山东省北长山岛海岸滑坡演化特征及成因机制

高伟，刘乐军，刘杰，徐元芹，李萍，李培英，徐广波

(1.国家海洋局第一海洋研究所 海洋沉积与环境地质国家海洋局重点实验室，山东 青岛 266061；2.青岛海洋科学与技术国家实验室 海洋地质过程与环境功能实验室，山东 青岛 266061；3.平邑县住房和城乡建设局，山东 平邑 273300)



山东省北长山岛海岸滑坡演化特征及成因机制

高伟1，2，刘乐军1，2，刘杰1，2，徐元芹1，2，李萍1，2，李培英1，2，徐广波3

(1.国家海洋局第一海洋研究所 海洋沉积与环境地质国家海洋局重点实验室，山东 青岛 266061；2.青岛海洋科学与技术国家实验室 海洋地质过程与环境功能实验室，山东 青岛 266061；3.平邑县住房和城乡建设局，山东 平邑 273300)

通过无人机航拍、探地雷达、三维激光扫描仪和位移传感器等技术手段建立的海岸滑坡周期性和实时性监测预警系统，获得了2012年3月至2014年9月的北长山岛海岸滑坡体监测数据。山东省北长山岛海岸滑坡位于长岛县山后村附近，因开山采石造成山体陡立形成临空危险面而处于极不稳定的状态，内部节理和裂隙及千枚岩层的存在是滑坡发生的主要内在因素，而人为采石和暴雨等极端条件是导致滑坡发生最重要的影响因素。山体呈现整体下滑而顶部向外拉张的趋势，累计滑动距离超过0.3 m，高程变化5.0～10.0 m，具有大雨大滑、小雨小滑的特点，其滑动距离与降雨量具有很强的正相关性，日降雨量大于80 mm时滑坡体失稳。自然因素与人为因素共同导致了北长山岛滑坡体的发生，其成因机制特别是极端天气条件下的演化特征研究对丰富和发展海岛滑坡地质灾害监测预警理论体系具有十分重要的意义。

北长山岛；海岸滑坡；监测预警

1　引言

海岛地质灾害系指对海岛人民生命财产造成直接损失，或对海岛地质、生态环境和地貌景观造成破坏，并影响海岛经济社会发展和间接造成损失的分布于岛陆、岛岸、环岛近岸海域的地质现象和地质作用[1]。随着沿海经济的快速发展和空间资源的日趋紧张，迅猛的海岛开发导致海岛地质灾害现象频发，不仅对海岛环境影响巨大，而且由于海岛环境相对孤立导致救灾十分困难，因此海岛地质灾害越来越引起人们的重视[2—6]。中国是亚洲乃至世界上滑坡灾害最为严重的地区之一且呈逐年加重的趋势[7—12]，海岛上的海岸滑坡也层出不穷。海岸滑坡是指坡度较陡的海岸岩土体在重力以及降水、地震、海浪和人为活动等作用下沿滑动面发生整体滑动的现象，与陆域滑坡相比海岸滑坡往往受到波浪、潮流等水动力条件的影响，而一旦发生滑塌则不仅能造成海岸后退，规模巨大的滑坡有时还会形成涌浪，致使岸边人民群众的生命财产受到破坏。我国海岛以基岩岛为主，2012年在我国82个典型海岛地质灾害普查中发现，滑坡灾害是最多的，其中的66个岛上共发现381处滑坡，且全部分布在基岩岛上[13]。虽然目前大陆上的滑坡地质灾害研究较为丰富，但是关于海岸滑坡特别是海岛滑坡的研究和关注度相对较少，监测技术手段也相对较为单一，较为缺乏海岛滑坡地质灾害成因机制及其影响因素的研究。因此，本文基于多种监测手段获取的滑坡体数据，对北长山岛海岸滑坡的成因机制和演化趋势进行分析，为进一步丰富海岛地质灾害理论和科学防灾减灾提供研究基础和理论支持。

2　数据来源和研究方法

本文依托海洋公益性行业专项课题“我国典型海岛地质灾害监测及预警示范研究”，建立了由实时性和周期性监测系统构成的北长山岛海岸滑坡监测与预警体系[14—15]。实时性监测系统采用恒张力位移传感器[16]和地表位移计测量滑坡体滑动速率通过中国移动实时传输到预警系统；周期性监测系统包含传统方式、探地雷达、无人机遥感、三维激光扫描和气象指标监测等方式，以2次/年为基本频率，暴雨期或滑动速率加剧期增加监测频次；数据处理采用ArcGIS、Geomagic等软件和ABAQUS有限元计算平台。自2012年3月监测体系建立以来，通过获取滑坡体内部结构和形态变化数据，结合气象指标等诱发因素，掌握了滑坡体的成因机制及发展趋势。

3　滑坡体演化特征

山东省北长山岛为基岩岛，石英砂岩丰富，岛上采石场非常发达[17]，原始落后的采石技术导致山体破裂十分严重，滑坡灾害频发，对人民财产安全和海岛旅游[18]造成严重威胁。该滑坡位于长岛县北长山岛东南部山后村附近(图1)，是自然因素与人为因素共同作用所造成的一个典型的岩质滑坡，滑坡区整体宽度约320 m，平均高度80 m，平均坡度60°。北长山岛滑坡体分为南北两个滑动区，北侧持续下滑，南侧变化幅度相对较小。北侧主滑坡体宽约100 m，高90 m，最大坡度为65°，2012年之前历史垂向滑动3.5 m，水平滑动约4.0 m。顶部岩体开裂，发育3组呈拉开状的平行于滑动面的主裂缝，最大拉开宽度达2.5 m；南侧滑坡体宽约80 m，高70 m，最大坡度为60°。

图1　山东省北长山岛海岸滑坡位置图Fig.1　Location of the study area in Beichangshan Island

3.1滑坡体区域高程变化

利用ArcGIS的空间减法分析功能，将北长山岛监测区域的2013年8月无人机反演获得的高程数据减去2012年6月无人机反演获得的高程数据进行空间网格差异分析，从而获得两期高程变化数据[19-20](图2)。分析表明，滑坡体高程变化明显，高程减小幅度在5.0～10.0 m的面积为1 326 m2，占统计区域的3.9%，主要分布在滑坡区北侧及南侧的部分区域，是原有完整山体被采挖后引起的；南部区域高程增大2.0～5.0 m，则是由于其周边山体开挖后碎石堆积引起；高程减小幅度在1.0～5.0 m的面积较大，占统计区域的27.5%。统计表明，滑坡体整体高程持续减小，部分区域由于碎石堆积呈现高程增加的现象。

图2　2012年6月到2013年8月北长山岛海岸滑坡三维高程变化分级图Fig.2　Map of the landslide 3D changes in elevation from June 2012 to August 2013 of the Beichangshan Island

整体而言，该区域的采石开挖土方导致的山体滑坡、崩塌灾害比较严重，特别是在北侧，其靠近山顶公路的部分边坡出现滑移迹象，形成了一个V形裂缝。图3和图4为该滑坡体不同时期的无人机三维图及实景图，从图中可明显看出V形裂缝，V形裂缝顶部的宽度可达3.0 m，深度达2.0 m，为滑坡体顶部持续拉张所形成。

图3　滑坡体不同时期的无人机遥感影像图Fig.3　Unmanned aerial vehicle remote sensing figures of the landslide at different stages

3.2滑坡体形态变化

滑坡体形态变化特征是判断滑坡体稳定性的重要指标。2012年6月、11月、2013年3月、8月和2014年6月，在宏观地质灾害监测基础上，采用影像全站仪和三维激光扫描仪对该滑坡体形态(图4)进行了5次周期性的监测并进行了数据分析和模型计算，详细分析了滑坡体不同时期的形态变化特征(图5)。

图4　北长山岛主滑坡体形态Fig.4　Main-landslide of the Beichangshan Island

图5　2012年6月至2014年6月北长山岛滑坡体形态变化特征Fig.5　Landslide evolution characteristic from June 2012 to June 2014 of Beichangshan Island

2012年6月至2012年11月，主滑坡体处于持续采石阶段，但岩体基本处于稳定状态。滑坡体形态变化幅度主要为-1.5～0 m，占总变化量的42%，下部碎石堆积最大挖取深度为10.0 m，岩壁凹洼处碎石滑落最大为5.0 m。根据三维模型计算结果，2012年6月和11月的选取范围总方量分别为141 516 m3和132 680 m3(参考面高度为10.0 m)；其上部选取范围总方量分别为37 878 m3和35 390 m3(参考面高度为40.0 m)。即总变化量为-8 836 m3，其中上部为-2 488 m3，下部为-6 348 m3。因此，2012年6-11月，主滑坡体变化特征主要为下部碎石堆积体的挖取造成上部碎石的持续滑落，而崖体则基本处于稳定状态。

2012年11月至2013年3月，鉴于该区域地质灾害较为严重，当地政府关闭了山后村采石场，但时有盗采现象发生。形态比较结果表明，主滑坡体基岩整体处于稳定状态，山体上碎石堆积增多，下部碎石堆积体仍处于开挖阶段。滑坡体形态变化幅度主要为0～1.5 m，占总变化量的68%。根据三维模型计算结果，2012年11月和2013年3月的选取范围总方量分别为132 680 m3和133 545 m3；其上部选取范围总方量分别为35 390 m3和36 684 m3。即总变化量为865 m3，其中上部为1 294 m3，下部为-429 m3。因此，2012年11月至2013年3月，主滑坡体处于稳定状态，变化特征主要是崩落碎石堆积于崖体，坡脚下碎石堆积体处于小规模开挖状态。

2013年3-8月，该期间长岛县遭受暴雨袭击，仅在7月份就有23天在降雨，极端天气造成滑坡体形态发生较大变化。形态比较结果表明，主滑坡体中部岩体崩塌滑落，上部岩体向外扩张，山体和坡脚处碎石堆积增多。滑坡体形态变化幅度主要为0～1.5 m，占总变化量的64%。其中崖体中部基岩崩塌厚度为1.0～2.0 m，上部岩体拉张宽度约1.0 m，碎石堆积厚度可达2.0 m以上(图6)。根据三维模型计算结果，2013年3月和8月的选取范围总方量分别为133 545 m3和134 938 m3；其上部选取范围总方量分别为36 684 m3和36 824 m3。即总变化量为1 393 m3，其中上部为140 m3，下部为1 253 m3。因此，2013年3-8月，受极端降雨条件影响，主滑坡体处于滑崩状态，变化特征主要是岩体上部持续向外扩张，中部岩体崩塌，下部碎石堆积。

图6　2013年3-8月滑坡体形态变化纵剖面图Fig.6　Longitudinal section evolution of landslide from March to August in 2013

图7　2012年6月至2014年6月滑坡体整体形态变化纵剖面图Fig.7　Longitudinal section evolution of landslide from June 2012 to June 2014

图8　滑坡体不同部位体积变化特征Fig.8　Volume fluctuations characteristics in different area of Beichangshan landslide

图9　北长山岛滑坡体岩层内部结构探地雷达监测图Fig.9　Internal structure monitoring chart of the landslide by ground penetrating radar

2013年8月至2014年6月，处于禁采期，但同时下部山体遭人为开采现象仍十分严重。滑坡体整体呈现缓慢下滑的趋势，形态变化幅度主要为-1.3～0.2 m，占总变化量的88%。根据三维模型计算结果，2013年8月和2014年6月的选取范围总方量分别为134 938 m3和131 470 m3；其上部选取范围总方量分别为36 824 m3和36 882 m3。即总变化量为-3 468 m3，其中上部为58 m3，下部为-3 526 m3。因此，2013年8月至2014年6月，滑坡体处于相对稳定的状态，但整体仍呈现缓慢下滑的趋势。

2012年6月至2014年6月，滑坡体的整体变化特征为主滑坡体总体变化幅度介于-4.0～0.5 m之间，主要变化幅度在-0.5～0.5 m之间；部分区域由于碎石开挖等可达10 m左右(图7)。滑坡体总体体积呈减小趋势(图8)，特别是2012年6-11月的采石期，采石量达到山体的6.2%。而进入禁采期之后，其上部体积处于逐渐增大的趋势，主要山体向外拉张的原因；而下部体积由于山体持续下滑和盗采的影响处于逐渐减少的趋势。其中2013年8月下部体积增大，主要是因为暴雨造成上部山体扩张加速，碎石大量滑塌形成。

4　海岸滑坡机制

根据对滑坡区地层内部构造和外部形态的监测数据，造成北长山岛滑坡地质灾害较为严重的主要因素包括岩体内部结构不稳定、人类采石活动和极端天气条件等3个因素。

4.1岩体内部结构不稳定

北长山岛滑坡体内部岩层结构采用瑞典MALA探地雷达进行探测[21]，并辅以岩石取样。结果表明，北长山岛以剥蚀山丘和海岸地貌为主要特征，丘陵和山脉多与地层走向一致。岛陆起伏较大，基岩裸露，主要由石英岩砂、板岩和千枚岩组成。该滑坡体的变形破坏受岩体结构控制，山体内节理和裂隙发育，岩体破碎较为严重，内部存在5～6条裂隙(图9)，宽度均超过0.2 m，最大宽度达0.7 m；而板岩和层状千枚岩为滑坡提供了极佳的滑动面，两者的共同作用成为导致滑坡发生的主要内在因素。

4.2不合理的采石方式

北长山岛海岸滑坡均位于采石场内，因采石活动形成临空面造成上部岩体失去支撑而产生滑坡或崩塌。当地的采石活动基本处于粗放式的无序开采状态，采用的亦是简单粗暴的采石方式。采石场“充分和合理”地掌握并利用了北长山岛基岩的岩体结构和岩体组成，在陡崖坡脚处向岩体内部开挖，节理和滑动面发育并较为破碎的上部岩体因失去支撑而崩塌滑落成碎石堆积后被采石场开挖(图10)，之后再在新的基岩面坡脚继续开挖，周而复始。采石活动“简单高效”，日均采石量达到3 000 m3，对山体稳定性造成了极大的破坏。特别是山后村采石场，岩层几乎垂直于地面，下部坡脚开挖后，岩层沿滑动面迅速滑塌，引起顶部和后部岩体破碎开裂，直接威胁山顶的风电机组及配套公路的安全。

图10　北长山岛不合理的采石方式Fig.10　Unreasonable quarry operation in Beichangshan Island

4.3强降雨对滑坡体的影响

北长山岛海岸滑坡速率由布设的10只恒张力位移传感器(A1～A10)进行实时监测，其中A5为中心监测剖面(图4)。北长山岛为北温带季风型大陆性气候，降水量季节分布明显，降水日数集中于7-8月份。监测期间，2012年7月长岛县的降雨量仅为150.0 mm，2013年7月份，平均降水量461.6 mm，为历年单月全市平均降水量最大值，2013年8月至2014年9月降雨量均相对较小。2012年7月该滑坡体变化特征主要为下部碎石堆积体的挖取造成上部碎石的持续滑落，而崖体则基本处于稳定状态。2013年7月份的持续降雨导致滑坡体扩张速率加大，其中，7月9-13日降雨量244.5 mm，导致滑坡滑动55.0 mm；18-23日，降雨量103.7 mm，滑动62.9 mm。监测数据表明，滑坡滑动距离与当地的降雨量有着很强的正相关性(图11)，即正常条件下，山后村滑坡处于滑动的临界状态，在暴雨等极端条件下处于滑动状态，属于小雨小滑、大雨大滑，直至结束的状态[22—24]。因此，在禁止采石活动后，强降雨成为滑坡发生的主要影响因素，而通过有限元模型计算可以获得该滑坡体滑动的降雨量预警值。

图11　2013年7月滑坡体滑动距离与降雨量关系图Fig.11　Relationship between sliding distance and rainfall at July， 2013

通过现场调查岩体的完整程度、结构面产状与结合程度，收集相关的地形地貌、地质剖面、岩体力学参数等资料，以ABAQUS为计算平台[25]建立典型剖面的滑坡体有限元分析模型(图12)，以有限元软件的静力分析不收敛作为边坡整体失稳的标准，利用有限元强度折减法计算不同剖面的稳定性安全系数[26—27]，主要计算公式如下：

图12　基于中心剖面(A5)建立的滑坡体有限元模型Fig.12　Finite element model based on the central section (A5)

通过对2013年7月11至8月10日期间日降雨量与监测位移的统计分析，可初步建立日降雨量与日位移增量的对应关系，基于得到的两个对应关系，即以监测位移统计为依据的日降雨量与日位移增量关系和以有限元计算结果为依据的折减系数与位移关系，以位移为中间变量，把日降雨量引起的滑坡位移增量等同于因滑坡强度参数降低引起的位移增量，找到对应的折减系数，从而建立了日降雨量与滑坡强度等效折减系数的对应关系(表1)。

表1　基于位移等效的日降雨量与等效折减系数及安全系数的对应关系

表1中的日降雨量与滑坡强度折减系数的对应关系是一种基于位移等效的对应关系，即日降雨量对滑坡位移的综合影响用滑坡强度参数的折减来代替，不同的折减系数等效对应不同的日降雨量，把每一个折减系数对原始强度参数(表2)进行折减，更新参数，其他参数与有限元计算模型不变，提交ABAQUS进行有限元强度折减计算。以等效折减系数1.79为例，即当日降雨量达32 mm时，按计算不收敛判据得到的滑坡安全系数Fs=1.19，安全系数大于1，滑坡是稳定的(图13，图14)。对表1中的每一个等效折减系数都进行上述的计算过程，得到不同日降雨量与滑坡稳定安全系数的关系：即随着日降雨量的增加，滑坡的安全系数逐渐减小。在日降雨量0～22 mm范围内，安全系数对降雨比较敏感，安全系数降低较快；当日降雨量大于22 mm，安全系数对降雨量反馈较慢，安全系数降低缓慢；当日降雨量达到22 mm时，安全系数已降为1.25；当日降雨量达到80 mm时，安全系数已降为1.05，此时滑坡已接近失稳。

表2　计算采用的初始岩体物理力学参数

图13　日降雨量32 mm时中心剖面在计算不收敛(Fs=1.19)时的总位移分布图Fig.13　Displacement distribution when the calculation does not converge (Fs=1.19) of daily rainfall 32 mm

图14　日降雨量32 mm时中心剖面在计算不收敛(Fs=1.19)时的最大主应力分布图Fig.14　Maximum principal stress distribution when the calculation does not converge (Fs=1.19) of daily rainfall 32 mm

综上所述，北长山岛海岸滑坡在无降雨、坡脚开挖等诱发因素下，滑坡体稳定安全系数均大于2.1，滑坡体相对稳定。在无序的采石活动得到有效遏制后，降雨成为促使滑坡体位移增加甚至失稳的主要因素。依据计算结果与分析，在日降雨量0～22 mm范围内，安全系数对降雨比较敏感，安全系数降低较快；当日降雨量大于22 mm，安全系数对降雨量反馈较慢，安全系数降低缓慢，当日降雨量大于80 mm时滑坡体会发生失稳。目前滑坡体顶部拉张形成的松散岩体已经处于持续下滑的状态，如无科学规划和采取防治措施，该滑坡体整体下滑的趋势将越来越明显。

5　结论

(1)北长山岛海岸滑坡为岩质滑坡，其变形破坏受岩体结构控制，属于极不稳定的滑坡体。滑坡体处于持续滑坡状态，总体表现为上部拉张，中部崩塌，下部下滑，滑坡体高程持续减小，部分区域由于碎石堆积高程有所增大。内部节理和裂隙及千枚岩层的存在是滑坡的主要内在因素，而人为采石和暴雨等极端条件是导致滑坡发生最重要的影响因素。其中滑动距离与当地的降雨量有着很强的正相关性，具有大雨大滑、小雨小滑的特点。

(2)滑坡体总体体积呈减小趋势。2012年6-11月的采石期，采石量达到山体的6.2%，高程变化达5.0～10.0 m，采石活动成为影响滑坡体稳定的重要因素；在禁止采石后，强降雨成为滑坡体滑动的主要诱发因素；2013年7月暴雨期造成滑坡体快速下滑，根据有限元计算分析表明，在日降雨量0～22 mm范围内，安全系数对降雨比较敏感，安全系数降低较快；当日降雨量大于22 mm，安全系数对降雨量反馈较慢，安全系数降低缓慢，当日降雨量大于80 mm时滑坡体会发生失稳。

(3)北长山岛海岸滑坡在传统地质监测方法的基础上，采用位移传感器、无人机遥感、三维激光扫描、探地雷达和气象指标监测等多学科多技术手段建立的实时性和周期性监测体系，可有效的应用于监测滑坡体形态变化特征及演化规律。

(4)海岸滑坡对海洋生态环境和海岛安全造成严重的影响，因此加强滑坡体的监测与预警，合理规划采石活动，加强滑坡体的防治与治理。对采石活动影响的山体需要科学研究和及时预判，提前制定防治计划，防患于未然。对于已经发生的滑坡体，应制定治理计划和实施方案，通过修建排水措施或者护坡等加固工程来治理滑坡带来的危害。

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Formation mechanism and evolution of Beichangshan Island coast landslide in Shandong Province

Gao Wei1，2， Liu Lejun1，2， Liu Jie1，2， Xu Yuanqin1，2，Li Ping1，2，Li Peiying1，2， Xu Guangbo3

(1.KeyLaboratoryofMarineSedimentologyandEnvironmentalGeology，FirstInstituteofOceanography，StateOceanicAdministration，Qingdao266061，China; 2.LaboratoryforMarineGeology，QingdaoNationalLaboratoryforMarineScienceandTechnology，Qingdao266061，China; 3.HousingandUrbanandRuralConstructionBureau，Pingyi273300，China)

In this paper，the monitoring data of Beichangshan Island coast landslide from March 2012 are obtained from the periodical and real time monitoring and warning system， which was established combining techniques such as unmanned aerial vehicle remote sensing， ground penetrating radar， 3D laser scanner and displacement sensors. Beichangshan Island coastal landslide is located near Shanhou Village， Changdao County， Shandong Province. It is extremely unstable due to the steep quarry face formed by unreasonable operation. The existence of joints and cracks as well as phyllite strata is the main internal factor of the landslide. And the main external factor is extreme conditions such as artificially quarrying and heavy rains. The mountain body tends to downslide on the whole， with the top showing a tensional outward trend. The cumulative sliding distance is more than 30 cm and the change of altitude is about 5-10 cm. The sliding distance has a strong positive correlation with the precipitation (i.e. a large sliding during heavy rain and a minor sliding during a light rain). The landslide might be unstable when the daily rainfall is over 80 mm. Natural factors and human factors both lead to the occurrence of the Beichangshan Island landslide， which makes the island landslide study of great importance．

Beichangshan Island; coast landslide; monitoring and forewarning

2015-11-26；

2016-05-10。

国家自然科学基金(41206054)；我国典型海岛地质灾害监测及预警示范研究(201005010)；国家基金委-山东省联合基金项目(U1606401)。

高伟(1983—)，男，山东省阳信县人，副研究员，主要从事海洋地质与灾害地质研究。E-mail：gaoweigeo@fio.org.cn

P642.22

A

0253-4193(2016)09-0100-10