太行山青龍峽景區崩塌災害發育特征及防治對策

呂 艷，馬瑞霞，王祚鵬，李 淼 ，陳天寶，古 港

(1. 長安大學 地質工程與測繪學院，陜西 西安 710054;2. 山西省煤炭地質一四八勘查院有限公司，山西 太原 030053)

0 引 言

近年來,旅游景區內崩塌落石災害造成人員傷亡和財產損失的旅游安全事件時有發生。例如，2013年陜西金絲峽景區發生的山體落石致10余游客受傷；2015年廣西桂林疊彩公園游船碼頭發生的落石災害致7人遇難、25人受傷；2018年湖南張家界景區發生的落石災害導致2人死亡、4人受傷；2019年北京龍慶峽冰燈展發生的落石災害導致1人死亡、12人受傷。此類災害不僅造成景區步道和其他設施的破壞，而且對景區游客生命安全構成了極大的威脅，使景區運營和安全管理隨時面臨挑戰，因此，針對旅游景區的崩塌地質災害開展研究是迫切和必要的。

前人開展了景區崩塌災害的相關研究工作,包括崩塌災害調查和發育規律分析、成因機理研究及崩塌易發性、危險性、風險性評價等方面，為景區選址及防災減災工作提供了支撐。其中，范可等從時間、空間分布及規模形態方面闡述了景區崩塌災害的發育特征，指出景區崩塌災害在集中降雨時頻繁發育于斷裂及人類工程活動密集區域，類型均以高位小型為主。劉永平等通過對峽谷區崩塌落石運動特征進行分析，提出了不同坡形坡段分類治理及“主動+被動”相結合的崩塌防治措施。肖進等通過對崩塌災害調查評價，采取“群測群防+監測預警+避讓搬遷+工程處治”等多種措施組合防治地質災害。劉傳正等認為在景區崩塌災害防治的同時也要契合生態和景觀保護的需求，將地質環境保護和地質災害防治相結合。山地景區的旅游安全風險一般是非山地景區5倍以上，為了保障山地峽谷旅游的安全，在景區運營及安全管理過程中監測預警和安全教育亦尤為重要，是筑牢景區安全屏障的第一道防線。這些崩塌災害的研究和治理有效增加了旅游空間，提升了景區安全保障。

太行山大峽谷青龍峽景區位于山西省壺關縣東南部的南太行山區，是太行山大峽谷國家地質公園的核心園區之一。青龍峽景區山峰林立，長崖伸展，河瀑眾多，自然和人文景觀薈萃，使其成為旅游觀光、休閑避暑的勝地，每年接待游客約450 000人次。青龍峽景區在以往的發展中時常面臨著道路和旅游設施受地質災害破壞的威脅，而關于太行山區域的崩塌落石災害研究成果相對有限。基于此，本文立足青龍峽景區開展地質災害的詳細調查，總結分析崩塌災害的發育特征和分布規律，剖析崩塌破壞模式和成因機理；通過建立Rockfall Analyst模型,研判景區崩塌影響范圍；在此基礎上，針對不同類型崩塌提出了合理可行的科學防治對策和建議，以期對峽谷類景區的災害防治和太行山區社區防災減災提供參考。

1 區域地質環境

1.1 地質構造

在大地構造位置上，青龍峽景區位于呂梁—太行斷塊之東南部，東鄰林州斷陷盆地，區內構造主要受一處大型復式背斜控制。該背斜軸部屬組成太行塊隆的一級構造單元，并衍生系列線性構造帶。青龍峽受太行山山前大斷裂控制，區內發育黃崖底—楊家池—八達區域性NE向正斷層，長約26 km，傾角65°～80°，在斷層帶范圍內地層巖性變化明顯，斷錯強烈，斷距70～400 m不等。同時，青龍峽其他區域也發育多處小型正斷層，是大斷裂的伴生斷層，略呈微弧形，總體走向為NNE向，少數為NNW向(圖1)。

圖1 太行山青龍峽崩塌災害分布Fig.1 Distribution of Collapse Disasters in Qinglong Gorge of Taihang Mountains

1.2 地層巖性

青龍峽地層由上覆沉積蓋層和下伏結晶基底構成。沉積蓋層包括中元古界長城系中統，下古生界寒武系上統、中統、下統，下古生界奧陶系下統以及第四系，各地層近水平產出；結晶基底由太古界贊皇群(Ar)黑云(角閃)斜長片麻侵入巖體組成。中元古界長城系中統巖性自下而上由大河組(Ch)石英巖狀砂巖、趙家莊組(Ch)薄層狀泥巖和頁巖以及常州溝組(Ch)巨厚層狀石英巖狀砂巖組成。下古生界寒武系下統出露地層巖性為饅頭組一段(∈)泥質灰巖及泥頁巖；下古生界寒武系中統出露地層巖性依次為饅頭組二段(∈)泥巖及頁巖、饅頭組三段(∈)泥巖及粉砂巖夾泥質灰巖、張夏組一段(∈)鮞粒微晶灰巖和張夏組二段(∈)鮞粒微晶灰巖及含泥質鮞粒微晶灰巖；下古生界寒武系上統出露地層巖性依次為崮山組(∈)白云質泥灰巖及鮞粒砂屑灰巖和三山子組一段(∈)白云巖；下古生界奧陶系下統出露地層依次為三山子組二段(O)含燧石條帶細晶白云巖和馬家溝組(O)白云質微晶灰巖及角礫狀泥灰巖，局部地層巖性互層。第四系洪沖積、崩坡積環境下沉積的松散堆積層，塊石占比達到60%，主要分布于主河道及青龍峽兩側斜坡[圖2(a)]。青龍峽區域軟巖和硬巖交互產出，奠定了其地貌的物質基礎。

1.3 地形地貌

青龍峽景區位于太行山大峽谷國家地質公園的東部，屬太行山區向林州盆地的過渡地帶，總體地勢西高東低、起伏較大；區內海拔為500～1 350 m，分為堆積河谷區、剝蝕侵蝕低山區和溶蝕侵蝕中山區，發育大面積巖溶地貌、峰叢地貌、峽谷地貌、砂巖地貌和崩塌地貌。青龍峽屬于典型的高山峽谷地貌，兩岸巖壁直立，自然坡度均值為70°，寬谷中發育障谷，呈階梯狀發育，受到巖性和構造影響，不同峽谷段形態組合不同，唯有郊溝河谷地勢相對平坦[圖2(a)]。

圖2 崩塌災害特征Fig.2 Photos of the Collapse Disaster

1.4 氣象與水文特征

青龍峽地形復雜，地貌多樣，海拔高差大，山地峽谷型小氣候特征明顯。降水集中在6月至8月，多年平均降雨量為543.8 mm，降雨量年際波動大，有記錄以來最大年降雨量為908.0 mm，最小年降雨量為335.6 mm。氣溫冬凍夏涼，1月份平均氣溫為-5.7 ℃，7月份平均氣溫為22.3 ℃，年平均氣溫為8.9 ℃。青龍峽景區內多見巖溶水和基巖裂隙水，發育溶洞、積水洼地或湖泊。水系有EW向主河——郊溝河，河流曲率較大；NNW向支溝——青龍峽溝谷長4 km，上游匯水區域大，溝谷在下游青龍潭以南急劇收窄，下切嚴重，形成沿岸陡立崖壁。

1.5 人類工程活動現狀

青龍峽景區采用居民區和旅游區共存的模式。景區內修建旅游步道、停車場、游客中心等旅游設施，居民區內開挖坡腳修房建屋、架橋修路等工程活動，使部分區域巖土體受工程擾動而出現坡體應力狀態變化，成為崩塌災害隱患區。景區內遺留了兩處石英巖礦硐，由于采石活動改變了原有的山體內部天然應力分布，山體內部形成巨大的臨空面，容易造成巖體破裂，最終導致洞頂坍塌破壞。

2 崩塌災害發育特征與成因

2.1 崩塌發育規律

調查發現，崩塌是青龍峽景區主要地質災害類型，此段共發育52處崩塌(圖1)。本文根據規模、穩定性及險情等級等3個方面進行了分類統計(表1)。從規模上看，大型崩塌和中型崩塌分別有4處和3處，小型崩塌有45處，占崩塌總數的86.54%。從自然狀態下巖體穩定性來判斷，以石英巖狀砂巖、灰巖為主的危巖體相對穩定，而泥頁巖等軟巖部分及上部的楔形體穩定性則相對較差。從險情等級來看，中型險情崩塌僅2處，小型險情崩塌50處，占整個景區崩塌險情的96.15%。景區頻發落石災害，直接影響居民的正常生活和旅游活動(圖2)。

表1 崩塌災害分類統計結果

2.1.1 崩塌以高位中小型為主

依據遙感解譯、三維立體建模和實地詳查結果，對青龍峽景區內52處崩塌按發育高程、規模進行分類統計。結果顯示，崩塌多發生在距地面高程80 m以上、坡度大于60°的峽谷和道路兩側陡坡中上部地帶[圖2(b)、(c)]，以小型崩塌為主，落石最為常見。中型與大型崩塌數量占比不足10%，主要分布在楊家池斷層帶附近(圖1)。

2.1.2 崩塌物源以硬巖為主

調查發現，青龍峽景區軟硬巖相間產出，而崩落區所在地層和巖性呈現規律性，主要以區內廣泛出露的變質石英砂巖、灰巖等硬巖為主，其塊度一般較大，粒徑3 m左右，單體方量在100 m左右。其下部的軟巖層易被風化或雨水軟化，使其上部的硬巖支撐性減弱，成為啟崩條件。此外，少量泥頁巖和泥灰巖崩石塊度一般較小，呈碎裂小塊體或大顆粒狀，多堆積坡腳，形成松散堆積體[圖2(a)]。

2.1.3 崩塌巖體以層狀碎裂結構為主

青龍峽景區沉積巖近水平狀的層面被斷層、節理切割。在重力、風化、沖蝕及植物根劈等作用下，巖體的裂隙進一步擴展，大巖體被逐步切割成大小不同的塊體，以碎裂結構為主，整體層狀次之，塊度多在1 m以上。巖體被3組節理切割成易崩巖塊，內部裂隙寬度為5～20 cm，填充物多為泥和碎石，有少量草本植物及灌木，對節理裂隙的貫通有一定程度的促進作用。

2.1.4 受季節和降雨影響崩塌群發復發

青龍峽景區崩塌在景區道路及郊溝河河谷兩側密集分布。受山地氣候效應影響，在夏季6月至8月暴雨期和冬末春初凍融時期，崩塌災害呈現出高發、群發和原位復發的特性(圖3)。碎裂巖體在降雨沖蝕和凍脹作用下誘發崩塌落石。

圖3 不同月份崩塌災害分布Fig.3 Distribution of Collapse Disasters in Different Months

2.2 崩塌類型及其破壞模式

通過現場調查統計，將崩塌按照破壞方式分為錯斷式、傾倒式、滑移式和墜落式4類，其中墜落式和傾倒式崩塌占比接近90%(表2)。

表2 崩塌災害破壞模式統計結果

2.2.1 錯斷式崩塌

錯斷式崩塌發育在楊家池—黃崖底斷層影響的破碎帶地層中，巖體破裂。楊家池村崩塌是其典型代表，此段陡崖坡度為70°，坡向為150°，坡高66 m，坡長80 m，坡寬12 m，錯斷距離3 m，規模約1 200 m，為一小型崩塌[圖4(a)]。崩塌體發育在大河組(Ch)石英巖狀砂巖中，受斷層控制節理發育，將坡體切割成片狀塊體。巖體頂部發育有明顯的拉張裂縫，在受到外界擾動下裂縫不斷加深，危巖體自重隨之增加；巖體底部斷面在沖刷和風化作用下不斷減小，當危巖體自重產生的剪應力大于巖石的抗剪強度時，危巖體沿著斷面被剪斷，從而發生錯斷式崩塌破壞[圖4(b)]。

圖4 錯斷式崩塌發育和演化Fig.4 Development and Evolution of Staggered Collapse

2.2.2 傾倒式崩塌

青龍峽直立的崖壁節理發育，其下部傾倒的崩石堆相對常見。大河村崩塌最為典型，此段陡崖坡度為85°，坡向為240°，坡高86 m，坡長97 m，坡寬300 m，發育1處崩塌，規模約9 600 m，為1處小型崩塌[圖5(a)]。崩塌體發育在大河組(Ch)石英巖狀砂巖的陡立巖壁中，巖體以垂直節理或風化裂隙與穩定的母巖分開，頂部出現了明顯的拉張裂縫，并延伸至巖體底部，坡腳沖蝕或遇水軟化，巖體底部強度降低，在降雨和重力作用下崩塌體會發生傾倒破壞[圖5(b)]。

圖5 傾倒式崩塌發育和演化Fig.5 Development and Evolution of Dump Collapse

2.2.3 滑移式崩塌

滑移式崩塌堆積體具有巖石塊體呈層狀、塊度較大、完整度較高的特點。佛壽塔崩塌為其典型代表，坡度為68°，坡向為290°，坡高102 m，坡長140 m，坡寬300 m，規模約202 000 m，為一大型崩塌[圖6(a)]。崩塌體發育在大河組(Ch)石英巖狀砂巖中，上部巖體發育有拉張裂縫，寬度為5～30 cm。在差異風化的作用下，拉張裂縫向巖體下部發展，在受到外界擾動時巖體受壓變形破碎，上部危巖體在重力作用下沿著剪切面發生滑移破壞，使得巖體在剪出過程中斷裂成塊并堆砌成崖[圖6(b)]。

圖6 滑移式崩塌發育和演化Fig.6 Development and Evolution of Slip Collapse

2.2.4 墜落式崩塌

墜落式崩塌主要是重力卸荷和拉裂作用下產生的巖體崩解，為此區域最常見的崩塌方式。坡頭上村崩塌即為典型的墜落式崩塌，陡崖坡度為88°，坡向為299°，坡高75 m，坡長80 m，坡寬400 m，規模約3 400 m，為一小型崩塌[圖7(a)]。崩塌體發育在大河組(Ch)石英巖狀砂巖中，拉張裂縫寬20 cm，由豎向和水平兩組近垂直的節理將巖體切割成塊體，下部由于自然營力作用形成巖腔，上部巖體懸空，在重力作用下裂縫附近拉應力進一步集中，巖體裂隙向下拓展延伸，使得危巖體在受到外界擾動時易發生墜落破壞[圖7(b)]。

2.3 崩塌成因

青龍峽景區內崩塌的發育特征及其破壞過程主要受到地層巖性、巖體結構、水文氣候和人類工程活動等要素的綜合作用影響。

圖7 墜落式崩塌發育和演化Fig.7 Development and Evolution of Fall Collapse

2.3.1 多樣的地層巖性組合孕崩

地層巖性差異組合是孕育崩塌發生的物質基礎。地質歷史上，沉積環境交替變化促成太行山青龍峽區域地層巖性組合多樣，使得區內廣泛出露的石英巖狀砂巖、頁巖、泥巖、灰巖、白云巖等不同類型巖石的物理化學性質差異明顯，整體地層巖體脆性顯著。區內軟弱巖體地層通常為誘崩地層，而硬巖地層為崩源地層，泥、頁巖等軟巖易被風化剝蝕而形成“空腔”，導致其上、下部硬巖臨空，繼而加速其巖體劣化進程，最終導致崩塌災害。同一套地層也存在巖石成分的變化，如部分地層發育的條帶狀含泥質軟弱夾層，巖石成分差異導致巖石強度變弱，在降雨、振動的作用下容易失穩崩落。

2.3.2 高陡的地形地貌育崩

軟、硬巖地層的交替產出控制著青龍峽內階梯狀地形地貌的演化，陡崖和緩坡間隔分布，谷底至山頂的垂直高差在800 m以上，陡崖高度100～300 m不等。在區域構造作用、流水侵蝕和氣象變化等內外營力作用下，直立巖壁的上部或侵蝕嚴重的峽谷底部逐漸發育大量崩塌危巖體。高陡的地形使山體頂部巖體具有更大的勢能，對崩塌的致災效應具有顯著的放大作用。此外，高陡地形處更為強烈的寒凍風化和重力卸荷作用加速了表部巖體破裂變形，引發更加高頻的崩塌。

2.3.3 復雜的巖體結構面控崩

巖石層面、共軛節理、卸荷節理及表生裂隙等結構面相互組合制約著坡體的完整程度及劣化失穩進程。青龍峽地區地層普遍近水平狀產出，傾角2°～10°，僅在黃崖底—楊家池—八達區域性斷層帶周圍傾角略有變化，局部發生明顯傾斜。經調查統計，區域內巖石發育水平層面和兩組節理，節理產狀分別為(10°～45°)∠(70°～90°)、(270°～315°)∠(75°～90°)，形成典型的3組結構面，其共同作用控制著巖體的拉裂、滑移、剪切破壞過程。

2.3.4 巖溶和集中降水誘崩

青龍峽山體上部為巨厚層灰巖地層且地處斷裂帶附近，其地下水豐富，可溶性灰巖在水的溶蝕作用下形成了大量的地表巖溶(巖溶洼地、鈣華和溶洞)和地下巖溶(落水洞、鐘乳石和暗河)。區內地下水長期溶蝕易導致巖溶地帶下伏基巖被侵蝕，造成上覆巖層無力支撐，形成巖溶塌陷或滑坡。同時，青龍峽山地氣候明顯，夏季降雨集中，強降雨所形成的地表徑流對巖體邊坡的擊打和沖蝕效應強烈，極易誘發巖質崩塌和落石帶。因此，降水和巖溶塌陷是直接誘發崩塌的因素之一。

3 崩塌災害風險預測及防治對策

3.1 基于Rockfall Analyst模型的崩塌致災范圍預測

Rockfall Analyst模型是基于ArcGIS平臺以擴展模塊方式進行開發，實現對崩塌災害模擬、危險性評價、制圖乃至風險控制的自動化、半自動化分析，將遙感、GIS、災害風險控制在技術上進行有機整合，應用于崩塌風險控制中。模擬采用的基礎數據包括1 m×1 m的DEM數據、1∶2 000正射影像、巖塊播種折線(shp線文件)、材料屬性(shp面文件)等。根據青龍峽巖體結構特征，將落石點源間距設置為5 m，每個點源以5°為間隔共發射5個落石，落石水平初速度設置為5 m·s，落石質量設置為100 kg，密度為2 600 kg·m。材料屬性是對斜坡坡表特性的表征，包括法向恢復系數()、切向恢復系數()以及綜合摩擦角。不同地面材料指標值參考中國地質災害防治工程行業協會團體標準《崩塌防治工程勘查規范》(T/CAGHP011—2018)，詳見表3。

圖8 典型崩塌危巖體落石運動軌跡模擬圖Fig.8 Simulation Images of Rockfall Trajectory of Typical Collapse Dangerous Rock Mass

表3 坡表特征指標值

本文選取楊家池村崩塌、佛壽塔崩塌、大河村崩塌及大河漂流起點崩塌等4處不同類型崩塌，運用Rockfall Analyst模型進行數值模擬，落石運動軌跡如圖8所示。模擬結果表明，崩塌體運動軌跡受崩塌源區落石規模、坡高、坡形等因素的綜合影響。該區域以坡形的影響更顯著，表現出明顯的“凸型坡落石運動軌跡擴散，凹型坡及直型坡落石運動軌跡密集”的特征。大河村崩塌巖壁為直坡型，落石軌跡未出現明顯擴散；大河漂流起點崩塌西側巖壁為圈椅狀，導致西側區域落石密度明顯增大；楊家池村崩塌坡型為凸型坡，落石運動路徑在崩塌堆積體處出現了明顯擴散；佛壽塔崩塌巖壁呈現出北凸西凹的形態，落石運動軌跡呈現北疏西密的規律。模擬結果與現場調查的結論較吻合。

在對典型崩塌落石運動軌跡模擬分析的基礎上，類比計算得出研究區崩塌落石影響范圍。結果表明，大部分落石會在早期崩塌形成的堆積體之上停留堆積，但有少部分落石會運動到較遠的位置，穿過省道到達居民生活和景區游憩區域，從而對居民、景區工作人員及游客的安全構成嚴重威脅。本文據此繪制了青龍峽景區崩塌落石影響范圍圖(圖9)，為景區崩塌災害的分級防控和治理路徑提供依據。

圖9 崩塌災害影響范圍Fig.9 Image of Scope Affected by Collapse Disaster

3.2 崩塌災害防治對策

以深切峽谷和奇峰險石為景觀的青龍峽景區，對崩塌災害治理應遵循“因地制宜，全面防控，綜合治理”的原則，以最大限度降低景觀資源的損失，保護景點的完整和美觀。本文結合景區崩塌災害特征和數值模擬結果，提出了青龍峽景區崩塌災害“風險區監測預警、隱患點工程治理”的兩級防治體系。

3.2.1 建立景區風險區監測預警體系

結合數值模擬確定的崩塌落石影響區域(圖9)，搭建景區動態監測預警平臺，對景區內巖土體變形、氣象水文及游客安全行為等進行全面動態監測。當監測對象越過安全邊界或監測數值超出設定范圍，系統自動發出預警信息。景區管理人員及時采取各類應急措施，降低地質災害可能造成的損失。

(1)巖土體變形監測。結合傾倒式、錯斷式、墜落式和滑移式等崩塌類型的分析結果進行危巖體的早期識別，使用基于危巖分類的危巖監測方法和基于多源信息的危巖預警技術來對研究區的崩塌隱患點進行監測預警。建立監測平臺是確保災害可控可防的基礎。

(2)氣象水文監測。強降雨常常會引發崩塌災害，必須落實景區流域內的氣象和水文監測。分析景區內多年內發生落石的降雨極值，按照24 h降雨量和1 h降雨量的大小，設置紅色預警閾值。一旦預警，應及時將崩塌災害影響范圍內的居民和游客轉移至安全區域，并酌情暫停接待或關閉景區，以盡可能降低崩塌災害及山洪泥石流造成的損失。

(3)游客安全行為監管。針對游客存在無視景區設置地質災害安全警示牌的行為，進一步加強游客行為監控，對游客的不安全行為進行及時制止，確保游客能嚴格執行景區的安全警示，避免事故。

3.2.2 開展景區崩塌隱患點治理工程

(1)針對景區高位墜落式崩塌，對于危險程度高、規模小、表面松動易于崩落或滾落的危巖體采用清除方式進行治理；對于自然狀態下較為穩定的危巖體，采用被動治理措施，如青龍峽一線天景點可采用陡崖下游路防范落石的隱式多層網板結構走廊技術，將防治工程對景觀的影響降到最低。

(2)針對道路兩側常見的傾倒式崩塌，需根據危巖體體量大小選擇采用掛網噴漿或錨索錨固等加固治理措施，提高巖體穩定系數。

(3)針對景區滑移式崩塌，為防止坡面水流沖刷和滲入危巖區節理裂隙或軟化泥巖夾層形成滑面，利用片石填補、水泥砂漿勾縫，同時應充分考慮水體對危巖體的不利影響，修建截、排水溝，完善景區內排水系統。

4 結 語

(1)通過對太行山青龍峽景區52處崩塌災害調查，發現青龍峽景區崩塌多發育在硬巖高位邊坡的層狀結構中，規模以中小型崩塌為主，錯斷式、傾倒式、滑移式和墜落式4種崩塌破壞模式最為典型。

(2)青龍峽景區崩塌成因主要表現為多樣的地層巖性組合孕崩、高陡的地形地貌育崩、復雜的巖體結構面控崩、巖溶和集中降水誘崩的演化模式。

(3)建立Rockfall Analyst模型獲取青龍峽景區典型危巖體崩塌落石的運動軌跡，發現坡形對落石路徑的影響明顯，具有“凸型坡落石運動軌跡擴散，凹型坡及直型坡落石運動軌跡密集”的特征。通過類比分析、綜合研判，確定景區崩塌災害的致災影響范圍，為景區崩塌災害的防治提供依據。

(4)青龍峽景區災害防治應遵循“因地制宜，全面防控，綜合治理”的原則。災害的防治應充分考慮景區的特殊性，以最大限度保護景觀資源為前提，提出“風險區監測預警、隱患點工程治理”的崩塌防治對策。