以張臺(tái)鐵路為例談線(xiàn)狀工程地質(zhì)災(zāi)害成因

朱慈廣 何曉磊

(1.山西省地質(zhì)工程勘察院，山西 太原 030024； 2.山西省國(guó)土資源學(xué)校，山西 晉中 030620)

以張臺(tái)鐵路為例談線(xiàn)狀工程地質(zhì)災(zāi)害成因

朱慈廣1何曉磊2

(1.山西省地質(zhì)工程勘察院，山西 太原 030024； 2.山西省國(guó)土資源學(xué)校，山西 晉中 030620)

通過(guò)野外調(diào)查和室內(nèi)資料整理，概述了張臺(tái)鐵路沿線(xiàn)的地質(zhì)環(huán)境背景和地質(zhì)災(zāi)害類(lèi)型與特征，利用工程地質(zhì)測(cè)繪、經(jīng)驗(yàn)類(lèi)比以及統(tǒng)計(jì)學(xué)的方法和手段，對(duì)張臺(tái)沿線(xiàn)的各種地質(zhì)災(zāi)害的成因進(jìn)行了分析，結(jié)果表明，災(zāi)害的發(fā)生受地形地貌、巖性結(jié)構(gòu)、水及人類(lèi)工程活動(dòng)的共同影響。

鐵路，線(xiàn)狀工程，地質(zhì)災(zāi)害，成因

研究區(qū)內(nèi)，鄉(xiāng)寧煤田是河?xùn)|煤田的重要組成部分，是我國(guó)三大優(yōu)質(zhì)主焦煤基地之一，是冶金工業(yè)急需的優(yōu)質(zhì)強(qiáng)粘結(jié)主焦煤，張禮至臺(tái)頭地方鐵路的修建對(duì)煤炭的外運(yùn)具有非常重要的意義，而對(duì)張臺(tái)地方鐵路沿線(xiàn)地質(zhì)災(zāi)害的研究也意義重大。此外，張臺(tái)鐵路沿線(xiàn)的地質(zhì)災(zāi)害還對(duì)周?chē)幼〉木用竦纳?cái)產(chǎn)造成了嚴(yán)重的威脅。為此，論文在對(duì)鐵路沿線(xiàn)的各種地質(zhì)災(zāi)害進(jìn)行地質(zhì)調(diào)查與詳盡分析的基礎(chǔ)上，利用工程地質(zhì)測(cè)繪、歷史經(jīng)驗(yàn)類(lèi)比和統(tǒng)計(jì)學(xué)的方法與手段，分析了沿線(xiàn)各種地質(zhì)災(zāi)害的成因。這些研究不僅為防災(zāi)減災(zāi)和災(zāi)害治理提供參考，還為相關(guān)類(lèi)型的地質(zhì)災(zāi)害形成機(jī)理分析提供理論參考。

1 工程概況

張臺(tái)鐵路即張禮至臺(tái)頭地方鐵路。張臺(tái)線(xiàn)位于山西省中南部臨汾，總體呈東西向展布，地理坐標(biāo)介于N35°56′25″～36°04′28″和E111°6′15″～111°29′20″之間[1]。研究區(qū)地處臨汾市的堯都區(qū)、襄汾縣和鄉(xiāng)寧縣境內(nèi)。線(xiàn)路自南同蒲鐵路張禮車(chē)站北端接軌引出，向西跨汾河，經(jīng)浪泉、梁段、光華至臺(tái)頭，線(xiàn)路全長(zhǎng)61.236 km,見(jiàn)圖1。

研究區(qū)地處中緯度的內(nèi)陸黃土高原，屬典型暖溫帶大陸性半干旱氣候，四季分明，春季干旱多風(fēng)，夏季炎熱多雨，秋季涼爽易澇，冬季寒冷少雪。多年(1951年～2001年)平均降水量487 mm～546.6 mm。研究區(qū)按照成因及形態(tài)可分為侵蝕堆積河谷階地區(qū)、山前沖洪積傾斜平原區(qū)、構(gòu)造剝蝕低山～低中山區(qū)、山間河谷區(qū)四個(gè)地貌單元。

研究區(qū)地層主要出露奧陶、石炭及第四系地層。奧陶系主要出露奧陶系下統(tǒng)(O1)和奧陶系中統(tǒng)(O2)，而奧陶系中統(tǒng)(O2)表現(xiàn)為下馬家溝組(O2x)和上馬家溝組(O2S)。巖性以白云巖、白云質(zhì)灰?guī)r、白云質(zhì)泥巖、鈣質(zhì)頁(yè)巖和泥灰?guī)r為主。石炭系在研究區(qū)主要出露中統(tǒng)本溪組(C2b)和上統(tǒng)太原組(C3t)。巖性主要為鋁土巖、耐火粘土巖、粘土質(zhì)頁(yè)巖、砂巖、碳質(zhì)頁(yè)巖夾煤層、泥巖、煤線(xiàn)，此外有山西式鐵礦分布。第四系在擬建線(xiàn)路沿線(xiàn)分布較廣，可分為上更新統(tǒng)(Q3)及全新統(tǒng)(Q4)。巖性多以砂土、粘土、礫石層為主，可見(jiàn)鈣質(zhì)結(jié)核出露。

研究區(qū)位于祁連山呂梁山山前東翼和新構(gòu)造體系的復(fù)合部位，東西橫跨臨汾斷陷盆地和呂梁山單斜兩個(gè)構(gòu)造單元。研究區(qū)主要斷層構(gòu)造為：F1(羅云山—龍祠斷層)，F(xiàn)2(石灰窯斷層)，F(xiàn)3(臺(tái)頭東斷層)。本區(qū)新構(gòu)造活動(dòng)強(qiáng)烈，形跡明顯，如圖2所示。

研究區(qū)所處臨汾盆地位于山西斷陷帶西側(cè)，地震活動(dòng)強(qiáng)度很大，頻率較高，震源淺。破壞性地震多為主震余震型，小震多屬震群型或單個(gè)突發(fā)型，震源深度在剖面上多呈層狀，多數(shù)地震的震源在14 km～20 km之間。

根據(jù)研究區(qū)含水介質(zhì)特征、地下水賦存條件以及水理性質(zhì)，張臺(tái)鐵路沿線(xiàn)地下水類(lèi)型可分為：松散巖類(lèi)孔隙水、碎屑巖類(lèi)裂隙水、碳酸鹽巖類(lèi)裂隙巖溶水三種。

研究區(qū)內(nèi)的堯都區(qū)煤層現(xiàn)尚未被開(kāi)采；襄汾、鄉(xiāng)寧兩縣下伏無(wú)煤層儲(chǔ)存。鐵路沿線(xiàn)的三個(gè)小型采石場(chǎng)(襄汾縣薛村附近)，開(kāi)采活動(dòng)微弱。其他人類(lèi)工程活動(dòng)主要為修路，多沿溝依坡而建，存在不同程度的開(kāi)挖、削坡等情況，在邊坡處理不當(dāng)?shù)那闆r下，易產(chǎn)生滑坡、崩塌等地質(zhì)災(zāi)害。

2 地質(zhì)災(zāi)害類(lèi)型與特征

擬建地方鐵路穿越侵蝕堆積河谷階地區(qū)、沖洪積傾斜平原區(qū)、構(gòu)造剝蝕低山～低中山區(qū)、山間河谷區(qū)四個(gè)地貌單元。

研究區(qū)現(xiàn)狀條件下地質(zhì)災(zāi)害為滑坡、崩塌及潛在崩塌、泥石流，集中發(fā)育于構(gòu)造剝蝕低山～低中山區(qū)。沿線(xiàn)下伏煤層沒(méi)有被開(kāi)采或沒(méi)有煤層儲(chǔ)存，沒(méi)有采空區(qū)及采空形成的采空塌陷、地裂縫地質(zhì)災(zāi)害。

野外調(diào)查發(fā)現(xiàn)崩塌計(jì)4處，潛在崩塌18處、滑坡1處，泥石流支溝3條。地質(zhì)災(zāi)害的分布受地形地貌、巖土體性質(zhì)、結(jié)構(gòu)構(gòu)造、地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育程度等控制，其發(fā)生與降水(特別是豐水年暴雨、連續(xù)降雨)和人類(lèi)工程活動(dòng)、地下水活動(dòng)等因素密切相關(guān)。故地質(zhì)災(zāi)害具有條帶狀、群發(fā)性、突發(fā)性、繼發(fā)性以及周期性等特征[2-6]。

研究區(qū)現(xiàn)狀條件下各類(lèi)地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)從規(guī)模上多以小型、中型為主(見(jiàn)表1)；穩(wěn)定性為不穩(wěn)定。

表1 常見(jiàn)地質(zhì)災(zāi)害災(zāi)變等級(jí)分級(jí)表 104 m3

3 地質(zhì)災(zāi)害成因

該研究區(qū)發(fā)育的地質(zhì)災(zāi)害主要是滑坡、崩塌、泥石流、巖溶塌陷和地面沉降，對(duì)其成因[7- 9]現(xiàn)分述如下。

3.1 滑坡

1)發(fā)育特征。

本次調(diào)查在擬建地方鐵路沿線(xiàn)建設(shè)用地研究區(qū)內(nèi)發(fā)現(xiàn)1處滑坡H1。H1滑坡分布于擬建地方鐵路CK57+950北220 m、后高家河村西北、襄臺(tái)公路、豁都峪河北的山坡上，與擬建鐵路隔河相望，見(jiàn)圖3。

H1滑坡屬基巖滑坡，滑坡體巖性為中奧陶(O2)中厚層灰?guī)r、薄板狀泥灰?guī)r。按照結(jié)構(gòu)分類(lèi)為切層滑坡，巖層走向N65°，傾向N155°,傾角5°。山坡坡向N190°?；瑒?dòng)面的傾角約70°，大于巖層傾角?；麦w呈臺(tái)階狀，前緣陡立高度3.3 m，并有水滲出。后緣陡壁、有拉張裂縫，高度13 m左右，呈圈椅狀地形；滑坡高20 m，長(zhǎng)93 m,厚4.2 m,為淺層滑坡。體積7 812 m3，為小型滑坡。該滑坡始發(fā)于1998年5月。

2)形成機(jī)制分析。

a.地形地貌：地形地貌是滑坡形成的主要條件。H1滑坡發(fā)育在斜坡地段，公路修筑時(shí)開(kāi)挖坡腳形成陡峭邊坡，滑動(dòng)前坡度80°左右，現(xiàn)狀條件下坡度70°左右，前緣臨空；兩側(cè)沖發(fā)育溝使坡體凸出，增大臨空面的同時(shí)減小側(cè)向阻力。山高坡陡溝深，雨季溝谷流水侵蝕切割坡腳，增大了坡體下部的臨空面，導(dǎo)致坡體內(nèi)應(yīng)力重新分布，坡體下部支撐力減小，易在重力作用下形成滑坡。

b.巖性特征：H1滑坡為巖質(zhì)滑坡，巖性為灰?guī)r、泥灰?guī)r，風(fēng)化強(qiáng)烈，裂隙發(fā)育，為降水提供入滲通道和儲(chǔ)存空間。泥灰?guī)r、灰?guī)r在雨水作用下容易溶蝕，進(jìn)一步使裂隙貫通發(fā)展成為滑移面，形成滑坡。

c.水的作用：水是誘發(fā)滑坡最活躍的因素。包括大氣降水入滲、地表水的下滲和沖蝕(特別是洪水沖蝕)、地下水的滲透作用等。降水入滲能浸潤(rùn)接觸面(滑面)，減小抗剪阻力；地表水的側(cè)蝕和下蝕造成坡體前緣、側(cè)緣臨空；地下水對(duì)灰?guī)r的長(zhǎng)期溶蝕，均對(duì)滑坡的發(fā)生起重要作用。特別是雨季連續(xù)降水或暴雨的情況下，H1滑坡發(fā)生的可能性更大。

d.人類(lèi)工程活動(dòng)影響，山前開(kāi)挖邊坡修筑公路，使山坡斜坡變陡、前緣臨空，為坡體失穩(wěn)創(chuàng)造了地形條件。

3)穩(wěn)定性分析。

經(jīng)定性分析認(rèn)為，H1滑坡目前處于不穩(wěn)定狀態(tài)。其原因?yàn)樾逼虑熬壿^陡，坡度70°左右，臨空高差大，且有水滲出。后緣陡壁、有拉張裂縫。經(jīng)計(jì)算，該滑坡目前穩(wěn)定性較差。

3.2 崩塌及潛在崩塌

1)發(fā)育特征。

擬建地方鐵路有2/3線(xiàn)在構(gòu)造剝蝕低山～低中山區(qū)沿山坡中下部布設(shè)。該區(qū)邊坡巖性主要為灰?guī)r、泥灰?guī)r、白云巖，部分粘土、亞粘土?；?guī)r、白云巖、泥灰?guī)r抗溶蝕能力差，裸露的坡體表層為一層厚度3 m～4 m的風(fēng)化殼。井頭至佛兒崖(C12K19+500～C12K30+500)受F1斷層影響、東寬水—臺(tái)頭(C12K39+500～CK58+100)受次級(jí)小斷層及F2斷層影響，風(fēng)化程度強(qiáng)烈,巖石破碎，裂隙密集，風(fēng)化層厚約4 m。佛兒崖—東寬水(C12K30+500～C12K39+500)風(fēng)化程度中等,巖石較破碎，風(fēng)化層厚約3 m。且線(xiàn)路穿越的溝谷多為“V”形谷，由于洪水的沖刷，邊坡坡度較陡，穩(wěn)定程度較差，崩塌及潛在崩塌較發(fā)育，見(jiàn)圖4。

野外調(diào)查中，研究區(qū)發(fā)現(xiàn)有22個(gè)段陡立邊坡，其中有4處崩塌，18處潛在崩塌，主要與線(xiàn)路斜交或直交。4處崩塌全部為小型；18處潛在崩塌中，5處小型，13處中型。

2)形成機(jī)制分析。

a.地形地貌：陡坡地貌是崩塌發(fā)生的必備條件。沿線(xiàn)陡立邊坡一般坡度60°～82°，前緣一般為溝谷，有水流掏蝕坡腳或人工切坡，有利于崩塌形成。

b.結(jié)構(gòu)構(gòu)造：構(gòu)造使該區(qū)巖石節(jié)理裂隙發(fā)育，將完整巖土體分割成柱狀、棱角狀、塊體，降低巖體間結(jié)合力，巖層傾向與斜坡傾向一致或相近，尤其是該區(qū)巖層傾角小于斜坡坡角，為易滑組合，增加了邊坡失穩(wěn)的可能性。

c.巖性特征：垂直節(jié)理發(fā)育的黃土及軟硬相間的灰?guī)r、泥灰?guī)r、白云巖由于差異風(fēng)化，在岸坡地段軟弱泥灰?guī)r風(fēng)化強(qiáng)烈往往形成巖腔，其上較堅(jiān)硬灰?guī)r在重力作用下易于失穩(wěn)。

d.降水入滲：降水是崩塌主要誘因之一。一方面沖刷巖體，另一方面大量入滲，在增大巖土體重量的同時(shí)對(duì)結(jié)構(gòu)面起到潤(rùn)滑作用，降低其結(jié)合力，易導(dǎo)致崩塌發(fā)生。

e.長(zhǎng)期風(fēng)化凍融等作用：包括風(fēng)化、凍融和植物根劈作用等，使巖土體分裂、破碎，在地形有利地段易發(fā)生散落、掉塊，特別是垂直節(jié)理發(fā)育的黃土體受熱脹冷縮作用，在春季解凍期極易發(fā)生崩塌。

3)穩(wěn)定性分析。

通過(guò)對(duì)各崩塌的發(fā)育特征和形成機(jī)制、誘發(fā)因素等的分析及穩(wěn)定性驗(yàn)算，目前研究區(qū)22個(gè)陡立邊坡全部處于不穩(wěn)定狀態(tài)。

3.3 泥石流

擬建地方鐵路沿線(xiàn)主要穿過(guò)汾河，沿豁都峪河兩大河流。調(diào)查發(fā)現(xiàn)，汾河、豁都峪河河谷寬闊(見(jiàn)圖5，圖6)，河谷內(nèi)主要巖性為砂、礫石、亞砂土類(lèi)，尚未發(fā)生大的泥石流災(zāi)害。

擬建鐵路沿線(xiàn)小型支溝眾多。其中，有3條支溝為小型泥石流溝谷。分布于襄汾薛村、景村及黃崖村西溝谷中，該段處于構(gòu)造剝蝕低山～中低山地貌。這些支溝溝域內(nèi)，邊坡出露主要巖性為奧陶系灰?guī)r、白云巖，溝口山坡上覆蓋薄層第四系上更新新統(tǒng)亞粘土、亞砂土；溝域內(nèi)林地面積為65%～75%；現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查這些支溝溝口處，分布有堆積物，為第四系全新統(tǒng)礫石、砂、亞砂土，但這些堆積物規(guī)模較小，約150 m3～270 m3，表明這些溝谷歷史上發(fā)生過(guò)規(guī)模較小的泥石流。

研究區(qū)泥石流為溝谷型泥石流，按規(guī)模劃分為小型，從物質(zhì)組成看為水石流。泥石流發(fā)生的內(nèi)在因素為巖性差異及差異風(fēng)化，而誘發(fā)因素為降雨，尤其是夏秋季節(jié)高強(qiáng)度持續(xù)的降水。

3.4 巖溶塌陷

研究區(qū)地表分布奧陶系中統(tǒng)上馬家溝組(O2S)中厚層狀灰?guī)r。據(jù)調(diào)查，沿線(xiàn)尤其是C12K2+500～C12K4+700段，小型巖溶發(fā)育，巖溶類(lèi)型主要為溶洞、溶孔、溶隙等，直徑可達(dá)0.5 m～3 m，巖溶內(nèi)無(wú)充填物，連通性較好，洞身沿節(jié)理、裂隙發(fā)育，是地下水沿裂隙下滲溶蝕及地表水侵蝕聯(lián)合作用的結(jié)果，發(fā)育程度為小～中等。發(fā)育位置多在地表及側(cè)壁陡坎處。地表巖溶塌陷不明顯，未見(jiàn)大的巖溶塌陷坑。據(jù)鉆孔揭露，深埋區(qū)灰?guī)r裂隙溶隙均不發(fā)育。泥灰?guī)r巖層中未見(jiàn)異常，表明該地段除局部地段巖溶發(fā)育外，整體上巖溶不甚發(fā)育。

研究區(qū)巖溶塌陷的發(fā)育主要受巖體結(jié)構(gòu)影響，灰?guī)r內(nèi)發(fā)育的孔隙、裂隙以及節(jié)理等等地下水通道是該種地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育的主要原因。

3.5 地面沉降

研究區(qū)地面沉降與新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)和地下水位下降相關(guān)。本區(qū)新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)使得臨汾盆地的整體沉降速率達(dá)到0.4 mm/年。但臨汾市中心年地面沉降速率卻為10 mm/年，遠(yuǎn)大于盆地整體沉降速率。臨汾市地面沉降主要由淺層地下水位下降引起。

臨汾市地面沉降中心位于臨汾市區(qū)中心，1978年～2002年累計(jì)最大沉降量為24 cm，年沉降速率為10 mm/年。臨汾市區(qū)中心為地下水降落漏斗中心，1978年～2002年累計(jì)最大80 m，年沉降速率為3.3 m/年。地面沉降量與地下水位下降在時(shí)間上和空間上都存在著明顯的對(duì)應(yīng)關(guān)系，地下水水位下降是導(dǎo)致地面沉降必然的結(jié)果，地面沉降是引起地面變形的主要因素。

線(xiàn)路附近堯廟鄉(xiāng)大韓村1996年地下水位開(kāi)始下降，并與臨汾地下水降落漏斗連接起來(lái)，成為臨汾地下水降落漏斗邊緣。該處有一第四系松散層孔隙水井，井深110 m，1996年～2007年總下降8 m。

按照降落漏斗中心的地面沉降量與地下水降深對(duì)應(yīng)關(guān)系計(jì)算，大韓村年沉降速率為2.2 mm/年，多年地面沉降總量2.4 cm。向西、東方向，無(wú)水源地，地下水位逐漸變淺，地面沉降也相應(yīng)減小，到神劉村、郡里減少為零。

4 結(jié)語(yǔ)

1)研究區(qū)地質(zhì)災(zāi)害的類(lèi)型主要為滑坡、崩塌、泥石流、巖溶塌陷以及地面沉降等五類(lèi)。

2)滑坡災(zāi)害的發(fā)生受地形地貌、巖性結(jié)構(gòu)、水及人類(lèi)工程活動(dòng)的共同影響，其中水是最活躍的因素；崩塌及潛在崩塌災(zāi)害的發(fā)生是地形地貌、結(jié)構(gòu)構(gòu)造、巖性特征、水、風(fēng)化凍融等因素共同作用的結(jié)果，其中結(jié)構(gòu)構(gòu)造和風(fēng)化凍融的影響較大；泥石流規(guī)模較小，其發(fā)生是巖性差異和差異風(fēng)化，以及水的誘發(fā)的共同作用；巖溶塌陷發(fā)生的主要因素是地下水通道的發(fā)育，比如裂隙和孔隙；地面沉降是區(qū)域新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的垂直升降和人類(lèi)抽采地下水的結(jié)果。

3)本文在論述張臺(tái)沿線(xiàn)地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生原因時(shí)，主要從宏觀入手，缺少微觀角度的探討，這是下一步的研究方向。

[1] 朱慈廣，王東桃，張文華.張禮至臺(tái)頭地方鐵路工程地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)估報(bào)告[R].太原：山西省地質(zhì)工程勘察院，2009.

[2] 何曉磊.西安市灞河左岸滑坡形成機(jī)理研究——以成東坡滑坡為例[D].武漢：中國(guó)地質(zhì)大學(xué)碩士學(xué)位論文，2014.

[3] 何曉磊，張 彬，王 濤，等.大通縣韓家山滑坡發(fā)育特征及成因機(jī)制研究[J].干旱區(qū)資源與環(huán)境，2014(10)：169-175.

[4] 辛 鵬，吳樹(shù)仁，何曉磊，等.陜西寶雞北坡蔡家坡工程滑坡活動(dòng)強(qiáng)度評(píng)估[J].地質(zhì)通報(bào)，2013,12(32)：35-44.

[5] 朱慈廣，何曉磊，石菊松.基于物質(zhì)組成對(duì)比的滑坡形成機(jī)制研究[J].山西建筑，2014，40(29)：68-70.

[6] 辛 鵬，吳樹(shù)仁，石菊松，等.基于降雨響應(yīng)的黃土丘陵區(qū)滑坡危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)研究——以寶雞市麟游縣為例[J].地球?qū)W報(bào)，2012,20(4)：349-359.

[7] 張 彬，李亞玲，慎乃齊，等.三峽庫(kù)區(qū)鳳城危巖穩(wěn)定性評(píng)價(jià)與防治對(duì)策研究[J].地學(xué)前緣，2009,16(6)：113-118.

[8] 辛 鵬.陜西省麟游縣地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)[D].武漢：中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院碩士學(xué)位論文,2010.

[9] 辛 鵬.陜西寶雞市渭河北岸大型黃土滑坡形成機(jī)理與危險(xiǎn)性評(píng)估[D].武漢：中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院博士學(xué)位論文,2013.

The cause of geological disasters in linear engineering with example of Zhang-Tai railway

ZHU Ci-guang1HE Xiao-lei2

(1.Geological Engineering Investigation Institute of Shanxi Province, Taiyuan 030024, China;2.Shanxi School of Land and Resources, Jinzhong 030620， China)

Through field investigation and indoor data compilation, author overviewed the environmental geology background, the type and characteristics of geological hazards along the Zhang-Tai railway, and performed an analysis of the cause of geological disasters in linear engineering. Which using a combination methods of engineering geological mapping, experience analogy, and statistics. The results showed that the occurrence of disasters was affected by topography, rock structures, water and human engineering activities.

railway, line engineering, geological disasters, causes

1009-6825(2014)31-0098-03

2014-08-28

朱慈廣(1961- )，男，工程師； 何曉磊(1986- )，男，講師

P694

A