廣州北部山區(qū)斜坡類地質災害致災機理及易發(fā)性分析
——以廣州從化良口—呂田一帶為例

莊卓涵

(廣東省地質調查院，廣東 廣州 510080)

0 引言

廣州北部山區(qū)廣泛分布侵入巖，斷裂構造較為發(fā)育，地殼風化強烈，風化層厚度較大且分布較廣，在強烈的人為工程活動(修建公路及削坡建房)干預下，大量的風化殼邊坡易發(fā)生崩塌、滑坡等斜坡類地質災害[1-2]。區(qū)內已查明斜坡類地質災害大多發(fā)生在花崗巖全風化土及殘積土所在邊坡。

近年來，GIS技術在地質災害研究中的地位日益突出，其應用廣度及深度也逐漸拓寬[3-5]。而較常見的斜坡類地質災害易發(fā)性評價方法主要有層次分析法[6-8]、信息量法[9-10]、神經(jīng)網(wǎng)絡模型[11]、綜合危險性指數(shù)法[12]等等。

本文在充分分析斜坡類地質災害發(fā)育特征和區(qū)域地質環(huán)境條件，刻畫其致災機理，選取合適的致災因子，以GIS技術和RS技術為基礎[13-14]，采用層次分析法和綜合指數(shù)法相結合的方法[15]，對區(qū)內斜坡類地質災害易發(fā)性進行評價分區(qū)。

1 研究區(qū)地質環(huán)境條件

1.1 地形地貌

區(qū)內以中低山-丘陵地貌為主，地形坡度一般小于20°，在良口鎮(zhèn)五指山地區(qū)坡度相對較陡，坡度20°～40°；在佛岡縣羊角山、流溪河水庫周圍、石榴花頂、元山等山區(qū)地形切割較大，坡度多為30°～60°。

1.2 巖土體條件

研究區(qū)發(fā)育有泥盆系、石炭系、三疊系、白堊系及第四系，出露面積占比約20.0%。另外，區(qū)內巖漿巖發(fā)育，分布廣泛，侵入巖主要呈巖基、巖株及巖墻狀產(chǎn)出，巖性多為二長花崗巖，面積占比為75.9%。

1.3 斷裂構造

研究區(qū)處于北東向廣從斷裂帶與東西向佛岡-豐良斷裂帶交匯處，構成區(qū)內構造基本格架的構造形跡主要表現(xiàn)為脆性斷裂，走向以北東為主，東西及北西次之。北東向斷裂在區(qū)域上屬于恩平-新豐斷裂帶中段廣州-從化斷裂的北延部分，發(fā)育多條近平行的北東向斷裂，呈帶狀發(fā)育，具為多期活動特征；東西向斷裂在區(qū)域上屬于佛岡-豐良斷裂帶之主干斷裂清遠-安流斷裂西段，為形成于印支期的基底斷裂，控制了晚三疊世山間盆地的空間分布；北西向斷裂多規(guī)模較小，走向上延伸不遠，為脆性斷層。

1.4 降雨

研究區(qū)屬亞熱帶季風氣候，雨熱同期，雨量充沛，多年平均降雨量為1 800～2 178.5 mm，主要集中在夏季，6-9月多臺風天氣，伴隨有強降水。

圖1 崩塌演化模式圖

2 致災機理分析

2.1 崩塌

崩塌的變形破壞受內外因素控制，內在因素包括地形地貌、地層巖性、地質構造、物質組成、結構面發(fā)育程度；外在因素包括地震、降雨、人類工程活動等[16]。

根據(jù)收集調查災害點現(xiàn)狀、結構類型特征以及現(xiàn)今變形破壞跡象的分析，區(qū)內崩塌的破壞模式主要為沖蝕-崩滑，具體致災機理如下(見圖1)。

初始坡體處于穩(wěn)定平衡狀態(tài)，植被覆蓋率較高，坡體較為穩(wěn)定，結構面少量發(fā)育；因修建道路或建造房屋需要對邊坡進行開挖，開挖后，臨空面發(fā)生卸荷回彈，坡頂及坡面出現(xiàn)微裂隙(圖1a)。雨水沿著裂隙及作業(yè)殘留溝痕入滲、徑流，并在排泄過程中攜帶細小顆粒，使得物質組成及結構發(fā)生改變，內部應力場也隨之變化。

由坡面跌水造成的沖刷下切力，使得坡面微裂隙逐漸發(fā)育為沖蝕溝槽，呈順坡楔狀分布。在坡面流水作用下，溝槽不斷向坡頂方向發(fā)生侵蝕，溝槽長度、深度及發(fā)育規(guī)模隨之變大(圖1b)。邊坡被沖蝕溝槽切割成多個條狀土體，穩(wěn)定性大大降低。

受雨水軟化作用，水壓力作用以及地下水浮托力作用影響，邊坡土體的抗滑力降低，土體發(fā)生部分崩落。坡腳位置土體首先發(fā)生崩落，形成更陡坡面及更大臨空面；被溝槽切割成條狀的土體由坡腳位置逐漸崩塌，形成崩塌凹洞(圖1c)，最終導致邊坡整體發(fā)生崩滑。

2.2 滑坡

與崩塌相似，巖土結構及節(jié)理裂隙為滑坡的發(fā)生提供了內在條件，人工開挖邊坡為滑坡發(fā)生提供了有效臨空面，降雨作用成為滑坡發(fā)生的外在誘發(fā)因素。

區(qū)內查明的滑坡物質組成均為土質，根據(jù)調查災害點現(xiàn)狀、結構類型特征及變形破壞跡象，總結其破壞模式主要為拉裂—滑移，其破壞機理如下(圖2)。

人工開挖邊坡，臨空方向發(fā)生卸荷回彈，應力平衡改變，須犧牲應變以期達到再次應力平衡，所以坡頂及坡面多發(fā)育裂隙，近邊緣處多出現(xiàn)平行于坡面的拉張裂隙(圖2a)。

圖2 滑坡演化模式圖

而邊坡前緣為應力集中帶，應變增大及裂隙的發(fā)育使得邊坡前緣發(fā)生滑動，牽引滑體上部土體變形，后緣土體也開始出現(xiàn)拉張裂隙，滑體處于蠕動變形階段；

在降雨作用下，降雨水楔作用明顯，裂隙進一步擴大，滑體變形加劇，滑體前緣土體受后緣土體擠壓作用，滑動幅度變大，局部發(fā)生垮塌(圖2b)；隨著裂隙逐步發(fā)展，直至貫通形成滑動面，土體最終在重力作用下，向坡腳滑移。

3 易發(fā)性評價

本次評價以GIS技術和RS技術為基礎，從致災機理角度出發(fā)，分析選取合適的致災因子，采用層次分析法和綜合指數(shù)法相結合的方法，對區(qū)內斜坡類地質災害易發(fā)性進行評價分區(qū)。

3.1 評價指標及模型的建立

在地質災害易發(fā)性評價中，以評價斜坡類地質災害易發(fā)性指數(shù)為目標層；其次選定基礎因素、誘發(fā)因素為一級指標層；選取地形坡度、植被覆蓋率、工程地質巖組、地質構造、降雨、人類工程活動等為二級指標層(圖3)。

結合自然地理特征和前人對該區(qū)的研究，在充分考慮資料的可獲得性、研究區(qū)尺度大小、研究范圍的大小以及研究精度的要求等因素的前提下，選取了以下6個因素作為評價因子。

3.1.1 地形坡度

地形坡度是地質災害發(fā)育的主要控制因素之一，地形的高差有利于坡體物質勢能的轉換，為地質災害形成提供動力。利用ArcGIS的表面分析功能，和等高線數(shù)據(jù)可得到數(shù)字高程圖形(DEM)，從而獲得地形坡度數(shù)據(jù)。根據(jù)地質災害分布情況，將區(qū)內地形坡度劃分為5個級別：(1)0°～8°、(2)8°～25°、(3) 25°～45°、(4)45°～60°、(5)﹥60°。

圖3 地質災害易發(fā)性分區(qū)評價體系圖

3.1.2 植被覆蓋率

植被覆蓋率從一定程度上反映地貌的變化，也是間接反映地貌對地質災害的影響。區(qū)內植被覆蓋率高區(qū)主要分布于中部、西南角一帶，可達85%，如高橋山、石牙頂?shù)鹊亍＠眠b感數(shù)據(jù)及ArcGIS平臺，將區(qū)內植被覆蓋程度劃分為5個類別：(1)高覆蓋；(2)中覆蓋；(3)低覆蓋；(4)裸土；(5)水體。

3.1.3 工程地質巖組

地層巖性是地質災害發(fā)育的重要內在因素。由于不同類型的工程地質巖組所處的地貌單元不同及存在的抗風化程度、力學性質及完整性的不同，在一定程度上決定了地質災害的分布規(guī)律及發(fā)育特征。根據(jù)工程地質特征，將區(qū)內巖土體劃分為4類：(1)堅硬巖；(2)較堅硬巖；(3)軟質巖；(4)松散巖組。

3.1.4 地質構造

地質構造發(fā)育的地段，巖體完整性較差，較為破碎，也為雨水入滲提供有利通道，其附近地質災害發(fā)育程度明顯高于其他區(qū)域[17]。一般采取對斷裂和褶皺軸跡的距離分析來確定影響范圍。根據(jù)區(qū)內斷裂發(fā)育情況，在斷裂帶兩側設置緩沖距離劃分成3個區(qū)域：(1)<200 m；(2)200～1 000 m；(3)>1 000 m。

3.1.5 降雨

降雨為地質災害的發(fā)生提供了動力條件，是主要誘發(fā)因素之一。區(qū)內斜坡類地質災害主要集中在汛期，其高發(fā)期主要受降水周期的控制[18]。根據(jù)區(qū)內降水線分布狀況，大致劃分為3個區(qū)域：(1)降水量<1 900 m；(2)降水量為1 900～2 100 m；(3)降水量>2 100 m。

3.1.6 人類工程活動

人類工程活動改變了地質環(huán)境，增加地質災害發(fā)生的可能性、頻率及危害范圍，是主要的直接誘發(fā)因素。區(qū)內房屋建筑、道路工程等各類人類工程活動日益增加，自然邊坡多被改造為高陡邊坡，且沒能采取有效的工程措施，坡面多為裸露狀態(tài)，容易失穩(wěn)誘發(fā)斜坡類地質災害的發(fā)生。根據(jù)實際調查情況及人類工程活動強度，劃分為3個區(qū)域：(1)人類工程活動強烈區(qū)；(2)人類工程活動較強烈區(qū)；(3)人類工程活動一般區(qū)。

3.2 評價方法

本次采用綜合指數(shù)法，其數(shù)學評價模型為：

(1)

i=1，2，…，n；j=1，2，…，m(公式)

式中：Pi為第i單元的易發(fā)性指數(shù)；i為評價單元；j為評價因子；aj為第j個評價因子在第i評價單元的賦值；wj為第j個評價因子的權重；m為評價因子數(shù)；n為評價單元數(shù)。

3.3 評價指標權重

利用AHP層次分析法軟件及構建的層次結構模型，生成易發(fā)性判斷矩陣A-B(表1)、基礎因素判斷矩陣B1-C(表2)、誘發(fā)因素判斷矩陣B2-C(表3)，并兩兩比較確定重要性程度。

表1 易發(fā)性判斷矩陣A-B

表2 基礎因素判斷矩陣B1-C

表3 誘發(fā)因素判斷矩陣B2-C

計算各判斷矩陣的最大特征根和特征向量并通過一致性判斷。

將B1-C、B2-C的權重Wi在A-B下歸一化，得到6個因素的總排序(表4)。

3.4 地質災害易發(fā)性分級

利用MapGIS空間分析功能，對各因素圖件進行疊加，將評價因子權重以及評價因子賦值進行加權計算，即可計算出各單元的值，按照自然斷點分級法，將地質災害易發(fā)性結果分為高易發(fā)、中易發(fā)和低易發(fā)3類。最后對區(qū)內地質環(huán)境條件、地質災害發(fā)育分布規(guī)律、形成條件等綜合分析后，進行適當修正，最終將區(qū)內斜坡類地質災害易發(fā)性評價劃分為高、中、低三級易發(fā)區(qū)5個亞區(qū)，見斜坡類地質災害易發(fā)性分區(qū)統(tǒng)計表(表5)和斜坡類地質災害易發(fā)性分區(qū)圖(圖4)。

表4 易發(fā)性評價體系層次總排序

3.4.1 高易發(fā)區(qū)(Ⅰ)

1)G105國道、G45高速公路低山區(qū)崩塌、滑坡高易發(fā)區(qū)(Ⅰ1)

分布于Gl05國道良口至呂田段沿線低山丘陵區(qū)，屬花崗巖低山區(qū)，工程地質巖組主要為塊狀較硬花崗巖組，區(qū)域斷層延伸方向與G105國道、G45高速公路方向大致相同，所以道路兩側基巖較為破碎，同時在風化作用下，裂隙發(fā)育，風化殘積層厚5～15 m，自然坡角20°～40°。因G105國道擴建改造，開挖形成大量的人工邊坡，邊坡高度5～60 m，坡角45°～85°，坡面多為裸露狀態(tài)，且未采取有效的支護措施，在暴雨作用下極易發(fā)生崩塌、滑坡。區(qū)內地質災害隱患點42處。

2)良口鎮(zhèn)團豐-溪頭低山丘陵區(qū)崩塌高易發(fā)區(qū)(Ⅰ2)

主要分布于調查區(qū)中部良口鎮(zhèn)團豐村-溪頭村一帶，零星分布在調查區(qū)北部的呂田鎮(zhèn)慈坑村，屬丘陵地貌，山坡坡度一般25°～45°，工程地質巖組為塊狀堅硬黑云母花崗巖組，上覆殘積土厚度10～20 m。該區(qū)人類工程活動強烈，居民削坡建房現(xiàn)象常見，植被覆蓋率低，削坡坡角45°～75°，人工坡高3～30 m，多數(shù)邊坡無防災減災措施，在暴雨作用下極易發(fā)生崩塌、滑坡。區(qū)內地質災害隱患點76處。

表5 斜坡類地質災害易發(fā)性分區(qū)統(tǒng)計表

圖4 斜坡類地質災害易發(fā)性分區(qū)圖

3.4.2 中易發(fā)區(qū)(Ⅱ)

1)良口鎮(zhèn)梅樹村—呂田鎮(zhèn)聯(lián)峰村低山區(qū)崩塌、滑坡中易發(fā)區(qū)(Ⅱ1)

主要分布于調查區(qū)東北側良口鎮(zhèn)梅樹村—呂田鎮(zhèn)聯(lián)峰村，少量分布于湯塘鎮(zhèn)、溫泉鎮(zhèn)低山丘陵區(qū)，工程地質巖組主要為塊狀較硬～堅硬花崗巖組，區(qū)內斷裂發(fā)育，加上風化作用，巖石較為破碎，風化殘積層厚5～15 m。修建房屋或修造道路等人工削坡活動較強烈，使得邊坡坡腳變陡，坡角多為25°～65°，且坡面多裸露，在強降雨作用下，斜坡類地質災害較易發(fā)生。

2)湯塘鎮(zhèn)圍鎮(zhèn)村—鐵崗鎮(zhèn)三坑村低山區(qū)崩塌、滑坡中易發(fā)區(qū)(Ⅱ2)

主要分布于調查區(qū)南部，屬花崗巖低山丘陵區(qū)，工程地質巖組主要為塊狀較硬～堅硬花崗巖組，區(qū)內人類工程活動較強烈，居民削坡建房現(xiàn)象較常見，削坡坡角40°～75°，人工坡高4～50 m，多數(shù)邊坡為裸露狀態(tài)或防護效果不明顯。

3.4.3 低易發(fā)區(qū)(Ⅲ)

廣泛分布于調查區(qū)低山區(qū)，零星分布在河谷平原位置。低山區(qū)主要為塊狀較硬～堅硬花崗巖組，斷裂活動較弱，植被覆蓋率較高，巖石較為完整，人口密度較小，人類工程活動較弱，工程建設強度較低，地質災害發(fā)育程度低；河谷平原第四系區(qū)，地勢較為平坦，斷裂活動影響弱，地質災害發(fā)育程度低。

4 結語

(1)本文通過對地質災害發(fā)育特征及地質環(huán)境條件的分析，刻畫其致災機理，選取合適的致災因子，以GIS技術和RS技術為基礎，采用了層次分析法和綜合指數(shù)法相結合的方法對地質災害易發(fā)性進行評價分區(qū)，劃分出地質災害高易發(fā)區(qū)、中易發(fā)區(qū)、低易發(fā)區(qū)。

(2)結合評價結果分析，受斷裂構造及風化作用影響，區(qū)內邊坡風化殼厚度較大，且人類工程活動(修建公路及削坡建房)強烈，在強降雨作用下，斜坡類地質災害易發(fā)。

(3)易發(fā)性分區(qū)統(tǒng)計表數(shù)據(jù)顯示，區(qū)內查明的地質災害點多分布于中～高易發(fā)區(qū)，證明本次評價具備一定的可信度，可進一步研究分析，為周邊地區(qū)的地質災害防治提供思路。