作者：黃德志 古黃玲 辛宇佳 單位：中南大學(xué)地球科學(xué)與信息物理學(xué)院

地質(zhì)災(zāi)害主要類型

地質(zhì)災(zāi)害按致災(zāi)地質(zhì)作用的性質(zhì)可劃分為很多類型，其中危害性十分突出的主要有：（1）地殼活動造成的災(zāi)害，如地震、火山噴發(fā)；（2）淺層次地質(zhì)變形造成的地質(zhì)災(zāi)害，如地面塌陷、地面沉降及地裂縫；（3）地質(zhì)塊體失穩(wěn)帶來的地質(zhì)災(zāi)害，如崩塌與滑坡、泥石流；（4）礦山開采造成的綜合地質(zhì)災(zāi)害，如洞井塌方、突水、瓦斯爆炸、水土污染等；（5）土地退化帶來的地質(zhì)災(zāi)害，如沙漠化、水土流失；（6）河、湖、水庫水體作用下地質(zhì)災(zāi)害，如塌岸、淤積、滲漏、浸沒、潰決等；（7）海洋地質(zhì)災(zāi)害，如海平面升降、海水入侵、海崖侵蝕、海港淤積、風(fēng)暴潮、水下滑坡、潮流沙壩等。按照造成地質(zhì)災(zāi)害的地質(zhì)應(yīng)力類型又可分為：內(nèi)應(yīng)力地質(zhì)作用造成的地質(zhì)災(zāi)害，如地震、火山噴發(fā)等；外應(yīng)力地質(zhì)作用造成的地質(zhì)災(zāi)害，如崩塌與滑坡、泥石流等。上述地質(zhì)災(zāi)害的分類可理解為學(xué)術(shù)上分類，這種學(xué)術(shù)分類，不同學(xué)者或基于不同出發(fā)點，可能不盡相同。但根據(jù)地質(zhì)災(zāi)害的誘發(fā)源，即與人類活動的關(guān)系，地質(zhì)災(zāi)害只能分為由自然地質(zhì)作用引起的自然（原生）地質(zhì)災(zāi)害及人為（次生）地質(zhì)災(zāi)害。在上述按致災(zāi)地質(zhì)作用的性質(zhì)劃分的類型中，各種類型都有可能是人類生產(chǎn)和社會活動導(dǎo)致的人為（次生）地質(zhì)災(zāi)害。人為地質(zhì)災(zāi)害主要起因于人類活動改變了地球，包括地表及其以下的巖石圈（主要是地殼巖石圈）的物理結(jié)構(gòu)和化學(xué)環(huán)境的改變以及兩者的聯(lián)合作用。

地殼結(jié)構(gòu)破壞與巖石破裂

巖石破裂基本機理很多次生地質(zhì)災(zāi)害與人類活動致使地質(zhì)體或巖石破裂相關(guān)，巖石破裂的根本原因是巖石所受附加應(yīng)力超過了其所能承受極限。以剪破裂為例，當(dāng)巖石所受的剪應(yīng)力超過了其抗剪強度時，巖石就會發(fā)生剪破裂。圖1為材料剪破裂時的庫倫剪破裂示意圖，圓C代表材料內(nèi)（地質(zhì)上即為巖石內(nèi)）某點的應(yīng)力莫爾圓，線FP和FP′為某種巖石的庫倫剪破裂線，隨著σn的逐漸增大，圓C達(dá)到如圖所示與剪破裂線FP和FP′相切，P及P′點既代表巖石內(nèi)某點一個特定方向切面上的應(yīng)力狀態(tài)，又在剪破裂線上，即滿足巖石剪破裂條件，此時巖石發(fā)生剪破裂。對于張破裂，巖石破裂的基本機理與剪破裂相似，當(dāng)巖石所受的張應(yīng)力超過巖石的抗張強度時，巖石就會發(fā)生張破裂。因此，巖石破裂的基本機理就是巖石內(nèi)積累的地應(yīng)力超過了其臨界值。

巖石結(jié)構(gòu)破壞與地應(yīng)力集中由巖石破裂機理知道，當(dāng)巖石內(nèi)應(yīng)力積累到一定程度而達(dá)到巖石的抗剪或抗張強度時，巖石就會發(fā)生破裂。受力物體的應(yīng)力分布狀況不僅隨外力的性質(zhì)、大小和方向以及截面方位的不同而變化，還同物體本身的結(jié)構(gòu)有關(guān)。材料力學(xué)研究表明，如果物體內(nèi)部存在空洞、微裂隙或截面方位發(fā)生急劇改變時，則會造成應(yīng)力的局部劇增，這種現(xiàn)象稱為應(yīng)力集中，受力物體往往在應(yīng)力集中處首先開始破壞。材料力學(xué)研究中，通常以應(yīng)力集中系數(shù)σk表示應(yīng)力集中的程度。圖2示意材料內(nèi)一圓孔附近的應(yīng)力集中現(xiàn)象，其最大應(yīng)力σmax與該方向上的主應(yīng)力σ（或平均主應(yīng)力）之比為σk（即σk=σmax/σ），這就是材料結(jié)構(gòu)缺陷產(chǎn)生的應(yīng)力集中現(xiàn)象。地殼中的巖石并非完整無缺的，在外力作用下，其內(nèi)部某些部位極易產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，巖石內(nèi)部若有早期的裂隙和斷裂存在，受力后，就會在裂隙的端點（圖3）、斷裂的端點、拐點、尖滅點、交匯點、分叉點或弧形轉(zhuǎn)折拐角的外側(cè)等部位出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象。若外力不斷增加，應(yīng)力集中也隨之增強，最后可導(dǎo)致材料首先在應(yīng)力集中處破壞。由于地殼無時無刻不在變動，因此地殼內(nèi)的應(yīng)力集中也由小到大，當(dāng)其積累到超過巖石所能承受的限度時，就會使那一部分巖石產(chǎn)生破裂而釋放出大量能量，地震往往由此產(chǎn)生。人類社會生產(chǎn)活動，如礦山開采、道路、橋梁和水庫等修建、城市建筑等，都有可能在巖石中產(chǎn)生新的裂隙，由此就有可能導(dǎo)致應(yīng)力集中，從而誘發(fā)地質(zhì)災(zāi)害。

礦山開采和道路建設(shè)過程中人為造成地殼結(jié)構(gòu)破壞與誘發(fā)地質(zhì)災(zāi)害

人類社會生產(chǎn)活動造成的地質(zhì)災(zāi)害類型很多，其中與人為造成地殼結(jié)構(gòu)破壞相關(guān)的最突出地質(zhì)災(zāi)害包括如下幾個方面。

礦山開采造成地殼（或地質(zhì)體）結(jié)構(gòu)破壞的人為地質(zhì)災(zāi)害礦山地質(zhì)災(zāi)害是地質(zhì)災(zāi)害的一個分支，是人類開采礦山而直接誘發(fā)的人為地質(zhì)災(zāi)害。我國是采礦大國，開采技術(shù)和設(shè)備相對落后，導(dǎo)致礦山開采環(huán)境不斷惡化。近年來，冒頂、地表塌陷、礦坑突水等重大地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生頻率明顯上升[1]。礦山開采造成的地質(zhì)災(zāi)害包括：地下型——由采礦或抽水引起的誘發(fā)構(gòu)造型地震或巖爆；地表型——主要表現(xiàn)為由地下開采引起的地表沉陷和山體失穩(wěn)；地上型——廢礦石堆放引起的滑坡、泥石流及環(huán)境污染。在這些礦山開采造成的人為地質(zhì)災(zāi)害中，構(gòu)造型地震、巖爆、滑坡及地面沉降與地質(zhì)體結(jié)構(gòu)人為破壞而產(chǎn)生地應(yīng)力變化直接相關(guān)。實際上，誘發(fā)構(gòu)造型地震只是天然構(gòu)造地震的特殊表現(xiàn)形式，應(yīng)力積累和斷層的產(chǎn)生同樣可用上述的庫倫剪破裂準(zhǔn)則解釋。已有研究表明，礦區(qū)構(gòu)造地震多與誘發(fā)的逆斷層有關(guān)[2]，根據(jù)Anderson斷裂模式[3]，逆斷層的應(yīng)力狀態(tài)是最大主應(yīng)力σ1水平、最小主應(yīng)力σ3直立，由于地下采掘?qū)е麓瓜蛏?sigma;3明顯減小，從而使得差應(yīng)力σ1-σ3增大，應(yīng)力莫爾圓直徑增大，斷裂更易發(fā)生。巖爆的發(fā)生也與開采造成地質(zhì)體結(jié)構(gòu)破壞而產(chǎn)生應(yīng)力集中有關(guān)，由于開挖的坑道導(dǎo)致地應(yīng)力分異，圍巖應(yīng)力發(fā)生集中，在應(yīng)力作用下產(chǎn)生破裂。礦區(qū)大多崩塌、滑坡及地面沉降起因于地質(zhì)體的結(jié)構(gòu)破壞而導(dǎo)致地應(yīng)力狀態(tài)改變，從而打破地應(yīng)力狀態(tài)平衡。因此，減少礦山人為地質(zhì)災(zāi)害，除了保證盡量地合理開采外，還可人為的對破壞的地質(zhì)體進(jìn)行復(fù)原和補修，例如，采礦過程中及時回填采空區(qū)，實施復(fù)田及人工地殼和地質(zhì)體結(jié)構(gòu)的盡量恢復(fù)，對減少礦區(qū)人為地質(zhì)災(zāi)害可起到一定的作用。

交通建設(shè)造成地質(zhì)體結(jié)構(gòu)破壞誘發(fā)的人為地質(zhì)災(zāi)害交通建設(shè)包括公路、鐵路、橋梁及隧道等建設(shè)，在各類工程建設(shè)中，公路是遇到地質(zhì)災(zāi)害危害程度最嚴(yán)重的工程建筑之一[4]。影響交通工程中地質(zhì)體穩(wěn)定的因素眾多，包括地形地貌、地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造、水文地質(zhì)特征、第四系地質(zhì)特征及氣候條件等。交通建設(shè)過程造成的人為地質(zhì)災(zāi)害嚴(yán)重，主要表現(xiàn)為由地質(zhì)體結(jié)構(gòu)破壞造成地應(yīng)力狀態(tài)改變而導(dǎo)致的人為地質(zhì)災(zāi)害十分顯著，如崩塌、滑坡、泥石流、巖溶等地質(zhì)災(zāi)害。大量的研究表明，現(xiàn)在發(fā)生的各類地質(zhì)災(zāi)害約有50%與人類活動有關(guān)，公路地質(zhì)災(zāi)害70%以上，而公路滑坡85%以上是由于公路路線走向不合理，工程設(shè)計不合理和公路建設(shè)過程中施工方案不當(dāng)?shù)纫蛩厮斐苫蛘T發(fā)的[5]。從地質(zhì)角度看，地層的巖性及破碎程度及構(gòu)造的發(fā)育程度對地質(zhì)災(zāi)害的影響至關(guān)重要。地質(zhì)歷史過程形成的地層及構(gòu)造特征已無可改變，但人為控制和減少交通建設(shè)過程因天然地質(zhì)因素而造成的地質(zhì)災(zāi)害的可能性仍有可能，主要依靠早期的地質(zhì)勘察與防范，包括施工前進(jìn)行詳細(xì)的工程地質(zhì)勘察、細(xì)致的工程地質(zhì)和水文地質(zhì)條件研究、客觀科學(xué)及全面的巖石力學(xué)實驗等，這對可能情況下的道路線路的科學(xué)設(shè)計和地質(zhì)災(zāi)害的預(yù)判及提前預(yù)防都有著重要指導(dǎo)價值。例如，在斷裂發(fā)育區(qū)，盡可能避開重要斷裂及構(gòu)造破碎帶，尤其是斷層角礫巖膠結(jié)程度較低的構(gòu)造破碎帶；在單斜巖層區(qū)，盡可能選取地面坡向與地層傾向相反的山坡，由此可以降低和控制因道路開鑿而誘發(fā)的滑坡。交通建設(shè)中人為地質(zhì)災(zāi)害十分顯著，其基本原因是施工使得原始地殼或巖石的結(jié)構(gòu)遭到破壞，其破壞及對地質(zhì)災(zāi)害影響程度，一方面取決于巖石原始的地層及構(gòu)造，另一方面也與上述的早期詳細(xì)工程地質(zhì)勘探和合理的路線選取有關(guān)。例如，隧道的開挖打破了山體原有的地應(yīng)力平衡，改變了山體的水文地質(zhì)條件，如果隧道位置選擇不好，設(shè)計不合理，便會產(chǎn)生巖爆、冒頂坍方、地面沉陷等地質(zhì)災(zāi)害。與此同時，人為地質(zhì)災(zāi)害亦與施工過程有著一定關(guān)系，這就需要采取科學(xué)合理的施工方法，降低對原始巖石的結(jié)構(gòu)破壞，盡可能避免大型爆破施工，以免產(chǎn)生新的破裂和局部地應(yīng)力集中。