太行山青龙峡景区崩塌灾害发育特征及防治对策

吕 艳，马瑞霞，王祚鹏，李 淼 ，陈天宝，古 港

(1. 长安大学 地质工程与测绘学院，陕西 西安 710054;2. 山西省煤炭地质一四八勘查院有限公司，山西 太原 030053)

0 引 言

近年来,旅游景区内崩塌落石灾害造成人员伤亡和财产损失的旅游安全事件时有发生。例如，2013年陕西金丝峡景区发生的山体落石致10余游客受伤；2015年广西桂林叠彩公园游船码头发生的落石灾害致7人遇难、25人受伤；2018年湖南张家界景区发生的落石灾害导致2人死亡、4人受伤；2019年北京龙庆峡冰灯展发生的落石灾害导致1人死亡、12人受伤。此类灾害不仅造成景区步道和其他设施的破坏，而且对景区游客生命安全构成了极大的威胁，使景区运营和安全管理随时面临挑战，因此，针对旅游景区的崩塌地质灾害开展研究是迫切和必要的。

前人开展了景区崩塌灾害的相关研究工作,包括崩塌灾害调查和发育规律分析、成因机理研究及崩塌易发性、危险性、风险性评价等方面，为景区选址及防灾减灾工作提供了支撑。其中，范可等从时间、空间分布及规模形态方面阐述了景区崩塌灾害的发育特征，指出景区崩塌灾害在集中降雨时频繁发育于断裂及人类工程活动密集区域，类型均以高位小型为主。刘永平等通过对峡谷区崩塌落石运动特征进行分析，提出了不同坡形坡段分类治理及“主动+被动”相结合的崩塌防治措施。肖进等通过对崩塌灾害调查评价，采取“群测群防+监测预警+避让搬迁+工程处治”等多种措施组合防治地质灾害。刘传正等认为在景区崩塌灾害防治的同时也要契合生态和景观保护的需求，将地质环境保护和地质灾害防治相结合。山地景区的旅游安全风险一般是非山地景区5倍以上，为了保障山地峡谷旅游的安全，在景区运营及安全管理过程中监测预警和安全教育亦尤为重要，是筑牢景区安全屏障的第一道防线。这些崩塌灾害的研究和治理有效增加了旅游空间，提升了景区安全保障。

太行山大峡谷青龙峡景区位于山西省壶关县东南部的南太行山区，是太行山大峡谷国家地质公园的核心园区之一。青龙峡景区山峰林立，长崖伸展，河瀑众多，自然和人文景观荟萃，使其成为旅游观光、休闲避暑的胜地，每年接待游客约450 000人次。青龙峡景区在以往的发展中时常面临着道路和旅游设施受地质灾害破坏的威胁，而关于太行山区域的崩塌落石灾害研究成果相对有限。基于此，本文立足青龙峡景区开展地质灾害的详细调查，总结分析崩塌灾害的发育特征和分布规律，剖析崩塌破坏模式和成因机理；通过建立Rockfall Analyst模型,研判景区崩塌影响范围；在此基础上，针对不同类型崩塌提出了合理可行的科学防治对策和建议，以期对峡谷类景区的灾害防治和太行山区社区防灾减灾提供参考。

1 区域地质环境

1.1 地质构造

在大地构造位置上，青龙峡景区位于吕梁—太行断块之东南部，东邻林州断陷盆地，区内构造主要受一处大型复式背斜控制。该背斜轴部属组成太行块隆的一级构造单元，并衍生系列线性构造带。青龙峡受太行山山前大断裂控制，区内发育黄崖底—杨家池—八达区域性NE向正断层，长约26 km，倾角65°～80°，在断层带范围内地层岩性变化明显，断错强烈，断距70～400 m不等。同时，青龙峡其他区域也发育多处小型正断层，是大断裂的伴生断层，略呈微弧形，总体走向为NNE向，少数为NNW向(图1)。

图1 太行山青龙峡崩塌灾害分布Fig.1 Distribution of Collapse Disasters in Qinglong Gorge of Taihang Mountains

1.2 地层岩性

青龙峡地层由上覆沉积盖层和下伏结晶基底构成。沉积盖层包括中元古界长城系中统，下古生界寒武系上统、中统、下统，下古生界奥陶系下统以及第四系，各地层近水平产出；结晶基底由太古界赞皇群(Ar)黑云(角闪)斜长片麻侵入岩体组成。中元古界长城系中统岩性自下而上由大河组(Ch)石英岩状砂岩、赵家庄组(Ch)薄层状泥岩和页岩以及常州沟组(Ch)巨厚层状石英岩状砂岩组成。下古生界寒武系下统出露地层岩性为馒头组一段(∈)泥质灰岩及泥页岩；下古生界寒武系中统出露地层岩性依次为馒头组二段(∈)泥岩及页岩、馒头组三段(∈)泥岩及粉砂岩夹泥质灰岩、张夏组一段(∈)鲕粒微晶灰岩和张夏组二段(∈)鲕粒微晶灰岩及含泥质鲕粒微晶灰岩；下古生界寒武系上统出露地层岩性依次为崮山组(∈)白云质泥灰岩及鲕粒砂屑灰岩和三山子组一段(∈)白云岩；下古生界奥陶系下统出露地层依次为三山子组二段(O)含燧石条带细晶白云岩和马家沟组(O)白云质微晶灰岩及角砾状泥灰岩，局部地层岩性互层。第四系洪冲积、崩坡积环境下沉积的松散堆积层，块石占比达到60%，主要分布于主河道及青龙峡两侧斜坡[图2(a)]。青龙峡区域软岩和硬岩交互产出，奠定了其地貌的物质基础。

1.3 地形地貌

青龙峡景区位于太行山大峡谷国家地质公园的东部，属太行山区向林州盆地的过渡地带，总体地势西高东低、起伏较大；区内海拔为500～1 350 m，分为堆积河谷区、剥蚀侵蚀低山区和溶蚀侵蚀中山区，发育大面积岩溶地貌、峰丛地貌、峡谷地貌、砂岩地貌和崩塌地貌。青龙峡属于典型的高山峡谷地貌，两岸岩壁直立，自然坡度均值为70°，宽谷中发育障谷，呈阶梯状发育，受到岩性和构造影响，不同峡谷段形态组合不同，唯有郊沟河谷地势相对平坦[图2(a)]。

图2 崩塌灾害特征Fig.2 Photos of the Collapse Disaster

1.4 气象与水文特征

青龙峡地形复杂，地貌多样，海拔高差大，山地峡谷型小气候特征明显。降水集中在6月至8月，多年平均降雨量为543.8 mm，降雨量年际波动大，有记录以来最大年降雨量为908.0 mm，最小年降雨量为335.6 mm。气温冬冻夏凉，1月份平均气温为-5.7 ℃，7月份平均气温为22.3 ℃，年平均气温为8.9 ℃。青龙峡景区内多见岩溶水和基岩裂隙水，发育溶洞、积水洼地或湖泊。水系有EW向主河——郊沟河，河流曲率较大；NNW向支沟——青龙峡沟谷长4 km，上游汇水区域大，沟谷在下游青龙潭以南急剧收窄，下切严重，形成沿岸陡立崖壁。

1.5 人类工程活动现状

青龙峡景区采用居民区和旅游区共存的模式。景区内修建旅游步道、停车场、游客中心等旅游设施，居民区内开挖坡脚修房建屋、架桥修路等工程活动，使部分区域岩土体受工程扰动而出现坡体应力状态变化，成为崩塌灾害隐患区。景区内遗留了两处石英岩矿硐，由于采石活动改变了原有的山体内部天然应力分布，山体内部形成巨大的临空面，容易造成岩体破裂，最终导致洞顶坍塌破坏。

2 崩塌灾害发育特征与成因

2.1 崩塌发育规律

调查发现，崩塌是青龙峡景区主要地质灾害类型，此段共发育52处崩塌(图1)。本文根据规模、稳定性及险情等级等3个方面进行了分类统计(表1)。从规模上看，大型崩塌和中型崩塌分别有4处和3处，小型崩塌有45处，占崩塌总数的86.54%。从自然状态下岩体稳定性来判断，以石英岩状砂岩、灰岩为主的危岩体相对稳定，而泥页岩等软岩部分及上部的楔形体稳定性则相对较差。从险情等级来看，中型险情崩塌仅2处，小型险情崩塌50处，占整个景区崩塌险情的96.15%。景区频发落石灾害，直接影响居民的正常生活和旅游活动(图2)。

表1 崩塌灾害分类统计结果

2.1.1 崩塌以高位中小型为主

依据遥感解译、三维立体建模和实地详查结果，对青龙峡景区内52处崩塌按发育高程、规模进行分类统计。结果显示，崩塌多发生在距地面高程80 m以上、坡度大于60°的峡谷和道路两侧陡坡中上部地带[图2(b)、(c)]，以小型崩塌为主，落石最为常见。中型与大型崩塌数量占比不足10%，主要分布在杨家池断层带附近(图1)。

2.1.2 崩塌物源以硬岩为主

调查发现，青龙峡景区软硬岩相间产出，而崩落区所在地层和岩性呈现规律性，主要以区内广泛出露的变质石英砂岩、灰岩等硬岩为主，其块度一般较大，粒径3 m左右，单体方量在100 m左右。其下部的软岩层易被风化或雨水软化，使其上部的硬岩支撑性减弱，成为启崩条件。此外，少量泥页岩和泥灰岩崩石块度一般较小，呈碎裂小块体或大颗粒状，多堆积坡脚，形成松散堆积体[图2(a)]。

2.1.3 崩塌岩体以层状碎裂结构为主

青龙峡景区沉积岩近水平状的层面被断层、节理切割。在重力、风化、冲蚀及植物根劈等作用下，岩体的裂隙进一步扩展，大岩体被逐步切割成大小不同的块体，以碎裂结构为主，整体层状次之，块度多在1 m以上。岩体被3组节理切割成易崩岩块，内部裂隙宽度为5～20 cm，填充物多为泥和碎石，有少量草本植物及灌木，对节理裂隙的贯通有一定程度的促进作用。

2.1.4 受季节和降雨影响崩塌群发复发

青龙峡景区崩塌在景区道路及郊沟河河谷两侧密集分布。受山地气候效应影响，在夏季6月至8月暴雨期和冬末春初冻融时期，崩塌灾害呈现出高发、群发和原位复发的特性(图3)。碎裂岩体在降雨冲蚀和冻胀作用下诱发崩塌落石。

图3 不同月份崩塌灾害分布Fig.3 Distribution of Collapse Disasters in Different Months

2.2 崩塌类型及其破坏模式

通过现场调查统计，将崩塌按照破坏方式分为错断式、倾倒式、滑移式和坠落式4类，其中坠落式和倾倒式崩塌占比接近90%(表2)。

表2 崩塌灾害破坏模式统计结果

2.2.1 错断式崩塌

错断式崩塌发育在杨家池—黄崖底断层影响的破碎带地层中，岩体破裂。杨家池村崩塌是其典型代表，此段陡崖坡度为70°，坡向为150°，坡高66 m，坡长80 m，坡宽12 m，错断距离3 m，规模约1 200 m，为一小型崩塌[图4(a)]。崩塌体发育在大河组(Ch)石英岩状砂岩中，受断层控制节理发育，将坡体切割成片状块体。岩体顶部发育有明显的拉张裂缝，在受到外界扰动下裂缝不断加深，危岩体自重随之增加；岩体底部断面在冲刷和风化作用下不断减小，当危岩体自重产生的剪应力大于岩石的抗剪强度时，危岩体沿着断面被剪断，从而发生错断式崩塌破坏[图4(b)]。

图4 错断式崩塌发育和演化Fig.4 Development and Evolution of Staggered Collapse

2.2.2 倾倒式崩塌

青龙峡直立的崖壁节理发育，其下部倾倒的崩石堆相对常见。大河村崩塌最为典型，此段陡崖坡度为85°，坡向为240°，坡高86 m，坡长97 m，坡宽300 m，发育1处崩塌，规模约9 600 m，为1处小型崩塌[图5(a)]。崩塌体发育在大河组(Ch)石英岩状砂岩的陡立岩壁中，岩体以垂直节理或风化裂隙与稳定的母岩分开，顶部出现了明显的拉张裂缝，并延伸至岩体底部，坡脚冲蚀或遇水软化，岩体底部强度降低，在降雨和重力作用下崩塌体会发生倾倒破坏[图5(b)]。

图5 倾倒式崩塌发育和演化Fig.5 Development and Evolution of Dump Collapse

2.2.3 滑移式崩塌

滑移式崩塌堆积体具有岩石块体呈层状、块度较大、完整度较高的特点。佛寿塔崩塌为其典型代表，坡度为68°，坡向为290°，坡高102 m，坡长140 m，坡宽300 m，规模约202 000 m，为一大型崩塌[图6(a)]。崩塌体发育在大河组(Ch)石英岩状砂岩中，上部岩体发育有拉张裂缝，宽度为5～30 cm。在差异风化的作用下，拉张裂缝向岩体下部发展，在受到外界扰动时岩体受压变形破碎，上部危岩体在重力作用下沿着剪切面发生滑移破坏，使得岩体在剪出过程中断裂成块并堆砌成崖[图6(b)]。

图6 滑移式崩塌发育和演化Fig.6 Development and Evolution of Slip Collapse

2.2.4 坠落式崩塌

坠落式崩塌主要是重力卸荷和拉裂作用下产生的岩体崩解，为此区域最常见的崩塌方式。坡头上村崩塌即为典型的坠落式崩塌，陡崖坡度为88°，坡向为299°，坡高75 m，坡长80 m，坡宽400 m，规模约3 400 m，为一小型崩塌[图7(a)]。崩塌体发育在大河组(Ch)石英岩状砂岩中，拉张裂缝宽20 cm，由竖向和水平两组近垂直的节理将岩体切割成块体，下部由于自然营力作用形成岩腔，上部岩体悬空，在重力作用下裂缝附近拉应力进一步集中，岩体裂隙向下拓展延伸，使得危岩体在受到外界扰动时易发生坠落破坏[图7(b)]。

2.3 崩塌成因

青龙峡景区内崩塌的发育特征及其破坏过程主要受到地层岩性、岩体结构、水文气候和人类工程活动等要素的综合作用影响。

图7 坠落式崩塌发育和演化Fig.7 Development and Evolution of Fall Collapse

2.3.1 多样的地层岩性组合孕崩

地层岩性差异组合是孕育崩塌发生的物质基础。地质历史上，沉积环境交替变化促成太行山青龙峡区域地层岩性组合多样，使得区内广泛出露的石英岩状砂岩、页岩、泥岩、灰岩、白云岩等不同类型岩石的物理化学性质差异明显，整体地层岩体脆性显著。区内软弱岩体地层通常为诱崩地层，而硬岩地层为崩源地层，泥、页岩等软岩易被风化剥蚀而形成“空腔”，导致其上、下部硬岩临空，继而加速其岩体劣化进程，最终导致崩塌灾害。同一套地层也存在岩石成分的变化，如部分地层发育的条带状含泥质软弱夹层，岩石成分差异导致岩石强度变弱，在降雨、振动的作用下容易失稳崩落。

2.3.2 高陡的地形地貌育崩

软、硬岩地层的交替产出控制着青龙峡内阶梯状地形地貌的演化，陡崖和缓坡间隔分布，谷底至山顶的垂直高差在800 m以上，陡崖高度100～300 m不等。在区域构造作用、流水侵蚀和气象变化等内外营力作用下，直立岩壁的上部或侵蚀严重的峡谷底部逐渐发育大量崩塌危岩体。高陡的地形使山体顶部岩体具有更大的势能，对崩塌的致灾效应具有显著的放大作用。此外，高陡地形处更为强烈的寒冻风化和重力卸荷作用加速了表部岩体破裂变形，引发更加高频的崩塌。

2.3.3 复杂的岩体结构面控崩

岩石层面、共轭节理、卸荷节理及表生裂隙等结构面相互组合制约着坡体的完整程度及劣化失稳进程。青龙峡地区地层普遍近水平状产出，倾角2°～10°，仅在黄崖底—杨家池—八达区域性断层带周围倾角略有变化，局部发生明显倾斜。经调查统计，区域内岩石发育水平层面和两组节理，节理产状分别为(10°～45°)∠(70°～90°)、(270°～315°)∠(75°～90°)，形成典型的3组结构面，其共同作用控制着岩体的拉裂、滑移、剪切破坏过程。

2.3.4 岩溶和集中降水诱崩

青龙峡山体上部为巨厚层灰岩地层且地处断裂带附近，其地下水丰富，可溶性灰岩在水的溶蚀作用下形成了大量的地表岩溶(岩溶洼地、钙华和溶洞)和地下岩溶(落水洞、钟乳石和暗河)。区内地下水长期溶蚀易导致岩溶地带下伏基岩被侵蚀，造成上覆岩层无力支撑，形成岩溶塌陷或滑坡。同时，青龙峡山地气候明显，夏季降雨集中，强降雨所形成的地表径流对岩体边坡的击打和冲蚀效应强烈，极易诱发岩质崩塌和落石带。因此，降水和岩溶塌陷是直接诱发崩塌的因素之一。

3 崩塌灾害风险预测及防治对策

3.1 基于Rockfall Analyst模型的崩塌致灾范围预测

Rockfall Analyst模型是基于ArcGIS平台以扩展模块方式进行开发，实现对崩塌灾害模拟、危险性评价、制图乃至风险控制的自动化、半自动化分析，将遥感、GIS、灾害风险控制在技术上进行有机整合，应用于崩塌风险控制中。模拟采用的基础数据包括1 m×1 m的DEM数据、1∶2 000正射影像、岩块播种折线(shp线文件)、材料属性(shp面文件)等。根据青龙峡岩体结构特征，将落石点源间距设置为5 m，每个点源以5°为间隔共发射5个落石，落石水平初速度设置为5 m·s，落石质量设置为100 kg，密度为2 600 kg·m。材料属性是对斜坡坡表特性的表征，包括法向恢复系数()、切向恢复系数()以及综合摩擦角。不同地面材料指标值参考中国地质灾害防治工程行业协会团体标准《崩塌防治工程勘查规范》(T/CAGHP011—2018)，详见表3。

图8 典型崩塌危岩体落石运动轨迹模拟图Fig.8 Simulation Images of Rockfall Trajectory of Typical Collapse Dangerous Rock Mass

表3 坡表特征指标值

本文选取杨家池村崩塌、佛寿塔崩塌、大河村崩塌及大河漂流起点崩塌等4处不同类型崩塌，运用Rockfall Analyst模型进行数值模拟，落石运动轨迹如图8所示。模拟结果表明，崩塌体运动轨迹受崩塌源区落石规模、坡高、坡形等因素的综合影响。该区域以坡形的影响更显著，表现出明显的“凸型坡落石运动轨迹扩散，凹型坡及直型坡落石运动轨迹密集”的特征。大河村崩塌岩壁为直坡型，落石轨迹未出现明显扩散；大河漂流起点崩塌西侧岩壁为圈椅状，导致西侧区域落石密度明显增大；杨家池村崩塌坡型为凸型坡，落石运动路径在崩塌堆积体处出现了明显扩散；佛寿塔崩塌岩壁呈现出北凸西凹的形态，落石运动轨迹呈现北疏西密的规律。模拟结果与现场调查的结论较吻合。

在对典型崩塌落石运动轨迹模拟分析的基础上，类比计算得出研究区崩塌落石影响范围。结果表明，大部分落石会在早期崩塌形成的堆积体之上停留堆积，但有少部分落石会运动到较远的位置，穿过省道到达居民生活和景区游憩区域，从而对居民、景区工作人员及游客的安全构成严重威胁。本文据此绘制了青龙峡景区崩塌落石影响范围图(图9)，为景区崩塌灾害的分级防控和治理路径提供依据。

图9 崩塌灾害影响范围Fig.9 Image of Scope Affected by Collapse Disaster

3.2 崩塌灾害防治对策

以深切峡谷和奇峰险石为景观的青龙峡景区，对崩塌灾害治理应遵循“因地制宜，全面防控，综合治理”的原则，以最大限度降低景观资源的损失，保护景点的完整和美观。本文结合景区崩塌灾害特征和数值模拟结果，提出了青龙峡景区崩塌灾害“风险区监测预警、隐患点工程治理”的两级防治体系。

3.2.1 建立景区风险区监测预警体系

结合数值模拟确定的崩塌落石影响区域(图9)，搭建景区动态监测预警平台，对景区内岩土体变形、气象水文及游客安全行为等进行全面动态监测。当监测对象越过安全边界或监测数值超出设定范围，系统自动发出预警信息。景区管理人员及时采取各类应急措施，降低地质灾害可能造成的损失。

(1)岩土体变形监测。结合倾倒式、错断式、坠落式和滑移式等崩塌类型的分析结果进行危岩体的早期识别，使用基于危岩分类的危岩监测方法和基于多源信息的危岩预警技术来对研究区的崩塌隐患点进行监测预警。建立监测平台是确保灾害可控可防的基础。

(2)气象水文监测。强降雨常常会引发崩塌灾害，必须落实景区流域内的气象和水文监测。分析景区内多年内发生落石的降雨极值，按照24 h降雨量和1 h降雨量的大小，设置红色预警阈值。一旦预警，应及时将崩塌灾害影响范围内的居民和游客转移至安全区域，并酌情暂停接待或关闭景区，以尽可能降低崩塌灾害及山洪泥石流造成的损失。

(3)游客安全行为监管。针对游客存在无视景区设置地质灾害安全警示牌的行为，进一步加强游客行为监控，对游客的不安全行为进行及时制止，确保游客能严格执行景区的安全警示，避免事故。

3.2.2 开展景区崩塌隐患点治理工程

(1)针对景区高位坠落式崩塌，对于危险程度高、规模小、表面松动易于崩落或滚落的危岩体采用清除方式进行治理；对于自然状态下较为稳定的危岩体，采用被动治理措施，如青龙峡一线天景点可采用陡崖下游路防范落石的隐式多层网板结构走廊技术，将防治工程对景观的影响降到最低。

(2)针对道路两侧常见的倾倒式崩塌，需根据危岩体体量大小选择采用挂网喷浆或锚索锚固等加固治理措施，提高岩体稳定系数。

(3)针对景区滑移式崩塌，为防止坡面水流冲刷和渗入危岩区节理裂隙或软化泥岩夹层形成滑面，利用片石填补、水泥砂浆勾缝，同时应充分考虑水体对危岩体的不利影响，修建截、排水沟，完善景区内排水系统。

4 结 语

(1)通过对太行山青龙峡景区52处崩塌灾害调查，发现青龙峡景区崩塌多发育在硬岩高位边坡的层状结构中，规模以中小型崩塌为主，错断式、倾倒式、滑移式和坠落式4种崩塌破坏模式最为典型。

(2)青龙峡景区崩塌成因主要表现为多样的地层岩性组合孕崩、高陡的地形地貌育崩、复杂的岩体结构面控崩、岩溶和集中降水诱崩的演化模式。

(3)建立Rockfall Analyst模型获取青龙峡景区典型危岩体崩塌落石的运动轨迹，发现坡形对落石路径的影响明显，具有“凸型坡落石运动轨迹扩散，凹型坡及直型坡落石运动轨迹密集”的特征。通过类比分析、综合研判，确定景区崩塌灾害的致灾影响范围，为景区崩塌灾害的防治提供依据。

(4)青龙峡景区灾害防治应遵循“因地制宜，全面防控，综合治理”的原则。灾害的防治应充分考虑景区的特殊性，以最大限度保护景观资源为前提，提出“风险区监测预警、隐患点工程治理”的崩塌防治对策。