北京山区道路沿线崩塌灾害特征分析与防治思路探讨

李岩，南赟，曹颖

（北京市地质灾害防治研究所，北京 100102）

北京位于华北平原西北隅，燕山山脉和太行山山脉衔接部位，自然地质条件较复杂。随着城市建设的迅速发展，开山、修路、切坡等人类工程活动诱发的公路沿线崩塌灾害时有发生。边坡裸露岩体经过多年风化，节理裂隙发育，岩体破碎，崩塌灾害逐渐进入多发、易发期。从2011—2021年（北京市地质研究所）北京市突发地质灾害发生数量来看，道路沿线崩塌灾害约占当年地质灾害发生总数的65.7%，频发的崩塌灾害很大程度上制约了北京西部北部山区自然休闲、徒步旅游、驾车越野和山地探险等旅游业的快速发展。

公路边坡崩塌灾害作为一种全球性泛生型山地灾害，存在部位具有隐蔽性，失稳破坏具有突发性，致灾后果具有灾难性，是公路交通生命线建设及运营中普遍存在的突发性重大地质安全隐患（刘晓晓，2019；姜永玲，2019；赵忠海等，2018）。2016年8月5日房山庄户台崩塌、2016年10月30日怀柔滦赤路崩塌、2017年10月19日门头沟下安路崩塌、2018年8月11日房山军红路崩塌、2021年3月1日密云密关路崩塌是近年来规模和影响较大的几起崩塌，崩塌规模均在5000 m3以上，由于应急调查人员和群测群防员提前巡查警示，并未造成人员伤亡。

崩塌作为北京地区数量最多、分布最广的主要地质灾害类型，由于其特有的突发性和隐蔽性，危岩体分布的广泛性，灾害演化及破坏方式的复杂性，预警、预报、预防的难度很大，已成为北京地区城市地质安全关注的焦点。据北京市规划和自然资源委员会网站公布数据，截至2021年5月31日，北京山区道路沿线崩塌隐患1668处，占灾害隐患总数量的33%，但据应急调查显示，尚有约60%的崩塌灾害不在台账登记范围内。

本文以历年道路沿线边坡崩塌灾害发生事件为依据，总结山区道路沿线崩塌灾害发生的时空分布特征，分析北京山区道路沿线崩塌灾害的主要影响因素，研究崩塌灾害与岩性、构造、坡度、坡高、降雨等因素的关系，为北京市山区道路沿线崩塌风险防控，应急预案制定，采取有效防范措施提供技术支撑。

1 崩塌灾害基本情况

崩塌是指陡倾斜坡上的岩土体在重力作用下突然脱离母体崩落、滚动、堆积在坡脚（或沟谷）的地质现象（魏云杰，2019）。崩塌一般都发生于地形坡度大于50°、高度大于30 m的高陡边坡上，以垂直运动为主（北京市地质矿产勘查开发局等，2008）。

根据北京市突发地质灾害应急调查数据统计，2011—2021年全市共发生地质灾害376起，道路沿线崩塌灾害247起，占总数的65.7%。见图1。

图1 山区道路沿线崩塌灾害情况统计（2011—2021年）Fig.1 Statistics of collapse hazards along roads in mountainous areas（2011-2021）

2 崩塌灾害特征

2.1 空间分布特征

1）按行政区

通过对2011—2021年道路沿线崩塌分布位置进行分析（图2），崩塌点主要分布于房山、门头沟、延庆东北部、怀柔区中部、密云中西部，昌平区、平谷区相对较少，丰台、石景山零星分布。

图2 山区道路沿线崩塌分布示意图（2011—2021年）Fig.2 Schematic diagram of collapse distribution along roads in mountainous areas(2011-2021)

2）按道路

崩塌共涉及60余条道路，含多条国道、省道和县道，发生频次排在前面的如京昆线（G108）、京拉线（G109）、京加线（G110）、滦赤路（S309）、琉辛路（S310）、南雁路（S219）、军红路（X209）等，道路沿线崩塌频次前10位见图3。

图3 山区道路崩塌发生频次前10位统计（2011—2021年）Fig.3 Top 10 histogram of road collapse frequency in mountainous areas(2011-2021)

2.2 时间分布特征

1）季节性

通过对2011—2020年道路沿线崩塌灾害发生的时间进行统计分析，从发生时间来看，崩塌灾害发生符合“七上八下”的规律，主要集中于6—8月降雨密集期，占总体崩塌灾害数量的81.9%，统计结果见图4。崩塌易发生于强降雨过程中或持续多次小型降雨之后，一般集中发生于降雨之后48 h内，汛期强降雨是崩塌灾害发生的主要诱发因素。受冻融、冻胀、风化和震动影响，也有一些崩塌灾害发生于早春和入冬季节。

图4 山区道路崩塌灾害发生数量按时间统计Fig.4 Statistics of occurrence time of road collapse hazard in mountainous areas

2）继发性

北京山区道路崩塌灾害表现出明显的继发性，某些山体边坡具有特殊的岩体结构（顺向坡，节理裂隙发育），成为崩塌灾害发生的集中地。横穿延庆区东北部千家店镇的滦赤路30 km范围内，自2013—2018年共发生12起崩塌灾害，其中几处路段几年内连续发生3～4次；军红路近3年内同一灾害点连续发生3次崩塌。在97处岩质崩塌中，同一座山体（灾害点）发生的2次及2次以上崩塌数量占崩塌总数的20%。

崩塌灾害的发生与坡型、岩性、构造、节理发育、风化程度有着密切的联系，尤其是坡面存在临空面，岩体发育贯通裂缝或软硬岩相间，都是诱发崩塌灾害发生的关键因素。崩塌灾害发生后，上覆岩体下方会出现新的临空面，坡面危岩体力学结构发生变化，在重力作用下，原有裂缝延伸发展，遇降雨会产生新的崩塌灾害。

2.3 规模特征

根据崩塌规模划分标准（国土资源部，2006），北京山区道路沿线崩塌灾害规模以小型为主，体积小于500 m3的崩塌灾害占总数的85%，介于500 m3至5000 m3的崩塌灾害占总数的13.5%，大于5000 m3的崩塌灾害有4起，分别是军红路崩塌（规模30000 m3）、庄户台崩塌（规模9500 m3）、滦赤路崩塌（规模8000 m3）和密关路崩塌（规模11000 m3）。

2.4 崩塌失稳特征

胡厚田（1985）根据崩塌的发育模式，将失稳破坏模式分为倾倒式、滑移式、鼓胀式、拉裂式和错断式5种类型。北京山区道路沿线崩塌破坏模式以滑移式、倾倒式和坠落式最为常见，部分属于复合破坏模式，规模较小者多数为倾倒式和坠落式，规模较大者多为滑移式或复合式，其中，滑移式崩塌破坏模式数量超过40%，且大多为顺向坡，顺向坡是岩质斜坡中稳定性最差、最易变形破坏的斜坡类型（柴波等，2009）。

山区道路沿线几起规模较大的崩塌（图5），多发生于软硬相间的岩层，地层皆为沉积岩地层，顺向坡，有倾向临空的结构面（平面、楔形或弧形），坡度通常大于45°，不稳定岩体一般受重力、静水压力或动水压力的影响，沿软岩面向临空方向滑移坠落。以下为3起典型滑移式崩塌灾害失稳特征分析。

2016年8月，房山区108国道旧线庄户台村路段发生崩塌（图5-a），为砂质页岩边坡，因坡体顶部前缘发育竖向节理裂隙，雨水沿裂隙渗入致使下伏页岩沉积地层含水率增加，饱和软化，抗剪强度降低，上部砂岩在自重和后部静水压力的影响下沿页岩软弱面发生滑移。

2016年10月30日，延庆区滦赤路K132-K133段发生崩塌（图5-b），为砂岩边坡，节理面与岩层面呈小角度相交，顺向坡，岩石坚硬性脆，表层风化强烈，裂缝彼此贯通，岩体被切割成破碎的块石，崩塌发生前7日内连续降雨，雨水沿岩体结构面入渗，降低了岩石的抗滑与抗剪强度，坡体失稳，发生崩塌。

2018年8月11日，房山区军红路K18段发生崩塌（图5-c），边坡上部为侏罗系南大岭组玄武岩，发育竖向节理，下部为二叠系石盒子组砂岩夹页岩，前期连日降雨，雨水沿节理裂隙下渗至砂页岩软弱夹层产生浸润作用，使软弱面抗剪强度大幅降低，上覆岩体在自重作用下沿后缘裂隙发生破坏，向下产生滑移和挤压，并对下部岩体产生刮擦，连同其下伏的砂岩发生变形破坏。

图5 典型崩塌灾害Fig.5 Typical collapse disasters

3 崩塌影响因素分析

崩塌灾害的形成受多种因素影响，主要分为2大类，一类是内因，即地质背景条件，主要包括地形地貌、地质构造、地层岩性；另一类是外因，分为自然因素和人类工程活动因素，包括风化、震动、降雨、切坡和堆载等。崩塌孕育过程受降雨、地形地貌、地层岩性、地质构造和植被与人类工程活动等多种因素共同影响（胡玉凤等，2014；刘传正，2014），较为复杂，尤其降雨是诱发崩塌灾害的关键因素（王海芝等，2020）。

3.1 降雨

诱发崩塌的因素很多，但从国内外不同类型崩塌诱发因素与降雨活动的统计学特征看，降雨过程及降雨强度变化是诱发崩塌地质灾害活动最为活跃的因素。通过对2004—2020年年度降水统计分析（图6），总体趋势上看，年度降水呈现螺旋式上升的趋势，与全市地质灾害发生数量呈正相关性。

图6 年降雨量与道路沿线崩塌灾害数量关系图（2004—2020年）Fig.6 Multi-year precipitation and collapse hazards along roads(2004-2020)

根据崩塌灾害降雨条件分析，汛期90%的崩塌灾害发生当日均有降雨，且降雨量达到中雨级别，有些达到暴雨，个别崩塌灾害区域前期有连续降雨，雨水沿岩体结构面入渗，增加了坡体危岩重量，节理裂隙内充水，静水压力在短时间内升高，降低了岩石的抗滑与抗剪强度，水对岩体有一定的软化作用，会降低岩体及结构面的强度，致使抗滑力减小。

3.2 地层岩性

岩质崩塌灾害的发生与地层岩性关系密切，通过对道路沿线崩塌高发路段边坡岩石类别的统计分析（图7），砂岩类边坡发生崩塌灾害的数量占34%，其次为白云岩占19%，再次为花岗岩占12%，其他如灰岩、页岩、片麻岩、玄武岩和安山岩等。汛期砂岩类边坡崩塌灾害发生频率较高，非汛期碳酸盐岩类边坡崩塌频率高。

图7 道路沿线不同地层岩性崩塌灾害统计Fig.7 Statistics of collapse hazards of different strata lithology along the roads

岩石是矿物的集合体，受矿物组成、胶结程度和风化作用的影响，各类岩石的密度、空隙性、吸水性、软化性、透水性和抗冻性等物理性质千差万别，岩石在力学作用下的变形、破坏和强度等性质差异性也很大。从岩石的物理性质分析，砂岩、灰岩、白云岩的空隙率和吸水率偏高，北京地区6—9月是降雨集中期，连续降水入渗，空隙、裂隙较发育的岩体自重增加，节理裂隙充填物质饱和，抗滑能力降低，侧向应力增加，岩体平衡条件破坏，这也是汛期砂岩和碳酸盐岩地层岩质边坡崩塌灾害发生率较高的主要原因之一。

饱水系数是评价岩石在一定条件下吸水性能的指标，也是评价岩石抗冻性的指标，岩体的饱水系数愈大，表明常压下吸水后留余的空间有限，岩石越容易被冻胀破坏，碳酸盐岩风化破碎较强，节理裂隙发育，吸水性好，饱水系数较大，经历汛期降水后，岩体含水量增加，早春和秋冬季山区早晚温差较大，较市区温度降低较快，碳酸盐岩地层所在岩质边坡受冻胀作用影响较大，容易造成岩体崩落。

3.3 地形地貌

通过对北京市山区道路沿线斜坡高度进行统计分析，高度50 m以下的斜坡占60%；崩塌灾害所在斜坡高度20～50 m居多（图8），约占48%。崩塌灾害发生的斜坡坡度基本在50°以上（图9）。

图8 山区道路沿线不同高度斜坡崩塌灾害统计Fig.8 Statistics of collapse hazards of different height slopes along roads in mountainous areas

图9 山区道路沿线不同斜坡坡度崩塌灾害统计Fig.9 statistics of collapse hazards of different slopes along roads in Mountainous Areas

崩塌的形成要有适宜的斜坡坡度、高度和形态，以及有利于岩土体崩落的临空面。这些地形地貌条件对崩塌的形成具有最为直接的作用（吕镁娜，2020）。斜坡的坡度越大，斜坡越陡，斜坡临空条件特征发育越好，对斜坡稳定性越不利，产生崩塌灾害的可能性越大。

3.4 岩体结构对崩塌的影响

岩体结构类型划分为块体状结构、块状结构、层状结构、碎块状结构和散体状结构，岩体结构特征对岩体在一定荷载条件下的变形破坏方式和强度起着至关重要的作用。通过对道路沿线边坡崩塌灾害岩体结构进行分析，大致分为2种情况，一种是边坡岩体表层风化强烈，松散破坏，岩体一般发育3组及以上节理，岩层层面与节理面彼此交切，将岩体切割成破碎的块石，偶有结构面贯通，碎块状结构非常发育；另一种情况是岩质边坡为顺向坡，坡向和岩层倾向大致在同一象限或相邻的两个象限内，夹角非常小，在岩体自重情况下非常容易发生滑移式崩塌灾害，如延庆区滦赤路同一路段近年来崩塌灾害发生频率较高，就属于此种情况。

4 崩塌防治面临的问题和思路探讨

由于道路边坡是一项复杂的开放型系统，这使得边坡崩塌灾害防控工作在准确性和有效性方面存在困难（吴维义，2020）。下面就崩塌灾害防治工作面临的问题以及可以采取的措施进行分析。

1）早期识别

崩塌灾害隐患点多、面广、隐蔽性强、突发性强，北京地区在经过多轮不同尺度突发性地质灾害调查评价后，近5年发生的崩塌灾害中，仍约有60%左右未列入台账。运用高分辨率多光谱遥感影像、无人机航空摄影测量、机载LiDAR等技术开展高精度遥感调查，获取高清地表形变数据和崩塌隐患信息，结合高精度地面地质调查和风险普查，建立适用于北京地区的隐蔽性崩塌隐患早期识别技术方法体系。

2）人防+技防

据统计，北京市山区道路里程在14000 km2以上（北京市地质研究所，2021），道路建设为山区沟域经济的发展提供了便捷的条件，同时大规模开山修路也破坏了山体边坡原有的稳定，经过多年风化，道路边坡灾害进入多发、易发时期。

军红路崩塌和庄户台崩塌2个成功预警的案例表明，人防是目前最直接、也最有效的避险方式（南赟等，2020）。因此加强对道路巡查人员的防灾、识灾专业培训和应急演练，配备方便携带的综合信息采集移动终端，是非常有必要的。形成以专业技术人员为指导，群测群防员作为主力巡查队伍的群专结合的灾害监测防控体系。同时，随着崩塌灾害研究机理和监测预警技术的不断深化，普适性监测仪器的应用会成为人防的有力补充。

3）分级管控

影响边坡稳定性的因素除了道路沿线边坡物质组成、边坡结构、地层构造等因素外，还包括风化、冻融、降雨、地震、开山修路、堆填加载等变量因素。不同区域崩塌灾害发生的影响因素、演变过程差异性较大，目前北京地区对边坡崩塌灾害发生机理、灾变演化和预警预报的研究目前还处于瓶颈阶段，公路运营过程中，崩塌灾害发生防不胜防。

以崩塌灾害隐患台账为基础，全面分析影响斜坡稳定性的孕灾环境背景、自然演化因素和人类工程活动因素，从地质背景条件（地貌、植被、岩性、结构、构造）、灾害影响因素（风化、冻融、节理、地震、荷载、切坡等）以及受威胁对象险情等级等几个方面对斜坡进行风险评估，针对道路斜坡灾害风险制定评估标准，划分斜坡的风险等级，对不同斜坡按风险等级制定防控预案，有效地提升道路沿线崩塌灾害防范的精准性和科学性。

4）综合治理

北京山区每年汛期道路崩塌灾害的发生率一直居高不下，给汛期出行带来了极大风险，

目前道路边坡治理效果不能满足防灾的需求。近年来，山区道路沿线开展了大量的边坡治理工程，主要采取的措施有主动防护网、被动防护网、护脚墙，也有极少量格构、支撑、锚固工程，由于道路边坡灾害隐患受自然因素和人为因素的影响，不断处于动态变化过程中，已经实施的治理工程有大部分属于应急处理措施，后期运营过程中，不能起到完全的防护作用，需要道路养护部门时常巡查、排查。

针对道路沿线已经开展的边坡治理工程效果进行评估，提升已治理灾害的预警精度和准确度，为道路沿线边坡崩塌灾害防灾减灾精细管理提供技术支撑；按边坡风险等级、威胁道路等级结合道路规划建设有序开展工程治理，减缓或消除崩塌灾害的威胁。

5）加强科普宣传，提高全民防灾意识，防患未然

提升民众防灾减灾意识，大力普及惠及普通民众的地质灾害防灾减灾知识（刘连刚，2015），利用现有通信技术开展多种形式的科普宣传活动，让更广大的民众认识灾害、了解灾害发生的规律，提高防灾避险的意识，掌握灾害临灾征兆和避险常识。

5 结论

1）北京山区道路沿线崩塌活动的时间分布规律具有明显的季节集中性，受降水影响明显，且具有一定的滞后性和继发性，从近年来崩塌活动的发展趋势看，与降水具有明显的正相关性；从空间分布来看，砂岩、白云岩和花岗岩地层分布地区崩塌发生的概率高于其他岩石地层分布区域。

2）北京山区道路沿线崩塌灾害的发生受地形地貌、地层岩性、岩体结构、降水和人类工程活动等因素的控制，互相关联，密不可分，其中降雨是产生崩塌的最活跃因素。

3）山区道路崩塌灾害防治可以从“人防+技防”、风险评估、分级管控和提高全民防灾意识等方面入手，多渠道进行风险防控。