陜西省吳起縣斜坡幾何形態(tài)與地質災害相關性研究*

姜建偉，趙法鎖，?？∪A，祝艷波

(長安大學 地質工程與測繪學院，陜西 西安 710054)

吳起縣地理位置在延安市西北部，是延安市地質災害最為嚴重的縣之一[1]。其自然條件差，防災設施不完善，滑坡、崩塌災害屢屢發(fā)生，給當地居民造成了巨大的生命財產損失[2-3]。斜坡幾何形態(tài)在一定程度上控制著地質災害的發(fā)生，國內外在這方面做過許多研究工作。Brabb計算各影響因素在已經發(fā)生滑坡中所占的比例，得出坡度是影響滑坡發(fā)生的主要因素之一[4]。Mark分析了地形與淺層滑坡災害發(fā)生概率的關系，得出陡峭的地形處更易發(fā)生滑坡[5]。Carrara等以GIS技術為平臺，統(tǒng)計分析了許多因素對系列滑坡的影響[6]。Larsen和Torres-Sanchez研究了PuertoRico三個區(qū)域地形因子與滑坡災害概率的關系，得出高程在300 m以上，坡度大于12°的北東向斜坡易發(fā)生滑坡[7]。戴福初、李軍用GIS研究香港大嶼山滑坡，得出坡度在20°以上，坡高在100～500 m的南坡，滑坡發(fā)生的概率更大[8]。S.Lee等[9-10]把RS和GIS相結合，研究不同因子影響滑坡發(fā)生概率的大小。白世彪等根據三峽大壩水庫的DEM圖，提取斜坡的坡高、坡向和坡度等因子，統(tǒng)計分析了這些因子與滑坡發(fā)生的相關性[11]。張茂省分析了延安市寶塔區(qū)斜坡因子坡高、坡度、坡向和坡型對地質災害的影響[12]。王萌和喬建平以GIS技術為平臺，反演計算出斜坡的坡高、坡型、坡向和坡度等對滑坡的權重和貢獻[13]。張國平等計算出了滑坡在斜坡坡高、坡型、坡向和坡度等地形因子下占的比例，分析了滑坡與這些因子的關系[14]。

綜上，國內外對于這方面采用不同的研究方法來研究不同的地區(qū)，研究結果具有區(qū)域差異性，沒有一個統(tǒng)一的規(guī)律。以前沒有專門對吳起縣做過這方面的研究，本文基于延安市吳起縣地質災害隱患點所處的區(qū)域特征，對區(qū)內斜坡幾何形態(tài)與地質災害相關性展開研究。

1　地質環(huán)境概況

吳起縣地處陜北黃土高原中部腹地，屬黃土高原丘陵溝壑區(qū)，地勢從西北至東南由高到低，其間溝壑縱橫、梁峁起伏，以黃土梁澗和峁梁地形地貌為主[15]。研究區(qū)氣候干旱，降雨量較少，年均降雨量478.3 mm,降雨集中在7 - 9月。區(qū)內水系分布呈樹枝狀，河網密布，干流深切。地表被第四系黃土覆蓋。含水層主要包括第四系松散層中的孔隙水、黃土孔隙裂隙水及白堊系砂巖中的裂隙水這三種類型[3]。區(qū)內地質構造相對簡單，結構穩(wěn)定，無大型褶皺和斷裂構造，地震很少。境內總體植被覆蓋率低，水土流失嚴重。區(qū)內人類工程活動包括城鄉(xiāng)建設、農牧業(yè)活動、公路鐵路的修建、水利水電建設與礦產資源開發(fā)等，它們對地質環(huán)境造成了嚴重的影響。

2　斜坡幾何形態(tài)與地質災害特征

研究區(qū)斜坡坡型包括：凸型、直線型、凹型和階梯型這四種基本類型，如圖1所示。前兩類斜坡剖面曲率分別大于和等于0，是正向類型斜坡；后兩類斜坡剖面曲率小于0，是負向類型斜坡。四種基本坡型會組合成“S”型、反“S”型等組合形式。斜坡坡度范圍在15°～88°，平均坡度41.2°；坡高分布在35～160 m之間，平均坡高86.8 m；坡向分布較廣，各個朝向的坡均有，但在45°～75°、90°～180°、225°～270°坡向區(qū)間分布的較多。研究區(qū)74處地質災害隱患點發(fā)育類型統(tǒng)計如表1所示。

表1　吳起縣地質災害隱患點發(fā)育類型統(tǒng)計表

從表1中看出，地質災害以滑坡、崩塌為主?；骂愋椭饕獮槿祟惞こ袒顒訛橹鞯闹行⌒?、中淺層、牽引式黃土滑坡。崩塌以小型、淺層、傾倒式和滑移式黃土崩塌最為普遍?；?、崩塌多發(fā)生在多雨年份或多雨季節(jié)及人口集中、人類工程活動強度大的地區(qū)，發(fā)生具有突發(fā)性[16-17]。

3　斜坡幾何形態(tài)與地質災害相關性

地質災害與斜坡幾何形態(tài)關系密切，甚至受斜坡幾何形態(tài)的控制[18]。斜坡的坡高、坡型、坡向和坡度等微觀地形地貌在很大程度上影響著斜坡的穩(wěn)定性，是地質災害發(fā)生的重要條件，影響著滑坡、崩塌如何發(fā)生[1,19]。斜坡作為物質基礎，給滑坡、崩塌災害發(fā)生提供了很好的發(fā)育環(huán)境，斜坡幾何形態(tài)影響著斜坡內應力的分布[20-21]。通過力學分析，在斜坡坡頂處會產生拉應力，坡腳處產生剪應力集中現(xiàn)象，坡內各處的應力值均隨坡高增高而增大，而坡度可以改變斜坡中的應力分布。所以斜坡越凸、越高、越陡，會使剪應力更加集中，拉應力范圍擴大，越易發(fā)生變形破壞。上緩下陡、中間緩上下陡的復合型斜坡也易失穩(wěn)。

3.1　斜坡坡型與地質災害

對一定區(qū)域范圍的黃土斜坡，根據區(qū)域性的斜坡坡型特征，可以預測該區(qū)域不同坡型發(fā)生地質災害的可能性[22]。對研究區(qū)73處地質災害隱患點所在斜坡的坡型統(tǒng)計如表2所示。

表2　災害隱患點所在斜坡坡型統(tǒng)計表

共調查出滑坡隱患點51個，其中發(fā)生在正向類型坡上的滑坡有36個，占滑坡總數的70.6%，正向類型坡中直線型坡6個，占整個滑坡數量的11.8%；而凸型坡30個，占整個滑坡數量的58.8%。發(fā)生在負向類型坡上的滑坡有9個，占滑坡總數的17.6%，其中凹型坡7個，占滑坡總數的13.7%；階梯型坡2個，占滑坡總數的3.9%。

調查出崩塌隱患點17個，發(fā)生在正向類型坡上的崩塌有15個，占崩塌總數的88.2%，其中凸型11個，占崩塌總數的64.7%；直線型4個，占崩塌總數的23.5%。發(fā)生在負向類型坡上的崩塌有2個，都是凹型，占崩塌總數的11.8%。

圖1　斜坡坡面形態(tài)

由統(tǒng)計結果得出：凹型和階梯型負向類斜坡相對較穩(wěn)定，而正向類凸型和直線型斜坡更易發(fā)生滑坡或崩塌災害。原因是斜坡坡體表面應力狀態(tài)直接受坡型影響，坡體局部會出現(xiàn)應力集中或嚴重卸荷現(xiàn)象[23]；地表水和地下水的徑流也受坡型影響，土體含水量會隨著變化，影響斜坡土體的強度。正向類斜坡應力集中，穩(wěn)定程度較低。對于負向類斜坡，由于沿著它的走向有應力的支撐，應力集中程度減小了，大大提高了斜坡的穩(wěn)定程度[24]。因此，坡型能夠決定斜坡的穩(wěn)定性，控制其變形破壞模式，凸型和直線型坡較凹型和階梯型坡穩(wěn)定性差。

3.2　斜坡坡度與地質災害

斜坡坡度是滑坡、崩塌發(fā)育的主要微地貌條件[25]，它是影響地質災害的重要因素，決定著斜坡內的應力分布，剪切力會隨著坡度的增加而增大，從而增大滑坡、崩塌發(fā)生的概率[26]。研究區(qū)地質災害隱患點的斜坡坡度統(tǒng)計見表3。

統(tǒng)計表明發(fā)育滑坡的斜坡坡度在15°～48°，平均坡度為35°，集中分布在29°～40°(33處，占64.7%)；崩塌的坡度區(qū)間是40°～88°，集中分布在60°～88°，坡度均值是61.7°；不穩(wěn)定斜坡的坡度區(qū)間是32°～40°，平均值為35°。因此地質災害隨斜坡坡度不同分布類型不同。

根據坡度大小，將斜坡分為：平臺(坡度<10°)、緩坡(10°～25°)、陡坡(25°～60°)、陡崖(60°<坡度)這四種類型[27]?；潞筒环€(wěn)定斜坡分布在30°～40°的陡坡，崩塌分布在60°以上的陡崖。調查的51個滑坡中有48個發(fā)生在陡坡，占調查滑坡總數的94.1%，有3個發(fā)生于緩坡；17個崩塌中8個發(fā)生在陡坡，其余9個發(fā)生在陡崖；不穩(wěn)定斜坡5個都發(fā)生于陡坡。

因此，滑坡高易發(fā)區(qū)為坡度在30°～40°之間的斜坡體；中易發(fā)區(qū)為坡度在20°～30°和40°～50°之間的斜坡體；坡度在0°～20°、50°以上的斜坡體，滑坡發(fā)生的機率低。坡度在60°以上的斜坡體為崩塌高易發(fā)區(qū)；坡度在40°～60°的斜坡體為崩塌中易發(fā)區(qū)；坡度在40°以下的斜坡體，崩塌發(fā)生的機率低。不穩(wěn)定斜坡的坡度主要分布在32°～40°，在滑坡高易發(fā)區(qū)范圍內，說明不穩(wěn)定斜坡若受到外來營力作用可能以滑坡形式破壞。

3.3　斜坡坡高與地質災害

斜坡坡高控制著坡體內各處應力的大小，隨著坡高的增大，應力值呈線性增加，控制著災害的發(fā)育和破壞方式。

斜坡的坡高在一定程度上控制著滑坡災害，滑坡在坡高為40～70 m的斜坡上發(fā)生的較多(表4、圖2)，統(tǒng)計表明該區(qū)間的滑坡有40個，占滑坡總數的78.4%。圖2表明滑坡高度與斜坡高度有很好的一致性。滑坡高度分布在30～125 m之間，平均高度為62.8 m，滑坡所在的斜坡平均高度為86.8 m，滑坡平均高度約為斜坡平均高度的0.73，約是斜坡高度的3/4位置發(fā)生滑坡(圖3)。

表3　災害隱患點所在斜坡坡度分段統(tǒng)計表

表4　災害隱患點所在斜坡坡高分段統(tǒng)計表

圖2　滑坡高度與斜坡高度對應關系圖

圖3　滑坡高度與坡高的比值分段統(tǒng)計直方圖(注：圖中光滑曲線為擬合曲線，表明近正態(tài)分布趨勢)

崩塌在斜坡坡度較陡，坡高較低的陡崖上發(fā)生的較多，在17處崩塌隱患點中有7處發(fā)生在坡高小于40 m的陡坡上，占崩塌隱患點數量的41.1%；發(fā)生在40～50 m陡崖上的崩塌有8處，占崩塌總數的47.1%；發(fā)生在50 m以上高陡崖上的崩塌有2處，占崩塌總數的11.8%。說明超過50 m高陡崖上發(fā)生崩塌的概率很小(表4、圖4)。崩塌所在的斜坡平均高度為60.3 m，崩塌平均高度為44.1 m，崩塌平均高度約為斜坡平均高度的0.73，也就是說崩塌多發(fā)生在斜坡坡高的3/4位置處，這與滑坡相同。

圖4　崩塌高度與坡高對應關系圖

不穩(wěn)定斜坡高度發(fā)育在60～70 m(圖5)，這個范圍介于滑坡高度分布40～70 m之間。說明這5處不穩(wěn)定斜坡發(fā)展趨勢主要為滑坡。

圖5　不穩(wěn)定斜坡高度與坡高關系圖

不穩(wěn)定斜坡的失穩(wěn)發(fā)展趨勢分為兩種：滑坡和崩塌[28]?？梢哉f斜坡坡高較低時易發(fā)生崩塌災害，坡高中等時發(fā)生不穩(wěn)定斜坡，坡高較大時發(fā)生滑坡災害。

3.4　斜坡坡向與地質災害

調查的51個滑坡隱患點的坡向表明，滑坡的坡向分布在各個方向，不是標準的陰坡或陽坡，這是由于研究區(qū)的地形地貌長期受到侵蝕，人類強烈的工程活動等因素造成的。區(qū)內滑坡多數發(fā)生在90°～180°、240°～270°坡向之間(表5、圖6a)。其中有21個滑坡發(fā)生在坡向90°～180°之間，占整個滑坡隱患點數量的41.2%；12個發(fā)生在240°～270°坡向區(qū)間，占總數的23.5%。崩塌主要發(fā)生在：45°～75°、120°～150°、225°～255°這三個坡向區(qū)間(圖6b)。

斜坡坡向統(tǒng)計結果表明，坡向90°～180°、240°～270°之間的斜坡在吳起縣分布相對較多。這一點與吳起縣境內河流發(fā)育的走向有關。北洛河(含源頭頭道川、總走向130°)總方向為東南流向，決定河流兩岸的斜坡對應坡向在240°～270°之間；其主要支流二道川(總走向83°)、白豹川(總走向28°)、寧賽川(總走向23°)、薛岔川(總走向89°)以及楊青川(總走向94°)，主干總體走向呈近東西方向，它們決定了河流兩側斜坡的坡向正好分布在90°～180°之間。

表5　災害隱患點所在斜坡坡向分段統(tǒng)計表

圖6　斜坡坡向分布圖

通常將朝北方向的坡叫作陰坡，朝南方向的坡叫作陽坡。因為坡向不一樣，山坡的水熱和小氣候等條件也不同。陽坡受日照時間比陰坡長，且太陽光照強烈，土溫較高，晝夜溫差較大。水熱等條件的不同會導致坡體坡度、含水率、風化程度等要素不同。陽坡溝壑縱橫，坡短而陡，有利于發(fā)生滑坡、崩塌災害；而陰坡坡長而緩，滑坡、崩塌災害發(fā)生較少[29]。除此之外，還在于該地區(qū)特殊的土質，據實驗測試[2]，吳起縣的馬蘭黃土中粗粉粒和砂粒含量之和在86%以上，粘粒含量則小于14%。黃土中粘粒含量很少，粉土質、砂質含量較多，因而土體在干燥條件下顆粒間連接較弱，而顆粒間有水分時，水膜吸力增加了顆粒間的連接。因此滑坡、崩塌災害發(fā)生在陽坡多于陰坡。

4　結論

(1)陜西省吳起縣的滑坡、崩塌大多數發(fā)育在正向型凸型和直線型斜坡上，在負向型凹型和階梯型坡上發(fā)育較少。由此可知，凸型和直線型坡更易發(fā)生滑坡或崩塌災害，而凹型和階梯型坡相對穩(wěn)定。

(2)區(qū)內當斜坡的坡度在30°～40°、坡高在40～70 m時，主要發(fā)育滑坡；當斜坡的坡度大于60°、坡高在30～50 m時，主要發(fā)育崩塌；且滑坡、崩塌的平均高度約為各自所處斜坡坡高的3/4。

(3)區(qū)內滑坡、崩塌災害陽坡較陰坡發(fā)育，坡向大多數分布在90°～180°、240°～270°之間。

(4)建設用地場址應盡量遠離凸型和直線型斜坡，坡高不宜超過20 m，坡度以小于20°為佳。當坡高>20 m，坡度>20°時，應分級治理，單級坡比1:0.4～1:0.6，單級坡高10～15 m，中部設寬度2～3 m的小平臺；當坡高>30 m時，應設4～6 m的大平臺。

通過對吳起縣斜坡幾何形態(tài)與地質災害相關性的研究，以期為該縣防災減災工作提供一定的參考依據。

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