山西省柳林縣山體崩塌地質災害特征及成因分析

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.中晉環境科技有限公司,山西 太原 030013)

山西省是我國境內黃土分布最廣的省份之一,黃土覆蓋率在70%以上,省內山多川少,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氣候區,四季分明。受季風及地形等的影響,春季風沙較多;夏季溫度較高,降雨較少且降雨時間集中;秋季氣候適宜;冬季持續時間較長,氣溫較低且氣候干燥[2]。全年日照充足,平均日照時間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,且高海拔地區降雨量相對較多。柳林縣屬西北黃土高原的丘陵溝壑區,其海拔高度隨基巖傾斜方向由東向西遞減。柳林縣內山體崩塌地質災害絕大多數為黃土崩塌,黃土孔隙較大且垂直節理發育[4-5],較為特殊的性質使其具有不同于尋常巖質崩塌的特點。黃土崩塌不僅受到自身屬性、地形地貌以及構造特征的影響,同時還受到人類工程和自然外力等因素影響。黃土崩塌通常發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,不但會造成經濟損失,還容易造成人身重大傷害,嚴重影響周邊居民的生命與財產安全。

為了對山體崩塌地質災害加以預防,以山西省柳林縣為例,對山體崩塌地質災害特征及成因展開分析。

1 山體崩塌地質災害特征分析

1.1 山體地質構成特征

柳林縣山體崩塌地質構成復雜多樣,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成,馬蘭黃土是一種空隙較大、土質較為均勻、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黃土崩塌規模在數立方米到數百立方米,屬于小型崩塌,通常發生于黃土塬邊、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成,離石黃土是一種節理裂隙發育的磚紅色黃土,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,崩塌規模在數百立方米到數千立方米,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—基巖崩塌往往發生于沖溝溝口兩側斜坡上,山體斜坡坡度較大,接近于90°,坡高在10～20 m,崩塌規模相對較小。

1.2 山體形態特征

地形地貌是發生山體崩塌和活動的儲能空間,同時也是形成崩塌以及崩塌類型、規模、數量等崩塌屬性的決定性因素。柳林縣地貌類型復雜多樣,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。此次研究區域主要包括河谷階地、丘陵區、黃土溝間和黃土溝谷區4種地貌單元[12-13],基于4種地貌研究發現,山體形態是影響山體崩塌地質災害特征的關鍵因素之一。因此,從4個方面對柳林縣內發生的山體崩塌地質災害的82處點位加以分析[14]。柳林縣82處山體崩塌地質災害點分布如圖1所示。

圖1 柳林縣82處山體崩塌地質災害點示意Fig.1 Schematic diagram of 82 geological disaster points of mountain collapse in Liulin County

1.2.1 山體斜坡坡型

柳林縣內山體斜坡坡型分為4種類型,統計柳林縣不同山體斜坡坡型與山體崩塌的關系,結果見表1。

表1 山體斜坡坡型與山體崩塌關系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種坡型中最易發生山體崩塌的坡型,占柳林縣內總崩塌數量的60.98%左右;其次為凸型斜坡,崩塌數量占總數量的21.95%左右,再次為凹型斜坡,崩塌數量占總數量的10.98%左右;崩塌數量最少的為階梯型斜坡,占總數量6.10%左右。4種山體斜坡崩塌數量占比相差較大,說明坡型是山體崩塌地質災害的重要影響特征。

1.2.2 山體斜坡坡度

山體斜坡坡度是山體崩塌地質災害的重要因子,統計柳林縣內的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°內時,山體只出現過1次崩塌;隨著山體斜坡坡度的逐漸增加,山體崩塌數量隨之上升,在80°～90°內達到最大值,占山體崩塌總數量的58.54%左右,說明山體斜坡坡度是山體崩塌地質災害特征的重要決定因素之一,山體崩塌數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災害特征的重要影響因素之一,統計柳林縣內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,山體崩塌數量較少,約為全部山體崩塌總數的14.63%;坡高在10～20 m時,山體崩塌較易發生崩塌;坡高在20～30 m和30～40 m時,山體崩塌情況與小于10 m類似;坡高>40 m后,山體崩塌數量明顯減少?？梢?山體崩塌數量隨著山體斜坡坡高的增加呈現先增加后減少趨勢。

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,研究柳林縣內不同山體斜坡坡向下山體崩塌數量見表4。

表4 山體斜坡坡向與山體崩塌關系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,導致陽坡發生較多崩塌。由表4可以看出,山體斜坡坡向在180°～270°時,發生崩塌數量最多;其次為90°～180°,再次為270°～360°,發生崩塌數量最少的為0°～90°。山體斜坡坡向由0°～360°增加過程中,山體崩塌數量呈現先增加后減少的趨勢。

2 山體崩塌地質災害成因分析

受柳林縣地形地貌、氣象水文、人類工程等因素共同影響,山體斜坡內部存在不同的力學機制,從而決定山體斜坡最終的崩塌原因和崩塌形式。根據山體邊坡變形失穩的力學特征[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。

依據山體崩塌地質災害特征分析結果,基于研究區域內自然環境及人類活動等設計并開展300次山體崩塌實驗。實驗中,共發生傾倒式崩塌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、錯落式崩塌19次,對應實驗結果如下。

2.1 傾倒式崩塌

傾倒式崩塌多發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理和垂直節理,崩塌失穩時土體將坡腳某點作為支撐點旋轉,出現轉動性傾倒崩塌[16]。

統計78次傾倒式崩塌中不同影響因素下崩塌發生次數,見表5。由表5可以看出,在78次傾倒式崩塌中,降雨導致的崩塌占42.31%左右,自然風化占26.92%左右,坡腳開挖占24.36%左右。對柳林縣進行實地考察可知,降雨引發的崩塌數量最多,其次為自然風化作用,再次為人類工程活動。理論分析和實驗結果與實地考察結果相符,說明降雨、自然風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生次數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,崩塌體逐漸轉變為懸空狀態,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

統計76次墜落式崩塌中不同表層覆蓋物下崩塌發生次數,見表6。

表6 不同表層覆蓋物下墜落式崩塌發生次數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%以上崩塌成因為基巖外露或基巖埋藏較淺,17.11%為密實巖塊堆積的坡面,不同表層覆蓋物下崩塌情況不同。經實地考察,柳林縣墜落式崩塌多發生于坡度較大、高度較高的邊坡上,坡度在70°～90°,坡高均值在20 m左右,發生墜落式崩塌上方斜坡多發生基巖外露的情況,部分斜坡基巖埋藏較淺,周圍有密實巖塊堆積,少部分區域屬于長有草皮的光滑坡面。理論分析和實驗結果與實地考察結果相符,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現,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,晝時日照充足,溫度較高,夜時溫度較低,晝夜溫差較大。因此,造成大量凍融現象。在凍結過程中,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,造成山體崩塌地質災害[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,最終導致表層土體與山體斜坡土體分離,造成山體崩塌地質災害。

(3)擾動型剝落。在人為開挖山體邊坡時,土體受到擾動;同時,山體斜坡坡體卸荷、節理裂縫張開,致使坡體穩態失衡,被節理分割的土體自坡體上脫落,造成山體崩塌地質災害。

統計60次剝落式山體崩塌中山體斜坡各位置和各崩塌成因發生次數,見表7。

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

分析表7中實驗結果發現,剝落式崩塌主要發生于坡頂和坡腳處。其中,坡腳處發生的次數最多,達到66.67%左右。造成剝落式崩塌的主要成因為凍融、降雨和坡腳開挖。在柳林縣的實地考察中,剝落式崩塌的主要類型為凍融型、沖刷型和擾動型。理論分析和實驗結果與實地考察結果相符,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

滑移式崩塌通常發生于軟硬相間土體構成的山體斜坡上,造成崩塌的主要影響因素是水,在豎直節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

統計42次滑移式崩塌中不同影響因素下崩塌發生次數,見表8。由表8可以看出,在42次滑移式崩塌中,有61.90%的崩塌由降雨導致。對柳林縣進行實地考察發現,區域內傾倒式崩塌前大多發生過降雨。理論分析和實驗結果與實地考察結果相符,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生次數Tab.8 Occurrence times of toppling collapse under different influencing factors

2.5 冒落式崩塌

冒落式崩塌往往發生于人工開挖窯洞的區域中,在窯洞挖掘過程或開挖完成的后期活動中,土體邊坡容易發生內部穩態失衡;在后續降雨、自然風化以及人類工程作用下,造成窯洞上方出現冒落、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

統計25次冒落式崩塌中不同影響因素下崩塌發生次數,見表9。

表9 不同影響因素下墜落式崩塌發生次數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,由降雨引發的崩塌占總次數的60%,坡腳開挖占24%。受自然環境影響,柳林縣居民通常在山體斜坡坡腳處開挖窯洞,使邊坡失去穩定性。在柳林縣進行實地考察后發現,大部分冒落式崩塌由降雨、人類工程和自然風化導致。理論分析和實驗結果與實地考察結果相符,說明降雨、人類工程和自然風化是冒落式山體崩塌的主要成因。

2.6 錯落式崩塌

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

圖8 錯落式崩塌受力Fig.8 Stress of staggered collapse

統計19次錯落式崩塌中不同影響因素下崩塌發生次數,見表10。

表10 不同影響因素下錯落式崩塌發生次數Tab.10 Occurrence times of staggered collapse under different influencing factors

由表10可以看出,19次錯落式崩塌中,絕大多數崩塌由降雨和坡腳開挖導致。經實地考察發現,柳林縣內的錯落式崩塌大多發生在60°以上山體斜坡上,且山體斜坡坡高較高,超半數在25 m以上,崩塌前往往經歷過降雨和坡腳開挖,使山體斜坡穩定性遭到破壞導致崩塌。理論分析和實驗結果與實地考察結果相符,說明降雨和人類工程是錯落式山體崩塌的主要成因。

3 結語

以柳林縣為例,對山體崩塌地質災害特征及成因進行研究,分析了該區域山體地質構成特征和山體形態特征,探討了山體斜坡坡型、坡度、坡高、坡向與山體崩塌的關系;以傾倒式、墜落式、剝落式、滑移式、冒落式、錯落式崩塌為切入點,分析了山體崩塌地質災害成因。通過理論分析結果和實地考察結果對比可知,在柳林縣區域內,凍融、降雨、人類活動、自然風化、基巖外露或基巖埋藏較淺等因素,是該地區內產生山體崩塌地質災害的主要成因。研究結果能夠為山體崩塌預防提供新的思路,可通過有效的地質工程手段,干預地質災害產生的過程,減輕或防止災害的發生,保障人民群眾的生命財產安全。