山西省柳林縣山體崩塌地質(zhì)災(zāi)害特征及成因分析

李 振,張春崗,黃紅國

(1.山西冶金巖土工程勘察有限公司,山西 太原 030013; 2.中晉環(huán)境科技有限公司,山西 太原 030013)

山西省是我國境內(nèi)黃土分布最廣的省份之一,黃土覆蓋率在70%以上,省內(nèi)山多川少,地勢由西南向東北逐漸升高,全省80%左右為山地和丘陵,大部分地區(qū)海拔在+1 500 m以上[1]。柳林縣屬山西省呂梁市,位于山西省中部西緣,屬暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候區(qū),四季分明。受季風(fēng)及地形等的影響,春季風(fēng)沙較多;夏季溫度較高,降雨較少且降雨時(shí)間集中;秋季氣候適宜;冬季持續(xù)時(shí)間較長,氣溫較低且氣候干燥[2]。全年日照充足,平均日照時(shí)間2 449.5 h,年平均氣溫10.5 ℃,極端最高溫度36.8 ℃,極端最低溫度-17 ℃。年平均降水量為472.3 mm,最大值632 mm,最小值為37.44 mm,降雨主要集中于6—8月,這3個(gè)月的降雨量上全年降雨量的50%以上,且大多降雨形式為暴雨[3]。但降雨分布不均,自東南向西北方向降雨量逐漸減少,且高海拔地區(qū)降雨量相對較多。柳林縣屬西北黃土高原的丘陵溝壑區(qū),其海拔高度隨基巖傾斜方向由東向西遞減。柳林縣內(nèi)山體崩塌地質(zhì)災(zāi)害絕大多數(shù)為黃土崩塌,黃土孔隙較大且垂直節(jié)理發(fā)育[4-5],較為特殊的性質(zhì)使其具有不同于尋常巖質(zhì)崩塌的特點(diǎn)。黃土崩塌不僅受到自身屬性、地形地貌以及構(gòu)造特征的影響,同時(shí)還受到人類工程和自然外力等因素影響。黃土崩塌通常發(fā)生在高陡的山體斜坡上,土體受自身重力或外力影響,突然傾落、脫離山體,順山體斜坡坡面滾動、滑移,最終堆積于坡腳處,不但會造成經(jīng)濟(jì)損失,還容易造成人身重大傷害,嚴(yán)重影響周邊居民的生命與財(cái)產(chǎn)安全。

為了對山體崩塌地質(zhì)災(zāi)害加以預(yù)防,以山西省柳林縣為例,對山體崩塌地質(zhì)災(zāi)害特征及成因展開分析。

1 山體崩塌地質(zhì)災(zāi)害特征分析

1.1 山體地質(zhì)構(gòu)成特征

柳林縣山體崩塌地質(zhì)構(gòu)成復(fù)雜多樣,將山體崩塌分為純黃土崩塌和黃土—基巖崩塌。其中,純黃土崩塌又分為馬蘭黃土(Q3)崩塌和離石黃土(Q2)與馬蘭黃土崩塌2種[6]。

1.1.1 純黃土崩塌

(1)Q3黃土崩塌。Q3黃土崩塌主要由馬蘭黃土構(gòu)成,馬蘭黃土是一種空隙較大、土質(zhì)較為均勻、帶有植物根系的淺黃色黃土[7-8]。Q3黃土山體斜坡坡度較大,接近于90°,山體斜坡坡高通常在4～10 m,Q3黃土崩塌規(guī)模在數(shù)立方米到數(shù)百立方米,屬于小型崩塌,通常發(fā)生于黃土塬邊、黃土梁卯邊緣、沖溝溝頭等位置。

(2)Q2與Q3黃土崩塌。Q2與Q3黃土崩塌由離石黃土與馬蘭黃土共同構(gòu)成,離石黃土是一種節(jié)理裂隙發(fā)育的磚紅色黃土,離石黃土中存在多層古土壤[9]。Q2與Q3黃土崩塌主要發(fā)生于黃土塬邊斜坡高陡處和沖溝岸坡高陡處等,該類崩塌發(fā)生處山體斜坡坡度較大,通常在80°以上,坡高在10～30 m,崩塌規(guī)模在數(shù)百立方米到數(shù)千立方米,同樣屬于小型崩塌。

1.1.2 黃土—基巖崩塌

黃土—基巖崩塌主要由黃土和新近系泥巖構(gòu)成[10],黃土通常分布于山體斜坡頂端,泥巖分布于斜坡低端,并且泥巖上層存在一層砂礫巖。黃土—基巖崩塌往往發(fā)生于沖溝溝口兩側(cè)斜坡上,山體斜坡坡度較大,接近于90°,坡高在10～20 m,崩塌規(guī)模相對較小。

1.2 山體形態(tài)特征

地形地貌是發(fā)生山體崩塌和活動的儲能空間,同時(shí)也是形成崩塌以及崩塌類型、規(guī)模、數(shù)量等崩塌屬性的決定性因素。柳林縣地貌類型復(fù)雜多樣,地貌單元種類繁多[11],由于流水堆積作用,三川河、黃河和大黃溝兩側(cè)逐漸形成高低不等的河谷階地、河漫灘、階地、河曲洼地和河堤洼地。此次研究區(qū)域主要包括河谷階地、丘陵區(qū)、黃土溝間和黃土溝谷區(qū)4種地貌單元[12-13],基于4種地貌研究發(fā)現(xiàn),山體形態(tài)是影響山體崩塌地質(zhì)災(zāi)害特征的關(guān)鍵因素之一。因此,從4個(gè)方面對柳林縣內(nèi)發(fā)生的山體崩塌地質(zhì)災(zāi)害的82處點(diǎn)位加以分析[14]。柳林縣82處山體崩塌地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)分布如圖1所示。

圖1 柳林縣82處山體崩塌地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)示意Fig.1 Schematic diagram of 82 geological disaster points of mountain collapse in Liulin County

1.2.1 山體斜坡坡型

柳林縣內(nèi)山體斜坡坡型分為4種類型,統(tǒng)計(jì)柳林縣不同山體斜坡坡型與山體崩塌的關(guān)系,結(jié)果見表1。

表1 山體斜坡坡型與山體崩塌關(guān)系Tab.1 The relationship between mountain slope type and mountain collapse

由表1可知,直立型山體斜坡是4種坡型中最易發(fā)生山體崩塌的坡型,占柳林縣內(nèi)總崩塌數(shù)量的60.98%左右;其次為凸型斜坡,崩塌數(shù)量占總數(shù)量的21.95%左右,再次為凹型斜坡,崩塌數(shù)量占總數(shù)量的10.98%左右;崩塌數(shù)量最少的為階梯型斜坡,占總數(shù)量6.10%左右。4種山體斜坡崩塌數(shù)量占比相差較大,說明坡型是山體崩塌地質(zhì)災(zāi)害的重要影響特征。

1.2.2 山體斜坡坡度

山體斜坡坡度是山體崩塌地質(zhì)災(zāi)害的重要因子,統(tǒng)計(jì)柳林縣內(nèi)的82處崩塌的原始山體斜坡坡度范圍見表2。

表2 山體斜坡坡度與山體崩塌關(guān)系Tab.2 The relationship between mountain slope gradient and mountain collapse

由表2可知,山體斜坡坡度在50°～60°內(nèi)時(shí),山體只出現(xiàn)過1次崩塌;隨著山體斜坡坡度的逐漸增加,山體崩塌數(shù)量隨之上升,在80°～90°內(nèi)達(dá)到最大值,占山體崩塌總數(shù)量的58.54%左右,說明山體斜坡坡度是山體崩塌地質(zhì)災(zāi)害特征的重要決定因素之一,山體崩塌數(shù)量隨著坡度的增加逐漸增加。

1.2.3 山體斜坡坡高

山體斜坡高也是山體崩塌地質(zhì)災(zāi)害特征的重要影響因素之一,統(tǒng)計(jì)柳林縣內(nèi)不同山體斜坡坡高下山體崩塌情況,見表3。

表3 山體斜坡坡高與山體崩塌關(guān)系Tab.3 The relationship between the height of mountain slope and mountain collapse

由表3可以看出,山體斜坡坡高<10 m時(shí),山體崩塌數(shù)量較少,約為全部山體崩塌總數(shù)的14.63%;坡高在10～20 m時(shí),山體崩塌較易發(fā)生崩塌;坡高在20～30 m和30～40 m時(shí),山體崩塌情況與小于10 m類似;坡高>40 m后,山體崩塌數(shù)量明顯減少?？梢?山體崩塌數(shù)量隨著山體斜坡坡高的增加呈現(xiàn)先增加后減少趨勢。

1.2.4 山體斜坡坡向

山體斜坡坡向也是影響山體崩塌的重要因素之一,研究柳林縣內(nèi)不同山體斜坡坡向下山體崩塌數(shù)量見表4。

表4 山體斜坡坡向與山體崩塌關(guān)系Tab.4 The relationship between slope orientation and mountain collapse

隨著山體斜坡坡向的改變,山體陽坡日照多于陰坡,陽坡白天氣溫和土溫明顯高于陰坡,早晚溫差較大,且人類通常居住于山體陽坡面,陽坡面從事的工程更為密集,導(dǎo)致陽坡發(fā)生較多崩塌。由表4可以看出,山體斜坡坡向在180°～270°時(shí),發(fā)生崩塌數(shù)量最多;其次為90°～180°,再次為270°～360°,發(fā)生崩塌數(shù)量最少的為0°～90°。山體斜坡坡向由0°～360°增加過程中,山體崩塌數(shù)量呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢。

2 山體崩塌地質(zhì)災(zāi)害成因分析

受柳林縣地形地貌、氣象水文、人類工程等因素共同影響,山體斜坡內(nèi)部存在不同的力學(xué)機(jī)制,從而決定山體斜坡最終的崩塌原因和崩塌形式。根據(jù)山體邊坡變形失穩(wěn)的力學(xué)特征[15],可將山體崩塌分為6種類型,并對6種崩塌成因加以分析。

依據(jù)山體崩塌地質(zhì)災(zāi)害特征分析結(jié)果,基于研究區(qū)域內(nèi)自然環(huán)境及人類活動等設(shè)計(jì)并開展300次山體崩塌實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)中,共發(fā)生傾倒式崩塌78次、墜落式崩塌76次、剝落式崩塌60次、滑移式崩塌42次、冒落式崩塌25次、錯(cuò)落式崩塌19次,對應(yīng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下。

2.1 傾倒式崩塌

傾倒式崩塌多發(fā)于下硬上軟的土體組合之中,崩塌受力如圖2所示。該類崩塌山體斜坡坡頂往往存在柱狀節(jié)理和垂直節(jié)理,崩塌失穩(wěn)時(shí)土體將坡腳某點(diǎn)作為支撐點(diǎn)旋轉(zhuǎn),出現(xiàn)轉(zhuǎn)動性傾倒崩塌[16]。

統(tǒng)計(jì)78次傾倒式崩塌中不同影響因素下崩塌發(fā)生次數(shù),見表5。由表5可以看出,在78次傾倒式崩塌中,降雨導(dǎo)致的崩塌占42.31%左右,自然風(fēng)化占26.92%左右,坡腳開挖占24.36%左右。對柳林縣進(jìn)行實(shí)地考察可知,降雨引發(fā)的崩塌數(shù)量最多,其次為自然風(fēng)化作用,再次為人類工程活動。理論分析和實(shí)驗(yàn)結(jié)果與實(shí)地考察結(jié)果相符,說明降雨、自然風(fēng)化和坡腳開挖是傾倒式山體崩塌的主要成因。

圖2 傾倒式崩塌受力Fig.2 Force on toppling collapse

表5 不同影響因素下傾倒式崩塌發(fā)生次數(shù)Tab.5 Occurrence times of toppling collapse under different influencing factors

2.2 墜落式崩塌

墜落式崩塌通常發(fā)生于陡峭的山體斜坡上,受山坡表層覆蓋物的影響,崩塌體下方支撐減小,崩塌體逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)閼铱諣顟B(tài),最終缺少支撐造成墜落式崩塌。該類崩塌分為單面連接崩塌和多面連接崩塌2種,兩者受力分別如圖3和圖4所示。

圖3 單面連接崩塌受力Fig.3 Stress diagram of single side connection collapse

圖4 多面連接崩塌受力Fig.4 Stress diagram of collapse with multiple connections

統(tǒng)計(jì)76次墜落式崩塌中不同表層覆蓋物下崩塌發(fā)生次數(shù),見表6。

表6 不同表層覆蓋物下墜落式崩塌發(fā)生次數(shù)Tab.6 Occurrence times of falling collapse under different surface coverings

由表6可以看出,76次墜落式崩塌中,80.26%以上崩塌成因?yàn)榛鶐r外露或基巖埋藏較淺,17.11%為密實(shí)巖塊堆積的坡面,不同表層覆蓋物下崩塌情況不同。經(jīng)實(shí)地考察,柳林縣墜落式崩塌多發(fā)生于坡度較大、高度較高的邊坡上,坡度在70°～90°,坡高均值在20 m左右,發(fā)生墜落式崩塌上方斜坡多發(fā)生基巖外露的情況,部分斜坡基巖埋藏較淺,周圍有密實(shí)巖塊堆積,少部分區(qū)域?qū)儆陂L有草皮的光滑坡面。理論分析和實(shí)驗(yàn)結(jié)果與實(shí)地考察結(jié)果相符,說明基巖外露或基巖埋藏較淺是墜落式山體崩塌的主要成因。

2.3 剝落式崩塌

剝落式山體崩塌通常出現(xiàn)在坡腳或坡面處,其崩塌受力如圖5所示。

圖5 剝落式崩塌受力Fig.5 Stress of spalling collapse

經(jīng)分析將剝落式崩塌成因劃分為以下3種。

(1)凍融型剝落。分析柳林縣氣象特征發(fā)現(xiàn),冬季氣溫較低且春季回暖較快,以月為單位的氣溫變化較大;同時(shí),晝時(shí)日照充足,溫度較高,夜時(shí)溫度較低,晝夜溫差較大。因此,造成大量凍融現(xiàn)象。在凍結(jié)過程中,凍脹力使土體形成凍脹裂紋,而氣溫回升土體融化后,即使部分土體愈合,仍會形成軟弱帶。由于黏聚力降低和外力影響,土體自坡面脫落,造成山體崩塌地質(zhì)災(zāi)害[17]。

(2)沖刷型剝落。在降雨集中的月份中,雨水激濺和地表水侵蝕共同作用,使山體斜坡坡面形成微小裂縫,裂縫隨著降雨逐漸增大,最終導(dǎo)致表層土體與山體斜坡土體分離,造成山體崩塌地質(zhì)災(zāi)害。

(3)擾動型剝落。在人為開挖山體邊坡時(shí),土體受到擾動;同時(shí),山體斜坡坡體卸荷、節(jié)理裂縫張開,致使坡體穩(wěn)態(tài)失衡,被節(jié)理分割的土體自坡體上脫落,造成山體崩塌地質(zhì)災(zāi)害。

統(tǒng)計(jì)60次剝落式山體崩塌中山體斜坡各位置和各崩塌成因發(fā)生次數(shù),見表7。

表7 剝落式崩塌在各位置上發(fā)生次數(shù)和各崩塌成因次數(shù)Tab.7 Occurrence times of spalling collapse at each location and cause times of collapse

分析表7中實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn),剝落式崩塌主要發(fā)生于坡頂和坡腳處。其中,坡腳處發(fā)生的次數(shù)最多,達(dá)到66.67%左右。造成剝落式崩塌的主要成因?yàn)閮鋈?、降雨和坡腳開挖。在柳林縣的實(shí)地考察中,剝落式崩塌的主要類型為凍融型、沖刷型和擾動型。理論分析和實(shí)驗(yàn)結(jié)果與實(shí)地考察結(jié)果相符,說明凍融、降雨和人類工程為剝落式山體崩塌的主要成因。

2.4 滑移式崩塌

滑移式崩塌通常發(fā)生于軟硬相間土體構(gòu)成的山體斜坡上,造成崩塌的主要影響因素是水,在豎直節(jié)理或裂縫切割作用下,坡肩上部分土體逐漸脫離斜坡,沿著支撐面向下滑動[18]?；剖奖浪芰θ鐖D6所示。

圖6 滑移式崩塌受力Fig.6 Stress of sliding collapse

統(tǒng)計(jì)42次滑移式崩塌中不同影響因素下崩塌發(fā)生次數(shù),見表8。由表8可以看出,在42次滑移式崩塌中,有61.90%的崩塌由降雨導(dǎo)致。對柳林縣進(jìn)行實(shí)地考察發(fā)現(xiàn),區(qū)域內(nèi)傾倒式崩塌前大多發(fā)生過降雨。理論分析和實(shí)驗(yàn)結(jié)果與實(shí)地考察結(jié)果相符,說明降雨和人類工程是該類崩塌的主要成因。

表8 不同影響因素下傾倒式崩塌發(fā)生次數(shù)Tab.8 Occurrence times of toppling collapse under different influencing factors

2.5 冒落式崩塌

冒落式崩塌往往發(fā)生于人工開挖窯洞的區(qū)域中,在窯洞挖掘過程或開挖完成的后期活動中,土體邊坡容易發(fā)生內(nèi)部穩(wěn)態(tài)失衡;在后續(xù)降雨、自然風(fēng)化以及人類工程作用下,造成窯洞上方出現(xiàn)冒落、崩塌等情況[19]。冒落式崩塌受力如圖7所示。

圖7 冒落式崩塌受力Fig.7 Stress of falling collapse

統(tǒng)計(jì)25次冒落式崩塌中不同影響因素下崩塌發(fā)生次數(shù),見表9。

表9 不同影響因素下墜落式崩塌發(fā)生次數(shù)Tab.9 Occurrence times of falling collapse under different influencing factors

由表9可以看出,在25次冒落式崩塌中,由降雨引發(fā)的崩塌占總次數(shù)的60%,坡腳開挖占24%。受自然環(huán)境影響,柳林縣居民通常在山體斜坡坡腳處開挖窯洞,使邊坡失去穩(wěn)定性。在柳林縣進(jìn)行實(shí)地考察后發(fā)現(xiàn),大部分冒落式崩塌由降雨、人類工程和自然風(fēng)化導(dǎo)致。理論分析和實(shí)驗(yàn)結(jié)果與實(shí)地考察結(jié)果相符,說明降雨、人類工程和自然風(fēng)化是冒落式山體崩塌的主要成因。

2.6 錯(cuò)落式崩塌

錯(cuò)落式崩塌通常發(fā)生在斜坡坡面較陡的山體上,坡頂逐漸出現(xiàn)不明顯的垂直裂縫,若發(fā)生降雨浸潤或工程擾動,會導(dǎo)致裂縫貫通,崩塌體脫離坡面,造成錯(cuò)落式山體崩塌[20]。錯(cuò)落式崩塌受力如圖8所示。

圖8 錯(cuò)落式崩塌受力Fig.8 Stress of staggered collapse

統(tǒng)計(jì)19次錯(cuò)落式崩塌中不同影響因素下崩塌發(fā)生次數(shù),見表10。

表10 不同影響因素下錯(cuò)落式崩塌發(fā)生次數(shù)Tab.10 Occurrence times of staggered collapse under different influencing factors

由表10可以看出,19次錯(cuò)落式崩塌中,絕大多數(shù)崩塌由降雨和坡腳開挖導(dǎo)致。經(jīng)實(shí)地考察發(fā)現(xiàn),柳林縣內(nèi)的錯(cuò)落式崩塌大多發(fā)生在60°以上山體斜坡上,且山體斜坡坡高較高,超半數(shù)在25 m以上,崩塌前往往經(jīng)歷過降雨和坡腳開挖,使山體斜坡穩(wěn)定性遭到破壞導(dǎo)致崩塌。理論分析和實(shí)驗(yàn)結(jié)果與實(shí)地考察結(jié)果相符,說明降雨和人類工程是錯(cuò)落式山體崩塌的主要成因。

3 結(jié)語

以柳林縣為例,對山體崩塌地質(zhì)災(zāi)害特征及成因進(jìn)行研究,分析了該區(qū)域山體地質(zhì)構(gòu)成特征和山體形態(tài)特征,探討了山體斜坡坡型、坡度、坡高、坡向與山體崩塌的關(guān)系;以傾倒式、墜落式、剝落式、滑移式、冒落式、錯(cuò)落式崩塌為切入點(diǎn),分析了山體崩塌地質(zhì)災(zāi)害成因。通過理論分析結(jié)果和實(shí)地考察結(jié)果對比可知,在柳林縣區(qū)域內(nèi),凍融、降雨、人類活動、自然風(fēng)化、基巖外露或基巖埋藏較淺等因素,是該地區(qū)內(nèi)產(chǎn)生山體崩塌地質(zhì)災(zāi)害的主要成因。研究結(jié)果能夠?yàn)樯襟w崩塌預(yù)防提供新的思路,可通過有效的地質(zhì)工程手段,干預(yù)地質(zhì)災(zāi)害產(chǎn)生的過程,減輕或防止災(zāi)害的發(fā)生,保障人民群眾的生命財(cái)產(chǎn)安全。