陵川縣不穩(wěn)定斜坡形成條件及發(fā)育規(guī)律研究

戴 興，楊國芳，陳 鑫

(1.河南省地質礦產勘查開發(fā)局第二地質礦產調查院，河南 鄭州 450001； 2.陵川縣自然資源局，山西 陵川 048300；3.山西蘭花科技創(chuàng)業(yè)股份有限公司 伯方煤礦分公司，山西 高平 048411)

陵川縣位于山西省東南端，北靠壺關、長治，西連高平、澤州，東南與河南輝縣、修武接壤，為山西省東南之門戶，南北長52.7 km，東西寬53.2 km，面積1 751 km2。1992—2000年，由山西省地質環(huán)境中心開展了山西省1∶50萬地質環(huán)境問題調查，對陵川縣地質災害點進行了簡要敘述；2004年陵川縣完成了地質災害調查與區(qū)劃工作，第一次較為系統(tǒng)的對縣域內的地質災害進行了調查和分類；2013年河南省焦作地質勘察設計有限公司再次對全縣地質災害進行了核查，對新增和消亡的地質災害點進行了更新；2014年山西省第二地質工程勘察院在以往地質災害核查成果的基礎上提交了陵川縣地質災害防治規(guī)劃(2014—2020年)，為地質災害的治理提供了詳細的規(guī)劃；2018年河南省焦作地質勘察設計有限公司完成了該縣的地質災害詳查工作，更加詳盡的對縣域內的地質災害點進行了統(tǒng)計，并研究了各種的類地質災害的特征[1]。由于種種原因，對地質災害的專業(yè)調查和綜合研究還不夠，地質災害的發(fā)育規(guī)律尚不清楚。故本文旨在研究陵川縣不穩(wěn)定斜坡隱患類地質災害形成條件以及發(fā)育規(guī)律，為各級地方政府制定地質災害防治規(guī)劃、實施地質災害預警工程、制定經濟發(fā)展規(guī)劃提供依據。

1 自然地理概況

1.1 地形地貌

陵川縣位于山西省東南部，境內東北、東和南部高山環(huán)繞，坡陡溝深，地形起伏較大，海拔為+800～+1 800 m，北、中及西部崗嶺起伏，坡緩谷淺，地形起伏較小，海拔+1 000～+1 476 m。東部有王莽嶺，海拔+1 500 m，東南有馬武山，海拔+1 673 m。這三大山脈連綿起伏，構成本縣東北—東南的天然屏障。南部奪火鄉(xiāng)小飲羊河村附近河流出境處最低，海拔+628 m。

1.2 氣象

據陵川縣氣象站1981—2016年觀測資料，多年平均氣溫7～9 ℃，1月份最冷，平均氣溫-5～-8 ℃，7月份最熱，平均氣溫20～24 ℃，極端最高氣溫34.4 ℃(1997年7月)，極端最低氣溫-21.7 ℃(1970年1月5日)。多年平均降水量受地形影響較明顯，多年平均降水量約606.5 mm。5 min最大降雨量11.5 mm(1987年7月25日)，10 min最大降雨量20.3 mm(1991年8月2日)，1 h最大降雨量119.5 mm(2007年7月28日古郊鄉(xiāng))，1 d最大降雨量198.2 mm(2010年8月19日王莽嶺)。

1.3 水文

陵川縣境內河流分屬黃河和海河兩大水系，其中較大的河流有5條：廖東河、原平河、武家灣河、香磨河、北召河，前兩者屬于黃河水系丹河流域，后三者屬于海河水系衛(wèi)河流域。廖東河發(fā)源于六泉鄉(xiāng)廖池村，由東北向西南流經冶南、八渠、上郊、潞城、郊底、丈河、臺北等地，全長42 km，縣境內流域面積約521 km2，沿途匯入13條主要支流，年徑流量0.14億m3，清水流量0.38 m3/s。在其上游建有云谷圖水庫、上郊水庫、桑家坪水庫、石景山水庫等，云谷圖水庫位于縣城東云谷圖附近，總庫容300萬m3，蓄水量2萬m3，最大泄洪量154.5 m3/s；上郊水庫位于潞城鎮(zhèn)東北上郊村東，總庫容1 196萬m3，蓄水量132萬 m3/s，最大泄洪量675 m3/s；桑家坪水庫位于附城鎮(zhèn)桑家坪北，總庫容640萬m3，蓄水量25萬m3，最大泄洪量196 m3/s；石景山水庫位于潞城鎮(zhèn)北石景山村西，總庫容125萬 m3，最大泄洪量31.5 m3/s。

2 區(qū)域地質環(huán)境

2.1 地層巖性

陵川縣出露地層主要為太古界贊皇群，中元古界長城系，古生界的寒武系、奧陶系、石炭系、二疊系，中生界的三疊系和新生界的第四系；此外，燕山期侵入巖分布于六泉鄉(xiāng)中部，巖性為閃長巖，與圍巖呈斜交侵入或假整合接觸。

研究區(qū)內火成巖比較發(fā)育，巖石類型齊全，基性、超基性、中性、中酸性、酸性乃至堿性巖石均有所見，以中酸性巖石最為發(fā)育，中性巖次之。

2.2 地質構造

縣域內地層產狀平緩，總體為由東南向西北傾斜的單斜構造，構造比較簡單，主要構造體系有近南北向構造和東西向構造兩大體系。近南北向構造：縣境內該構造形跡由黃虎掌斷層、老牛灣斷層、東井郊斷層、小井溝斷層和西安里—六泉巖漿巖構造帶組成，東西向斷裂構造帶主要為梯堂斷層、甘河斷層、茶棚—葫蘆寺斷層[2]。

2.3 新構造運動

陵川縣位于華北地臺山西斷隆的太行山塊隆與沁水臺坳的過渡地段，上升運動是境內新構造運動的主體，第四紀以來，境內總體遭受侵蝕，普遍缺失下更新統(tǒng)地層，中更新統(tǒng)地層僅零星分布于縣境西部的西河底鎮(zhèn)和禮義鎮(zhèn)，上更新統(tǒng)地層主要分布于縣境的中西部，全新統(tǒng)地層主要分布于河谷區(qū)且厚度不大，體現(xiàn)了強烈上升運動的特征。

2.4 地震

根據GB 18306—2015《中國地震動參數區(qū)劃圖》，陵川縣地震動峰值加速度為：縣境西部0.05g，中—東部0.10g，地震動反應譜特征周期為0.45 s，地震基本裂度為：西部Ⅵ度，中—東部Ⅶ度。區(qū)域地震活動較為頻繁，陵川縣最大震級為3.5級。依據GB 50011—2010《建筑抗震設計規(guī)范》，陵川縣抗震設防烈度7°，設計基本地震加速度值為0.10g，抗震設計分組第3組。

3 地質災害類型與特征

全縣地質災害(隱患)類型有崩塌、滑坡、不穩(wěn)定斜坡(崩塌隱患、滑坡隱患)、泥石流和地面塌陷，共92處，其中崩塌13處、滑坡14處、不穩(wěn)定斜坡50處(崩塌隱患45處、滑坡隱患5處)、泥石流6處、地面塌陷9處，見表1?，F(xiàn)重點研究對本縣影響較大的不穩(wěn)定斜坡隱患類地質災害[3]。

表1 陵川縣地質災害隱患數量統(tǒng)計Tab.1 Statistical of geological hazards in Lingchuan County

3.1 分布

研究對以往存在的不穩(wěn)定斜坡通過實地調查訪問，分析其斜坡形態(tài)、變形特征及發(fā)展趨勢，將其細分為崩塌隱患和滑坡隱患，此次共調查崩塌隱患和滑坡隱患50處，其中崩塌隱患45處，滑坡隱患5處。崩塌隱患和滑坡隱患在全縣12個鄉(xiāng)鎮(zhèn)均有分布(圖1)。圖1中，分布較多的鄉(xiāng)鎮(zhèn)為崇文鎮(zhèn)(11處)和古郊鄉(xiāng)(9處)，其次為秦家莊鄉(xiāng)(5處)和附城鎮(zhèn)(4處)，楊村鎮(zhèn)、平城鎮(zhèn)和潞城鎮(zhèn)各為3處，西河底鎮(zhèn)2處，禮義鎮(zhèn)、六泉鄉(xiāng)和馬圪當鄉(xiāng)各為1處。分布特征具有明顯的區(qū)域性，主要集中在陵沁線、陵修線、曲輝線和王莽嶺景區(qū)內，在區(qū)域上呈現(xiàn)出線狀分布特點[4]。

圖1 陵川縣崩塌隱患和滑坡隱患分布Fig.1 Distribution of potential collapse and landslide hazards in Lingchuan County

3.2 特征

根據崩塌隱患和滑坡隱患斜坡的物質組成，將其劃分為土質斜坡和巖質斜坡2種基本類型。其中，巖質斜坡35處，占總數的70%，巖性主要為灰?guī)r、泥灰?guī)r、泥巖和砂巖；土質斜坡15處，占總數的30%，其中黃土斜坡11處，坡積物斜坡4處(表2)。

表2 斜坡巖性分類Tab.2 Classification of slope lithology 處

崩塌隱患和滑坡隱患斜坡按主導成因分為自然和人類工程活動2類，其中人類工程活動形成的41處，占總數的82.0%；自然斜坡9處，占總數的18.0%。

坡度是影響斜坡穩(wěn)定性的重要因素之一，崩塌隱患和滑坡隱患斜坡按照發(fā)育的坡度區(qū)間劃分結果見表3。

表3 斜坡坡度區(qū)間災害數統(tǒng)計Tab.3 Statistical table of the number of disasters in the slope section 處

4 形成條件分析

4.1 地形條件

斜坡類地質災害(崩塌、滑坡、崩塌隱患、滑坡隱患)一般發(fā)育于較陡峭的地形，有67.2%的崩塌和崩塌隱患發(fā)育于坡度大于60°的陡坡上，可見地形坡度是崩塌發(fā)生的前提條件，其為崩塌的發(fā)生提供了高陡臨空面，高勢能的有利條件?；潞突码[患主要發(fā)育于較緩的斜坡中，有63.2%的滑坡發(fā)生于坡度10°～20°的緩坡中[5-6]。相比之下，滑坡發(fā)育的地形坡度遠小于崩塌發(fā)生的地形坡度。斜坡坡高與斜坡地質災害的發(fā)生有一定的關系。在各方面相同條件下，隨著坡高的增大，坡體安全系數減小，故斜坡坡高也是影響地質災害發(fā)生的一個重要條件。

4.2 物質條件

境內土質斜坡巖性以Q3黃土為主，局部有Q2黃土出露，控制面結構類型以節(jié)理裂隙面和土巖接觸面為主。本區(qū)黃土具有結構疏松、力學性質較差、透水性強等特點，下部黏土透水性弱，為相對隔水層，黃土巖性及結構為滑坡、崩塌活動提供了物質條件。

巖質斜坡主要為石炭系泥巖、頁巖、燧石灰?guī)r和寒武系灰?guī)r、頁巖，在研究區(qū)的中西部主要發(fā)育于石炭系地層，該套地層為海陸交互相沉積地層，巖層軟硬相間，泥巖和頁巖抗風化能力差，多為強風化，巖體破碎，遇水易軟化，工程地質性質差，砂巖和灰?guī)r抗風化能力強，多為微風化，巖層差異風化現(xiàn)象明顯，易產生崩塌地質災害[7-9]。在研究區(qū)的東部和東北部以灰?guī)r和頁巖崩塌為主，崩塌體主要分布在省道和縣道等主干道兩側，由于修路開挖坡體，形成高陡邊坡，多未采取支護措施，巖石裸露，巖體節(jié)理裂隙發(fā)育，在降雨、風化、震動等作用下，易產生崩塌隱患。

4.3 降水條件

降水是斜坡失穩(wěn)的主要誘發(fā)因素，土質斜坡對水的作用十分敏感，土質斜坡在在浸水或飽和狀態(tài)下，上部疏松土體迅速崩解，下部黃土積膨脹、軟化，力學強度和抗剪強度急劇降低，容易導致斜坡變性破壞，產生崩塌，沿軟弱結構面滑動形成滑坡。巖質陡坡(崖)表部節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體開啟程度好，降雨時雨水迅速滲入巖體裂隙中，軟化斜坡中下部的軟質巖層，同時來不及消散，產生很大的空隙水壓力，導致高位巖體產生崩塌。

4.4 人類活動

工程建設削坡、填土、加載、棄土、震動等，常直接引發(fā)地質災害，污水不當排放、砍伐樹木、不合理耕種、水庫地震等也可能構成不穩(wěn)定斜坡轉換為地質災害的誘發(fā)因素，植被破壞、溫室氣體排放等生態(tài)環(huán)境破壞造成的氣候變化也間接影響地質災害的發(fā)生。近年來，人類工程活動顯著增強，水電開發(fā)及配套公路建設，通鄉(xiāng)公路的修建，開挖坡腳，致使坡體應力失衡導致崩塌、滑坡產生。如陵修線沿線崩塌由切坡修路形成，趙漳水村滑坡由采礦堆積棄渣形成，焦會村滑坡由開挖坡腳建房形成。

5 發(fā)育規(guī)律

5.1 空間分布規(guī)律

(1)與人類工程活動強度密切相關。陵川縣不穩(wěn)定斜坡隱患點分布遍及全縣12個鄉(xiāng)(鎮(zhèn))，數量最多的是崇文鎮(zhèn)，其次為秦家莊鄉(xiāng)和古郊鄉(xiāng)。全縣不穩(wěn)定斜坡隱患點分布密度5.25處/100 km2，密度較大的鄉(xiāng)(鎮(zhèn))依次為秦家莊鄉(xiāng)、楊村鎮(zhèn)、崇文鎮(zhèn)、平城鎮(zhèn)和禮義鎮(zhèn)5個鄉(xiāng)鎮(zhèn)，其他鄉(xiāng)鎮(zhèn)密度較小，基本在8處/100 km2以下。秦家莊鄉(xiāng)密度最大，達15.96處/100 km2，六泉鄉(xiāng)密度最小，為1.26處/100 km2。東部和東南部的不穩(wěn)定斜坡隱患點主要集中在人類工程活動較多的王莽嶺景區(qū)和交通道路(陵沁線、曲輝線、陵修線、陵馬線)沿線，在空間上呈現(xiàn)出線狀分布特征。由此也可看出，不穩(wěn)定斜坡隱患點主要分布于人類工程活動較密集的中西部區(qū)域和東部的道路主干道兩側。

(2)地質災害受地形地貌、植被控制明顯。研究區(qū)地貌從東南部的中山區(qū)、中部的低中山區(qū)依次過渡到西北部的黃土覆蓋丘陵區(qū)，不穩(wěn)定斜坡隱患點的分布密度也從東南部到西北部逐漸變大，與地貌類型的分布密切相關。崩塌、滑坡主要分布在西北部的黃土覆蓋丘陵區(qū)，該區(qū)植被以農作物為主，人口密度大，人類工程活動強烈，故地質災害也較為發(fā)育[10]。

(3)在地層巖性不利組合部位相對集中。根據調查數據分析，研究區(qū)易發(fā)生地質災害的地層巖性主要為第四系上更系統(tǒng)黃土，石炭系太原組泥頁巖、石炭系本溪組泥巖和奧陶系峰峰組泥灰?guī)r等。

第四系上更系統(tǒng)黃土主要分布在研究區(qū)的中西部，共發(fā)育不穩(wěn)定斜坡隱患處25處，其中崩塌18處，滑坡7處。該組黃土垂直節(jié)理發(fā)育，結構疏松，在高陡邊坡部位，卸荷裂隙和風化裂隙發(fā)育，故在黃土高陡邊坡地段，黃土崩塌密集，在其與粉土、粉質黏土不同巖性接觸面易形成軟弱結構面，產生滑坡災害。

石炭系太原組為一套泥頁巖和灰?guī)r交互沉積的地層，泥巖和灰?guī)r工程地質性質差別大，二者差異風化現(xiàn)象明顯，在斜坡上表現(xiàn)為泥巖風化剝落形成凹腔，上部灰?guī)r外凸，易發(fā)生崩塌災害。本溪組泥巖鋁土含量高，具有較好的隔水能力，且遇水易軟化，抗剪強度降低，易發(fā)生滑坡地質災害[11]。

奧陶系峰峰組泥灰?guī)r易風化成泥狀，工程地質性質較差，由于切坡修路，常形成高陡邊坡，在降雨的作用下易發(fā)生崩塌地質災害。

5.2 時間分布規(guī)律

根據調查數據統(tǒng)計，研究區(qū)不穩(wěn)定斜坡隱患類地質災害發(fā)生、發(fā)展與氣象條件緊密聯(lián)系。每年的3—4月，凍融作用較強，高陡邊坡巖土體松動失穩(wěn)，易發(fā)生崩塌地質災害。研究區(qū)崩塌、滑坡的發(fā)生集中在每年6—8月，其中降雨高峰期(7月)地質災害發(fā)生頻率最高，地質災害發(fā)生頻率與降雨量對應呈單峰型分布。以有時間記載的地質災害事件統(tǒng)計，地質災害的發(fā)生頻率與降雨量的大小基本一致。

6 結論

山西省陵川縣為晉東南地質災害發(fā)育最為嚴重的縣，本文選擇該縣域不穩(wěn)定斜坡隱患類地質災害為研究對象，從地形、物質、降水、人類活動4個方面分析了其形成條件，并研究了其發(fā)育的時空規(guī)律，認為其發(fā)育與人類活動強度、地形地貌植被控制、巖層巖性的不利部位等空間要素有密切關系，并且受到降雨等季節(jié)因素影響，地質災害發(fā)育具有季節(jié)性和周期性。通過對不穩(wěn)定斜坡隱患類地質災害的發(fā)育規(guī)律的研究，對防災減災工作有重要的前瞻性的指導作用，對縣域的經濟社會發(fā)展和群眾的生命財產安全起到了一定的預防和保護作用。