西南紅層地區(qū)地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育規(guī)律與成災(zāi)模式
——以云南彝良縣為例

徐 偉，冉 濤，田 凱

（1.成都理工大學(xué)地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610081；2.中國地質(zhì)調(diào)查局成都地質(zhì)調(diào)查中心，四川 成都 610081）

0 引言

紅層軟巖具有巖體強(qiáng)度低、抗風(fēng)化能力差、透水性弱、水敏感性強(qiáng)、親水性強(qiáng)，浸水后膨脹軟化，失水后崩解的特性。紅層邊坡自穩(wěn)能力差，不及時(shí)治理會(huì)發(fā)生變形破壞，進(jìn)而誘發(fā)滑坡、崩塌落石等地質(zhì)災(zāi)害。西南地區(qū)的紅層集中分布在四川和云南。彝良縣境內(nèi)紅層發(fā)育，由于紅層邊坡變形破壞引發(fā)的地質(zhì)災(zāi)害類型多數(shù)量大，給當(dāng)?shù)卦斐闪溯^大的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失，因此對(duì)于紅層邊坡的孕災(zāi)成災(zāi)方面的研究具有緊迫性和必要性。

近年來，許多學(xué)者對(duì)中國紅層、云南紅層、四川紅層的分布及工程地質(zhì)特性進(jìn)行了研究[1-11]；對(duì)紅層軟化、崩解特性試驗(yàn)研究[12-15]；對(duì)紅層軟巖軟弱夾層的蠕變性質(zhì)實(shí)驗(yàn)研究[16-19]；對(duì)軟巖軟化微觀機(jī)理研究[20-22]；對(duì)軟硬相間邊坡的失穩(wěn)模式和穩(wěn)定性研究[23-30]。前人的研究取得了許多新的進(jìn)展和成果，積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)。以彝良縣紅層地區(qū)地質(zhì)災(zāi)害為研究對(duì)象，從地層時(shí)代、規(guī)模、坡度3 個(gè)方面對(duì)彝良縣紅層邊坡的分布規(guī)律及特征進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析；結(jié)合典型災(zāi)害點(diǎn)對(duì)不同斜坡結(jié)構(gòu)下的紅層邊坡的成災(zāi)模式及演化過程進(jìn)行總結(jié)研究。研究可為紅層發(fā)育地區(qū)的地質(zhì)災(zāi)害防治和管理提供一定的技術(shù)支持和參考。

1 彝良縣地質(zhì)環(huán)境條件

彝良縣隸屬于昭通市，地處云南省東北部的云、貴、川三省結(jié)合部的烏蒙山區(qū)，云貴高原北東部邊緣斜坡地帶，烏蒙山脈五蓮峰支系，境內(nèi)山高谷深，地勢(shì)自南西向北東傾斜。

彝良縣具有高原季風(fēng)立體氣候特征，全縣多年平均降雨量967.68 mm。雨量集中于雨季（5～10月），占全年降雨量的93.6%，24 h 最大降雨量高達(dá)235.4 mm（1992年7月13日），10 min 雨強(qiáng)高達(dá)13.36 mm（1990年6月28日）。縣境內(nèi)河流均屬金沙江水系橫江支流，全縣大小河流150 多條，較大者為洛澤河和白水江。

彝良縣位于揚(yáng)子準(zhǔn)地臺(tái)滇東北拗褶帶昭通鎮(zhèn)雄拗褶區(qū)，構(gòu)造形跡以褶皺為主，斷裂相對(duì)較少，主導(dǎo)構(gòu)造以北東向?yàn)橹?，北西向?yàn)檩o。彝良縣處于大關(guān)-馬邊地震活動(dòng)帶，地震活動(dòng)頻繁，震級(jí)大。2012年9月7日，彝良縣連續(xù)發(fā)生M5.7 級(jí)、M5.6 級(jí)地震，震中距離彝良縣城約15 km。

2 彝良縣紅層邊坡發(fā)育特征

彝良縣紅層軟巖主要分布于該縣的西部和南部，具體分布情況為：(1) 白堊系（K），主要分布于洛旺鄉(xiāng)北東、洛澤河鎮(zhèn)北一帶；(2) 侏羅系（遂寧組J2s、沙溪廟組J2sx、自流井組J1z），主要分布于角奎鎮(zhèn)新場(chǎng)、發(fā)達(dá)、洛澤河鎮(zhèn)及洛旺鄉(xiāng)等地；(3) 三疊系（關(guān)嶺組T2g、飛仙關(guān)組T1f），主要分布于角奎鎮(zhèn)、蕎山鄉(xiāng)、牛街鎮(zhèn)、柳溪鄉(xiāng)、兩河鄉(xiāng)、龍安鄉(xiāng)和小草壩鄉(xiāng)等地。

彝良縣共發(fā)育不穩(wěn)定斜坡101 處、滑坡288 處、崩塌161 處（圖1）。其中發(fā)育在上述紅層地層中的不穩(wěn)定斜坡49 處，占斜坡總數(shù)的48.5%；滑坡150 處，占滑坡總數(shù)的52.1%，崩塌53 處，占崩塌總數(shù)的32.9%。根據(jù)不同地層時(shí)代、不同斜坡結(jié)構(gòu)類型、不同規(guī)模、不同坡度對(duì)紅層邊坡發(fā)生的災(zāi)害數(shù)量分別進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)。

圖1 彝良縣紅層區(qū)地質(zhì)災(zāi)害分布圖Fig.1 Distributions of geological hazards in red strata area of Yiliang County

2.1 不同地層時(shí)代發(fā)育特征及規(guī)律

統(tǒng)計(jì)紅層災(zāi)害發(fā)育的地層時(shí)代如圖2所示。紅層不穩(wěn)定斜坡中，沙溪廟組J2sx最多，21 處；飛仙關(guān)組T1f和遂寧組J2s次之，分別為12 處和8 處。紅層滑坡中，以飛仙關(guān)組T1f最多，46 處，沙溪廟組J2sx和遂寧組J2s次之，分別為41 處和39 處。紅層崩塌中，沙溪廟組J2sx最多，21 處；飛仙關(guān)組T1f次之，19 處。

圖2 按不同地層時(shí)代統(tǒng)計(jì)災(zāi)害數(shù)量規(guī)律圖Fig.2 Statistics on the number of disasters according to different strata ages

在構(gòu)造作用以及其他外動(dòng)力作用影響下，軟弱地層容易成為潛在的滑動(dòng)面或滑動(dòng)帶。同時(shí)，由于抗風(fēng)化能力弱，易形成大量的松散物質(zhì)。彝良縣的沙溪廟組J2sx、飛仙關(guān)組T1f和遂寧組J2s三種地層，尤其是沙溪廟組J2sx發(fā)育的紅層邊坡最易發(fā)生變形破壞、發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害數(shù)量也最多，以上地層尤其要加強(qiáng)地質(zhì)災(zāi)害的排查和防范。

2.2 不同規(guī)模等級(jí)發(fā)育特征及規(guī)律

統(tǒng)計(jì)紅層災(zāi)害發(fā)育的規(guī)模等級(jí)如圖3所示。紅層不穩(wěn)定斜坡和紅層滑坡的數(shù)量均隨著規(guī)模等級(jí)的增大而減少，其中小型規(guī)模的最多，中型規(guī)模的次之。紅層崩塌中，中型規(guī)模的最多，小型和大型的次之。

圖3 按不同規(guī)模等級(jí)統(tǒng)計(jì)災(zāi)害數(shù)量規(guī)律圖Fig.3 Statistics of the number of disasters according to different scales

2.3 不同坡度區(qū)間發(fā)育特征及規(guī)律

統(tǒng)計(jì)紅層災(zāi)害發(fā)育的坡度如圖4所示，邊坡坡度與地質(zhì)災(zāi)害坡度比率分布呈似正態(tài)分布，小于20°的邊坡，地層穩(wěn)定，地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育弱；隨著坡度增大，邊坡失穩(wěn)滑動(dòng)的概率增大，20°～50°的邊坡地帶，多發(fā)育滑坡、不穩(wěn)定斜坡，特別是在軟弱巖層形成的20°～40°斜坡，既有利于松散物質(zhì)的形成堆積，又易于形成滑動(dòng)面，是滑坡、不穩(wěn)定斜坡的主要發(fā)生區(qū)；大于50°的斜坡地帶，多發(fā)生崩塌類地質(zhì)災(zāi)害，彝良縣內(nèi)崩塌均發(fā)生在具高陡臨空面的陡坡和陡崖地段。

圖4 按不同坡度區(qū)間統(tǒng)計(jì)災(zāi)害數(shù)量規(guī)律圖Fig.4 Statistics of the number of disasters according to different slope intervals

3 紅層邊坡成災(zāi)模式及演化過程分析

巖體結(jié)構(gòu)是在漫長的地質(zhì)歷史過程中，通過原生建造、構(gòu)造改造及表生改造三個(gè)階段綜合作用的產(chǎn)物。原生建造是基礎(chǔ)，構(gòu)造改造是主體，而淺、表生改造則是一定程度、一定范圍內(nèi)進(jìn)一步劣化了巖體結(jié)構(gòu)及其工程性狀。不同斜坡結(jié)構(gòu)與不同巖體結(jié)構(gòu)組合下，紅層邊坡的變形破壞結(jié)果不同。

3.1 順向紅層邊坡的成災(zāi)模式及演化過程

順向紅層邊坡的變形主控界面是巖層層面，基本上都具有后壁陡直，滑面平緩的特點(diǎn)，屬座滑型滑坡。一般發(fā)育在上部為巨厚層砂巖，下伏薄層-中厚層粉砂質(zhì)泥巖、泥巖。在構(gòu)造應(yīng)力作用下往往形成兩組近正交的共軛節(jié)理，且與巖層層面近垂直，節(jié)理裂隙間距大，且切割較深，巖體為整體巨厚層狀。順向邊坡最常見的成災(zāi)模式為滑移-拉裂式的順層滑坡或崩塌。軟巖巖層層面為滑動(dòng)面，硬巖后緣拉張裂隙貫通，造成硬巖沿軟巖層面滑動(dòng)，破壞力極強(qiáng)，潛在危害極大。

以彝良縣牛街鎮(zhèn)南廠村大石盤組崩塌為例，該處崩塌發(fā)生于2016年6月16日，造成3 棟房屋倒塌、1 人死亡、1 人受傷（圖5）。崩塌區(qū)為基巖邊坡，陡峭近直立。該崩塌所在邊坡為順向邊坡，出露地層巖性為三疊系關(guān)嶺組的灰?guī)r（T2g），中間夾暗紫紅色及灰綠色泥頁巖，屬軟硬相間地層。

圖5 大石盤崩塌特征圖Fig.5 Characteristic diagram of Dashipan collapse

順向紅層邊坡常見的成災(zāi)模式為拉裂—滑移式滑坡或崩塌，演化過程如圖6所示。

圖6 順層邊坡破壞過程示意圖Fig.6 Failure process diagram of bedding slope

（1）巖體的損傷和拉張裂縫的形成。邊坡巖體中切割坡面的陡直拉張裂縫，在長期的降雨及風(fēng)化、溶蝕等作用下，地下水灌入結(jié)構(gòu)面中，產(chǎn)生較大的靜水壓力，并軟化、溶蝕裂隙表面，造成后緣拉張裂縫張開度增大，連通率提高，延伸長度增加，最終貫通至軟巖層面處。

（2）軟巖在裂隙水侵潤、巖溶、溫差變化等作用下，后緣裂隙充水產(chǎn)生強(qiáng)大的靜水壓力，結(jié)構(gòu)面抗剪強(qiáng)度降低，阻滑段支撐力下降。

（3）后緣拉張裂縫貫通后，形成了孤立的危巖體，隨著時(shí)間的積累，軟巖層面的抗剪強(qiáng)度進(jìn)一步降低，阻滑段的支撐力小于危巖體的下滑力，造成了軟巖層面的貫通，危巖體在重力作用下沿層面由剪出口發(fā)生剪切滑移。

（4）由于有力的地形條件，危巖體攜帶著上覆殘坡積土層整體滑移下錯(cuò)，滑坡或崩塌體在墜落過程中沿控制性節(jié)理面進(jìn)一步拉裂解體，最終堆積在邊坡坡腳處趨于穩(wěn)定。

3.2 橫向紅層邊坡的成災(zāi)模式及演化過程

橫向紅層邊坡的變形破壞主要受巖體結(jié)構(gòu)的淺表生改造過程所產(chǎn)生的卸荷裂隙控制，巖體卸荷松動(dòng)，裂隙發(fā)育，加劇了巖體后期的風(fēng)化、地下水淋濾溶蝕等次生改造作用，次生改造作用又進(jìn)一步劣化了巖體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。在彝良縣境內(nèi)，橫向邊坡最常見的成災(zāi)模式為崩解沖刷—剪切墜落式，常因差異風(fēng)化形成局部風(fēng)化剝落和小型沖溝。

以金家灣子南側(cè)公路邊坡為例，該邊坡地層巖性為紫紅色泥巖，頁巖，粉砂巖，屬陡傾的橫向坡，由于軟硬相間巖層的差異風(fēng)化，坡面產(chǎn)生了三條明顯的沖溝，三條溝的風(fēng)化深度分別為3 m、1.5 m、4 m 左右，沖溝成為了天然的排泄通道（圖7）。泥巖、頁巖經(jīng)過長期風(fēng)化作用，巖石碎屑附著在邊坡表面，表層松散的全風(fēng)化層易在雨水沖刷下剝落沿沖溝沖出，形成坡面泥石流，堵塞公路，在沖溝出口可見泥巖頁巖堆積物（圖8）。

圖7 邊坡差異風(fēng)化形成多條沖溝Fig.7 Multiple gully formed by difference weathering

圖8 邊坡坡腳處的堆積物Fig.8 Debris on the toe of slope

上述橫向紅層邊坡的成災(zāi)模式為崩解-沖刷式崩塌，在彝良縣境內(nèi)發(fā)育廣泛，尤其是在公路沿線的邊坡尤為常見，演化過程如圖9所示。

圖9 橫向邊坡破壞過程示意圖Fig.9 Failure process diagram of transverse slope

（1）紅層軟巖巖體中的泥巖、頁巖具有透水性差，親水性強(qiáng)，浸濕后巖體強(qiáng)度降低，失水后容易產(chǎn)生崩解的特性，因此在經(jīng)歷降雨后表層的泥巖、頁巖崩解呈散體狀顆粒物；而粉砂巖在經(jīng)歷降雨等風(fēng)化作用后，陡傾節(jié)理會(huì)逐漸變寬變長。

（2）由于長期的差異風(fēng)化，泥巖頁巖不斷剝蝕下切，兩側(cè)粉砂巖形成天然的側(cè)壁，沖溝深度逐漸加深。

（3）新鮮的崩解物和少量被節(jié)理面貫通掉落的粉砂巖巖塊會(huì)堆積在溝內(nèi)，下次降雨時(shí)雨水匯集于溝內(nèi)裹挾著這些物質(zhì)形成坡面碎屑流一并沖向坡腳處。

3.3 反向坡、斜向坡的成災(zāi)模式及演化過程

反向坡和斜向坡的變形破壞也主要受構(gòu)造節(jié)理的一系列淺表生改造過程所產(chǎn)生的陡傾節(jié)理面控制，常見的成災(zāi)模式為軟巖崩解剝落-硬巖剪切滑移墜落。主要發(fā)生在反向高陡斜坡，陡傾節(jié)理面傾向坡外的臨空面處，主要發(fā)育的災(zāi)害類型為局部小型的崩塌落石，隱蔽性較強(qiáng)，危害較大。順斜向坡的變形破壞受卸荷裂隙和層面共同控制，易引發(fā)沿層面滑動(dòng)的順層滑坡，危害性大。

以彝良縣角奎鎮(zhèn)馬窯村埡口組的一處逆斜向邊坡為例。地層巖性為侏羅系中統(tǒng)遂寧組J2s紫紅色泥巖、鈣質(zhì)泥巖、粉砂質(zhì)泥巖夾細(xì)砂巖及泥灰?guī)r。由于泥巖和砂巖的差異風(fēng)化，泥巖崩解剝落形成凹槽，砂巖懸空，陡傾節(jié)理的巖橋剪斷形成貫通性結(jié)構(gòu)面（圖10）。

圖10 差異風(fēng)化形成的凹槽Fig.10 Groove formed by difference weathering

反向邊坡、斜向邊坡的成災(zāi)模式大都為軟巖崩解剝落-硬巖卸荷拉裂墜落，其演化過程如圖11所示。

圖11 反向、斜向紅層邊坡的破壞過程Fig.11 Failure process diagram of reverse and oblique slope

（1）在降雨、凍融、溫度、陽光、生物等的綜合作用下，特別是長期反復(fù)的干濕效應(yīng)、氣溫波動(dòng)、陽光交替，泥巖、砂巖抗風(fēng)化性能有所差異，風(fēng)化作用將泥巖崩解剝蝕后，形成向巖體內(nèi)部的凹槽。

（2）隨著深度不斷加大，導(dǎo)致上部砂巖懸空，形成危巖，砂巖中的陡傾節(jié)理或張拉裂縫的“巖橋”被剪斷形成貫通性結(jié)構(gòu)面。

（3）變形體在自重應(yīng)力作用下，發(fā)生墜落，形成落石或崩塌。

4 結(jié)論

（1）對(duì)彝良縣紅層邊坡的發(fā)育特征及規(guī)律進(jìn)行統(tǒng)計(jì)總結(jié)得知，彝良縣的沙溪廟組J2sx、飛仙關(guān)組T1f和遂寧組J2s三種地層，尤其是沙溪廟組J2sx發(fā)育的紅層邊坡最易發(fā)生變形破壞、發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害數(shù)量也最多；紅層邊坡變形破壞形成的不穩(wěn)定斜坡、滑坡的規(guī)模以小型為主，崩塌以中型為主；坡度在20°～30°的紅層邊坡最易發(fā)生滑坡、不穩(wěn)定斜坡；坡度在50°以上的紅層邊坡最易發(fā)生崩塌。

（2）不同斜坡結(jié)構(gòu)與不同巖體結(jié)構(gòu)組合下，紅層邊坡的成災(zāi)模式及破壞過程是不同的。紅層順向邊坡常見成災(zāi)模式為滑移-拉裂式的順層滑坡或崩塌；橫向邊坡常見成災(zāi)模式為崩解沖刷-剪切墜落式，常因差異風(fēng)化形成局部風(fēng)化剝落和小型沖溝；反向坡和斜向坡常見成災(zāi)模式為軟巖崩解剝落-硬巖卸荷拉裂墜落，主要發(fā)育的災(zāi)害類型為局部小型的崩塌落石。