氡氣監(jiān)測(cè)在滑坡預(yù)測(cè)中的應(yīng)用

張慧鋒，王云剛

(1.河南工程學(xué)院 土木工程學(xué)院，河南 鄭州 451191；2. 河南理工大學(xué) 安全科學(xué)與工程學(xué)院，河南 焦作 454000)

1 滑坡預(yù)報(bào)的研究現(xiàn)狀

滑坡是指在一定的自然條件下，邊坡上部的巖土在重力作用下整體沿一定的軟弱帶水平或向下移動(dòng)的地質(zhì)災(zāi)害，在山區(qū)、丘陵地區(qū)較常見(jiàn).據(jù)統(tǒng)計(jì)，全世界每年因滑坡而造成的經(jīng)濟(jì)損失達(dá)數(shù)十億美元.我國(guó)幅員遼闊，其中70%為山區(qū)，地質(zhì)地形條件十分復(fù)雜，滑坡分布尤為廣泛.人們對(duì)滑坡的研究是19世紀(jì)后期從阿爾卑斯山區(qū)開(kāi)始的，至今已有一百余年歷史，但滑坡預(yù)報(bào)研究的起步卻較晚.日本學(xué)者齋騰在20世紀(jì)60年代提出的經(jīng)驗(yàn)預(yù)報(bào)公式可作為滑坡預(yù)報(bào)研究工作的起點(diǎn)，由此算來(lái)，滑坡預(yù)報(bào)研究也僅有五十多年的歷史.

滑坡預(yù)報(bào)可分為現(xiàn)象和經(jīng)驗(yàn)預(yù)報(bào)、理論預(yù)測(cè)模型和氡氣濃度監(jiān)測(cè)技術(shù)三大類.現(xiàn)象和經(jīng)驗(yàn)預(yù)報(bào)只適用于有明顯前兆現(xiàn)象的滑坡，受主觀影響較大，預(yù)報(bào)精度不高，是一種定性的預(yù)報(bào)方法；理論預(yù)測(cè)模型是把現(xiàn)代數(shù)理力學(xué)理論和非線性理論引入到滑坡預(yù)報(bào)研究之中，并相繼提出了解析預(yù)報(bào)模型、灰色預(yù)報(bào)模型[1]、黃金分割預(yù)報(bào)法[2]、Verhulst模型[3-4]以及基于分形理論、突變理論和協(xié)同學(xué)理論的預(yù)報(bào)模型[5-7]等一系列滑坡預(yù)報(bào)模型，這使滑坡預(yù)報(bào)向定量化發(fā)展有了質(zhì)的飛躍；氡氣濃度監(jiān)測(cè)技術(shù)主要包括氡管法、徑跡法、卡法及射氣法[8]，實(shí)踐證明該預(yù)測(cè)方法在工程應(yīng)用中是有效、簡(jiǎn)潔和經(jīng)濟(jì)的.自從蘇聯(lián)于1973年第一次使用放射性氡法在克里米亞南部沿岸進(jìn)行尋找滑坡的實(shí)驗(yàn)以來(lái)，我國(guó)學(xué)者金培杰[9]、靳澤先[10-11]、葉樹(shù)林[12]、王衛(wèi)[13]等應(yīng)用測(cè)氡技術(shù)來(lái)預(yù)測(cè)滑坡的發(fā)生，取得了喜人的成績(jī).

2 氡氣監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)滑坡的原理

劉鴻福[14]根據(jù)在理想條件下，氡及其子體的比重均比空氣大，卻具有明顯向上運(yùn)移能力的事實(shí)，探討了氡及其子體固有的向上運(yùn)移機(jī)理，提出了氡的“團(tuán)簇運(yùn)移理論”.該理論認(rèn)為氡及其子體和母體在衰變過(guò)程中釋放出來(lái)的粒子減速后形成大量氡核，可將氡及其子體極化，并在電場(chǎng)力和范德華力的作用下，伴隨著氡及其子體相互作用形成“團(tuán)簇”.當(dāng)“團(tuán)簇”結(jié)合的氡核達(dá)到一定數(shù)量時(shí)，氡就將隨之向上運(yùn)移，形成明顯的向上運(yùn)移氣流.

所有地質(zhì)體都含有一定的天然放射性核素鈾、鐳、釷等，并且有著明顯的差異，這些核素按照各自的衰變規(guī)律進(jìn)行放射性衰變，并釋放出α,β,γ射線.氡是鐳放射性衰變的中間產(chǎn)物，是惰性氣體，不易電離，可以溶解于水或其他液體中.在滑坡作用發(fā)生地段，滑坡體在重力拉張和水的作用下，使巖石和土體中已有或潛在的裂隙加大甚至發(fā)生破碎，在裂隙帶和破碎帶周圍容易富集和貯存大量的氣體氡.當(dāng)滑坡體沿滑動(dòng)面(帶)與滑床運(yùn)動(dòng)發(fā)生擠壓時(shí)，聚集在滑坡體、滑床及滑動(dòng)面(帶)中的自由氡能沿滑坡體中拉張裂隙、滑動(dòng)面(帶)或斷裂帶向上運(yùn)移.同時(shí)，滑坡體沿滑動(dòng)面(帶)與滑床作擠壓運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的熱能使溶解于含水構(gòu)造中的溶解氡脫解為自由氡，造成氡濃度的異常.在這些部位的土壤中形成氡射氣的富集帶，這一異常富集帶就是鐳輻射測(cè)量的主要對(duì)象.氡是一種放射性氣體，衰變后產(chǎn)生RaA等短壽子體，F(xiàn)D-3017測(cè)氡儀采用高壓靜電收集氡衰變的第一代子體RaA作為測(cè)定對(duì)象，測(cè)量過(guò)程中讀取脈沖數(shù)，脈沖數(shù)越大表示測(cè)點(diǎn)處氡射氣富集的程度越高，根據(jù)每個(gè)測(cè)點(diǎn)測(cè)量獲取的脈沖數(shù)可繪出測(cè)區(qū)的RaA脈沖等值線圖，畫(huà)出氡異常區(qū).

3 711礦滑坡體的氡氣監(jiān)測(cè)

3.1 地質(zhì)特征

711礦滑坡群位于湖南省郴州市東北11 km的許家洞鎮(zhèn)(東經(jīng)112°20′～113°30′、北緯25°20′～26°24′).許家洞一帶以山區(qū)為主，自然區(qū)劃屬湘南低山丘陵區(qū)，位于南嶺山脈之北緣，海拔1 600～1 900 m，有五蓋山、瑤崗山和千里山等.這些山脈的分布與地質(zhì)構(gòu)造線基本一致，巖性較堅(jiān)硬，地形較陡，坡度為30°～40°.由于地質(zhì)構(gòu)造的影響，巖層遭受破壞，斷層和裂隙發(fā)育，泉水沿構(gòu)造成串狀出露，加上地下水對(duì)石灰?guī)r的侵蝕作用及礦區(qū)大量抽取地下水，所以形成了地下河、溶洞、漏斗和孤峰等巖溶地形.

圖1 基線布置示意圖Fig.1 The baseline layout diagram

711礦開(kāi)采三十多年，約有60 000 m3剝離的土石堆積于滑坡體一帶，加大了負(fù)荷.隨意堆積的廢土和廢石破壞了原始地貌與植被，阻滯了地面片流的速度，增強(qiáng)了片流的垂直入滲量，且垂直入滲的水遇到泥頁(yè)巖變?yōu)檠鼗鶐r層的徑流，浸泡殘積層使之泥化和軟化，從而減少了其摩擦角度與凝聚力，形成了軟弱層，更容易導(dǎo)致滑坡的發(fā)生.

3.2 滑坡區(qū)的基線布設(shè)

根據(jù)FD-3017RaA測(cè)氡儀的工作原理，需要在滑坡地區(qū)布置觀測(cè)基線，分別觀測(cè)這些基線區(qū)域土壤中氡氣的濃度.布線方式大多采用橫向與縱向交叉，形成網(wǎng)格型區(qū)域，有利于全面測(cè)量土壤中氡的濃度.本次測(cè)試根據(jù)實(shí)際情況和測(cè)試目標(biāo)，在滑坡的可能邊界和剪出口位置重點(diǎn)布測(cè)，如圖1所示.

本滑坡體內(nèi)沿滑坡的走向共布置了5條橫向基線，即Ⅰ～Ⅴ號(hào)；沿滑坡的傾向共布置了7條縱向基線，即1～7號(hào)；在滑坡后沿可能出現(xiàn)解體的位置，沿傾向布置了1條縱向基線.測(cè)點(diǎn)間距盡量按5 m布測(cè)，并考慮縱向控制和橫向精測(cè)，在特殊地段加密或重復(fù)測(cè)量，以減少人為的誤差.

3.3 數(shù)據(jù)處理及氡異常分析

本次實(shí)驗(yàn)共觀測(cè)了856個(gè)測(cè)點(diǎn)，明顯偏高的測(cè)點(diǎn)有258個(gè)，占30.2%;明顯偏低的測(cè)點(diǎn)有123個(gè)，占14.5%.各測(cè)點(diǎn)的RaA脈沖值符合高斯分布.選擇了210個(gè)測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)作為背景值的統(tǒng)計(jì)分析，氡平均值為82.3脈沖/2 min，方差為10.42.這和外圍非滑坡區(qū)的背景值比較接近，所以認(rèn)為選取的背景值樣本統(tǒng)計(jì)計(jì)算結(jié)果是合理的.根據(jù)異常判別的一般原則及本滑坡區(qū)的實(shí)際情況，按下列閾值進(jìn)行本次測(cè)氡的異常劃分，如表1所示.

表1 測(cè)區(qū)氡異常劃分標(biāo)準(zhǔn)Tab.1 The partition criterion of radon anomaly

3.3.1 滑坡中部基線的氡異常分析

滑坡體中部沿走向的5條基線都在120 m以上，共觀測(cè)了二百多個(gè)數(shù)據(jù).分析滑坡中部基線在相同時(shí)間和相同條件下的觀測(cè)結(jié)果，將觀測(cè)的數(shù)據(jù)分析并繪制成圖，如圖2所示.

從圖2可以看出,這5條基線在1～4號(hào)點(diǎn)處的氡濃度相對(duì)較高，平均濃度為110脈沖/2 min，有些點(diǎn)高達(dá)160個(gè)脈沖，出現(xiàn)氡異常.結(jié)合滑坡地質(zhì)圖分析，1～4號(hào)點(diǎn)為基線西側(cè)的起點(diǎn)，正好跨越了原滑坡滑動(dòng)面的邊界線，所以在此地層以下存在潛在的滑動(dòng)面，地下的氡氣通過(guò)潛在滑動(dòng)面向上遷移，在附近形成氡的高濃度區(qū)，測(cè)孔接近滑動(dòng)面區(qū)域，測(cè)得的氡濃度相對(duì)較高.

在5條基線的終點(diǎn)范圍內(nèi)氡濃度也相對(duì)較高，如Ⅰ號(hào)基線的19～22號(hào)測(cè)點(diǎn)、Ⅱ號(hào)基線的25～28號(hào)測(cè)點(diǎn)、Ⅲ號(hào)基線的30～30號(hào)測(cè)點(diǎn)、Ⅳ號(hào)基線的33～35號(hào)測(cè)點(diǎn)和Ⅴ號(hào)基線的38～40號(hào)測(cè)點(diǎn)，脈沖值均在160個(gè)左右.結(jié)合測(cè)區(qū)布線圖可以看出，這5條基線氡的高濃度點(diǎn)均位于滑坡邊界線附近，說(shuō)明此處地層裂隙的開(kāi)啟性和貫通性好，地層深處的氡容易向上遷移和聚集.

3.3.2 滑坡剪出口基線的氡氣監(jiān)測(cè)分析

在滑坡剪出口處沿滑坡傾向布設(shè)了7條基線，長(zhǎng)度均為50 m，測(cè)點(diǎn)從上到下布設(shè)，依次為1～10號(hào)，所測(cè)得的數(shù)據(jù)曲線如圖3所示.

圖2 相同條件下基線氡濃度分布Fig.2 Radon concentration distribution of baseline in the same condition

圖3 傾向基線在相同條件下氡濃度值Fig.3 Radon concentration curve along incline baseline in the same condition

從圖3可以看出,1號(hào)、2號(hào)、6號(hào)和7號(hào)等基線在5～7號(hào)測(cè)點(diǎn)范圍氡濃度較高，達(dá)到120脈沖/2 min.將以上點(diǎn)連成曲線，對(duì)照滑坡地質(zhì)圖，正好和原滑坡剪出口重合.原滑坡經(jīng)過(guò)治理以后沒(méi)有出現(xiàn)滑坡現(xiàn)象，但是在長(zhǎng)期的外界條件(自身的重力、雨水的沖積滲透等)影響下，原滑坡剪出口附近長(zhǎng)期受到擠壓造成滑坡內(nèi)部應(yīng)力發(fā)生變化，導(dǎo)致下滑力大于抗滑力，造成剪出口的裂隙增大，所以地層深處的氡通過(guò)這個(gè)裂隙向上遷移,聚集在地表以下形成了氡高濃度區(qū)域.

4 結(jié)論

根據(jù)氡濃度監(jiān)測(cè)結(jié)果分析可以得知，此滑坡長(zhǎng)期受到外界因素的影響造成內(nèi)部應(yīng)力發(fā)生變化，今后有可能再次發(fā)生滑坡，需要進(jìn)一步采取加固措施.

氡氣監(jiān)測(cè)是一種行之有效的預(yù)測(cè)滑坡的工程方法，它通過(guò)監(jiān)測(cè)氡氣濃度異常值來(lái)真實(shí)反映地質(zhì)缺陷體及滑坡剪出口等，進(jìn)而判斷滑坡發(fā)生的可能性，是一種有效的地質(zhì)災(zāi)害勘查技術(shù).

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