氡气监测在滑坡预测中的应用

张慧锋，王云刚

(1.河南工程学院 土木工程学院，河南 郑州 451191；2. 河南理工大学 安全科学与工程学院，河南 焦作 454000)

1 滑坡预报的研究现状

滑坡是指在一定的自然条件下，边坡上部的岩土在重力作用下整体沿一定的软弱带水平或向下移动的地质灾害，在山区、丘陵地区较常见.据统计，全世界每年因滑坡而造成的经济损失达数十亿美元.我国幅员辽阔，其中70%为山区，地质地形条件十分复杂，滑坡分布尤为广泛.人们对滑坡的研究是19世纪后期从阿尔卑斯山区开始的，至今已有一百余年历史，但滑坡预报研究的起步却较晚.日本学者斋腾在20世纪60年代提出的经验预报公式可作为滑坡预报研究工作的起点，由此算来，滑坡预报研究也仅有五十多年的历史.

滑坡预报可分为现象和经验预报、理论预测模型和氡气浓度监测技术三大类.现象和经验预报只适用于有明显前兆现象的滑坡，受主观影响较大，预报精度不高，是一种定性的预报方法；理论预测模型是把现代数理力学理论和非线性理论引入到滑坡预报研究之中，并相继提出了解析预报模型、灰色预报模型[1]、黄金分割预报法[2]、Verhulst模型[3-4]以及基于分形理论、突变理论和协同学理论的预报模型[5-7]等一系列滑坡预报模型，这使滑坡预报向定量化发展有了质的飞跃；氡气浓度监测技术主要包括氡管法、径迹法、卡法及射气法[8]，实践证明该预测方法在工程应用中是有效、简洁和经济的.自从苏联于1973年第一次使用放射性氡法在克里米亚南部沿岸进行寻找滑坡的实验以来，我国学者金培杰[9]、靳泽先[10-11]、叶树林[12]、王卫[13]等应用测氡技术来预测滑坡的发生，取得了喜人的成绩.

2 氡气监测预报滑坡的原理

刘鸿福[14]根据在理想条件下，氡及其子体的比重均比空气大，却具有明显向上运移能力的事实，探讨了氡及其子体固有的向上运移机理，提出了氡的“团簇运移理论”.该理论认为氡及其子体和母体在衰变过程中释放出来的粒子减速后形成大量氡核，可将氡及其子体极化，并在电场力和范德华力的作用下，伴随着氡及其子体相互作用形成“团簇”.当“团簇”结合的氡核达到一定数量时，氡就将随之向上运移，形成明显的向上运移气流.

所有地质体都含有一定的天然放射性核素铀、镭、钍等，并且有着明显的差异，这些核素按照各自的衰变规律进行放射性衰变，并释放出α,β,γ射线.氡是镭放射性衰变的中间产物，是惰性气体，不易电离，可以溶解于水或其他液体中.在滑坡作用发生地段，滑坡体在重力拉张和水的作用下，使岩石和土体中已有或潜在的裂隙加大甚至发生破碎，在裂隙带和破碎带周围容易富集和贮存大量的气体氡.当滑坡体沿滑动面(带)与滑床运动发生挤压时，聚集在滑坡体、滑床及滑动面(带)中的自由氡能沿滑坡体中拉张裂隙、滑动面(带)或断裂带向上运移.同时，滑坡体沿滑动面(带)与滑床作挤压运动所产生的热能使溶解于含水构造中的溶解氡脱解为自由氡，造成氡浓度的异常.在这些部位的土壤中形成氡射气的富集带，这一异常富集带就是镭辐射测量的主要对象.氡是一种放射性气体，衰变后产生RaA等短寿子体，FD-3017测氡仪采用高压静电收集氡衰变的第一代子体RaA作为测定对象，测量过程中读取脉冲数，脉冲数越大表示测点处氡射气富集的程度越高，根据每个测点测量获取的脉冲数可绘出测区的RaA脉冲等值线图，画出氡异常区.

3 711矿滑坡体的氡气监测

3.1 地质特征

711矿滑坡群位于湖南省郴州市东北11 km的许家洞镇(东经112°20′～113°30′、北纬25°20′～26°24′).许家洞一带以山区为主，自然区划属湘南低山丘陵区，位于南岭山脉之北缘，海拔1 600～1 900 m，有五盖山、瑶岗山和千里山等.这些山脉的分布与地质构造线基本一致，岩性较坚硬，地形较陡，坡度为30°～40°.由于地质构造的影响，岩层遭受破坏，断层和裂隙发育，泉水沿构造成串状出露，加上地下水对石灰岩的侵蚀作用及矿区大量抽取地下水，所以形成了地下河、溶洞、漏斗和孤峰等岩溶地形.

图1 基线布置示意图Fig.1 The baseline layout diagram

711矿开采三十多年，约有60 000 m3剥离的土石堆积于滑坡体一带，加大了负荷.随意堆积的废土和废石破坏了原始地貌与植被，阻滞了地面片流的速度，增强了片流的垂直入渗量，且垂直入渗的水遇到泥页岩变为沿基岩层的径流，浸泡残积层使之泥化和软化，从而减少了其摩擦角度与凝聚力，形成了软弱层，更容易导致滑坡的发生.

3.2 滑坡区的基线布设

根据FD-3017RaA测氡仪的工作原理，需要在滑坡地区布置观测基线，分别观测这些基线区域土壤中氡气的浓度.布线方式大多采用横向与纵向交叉，形成网格型区域，有利于全面测量土壤中氡的浓度.本次测试根据实际情况和测试目标，在滑坡的可能边界和剪出口位置重点布测，如图1所示.

本滑坡体内沿滑坡的走向共布置了5条横向基线，即Ⅰ～Ⅴ号；沿滑坡的倾向共布置了7条纵向基线，即1～7号；在滑坡后沿可能出现解体的位置，沿倾向布置了1条纵向基线.测点间距尽量按5 m布测，并考虑纵向控制和横向精测，在特殊地段加密或重复测量，以减少人为的误差.

3.3 数据处理及氡异常分析

本次实验共观测了856个测点，明显偏高的测点有258个，占30.2%;明显偏低的测点有123个，占14.5%.各测点的RaA脉冲值符合高斯分布.选择了210个测点的数据作为背景值的统计分析，氡平均值为82.3脉冲/2 min，方差为10.42.这和外围非滑坡区的背景值比较接近，所以认为选取的背景值样本统计计算结果是合理的.根据异常判别的一般原则及本滑坡区的实际情况，按下列阈值进行本次测氡的异常划分，如表1所示.

表1 测区氡异常划分标准Tab.1 The partition criterion of radon anomaly

3.3.1 滑坡中部基线的氡异常分析

滑坡体中部沿走向的5条基线都在120 m以上，共观测了二百多个数据.分析滑坡中部基线在相同时间和相同条件下的观测结果，将观测的数据分析并绘制成图，如图2所示.

从图2可以看出,这5条基线在1～4号点处的氡浓度相对较高，平均浓度为110脉冲/2 min，有些点高达160个脉冲，出现氡异常.结合滑坡地质图分析，1～4号点为基线西侧的起点，正好跨越了原滑坡滑动面的边界线，所以在此地层以下存在潜在的滑动面，地下的氡气通过潜在滑动面向上迁移，在附近形成氡的高浓度区，测孔接近滑动面区域，测得的氡浓度相对较高.

在5条基线的终点范围内氡浓度也相对较高，如Ⅰ号基线的19～22号测点、Ⅱ号基线的25～28号测点、Ⅲ号基线的30～30号测点、Ⅳ号基线的33～35号测点和Ⅴ号基线的38～40号测点，脉冲值均在160个左右.结合测区布线图可以看出，这5条基线氡的高浓度点均位于滑坡边界线附近，说明此处地层裂隙的开启性和贯通性好，地层深处的氡容易向上迁移和聚集.

3.3.2 滑坡剪出口基线的氡气监测分析

在滑坡剪出口处沿滑坡倾向布设了7条基线，长度均为50 m，测点从上到下布设，依次为1～10号，所测得的数据曲线如图3所示.

图2 相同条件下基线氡浓度分布Fig.2 Radon concentration distribution of baseline in the same condition

图3 倾向基线在相同条件下氡浓度值Fig.3 Radon concentration curve along incline baseline in the same condition

从图3可以看出,1号、2号、6号和7号等基线在5～7号测点范围氡浓度较高，达到120脉冲/2 min.将以上点连成曲线，对照滑坡地质图，正好和原滑坡剪出口重合.原滑坡经过治理以后没有出现滑坡现象，但是在长期的外界条件(自身的重力、雨水的冲积渗透等)影响下，原滑坡剪出口附近长期受到挤压造成滑坡内部应力发生变化，导致下滑力大于抗滑力，造成剪出口的裂隙增大，所以地层深处的氡通过这个裂隙向上迁移,聚集在地表以下形成了氡高浓度区域.

4 结论

根据氡浓度监测结果分析可以得知，此滑坡长期受到外界因素的影响造成内部应力发生变化，今后有可能再次发生滑坡，需要进一步采取加固措施.

氡气监测是一种行之有效的预测滑坡的工程方法，它通过监测氡气浓度异常值来真实反映地质缺陷体及滑坡剪出口等，进而判断滑坡发生的可能性，是一种有效的地质灾害勘查技术.

参考文献：

[1] 陈明东,王兰生.边坡变形破坏的灰色预报方法[C]∥全国第三次工程地质大会论文选集.成都：成都科技大学出版社，1988.

[2] 张倬元,黄润秋.岩体失稳前系统的线性和非线性状态及破坏时间预报的“黄金分割数”法[C]∥全国第三次工程地质大会论文选集.成都：成都科技大学出版社，1988.

[3] 李天斌,陈明东.滑坡时间预报的费尔哈斯反函数模型法[J].地质灾害与环境保护，1996，7(3):13-18.

[4] Li T B, Cheng M D. Time prediction of landslides using the verhulst inverse function modle[C]∥Proc.7th Intern Symp.On landslides.Rotterdam: AA Balkema Publishers，1996.

[5] 晏同珍.滑坡时间的预测预报[C]∥滑坡论文选集.成都：四川科学技术出版社，1989.

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[8] 刘华军,李天斌, 沈军辉,等.氡(RaA)测试技术在某岩质边坡卸荷深裂缝带研究中的应用[J].中国地质灾害与防治学报，2004，15(1):107-109.

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[11] 靳泽先.测氡(Rn)在滑坡预报方面的应用研究[J].中国地质灾害与防治学报，1996，7(4):8-14.

[12] 叶树林.放射性勘探方法圈定滑坡边界的机理及应用[J].中国地质灾害与防治学报，2000，11(3):86-88.

[13] 王卫,吴勇,刘华军，等. 测氡在滑坡中的应用[J].工程地质学报，2003，11(3)：307-310.

[14] 刘鸿福.氡及其子体运移的实验研究[J].太原理工大学学报，1998(2)：3-7.