基于遥感技术的“6·5”重庆武隆鸡尾山崩滑灾害特征及应急救援工程布置研究

聂洪峰，童立强，李建存，郭兆成，郑雄伟，程 洋

(1.中国国土资源航空物探遥感中心，北京 100083;2.中国地质大学(北京)，北京 100083)

0 引言

2009年6月5日15时，重庆市武隆县铁矿乡鸡尾山突发崩滑灾害，掩埋了共和铁矿矿井入口、部分厂房及12户民房，造成10人死亡、62人失踪、8人受伤。本次崩滑造成的最严重灾情是崩滑体掩埋了正在井下作业的27名矿工。该崩滑灾害发生后，根据国土资源部会同国家安全生产监督管理总局成立的专家组要求，中国国土资源航空物探遥感中心迅速组织了航空摄影工作，于2009年6月13日成功获取了崩滑区0.35 m空间分辨率的航摄数字图像，并于6月14日制作了高清晰度航空影像图，及时提供灾害救援前方使用。随后又制作了崩滑区灾后数字高程模型和正射影像图，并组织相关专家进行了崩滑灾害的详细解译。本文在“6·5”鸡尾山崩滑灾害特征遥感应急调查成果基础上，通过进一步详细解译和提炼，对崩滑灾害分布特征有了新的认识;结合近期收集的共和铁矿矿井分布图等资料，根据当时媒体报道的被掩埋井下作业矿工救援方案进行了针对性解译和GIS分析，从理论上探讨了援救被掩埋井下矿工的最佳施救工程位置，以积累地质灾害遥感应急调查经验，提高地质灾害遥感应急救援支持力度。

1 崩滑灾害概况

1.1 地理位置

武隆县地处重庆市东南，乌江下游，武陵山与大娄山结合部，E107°26′48″～107°26′01″，N29°14′06″～29°15′24″之间;属渝东南边缘大娄山脉褶皱带，地貌以山地为主，地势东北高、西南低。“6·5”鸡尾山崩滑灾害发生在武隆县铁矿乡铁匠沟东岸的鸡尾山西坡，距武隆县城直线距离约33 km(图1)。

图1 鸡尾山崩滑地理位置Fig.1 Location of Jiweishan rockslide

鸡尾山山脉沿N55°E方向展布，总体呈东北高、西南低的单面山地形，缓坡(后坡)的坡角一般为20°～40°，陡崖(前坡)的高度在50～150 m。该区最高高程为1 538 m，高程最低处的铁匠沟仅1 000 m，相对高差538 m，属中山地貌。铁匠沟为乌江的Ⅲ级水系，近SN向展布，河谷总体呈“V”形。

1.2 地质环境

崩滑区位于大娄山脉褶皱带赵家坝背斜西北翼，为单斜构造，构造活动频繁，岩溶作用强烈。崩滑体的地层为二叠系下统茅口组(P1m)和栖霞(P1q)组上段(图2)。

P1m组为灰白色厚层状微晶灰岩，在崩滑区出露于鸡尾山山体顶部。该地层中岩溶作用发育，在崩滑区下游出露一大的溶洞，在崩滑区后壁和西侧壁均遍布小溶洞和竖向岩溶缝隙，在西侧壁下游方向的壁面上还附着有大量褐黄色的次生夹泥，表明在崩滑体失稳之前，构成崩滑体后缘和西缘边界的裂缝已张开并长期暴露于地表，地下水活动强烈。P1q组为深灰色、灰色中厚层状含沥青质灰岩，夹泥质灰岩和钙质页岩。在崩滑区，P1q组又可根据强度、颜色等特征划分为上、中、下3段。P1q组下段为灰色灰岩，滑塌区山体的中下段陡崖主要由P1q组下段组成，表明其强度相对较高;P1q组中段为深灰色灰岩，层厚约40 m，顶部为含炭质和沥青质页岩夹层，本次崩滑体主要沿此软弱夹层滑动。崩滑区陡崖在P1q组中段出露部位形成了一个相对平缓的斜坡面，在该斜坡面上植被发育，表明该段岩体强度相对较弱，易于风化剥蚀，并由此构成一个有利于上部岩体滑动的相对软弱的基座;P1q组上段为深灰色灰岩，层厚约20 m，其强度相对上覆P1m组较弱，但比下伏P1q组中段岩体强。P1q组下伏的二叠系下统梁山组(P1l)厚度为10.1～14.3 m，主要岩性为灰色、灰黑色粘土质页岩，炭质泥岩，铝土岩和粘土岩夹铁矿层。中部铁矿层厚0.96～1.35 m，平均厚1.12 m，为共和铁矿的采矿层位。P1l组在地形上位于崩滑区陡崖坡脚相对平缓的斜坡部位，下伏志留系中统韩家店组(S2h)页岩。崩滑体岩层产状为倾向345°，倾角20°～32°，主要发育2组陡倾结构面:①走向近SN的陡倾结构面，倾向N15°W～N20°E，倾角79°～81°。该组结构面贯通性好，形成了铁匠沟两侧的陡崖，并为滑塌体提供了良好的侧缘边界;②走向近NE的陡倾结构面，倾向175°～185°，倾角75°～81°。该组结构面裂面平整，间距1～3 m，延伸10～20 m，崩滑区后缘拉裂面就是追踪该组结构面形成的[1-3]。上述2组近于直交的陡倾结构面与岩层层面有机组合，将崩滑区岩体切割成块状，一旦具备适宜的临空条件，就很容易发生块状滑动破坏。

1.3 崩滑灾情

“6·5”重庆武隆鸡尾山崩滑掩埋了涪陵市三联吊装运输公司共和铁矿的部分厂房设施、矿井入口和12户民房，造成10人死亡、8人受伤、62人失踪，其中在铁矿矿井作业的27名矿工被掩埋。由于当时矿井存在一定空间可以贮存空气和水分，被掩埋的尚未死亡矿工能够生还的可能性较大，成为当时灾害紧急救援的主要对象。而救援的关键和首要条件是寻找正确位置开凿地面与矿井的联系通道。

2 技术方法

2.1 数据源

本文所用数据包括崩滑灾前10 m等高距的地形图，灾后0.35 m分辨率的航空摄影数据及数字高程模型(DEM)。另外，还利用了近期收集到的共和铁矿矿区图及矿井布置图等资料。

2.2 图像处理方法

灾前地形图处理是利用ENVI等图像处理软件进行几何纠正，在MapGIS软件平台上进行矢量化，并生成空间分辨率为1 m的DEM。灾后航摄数据采用POS辅助航空摄影测量方法制作0.35 m空间分辨率的正射影像图(图3)，生成空间分辨率为1 m的DEM，用于崩滑要素信息提取。

2.3 遥感解译方法

通过遥感解译获取崩滑体的特征和定量数据2类信息。在充分收集已有地质环境与灾害资料的基础上，建立地质灾害及其发育环境的遥感解译标志;利用数字滑坡技术，以人机交互解译和计算机自动提取为主要手段获取相关信息;在计算机屏幕上对地质、地表环境，灾害的全貌、局部及周围地段进行观察和分析，确定崩滑体目标后，将其分布范围用MapGIS软件直接圈绘出来;并用MapGIS软件的分析模块进行自动分析处理，获得崩滑体的位置、面积、体积等量化信息(体积由2期高程计算的结果相减得到)。

3 崩滑灾害遥感解译

3.1 崩滑平面分区

根据对灾后航空正射影像图所反映的崩滑灾害前后地形高程差、碎屑堆积特征和崩滑体运行轨迹等的分析，武隆“6·5”崩滑灾害可分为崩滑区、直接撒落区、铲刮区、铲刮堆积区、直接碎屑堆积区、碰撞撒落区、次生崩滑区、碎屑流区及堰塞湖等9种类型、10个区域(图3)。

3.2 崩滑运动特征

鸡尾山山体在经历长期应力积累、积聚了巨大应变能量后，因山体前缘局部垮塌而失去“关键块体”支撑，致使整个山体沿P1q组地层上段与中段的软弱夹层产生连锁式的滑动破坏，运动方向为N 35°E;在跃下约90 m高的陡坎后迅速解体，获得巨大的动能，产生高速运动。在此过程中，高速运动的滑体以强大的冲击力冲垮其前缘相对高差分别为50 m和30 m的2个山体，刨蚀和铲刮前缘坡下原有的松散堆积物;高速滑动岩体在冲垮其前缘山体后，部分碎屑沿右侧撒落;主体继续运动，堆积在铁匠沟谷底，并冲击对岸;受地形影响，部分碎屑转向沿近SN向沟谷以碎屑流的方式向下游运动，形成长度约1 km的碎屑流堆积区。整个运动过程与轨迹如图3中的黄色箭头所示。

3.3 崩滑规模

根据崩滑灾害特征解译成果、灾前地形图矢量化成果和灾后DEM数字高程模型，利用MapGIS软件的分析模块进行自动分析处理，得到崩滑灾害影响范围、崩滑区、碎屑堆积区、铲刮区等的长度、面积及体积等量化信息。如图4所示，鸡尾山崩滑灾害的投影面积(堰塞湖除外)为609 278 m2;崩滑体的最大厚度为95.3 m，最大堆积厚度为70 m，可解译的最大铲刮厚度为53.7 m;崩滑总量为500万m3，碎屑堆积总量为614.2万m3。

1)崩滑区。为灾害发源区。崩滑前后地形高程差为负值，与直接撒落区、铲刮堆积区及铲刮区的划分边界为灾害前后地形高程差的0 m线。崩滑区长626 m，平均宽142 m，最宽231 m;崩滑体最大厚度为 95.3 m，平面面积为 97 135 m2，体积为305.9 万 m3。

2)直接撒落区。灾害前后地形高程差为正值。位于崩滑体主运行轨迹的右侧，主要为崩滑体在碰撞前方山体前的零星碎屑撒落，与碰撞撒落区及铲刮区的划分边界为灾害前后地形高程差的0 m线。直接撒落区平面面积为58 689 m2，最大堆积厚度为11 m，碎屑堆积方量为9.4万m3。

3)铲刮区。灾害前后地形高程差为负值，主要为高速运动的崩滑体以强大的冲击力，刨蚀和铲刮前方左边坡原有的松散堆积物和基岩的区域。与铲刮堆积区及碎屑流区主要影像区别是基本或者很少碎屑堆积(图5)，与碎屑流区的划分边界为灾害前后地形高程差的0 m线。铲刮区平面面积为33 069 m2，铲刮最大厚度为48 m，铲刮方量为19.1万m3。

图5 铲刮区与铲刮堆积区航空影像图Fig.5 Airborne image of wiped area and rock mass

4)铲刮堆积区。灾害前后地形高程差为负值。主要为高速运动的滑体以强大的冲击力，刨蚀和铲刮正前方原有的松散堆积物和基岩并且有碎屑堆积的区域。在航空影像图上可见该区地表散布有大大小小的碎屑(图5)，其中大块碎石较多，最大碎石块水平截面积达38 m×23 m。与直接碎屑堆积区的划分边界为灾害前后地形高程差的0 m线。铲刮堆积区平面面积为89 468 m2，可计算的最大铲刮厚度为54.4 m，可计算的铲刮方量为175万m3。从航空影像图分析，该区域应有一定厚度的碎屑堆积，但其厚度无法计算，因此，铲刮方量存在一定误差。

5)直接碎屑堆积区。崩滑体碰撞前方山体后运行轨迹基本没有改变在铁匠沟谷底碎屑的堆积区。直接碎屑堆积区内分布有较多的大石块(图6)，水平截面积10 m×10 m以上石块约占15%，堆积厚度最大，与碎屑流区的界线为碎屑堆积厚度突变线。碎屑堆积平面面积为144 427 m2，最大堆积厚度为70 m，堆积方量为 369.6 万 m3。

图6 直接堆积区与碎屑流区堆积石块航空影像图Fig.6 Airborne image of main accumulation and fragment flow sections

6)碰撞撒落区。崩滑体在碰撞前方山体后，运行轨迹在发生向东改变的瞬间，碎屑物质被抛撒形成的堆积区。与直接碎屑堆积区相比，该区域内石块要小很多，两者的界线为碎屑堆积厚度的突变线。碎屑堆积平面面积为48 726 m2，最大堆积厚度为30 m，大部分区域堆积厚度小于10 m，堆积方量为20.5 万 m3。

7)碎屑流区。崩滑体运行轨迹向北发生改变，从向N35°E变为近于向北运动。该区内石块较直接碎屑堆积区小得多(图6)，水平截面积大多不超过1 m×1 m(1 m×1 m～10 m×10 m的石块仅占10%左右)。碎屑堆积区平面面积为127 652 m2，最大堆积厚度为44 m，堆积方量为205.3万m3。

8)次生崩滑区。为碎屑流运动时引起的斜坡变形区，灾害前后地形高程差为负值，主体运动方向与碎屑流运动方向近于垂直。明显的次生崩滑区有2个，平面面积分别为7 444 m2和2 667 m2。

9)堰塞湖。由于碎屑物在铁匠沟谷底的堆积，在其上游形成了基本封闭的洼地，洼地最低高程为1 081 m;其下游堆积坝体最低点高程为1 110 m，最大相对高程为29 m。根据2009年6月13日获取的航空影像图解译结果(图7)，当时堰塞湖长330 m，平面面积7 700 m2，已蓄水5.4 万 m3。

图7 堰塞湖遥感解译影像图Fig.7 Airborne image of dammed lake

堰塞湖可能的最大库面面积为42 919 m2，最大库容为59.3万m3。堰塞湖淹没区主要为荒草地，有少量耕地。由于库容较小，碎屑堆积体相对较宽，不易产生溃坝事件和形成大的次生灾害。

3.4 灾害成因

作为近年来少有的一次灾难性崩滑，直至今日，研究人员仍在从各个方面研究武隆鸡尾山山体崩滑的成因。在灾害发生1个月后，许强等[2]发表论文认为鸡尾山山体垮塌是在不利的地质结构条件下，受长期重力、岩溶等作用和采矿活动的影响，因前部起阻挡作用的关键块体被剪断而导致的一起大型山体崩滑事件。殷跃平[3]认为武隆鸡尾山滑坡的视向滑动具备了层状块裂结构、山体倾向阻挡、临空视向剪出、驱动块体下滑和关键块体阻滑等5个条件。刘传正[4]认为层状石灰岩地质结构、裂隙组合及软弱夹层是山体开裂滑移的物质结构基础，降雨渗流和岩溶作用使软层强度弱化、裂隙带扩大是层状山体拉裂的前提，鸡尾山崩塌灾害是铁矿采空和视滑力共同作用下的“山体拉裂—弱面蠕滑—剪出崩塌—碎屑流冲击—灾难形成”的链式过程。邓茂林等[5]分析了鸡尾山滑坡滑动面的微观特征，认为滑动面为条纹状含钙质灰质板岩，不规则粒状或团粒状之序的多种矿物穿插共生，水导致软弱带微裂缝的形成，成为连续滑动拉裂通道。冯振等[6]则认为鸡尾山滑坡是真倾向滑移变形转为视向整体滑动的失稳模式，软弱夹层强度降低、岩溶发育带剪切破坏后，滑体进入大变形阶段，表明关键块体控制和阻滑作用明显，软弱夹层强度降低是滑坡发生的关键因素。根据灾害特征的遥感分析，本文认为，鸡尾山崩滑灾害的形成是“在关键块体崩塌牵引下引起山体沿岩层软弱夹层下滑—高位剪出后强烈撞击解体—强力刨蚀和铲刮—碎屑物质高速运动—堵塞河道形成堰塞湖”的链式过程。

4 井下救援工程布置

“6·5”重庆武隆山体崩滑灾害发生时，共和铁矿正在井下作业的27名矿工被掩埋，矿井西端在崩滑体最低高程以下，还有一定的生存空间。据此，在胡锦涛总书记、温家宝总理等党和国家领导人全力救人的指示下，前线应急救援指挥部在事发当晚即确定了救援井下27名矿工的抢险重点。前线应急救援指挥部制定了井下作业矿工的救援工程以挖掘和钻井打孔2种方式同时进行，即直接寻找坑道口打开救援和垂直钻井打孔送氧救援，但是并未成功。

4.1 地下井坑道情况解译

与救援井下作业矿工相关的坑道分布如图8，包括1 035 m高程矿井进口(O)，1 035 m主井平硐(OG)，1 060 m水平中巷(DH)及2条上山斜硐(BD，FE)。

图8 井下矿工救援工程布置图Fig.8 Rescue plan arrangement for underground miners

1 035 m主井平硐崩滑灾害发生前后高程变化如图9所示。灾害发生后，1 035 m矿井入口处(O点)高程为1 040 m，P点高程接近1 035 m，A点高程为1 039 m。因此，1 035 m矿井入口和1 035 m主井平硐前端已被铲刮破坏，不复存在(这一情况在救援当时可能并不了解);由于该区域既有铲刮又有堆积，故1 035 m主井平硐被破坏的长度不能确定，推测为 OA段(平硐 A点距地表4 m)，长度66.3 m，也可能更长;一上山斜硐入口(B点)高程为1 056 m，巷道距地表21 m。

图9 矿井1 035 m主井平硐上方灾害前后高程变化Fig.9 Profile of topographic change over 1 035 m main flat drift in mine

1 060 m水平中巷崩滑灾害发生前后高程变化如图10所示。灾害发生后，D点高程1 067.5 m，巷道距地表7.5 m;E点高程1 119 m，巷道距地表59 m;1 060 m水平中巷及一上山斜硐有可能未遭到大的破坏。

图10 矿井1 060 m水平中巷上方灾害前后高程变化Fig.10 Profile of topographic change over 1 060 m flat roadway in mine

4.2 挖掘工程布置

根据解译推测，1 035 m主井平硐入口及OA段主井平硐已被铲刮破坏，A点地表与1 035 m主井平硐的垂距为4 m;D点坑道有可能未破坏，D点地表与1 060 m水平中巷的垂距为7.5 m;因此，A点和D点可为首选直接挖掘点，直接寻找坑道口打开救援。为了增加救援机会，可在A和D两点同时开展挖掘工程。如果A点向下4 m内见基岩，则继续向下挖掘，或者向1 035 m主井平硐入口方向挖掘，或者同时进行;如果向下6 m未见基岩，则向B点方向挖掘。如果D点向下7.5 m内见基岩，则继续向下挖掘;如果向下10 m未见基岩，则向B或者E方向挖掘，或者向2个方向同时进行。也可以先在A点和D点布置钻探，根据碎屑厚度和基岩出露高程确定直接挖掘点，以提高挖掘到坑道口的概率。

4.3 钻井打孔工程布置

AC段、DE段及其延伸方向和BD段(一上山坑道)为进行垂直钻井、打孔送氧救援布置区。具体钻井位置要根据地面与坑道的垂直距离和地形条件等实际情况而定，在同等地形条件下，地面与坑道相对最短距离处为优先位置;考虑到各种误差，B和E点为坑道交叉点，坑道空间较大，应为优先钻井位置，以提高打孔能够贯穿到矿井的概率。如前所述，根据崩滑灾害前、后高程对比计算的铲刮深度和堆积厚度并不十分准确，对精确地判断坑道离地面的距离造成了影响，因此，可以根据实际情况对施工位置随时进行调整。同时，上述分析没有考虑崩滑灾后高程的计算误差，施工过程中如果有地面测绘工程辅助，则工程布置会更具可控性，挖掘到坑道口的概率也会大大增加。

5 结论

1)“6·5”重庆武隆鸡尾山崩滑为一起罕见的崩滑—铲刮—碎屑流—堰塞湖复合型特大灾害。灾害分为崩滑区、直接撒落区、铲刮区、铲刮堆积区、直接碎屑堆积区、碰撞撒落区、次生崩滑区、碎屑流区及堰塞湖等9种类型、10个区域。灾害投影面积共609 278 m2，滑体最大厚度为95.3 m，最大堆积厚度为70 m，可解译最大铲刮厚度为53.7 m。崩滑及铲刮总量为500万m3，碎屑堆积总量为614.2万m3。

2)由于崩滑体在跃下近约90 m高的陡坎后获得了巨大动能，产生高速运动，高速运动的滑体以强大的冲击力冲垮和掩埋了途经的正在开采的共和铁矿入口和部分巷道，这一特征在以前的相关报道和文章中未提及。

3)根据遥感综合解译成果，进行旨在救援工程布置的理论分析，提出了相应的救援工程布置方案，供今后类似应急救援工作参考。

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