的，采用地球物理勘探和钻探手段相结合方法；松散沉积层厚度超过500m时，主要以地球物理勘探手段为主，通过少量的钻探验证。第四纪松散沉积层调查要从分运用现代地质学、层序地层学理论及方法，以岩石地层研究为基础，开展岩石地层、层序地层、生物地层、年代地层、化学地层、磁性地层、气候地层等多重地层划分对比研究。查明松散沉积物种类、岩性组合、物质成分、厚度、成因类型、接触关系、沉积结构、空间展布及变化规律，系统厘定填图单位。建立地层层序、区域对比标志、地层格架和古气候演化序列。研究全新世以来气候变化、海平面升降和海岸线变迁规律与发展趋势，构建松散沉积层三维地质结构。

（3）基岩地质结构调查。在充分利用已有钻孔和地球物理勘探资料的基础上，补充开展地球物理勘探和钻探，主要调查基岩面埋深，隐伏地质体岩性、时代及其展布特征，主要隐伏断裂特征与空间延伸，编制基岩地质图。通过地球物理资料圈定隐伏地质体和构造的界限，通过钻孔了解岩性特征。

（4）水文地质结构调查。在第四纪地质结构和基岩地质结构调查的基础上，通过水文地质钻孔和地球物理勘查，圈定主要含水层和含水构造。调查地下水补给、径流、排泄条件及其变化，地下水动态特征及其影响因素，地下水水文地球化学特征，评价地下水质量，评价富水地段地下水开采资源与开采潜力，初步论证地下水应急水源地。

2.地质灾害调查主要办法

对于裸露地表的活动断裂、地裂缝、地震活动、地面沉降、岩溶塌陷、黄土湿陷、滑坡、泥石流、海岸侵蚀、港口淤积、海水入侵、河湖塌岸等地质灾害调查，主要采用遥感和地面实际填图方法调查，对正在发生的地质灾害采用遥感、GPS及水准测量的方式，建立监测网。对于隐伏的地质灾害主要采用地球物理和钻探相结合方法调查。地球物理圈定灾害范围，如活动断裂和岩溶可用人工地震和电法测量。最后通过钻探进行验证。

3.水土地球化学调查与环境质量评价

水土环境地球化学调查，重点查明地表土壤和水体化学元素背景及污染状况。调查对象为土壤（表层20cm，深层150cm）、湖泊沉积物、滩涂（含潮间带）、10m以内近岸海域沉积物等中的54种元素和指标的地球化学含量及空间分布特征。在调查结果的基础上，发现和圈定污染区。结合大气降尘地球化学测量，查明污染元素来源、追踪异常元素迁移途径、评价城市水土和大气环境质量，预测生态系统安全性变化趋势，并对可能发生的生态危害事件进行预警。查明城市区主要有益元素的分布，为都市绿色农业发展，提供科学依据。重点针对垃圾填埋场的污染开展调查和研究，通过水土地球化学测量，调查填埋场产生的淋滤液对土壤、地层、地下水和地表水水质构成的潜在威胁。图5-32为安徽省某市主城区土壤重金属空间分布三维模型。

4.地质资源调查

主要开展城市地下水资源、地热、地下空间资源、矿产资源、建筑材料以及地质遗迹等地质资源调查。地热、矿产资源、建筑材料等地质资源调查，主要采用地球物理和钻探的方法，参照相关的矿产资源勘查技术要求进行。从城市安全的角度，重点开展了应急地下水源地的调查和评价。对于地下空间资源调查，主要依据三维地质结构调查结果，针对主要地质灾害和不良地质体的空间分布特征，评价地下空间开发和利用的适宜性。一般按照0.15m、15.30m和30.60m三个层次分别评价。评价方法可按软土地基、液化砂、地裂缝等单要素进行评价，也可按照多要素加权综合评价。

5.城市地质信息综合管理与服务平台建设

城市地质调查需要建立一个集信息录入、数据管理、空间数据分析和可视化表达于一体的综合管理平台，实现以下三个层次的功能和服务。

（1）实现对城市地质及相关数据的有效管理。城市地质信息涉及地上、地表、地下三维空间信息，地质、地球物理、地球化学、遥感、钻探等多元、异构、海量数据。要实现这些数据的科学管理，必须建立在先进的数据库和管理平台上。6个试点城市的信息管理系统分别采用了Oracle数据库和Mapgis三维数据管理平台，实现这些数据的科学管理。

图5-32　安徽省某市主城区土壤重金属空间分布三维模型

（a）Pb；（b）Ni；（c）Cd；（d）Co；（e）As；（f）Fe；（g）Mn；（h）Cr

（2）提供对城市地质及相关数据的可视化处理和专业分析。在科学有效地管理城市地质及相关数据的基础上，采用可视化技术直观、形象地表达地质数据的时空展布特征，建立各类地质数据的三维模型。开发了地下复杂空间结构与关系的表达，以及空间数据的分析和处理功能。如进行土地质量评价、地下空间适宜性评价等分析系统，为政府规划决策提供了可视化平台。

（3）面向社会公众服务的信息发布系统。基于现代网络技术，开发研制三维城市地质信息公共查询和社会发布，为社会公众提供地质信息服务。

6.地质资源环境承载能力综合评价

目前，我国主要开展了城市地壳稳定性评价、地下空间适宜性评价、土地利用适宜性评价、城市安全性风险性评价等。评价方法主要有单要素评价和综合评价两类。单要素评价主要依据某一要素在空间上的影响程度进行分区评价。而对综合评价主要采用层次分析法，基于GIS三维可视化平台，通过对众多属性数据整理、分类与分析研究，获得各因子层的重要度，通过决策评价系统中的专家评判法获取各评价因子的最优权值，并基于模糊集思想，确定各定性指标和定量指标的隶属级别，最后利用空间叠置分析方法完成综合评价。

本章关键词

地基工程、地基稳定性、崩塌、滑坡、泥石流、地下工程、水利水电工程、矿产资源开发利用、城市地质调查

思考题

1.地质工程在国民经济建设中的重要性。

2.结合有关地质灾害实例，简述其成因及其防治。

3.常见水利水电工程地质问题及其防治。

4.城市地下空间开发的重要意义及其涉及的主要工程地质问题。

5.试述我国矿产资源开发利用现状、存在问题及对策。

6.城市地质调查工作的要点及其重要意义。

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