邯鄲市西部太行山區崩滑流災害孕災地質條件分析

葛黎龍 吳建輝

(河北省地質礦產勘查開發局第一地質大隊 邯鄲 056001)

1 引言

地質災害是指在自然或者人為因素的作用下形成的,對人類生命財產造成的損失、對環境造成破壞的地質作用或地質現象。討論地質災害的形成孕災地質條件、時空分布等特征,對地質災害評價研究具有重要意義。

隨著GIS技術、數學理論分析等手段的快速發展,地質災害評價研究方法已日趨成熟。陳緒鈺等[1]針對三峽庫區的地質災害情況,采取加權信息量和迭代自組織聚類相結合的手段,對地質災害的易發性評價及分區進行分析,完善了地質災害易發性評價理論體系;劉宇恒等[2]使用層次分析法,結合遙感資料,對茂縣斜坡地質災害進行了易發性評價、分級,其評價結果精確度較高;王森等[3]應用分形理論對南江縣滑坡敏感性進行分析,繪制滑坡易發性區劃圖。

邯鄲市西部太行山區總面積4460 km2,占全市面積的37.02%,境內地質環境條件復雜,降雨時空分布差異大,加之近年來極端天氣氣候事件頻發,致使山區崩滑流等地質災害日趨強烈,給邯鄲市的國民經濟建設及社會安定造成威脅。本文以邯鄲市西部太行山區為研究區,采用層次疊加法,對地質災害孕災因子分析研究,可深化對地質災害形成機理、規律認識和地質災害隱患判識,對太行山區的地質災害評估、防治和風險管控具有重要意義。

2 研究區概況

研究區位于太行山東麓向華北平原過渡區域,行政區劃包括涉縣、武安、峰峰礦區的全部及永年、復興區、磁縣的部分區域。大地構造處于山西斷隆太行山拱斷束中的武安凹斷束,區內先后經歷多次地殼升降運動,基本奠定了本區構造輪廓、特征和地形地貌,形成了自東向西以太行山前大斷裂、鼓山-紫山斷裂、柳家河斷裂、涉縣斷裂等北北東區域性構造為主的斷裂帶,這些斷裂帶的主要表現為上盤下降的正斷層,傾角較陡,規模較大,長幾十至數百公里,寬幾米至幾十米;在構造發育區,山區的巖土體高角度裂隙發育,裂隙常呈密集網狀,在暴雨誘發下極易形成滑坡、崩塌地質災害。

同時,受斷裂及和河流長期侵蝕切割的影響,研究區地形地貌復雜多變,形式多樣,自西向東分布有中山、低山、丘陵、盆地等地貌單元。中山主要分布于西北部武安市活水-管陶-賀進及涉縣的遼城-偏城-西達-合漳鄉一帶,地貌上總體呈現出溝深谷狹、脊坡陡峭、相對高差大等特點。低山區廣泛分布于中部地區,以侵蝕作用為主,山頂較渾圓,山體切割較淺,斜坡坡度多在20°～50°,“V”型和“U”型溝谷并存。丘陵區呈條帶狀分布于山前東部地區,地形起伏趨緩,屬坡積-洪積山前盆地。盆地主要有武安盆地、涉縣盆地、陽邑盆地和和村盆地,盆地邊緣中低山標高約800 m,盆地中部標高140～200 m,相對高差約500 m。

區內出露的主要地層有中元古界長城系,古生界寒武系、奧陶系、石炭系、二疊系,中生界三疊系和新生界第四系。其中,長城系砂巖、頁巖等碎屑巖類呈北西向條帶狀出露于清漳河、濁漳河沿岸及北洺河上游分布;寒武系及奧陶系灰巖、白云巖、泥質灰巖、碎屑灰巖等碳酸鹽巖在區內廣泛分布;石炭系、二疊系的煤系地層則主要分布于武安盆地、和村盆地及太行山前的緩丘地區,新近系、三疊系礫巖、砂巖、泥巖主要分布于紫山、鼓山附近,第四系松散沉積物分布于山間河谷和山前地帶(圖1)。

圖1 研究區地質環境條件及地質災害分布圖

研究區內水系主要有漳河、滏陽河、洺河,均為山溪河流,同屬海河流域。漳河發源于山西省,上游有清漳河和濁漳河兩條支流,境內河長約215 km,流域面積1610 km2。滏陽河發源于邯鄲市峰峰礦區和村鎮,先后有牤牛河、渚河、沁河、輸元河、洺河匯入,區內流域面積2850 km2。其中,洺河是滏陽河的較大支流,上游有南洺河、北洺河兩條支流,流域面積2230 km2。

3 地質災害發育分布概況

截止2020年,邯鄲市西部山區共發育崩塌58處、滑坡12處、泥石流35處,共威脅人口約840戶3000余人,房間約3140間。崩塌、滑坡主要集中于西北部的武安市活水-管陶-賀進、南部涉縣合漳鄉-磁縣賈壁鄉一帶,規模多以小型為主。泥石流主要集中發生在清漳河及支流東枯河兩側的侵蝕構造中低山區,規模多以中小型為主(表1)。

表1 邯鄲市崩滑流地質災害數量統計表(單位:處)

4 孕災地質條件分析

據邯鄲市地質災害調查數據及多年汛期巡排查資料分析,致使區內崩滑流災害發生的主要孕災地質因子是地形地貌,其次為地層巖性和地質構造。

4.1 崩塌和滑坡孕災地質條件

(1)地形地貌

地形地貌為是地質災害類型和規模的主控因素,其地形坡度、地勢起伏度、高程等與崩塌、滑坡發育相關性都較好。

利用研究區的DEM數據以10°分帶進行,提取各災害點的坡度信息數據,崩塌發育坡度大于60°的有48處,占崩塌總數的82.75%,密度最大為12處/km2;60°以下的斜坡上崩塌發育10處,占崩塌總數的17.24%,密度為0.24個/km2(圖2)。統計表明斜坡坡度60°以上時,最有利于崩塌發育,坡度明顯改變斜坡的應力分布狀態,隧著坡度的增大,臨空的危勢和斜坡體內應力越大,斜坡越易產生變形破壞,當坡度變為緩時,崩塌發生概率降低,直至不再發生。

圖2 崩塌、滑坡與地形坡度關系圖

滑坡發育坡度主要集中于30°～39°,發育滑坡5處,占滑坡總數的41.67%,密度最大為0.048處/km2。具有以30°～39°為中心,向兩側滑坡發育隨坡度變化規模變小的趨勢(圖2)。統計表明:一般小于30°的斜坡,覆蓋層穩定,滑坡發生概率降低;斜坡30°～39°時,覆蓋層穩定性降低,當降雨時,雨水沿土體或基覆界面下滲,降低巖土接觸面的力學性質而形成滑坡災害。因此,在30°～39°的斜坡上易形成滑坡;當斜坡大于40°時,不利于松散物質堆積,不易形成滑體。

地勢起伏度(某一確定面積內最高點和最低點海拔高度之差)綜合反映了地形切割、高低起伏的程度。研究區崩塌集中發育于起伏度在<20 m及>60 m范圍,數量分別為16處和19處,分別占本區崩塌總數的27.58%、32.76%。其中,<20 m地形起伏度區間主要對應于黃土發育地區,指示崩塌主要與黃土發育有關,且多與人類工程活動有關;當起伏度大于60 m時,則多為巖質崩塌?；掳l育區的地形起伏度集中在40 m以下范圍,發育滑坡7處,占本區滑坡總數的58.33%,指示滑坡主要與黃土或第四系殘坡積物的堆積有關(圖3)。

圖3 崩塌、滑坡與地形起伏度關系圖

斜坡坡向對崩塌、滑坡的形成、分布和活動強度也有一定影響。根據陽光照射時間,把斜坡朝南方向(90°～270°)稱為陽坡,朝北方向(270°～360°、0°～90°)稱為陰坡。研究區內崩塌在陽坡發育39處,占比67.24%;陰坡發育19處,占比32.76%;滑坡在陽坡發育10處,占比83.33%;陰坡發育2處,占比16.67%(圖4)。陽坡和陰坡比較,陽坡上具有降水量偏多、冰雪消融快、植被生長茂盛、晝夜溫差大、巖石更易風化等有利條件,故陽坡發育崩滑災害點數遠多于陰坡。

圖4 崩塌、滑坡與斜坡坡向關系圖

高程是崩塌、滑坡地質災害發育類型的重要影響因素之一。研究區內崩塌、滑坡發育高程多在500～750 m范圍內,恰好也是地殼抬升過程中河谷地貌演化的應力最大釋放區,這一高程區間內斷裂構造發育,應力集中,巖體更為破碎,溝谷切割強烈、地形條件也較復雜,工程地質條件較差,所以更易發育崩塌、滑坡(圖5)。

(2)地層巖性

研究區內主要易崩易滑地層由新至老為:第四系松散土體、寒武系及奧陶系碳酸鹽巖、長城系碎屑巖。經統計,區內發育于寒武系、奧陶系碳酸鹽巖的崩塌31處,占崩塌總數的53.44%;發育于長城系碎屑巖的崩塌20處,占崩塌總數的34.45%;而滑坡主要發育于第四系殘坡積層中(圖6)。

圖6 崩滑災害地層巖性孕災條件統計分析

區內出露的以寒武系及奧陶系碳酸鹽巖分布面積最廣,其裸露區面積達1900 km2,占山區總面積的40%左右,巖性以灰巖、白云質灰巖、泥質灰巖、碎屑灰巖為主,夾薄層頁巖,巖層傾角一般較緩。受侵蝕作用,山頂多呈渾圓狀,地層傾角較緩,故境內發育滑坡較少;而在構造發育地段,地形相對陡峭,且巖體中下部泥質灰巖抗風化能力弱,易形成巖腔,在重力作用下,被卸荷裂隙或構造裂隙切割為塊狀巖體,因重心不穩而產生崩塌。

長城系碎屑巖主要沿清漳河及北洺河上游呈帶狀分布,巖性主要為砂巖、頁巖,受地質構造及風化剝蝕影響,山體多為長垣狀或單斜狀,地貌上常呈懸崖峭壁,高角度裂隙發育呈密集網狀,而下部頁巖夾層則多形成巖腔,在暴雨誘發下極易形成崩塌地質災害。

第四系殘坡積層分布于山前地帶,其中厚薄不一,結構松散,物理力學強度低,遇水易軟化,常在斜坡中下部產生淺表滑坡;黃土及黃土狀土分布于山間河谷,由于土體結構疏松,孔隙率高,垂直節理發育,在人類活動(切坡建房、道路修建等)的影響下,常產生崩塌。

(3)地質構造

在研究區北部和南部的構造應力集中區,巖層破碎,節理裂隙常呈密集網狀,崩塌、滑坡發育。統計研究區內崩滑災害的分布與斷層距離之間的關系(表2),區內絕大多數崩塌、滑坡地質災害距離斷裂帶在500 m內;不同構造影響范圍有所不同,這主要取決于斷層或褶皺的活動性,對活動性強的區域性構造而言,其影響范圍可達2.5 km以上,活動性弱、規模較小的次級斷層及主要褶皺其影響范圍僅0.5 km左右。

表2 地質構造與崩滑地質災害點關系統計表

4.2 泥石流災害孕災地質條件特征

(1)地形地貌

邯鄲市西部太行山區泥石流的形成有其獨特的地形地貌條件約束,主要表現在其溝谷上游形成區一般為三面環山,一面敞開的“圈椅”地形,周圍山高坡陡,植被生長不良,有利于水和碎屑固體物質聚集;流通區的地形多為狹窄陡深的峽谷,溝床縱坡降大,溝谷形態多以V型為主,占比65.6%;下游堆積區地形多平坦開闊,便于碎屑物質的堆積。

研究區泥石流多形成在集水面積較小的溝谷,面積為0.2～5 km2者最易產生,發育泥石流24處,占泥石流總數的68.57%,小于0.2 km2和5～10 km2發育泥石流分別為4處、6處,占比分別為11.42%、17.14%;匯水面積大于10 km2以上者較少(圖7),此外集水面積越大,中型以上泥石流占比越高。

圖7 泥石流集水面積統計

溝床縱坡降是影響泥石流形成、運動特征的主要因素,溝床縱坡降越大,越有利于泥石流的發生。研究區內比降在10.5%～21.3%的發生頻率最高,發育泥石流17處,占比48.57%;比降大于21.3%的其次,發育15處,占比42.85%;其余發生頻率較低(圖8)。而縱坡降和高程差有著密切的關系,泥石流流域范圍內的相對高差體現了流域內地形條件變化特征,為物源流通提供勢能,研究區內94%以上的泥石流的相對高差超過100 m(圖9)。

圖8 泥石流溝床縱坡降統計

圖9 泥石流流域相對高差統計圖

利于提供固體物質的溝谷坡度一般15°～30°之間(圖10),該斜坡共發育泥石流32處,占泥石流總數的91.42%;小于15°的斜坡發育2處,占總數的8.57%。在15°～30°之間的斜坡,主要為第四系殘坡積物及人工梯田,為泥石流提供的松散物質來源。

圖10 泥石流溝坡坡度統計圖

(2)地層巖性

清漳河兩岸廣泛分布長城系、寒武系及奧陶系、第四系地層,致災地層主要為軟弱巖層及覆蓋層,軟弱巖層主要是頁巖、泥質灰巖、軟弱巖與硬巖組合,覆蓋層主要為殘坡積層、黃土、風化巖層組合。

對區內35個泥石流溝內物源斜坡結構及主要致災地層組合進行分析(表3),泥石流在松散巖類分布區最發育,共計18處,占泥石流總數的51.43%。松散巖類土體主要由第四系殘坡積、崩積、沖洪積的碎石土、卵石土、塊石、砂土堆積等組成,結構比較松散,為泥石流的發育提供了豐富的物源;其次為風化節理發育的碳酸鹽巖區和碎屑巖區,分別為11處、6處,分別占泥石流總數的31.43%、17.14%,其殘坡積層、風化巖層或軟弱致災地層組合的崩塌、滑坡災害體為泥石流的主要物源,特別是在海拔500 m山區,山體陡峭,巖體更為破碎,溝谷切割強烈,提供的松散物質也多,甚至在暴雨條件以災害鏈的形式補給泥石流。

表3 地層巖性與泥石流地質災害點關系統計表

(3)地質構造

研究區內地質構造發育,而在構造應力集中區,巖體破碎、結構疏松,寬度可達數十條至數百米,常成為泥石流豐富的固體物源。從表4可看出,在南部地區,由于分布有較多的地質構造,成為邯鄲市西部太行山區泥石流分布密度最高的地帶。

表4 地質構造與泥石流災害點關系統計表

除上述地形地貌、地質構造和地層巖性與泥石流固體物源的豐度有直接關系外,人類工程活動越強烈,人工堆積的松散層也就越多,研究區內大部分溝道內均有耕作的梯田,厚度0.5～2.0 m,結構松散,易吸水飽和,在強降雨匯流滲透沖刷下產生淺表土質滑坡,沿山坡下滑到坡腳、溝道形成物源;另外,一些鐵礦的礦產資源開發、廢棄的礦渣、廢石也是泥石流固體物質的來源之一。

5 孕災地質條件分區

5.1 評價因子選取

地質災害是多種因素共同作用的結果,可能同時受到內部與外部等多種因素的共同作用,不同地區地質災害孕災條件及發育特征是不同的,并且地質災害的誘發因素相互交錯,難以獨立分析,甚至難以量化考核。本次研究從地質災害發育特征入手,通過分析主控孕災地質條件,選取地形坡度、地勢起伏度、斜坡高程、斜坡坡向、地層巖性、地質構造等六方面因素作為評價因子。利用GIS空間分析功能在處理多因子、多圖層疊加處理評價方面的優勢,最終建立邯鄲市西部太行山區地質災害危險性評價模型(圖11)。

圖11 評價體系結構圖

5.2 評價因子權重的確定

權重是表征各評價因子對地質災害發生貢獻大小的量化值,本次運用yaahp層次分析法軟件構建判斷矩陣,計算各指標因子的權重。

對選取的6項評價因子,根據其對于地質災害發生的重要性,進行兩兩比較,采用1～9標度法,將相對重要性的值轉化為矩陣(表5)。

表5 評價因子重要性判斷矩陣

根據構建的判斷矩陣,利用方根法計算矩陣的最大特征根λmax=8.1986,對應的特征向量ω=(0.3417,0.1067,0.0608,0.0739,0.2411,0.1758)。一致性比例CR=0.0272,滿足一致性檢驗要求。而特征向量就是各評價因子權重組成的向量(表6)。從權重的大小可以看出,地形坡度、地層巖性權重最大,因而對于地質災害發生的影響程度最大。

表6 各因素在評價中的權重

5.3 孕災地質條件分區

應用ArcGIS軟件空間分析功能,對各影響因素專題圖的繪制和子專題圖的疊加,在定量計算分級分區的基礎上,綜合考慮各種因素,以“區內相似、區間相異”為原則,進行柵格綜合、模糊邊界、圖形融合等處理,消除異小圖斑,修改完善后最終形成地質災害孕災條件分區圖(圖12)。最終將全區劃分為西部清漳河峽谷區(Ⅰ)、西北部中山區(Ⅱ)、南部低山丘陵區(Ⅲ)、東部山前低丘盆地區(Ⅳ)四個分區。

圖12 地質災害孕災條件分區圖

(1)西部清漳河峽谷區(Ⅰ)

為地質災害高易發區,區內地質條件較為復雜,地質構造較發育,地貌上總體呈現出溝深谷狹、脊坡陡峭、相對高差大等特點,沿線分布有寒武系及奧陶系碳酸鹽巖、長城系碎屑巖地層,人類工程活動較為強烈。區內地質災害類型以泥石流為主,崩塌次之,受人類工程活動影響,具面上松散分布、規模較大、局部相對集中的特點。

(2)西北部中山區(Ⅱ)

為地質災害高易發區,區內地質條件復雜,地質構造發育,地貌上呈現地形陡峻,起伏度大特點,廣泛分布有長城系碎屑巖類地層,巖石節理裂隙密集發育。區內地質災害類型以崩塌為主,滑坡其次,具有數量多、密度大、規模小的特點。

(3)南部低山丘陵區(Ⅲ)

為地質災害中易發區,區內地質條件相對簡單,地質構造較發育,地形起伏小,山頂較渾圓,斜坡坡度多在20°～50°,廣泛分布寒武系及奧陶系碳酸鹽巖地層,區內地質災害類型以崩塌為主,滑坡、泥石流次之,具有規模小、松散分布的特點。

(4)東部山前低丘盆地區(Ⅳ)

為地質災害低易發區,該區地勢平坦,地質條件簡單,地質災害不發育,局部地區受人工切坡影響而形成小型土質崩塌災害。

6 結論

基于邯鄲西部太行山區105處崩滑流災害的的孕災地質條件數據分析,主要得出以下結論:

境內崩滑流地質災害主要受地形地貌、地層巖性及地質構造共同作用的影響,時空分布具有明顯的分區特征,崩塌、滑坡主要集中于西北部的武安市活水-館陶-賀進、南部涉縣合漳鄉一帶。泥石流主要集中于清漳河及支流東枯河兩側。

受地形地貌影響,巖質崩塌集中發育于坡度60°以上、高程500～750 m、地形起伏度60 m以上高陡斜坡;土質崩塌受人類工程活動影響,發育于坡度60°以上、地形起伏度20～30 m的高陡斜坡區;而滑坡發育坡度主要集中于坡度30°～39°、高程500～750 m、地形起伏度40 m以下的緩坡區。區內崩塌多發育寒武系奧陶系碳酸鹽巖及長城系碎屑巖地層;滑坡主要發育于第四系殘坡積層。崩塌、滑坡一般距離斷裂帶在1000 m內。

地形地貌是孕育泥石流主要的地質條件,集水面積0.5～5 km2者最易產生泥石流,溝床縱坡降在10.5%～21.3%的發生頻率最高,利于提供固體物質的溝谷坡度15°～30°。第四系殘坡積碎石土、沿溝道堆積的松散物是泥石流主要物質來源。

結合研究區地形地貌、地層巖性及地質構造等主要孕災因子,劃分為4大孕災地質條件區,并詳細闡述了不同孕災區內地質環境條件、地質災害發育特征等,對地質災害評估、綜合防治具有重要意義。