寧夏回族自治區彭陽縣地質災害發育特征與形成條件分析

毛正君,倪萬魁,楊曉華,劉海松,晏長根

(1.長安大學公路學院,陜西西安710064;2.長安大學地質工程與測繪學院,陜西西安710054)

20世紀80年代以來,我國開展的地質災害調查主要針對大型工程建設。1999年以來開展的縣(市)地質災害調查與區劃工作,截至2003年底,累計完成545個縣市調查,并建立了相應的信息系統和群測群防網絡。建立國家和省2級地質災害應急指揮系統及地質災害報告制度,全國成功預報地質災害697次,避免人員傷亡近3萬人[1]。由于地質災害形成的復雜性和不確定性,滑坡、崩塌、泥石流等災害仍呈加劇趨勢,以往工作成果調查精度不高和對地質災害分布發育規律研究不夠的問題逐漸凸現,依據國務院《地質災害防治條例》和國土資源部《全國地質災害防治規劃》,“十一五”期間,國土資源部中國地質調查局擬在全國地質災害高發區部署開展地質災害詳細調查工作[2]。由于成效顯著,國土資源部決定繼續開展全國山區丘陵縣(市)地質災害調查和重點地區地質災害詳細調查[3]。

黃土高原地區是我國生態環境最為脆弱的地區之一,特殊的自然地理和地質環境背景,導致該地區發育獨特環境地質問題[4]。寧夏彭陽縣地處黃土高原,地質環境條件極為脆弱,區內黃土堆積厚度大,結構疏松,水土流失嚴重,導致黃土丘陵區溝壑縱橫,地形破碎,滑坡與崩塌等地質災害頻發,是寧夏地質災害最為發育的縣[5],嚴重威脅著當地人民群眾的生命和財產安全,并阻礙了當地社會經濟的發展。從20世紀90年代起,寧夏地質環境監測總站進行過彭陽縣地質災害編圖,并對該縣汛期地質災害的分布及發育情況進行過調查和分析,于2002年完成了寧夏彭陽縣地質災害調查與區劃。在彭陽縣地質災害調查與區劃基礎上,從2008年至今所進行的寧夏彭陽縣地質災害詳細調查,提高了地質災害調查精度,更新了地質災害數據和地質災害分布圖,闡明了彭陽縣地質災害發育特征、時空分布規律及形成條件,將為彭陽縣劃分地質災害易發區和危險區及防災減災提供基礎依據。

1 地質環境概況

彭陽縣位于寧夏東南部邊緣,六盤山東麓,行政區劃隸屬固原市,西連寧夏原州區,東、南、北分別與甘肅省鎮原縣、平涼市和環縣相鄰,土地總面積2 528.7 km2,轄3鎮 9鄉,截止2005年底,全縣總人口25.2萬人。境內屬于溫帶半濕潤、半干旱氣候,年際降水變化大,同一年內降水分布極不均勻,分為明顯的雨季和旱季,降雨常以連陰雨和暴雨的形式出現;境內河流屬涇河水系,主要河流有茹河、紅河、安家川河。境內地貌形態按地形可分為黃土丘陵、河谷階地、土石質山3種地貌景觀,面積分別占總面積的57.9%,28.9%和13.2%。區內出露的地層由寒武系、奧陶系、侏羅系、白堊系、古近系、新近系和第四系組成;前第四系地層零星出露于各大沖溝中,第四系地層廣泛分布。研究區位于中朝準地臺與昆侖地槽褶皺區的過渡地帶,跨鄂爾多斯西緣拗陷帶和鄂爾多斯臺拗2個2級構造單元。彭陽縣新構造運動以“南北古脊梁”為界,東西差別極大,東部表現為緩慢抬起,西部活動強烈。按《中國地震烈度區劃圖》,調查區大部分地區地震烈度小于Ⅷ度[6-7]。

2 地質災害特征

2.1 地質災害發育概況

滑坡、崩塌以及不穩定斜坡為彭陽縣境內主要發育的地質災害類型,彭陽縣地質災害點共計1 284處,其中,滑坡 794處,崩塌 242處,不穩定斜坡224處,泥石流23處,地面塌陷1處,分別占區內地質災害總數的61.9%,18.8%,17.4%,1.8%,0.1%。

2.2 地質災害類型與特征

2.2.1 滑坡 彭陽縣內滑坡均為黃土滑坡,其形態特征典型,邊界輪廓清晰,具有明顯的圈椅狀形態,后緣滑壁保留一般較完好,滑體滑移特征明顯,部分滑坡具有典型的雙溝同源現象,滑床、滑帶完整或局部完整。黃土滑坡按滑面發育位置可分為黃土層內滑坡和黃土—基巖接觸面滑坡2種類型[8-9],黃土層內滑坡分布廣,占滑坡總數的79.3%,黃土—基巖接觸面滑坡,基巖產狀近于水平,強度遠高于黃土,黃土破壞滑動后,前緣受阻,沿著基巖頂面滑動。區內大部分為老滑坡,占滑坡總數的98.2%,新滑坡僅12處,其發生均與人類工程活動有關,均屬工程滑坡,主要為削坡、斬坡引起。彭陽縣內以中、小型滑坡為主,兩者占滑坡總數的67.8%,巨型滑坡很少。從深度以中、淺層滑坡為主,兩者占滑坡總數的76.2%,巨厚層滑坡極少。大多數古、老滑坡均改造成農田,地勢平緩,水源條件好。由于溝谷切割侵蝕,滑坡前緣土體易于流失,造成多次反復滑動,使滑坡體不斷變薄,呈臺階狀。因此,古、老滑坡的反復活動是區內黃土滑坡發育的一個重要特點(見圖1)。

圖1 彭陽縣典型黃土滑坡剖面

2.2.2 崩塌 彭陽縣內崩塌均為黃土崩塌,主要分布在丘陵區梁峁相間的溝谷地帶或臺塬沖溝邊緣以及窯洞上方的高陡黃土懸崖上。本次實地調查的242個崩塌點中,崩塌隱患191處,即成崩塌51處。由于黃土垂直節理發育,直立性好,小型崩塌比比皆是,在此次詳細調查中未全部記錄。彭陽縣內崩塌具有以下特征:數量多,規模小,堆積體不易保存;發生速度快,危害大;坡度陡,坡度大多大于 70°;變形破壞模式多樣,可分為傾倒式、鼓脹式、滑移式和錯斷式4種類型[10],分別占崩塌總數的 43.2%,2.8%,27.8%,26.2%。目前彭陽縣崩塌大多處于基本穩定狀態,處于穩定和不穩定狀態的較少。

2.2.3 不穩定斜坡 彭陽縣內不穩定斜坡共計224個,占全縣地質災害點總數的17.4%,可分為黃土斜坡與黃土—基巖接觸型斜坡。本次調查中只是針對坡下有城鎮、居民點,工礦及基礎設施等,威脅人民生命財產安全的地質災害點。彭陽縣內不穩定斜坡具有以下特征:坡度跨度大、潛在危害嚴重,坡度大都大于40°,坡高多在30 m以上,坡頂多發育有拉張裂縫。人類工程活動和降雨是導致斜坡失穩轉變為崩塌或滑坡的主要誘發因素。

2.2.4 泥石流 彭陽縣內泥石流溝共計23條,占全縣地質災害點總數的1.8%。23條泥石流溝全部集中于西部黃峁山一帶的古城鎮內,堆積物常壓埋固原至古城長約7 km的公路沿線。彭陽縣內泥石流均由暴雨因素激發形成,集中發生于每年降雨強度高的7—9月份;從地貌部位來看,均屬山區泥石流,峽谷地形,坡陡勢猛,破壞性大;從流域形態來看,均屬山坡型泥石流,流域呈斗狀,無明顯流通區,形成區與堆積區直接相連,溝短;從物質組成來看,為水石流,由砂、石組成,粒徑大,堆積物分選性強;從固體物質提供方式來看,為坡面侵蝕泥石流,固體物質主要由坡面或沖溝侵蝕提供;從流體性質來看,為稀性泥石流,破壞力較弱;從發育階段來看,均屬發育期泥石流,山體破碎不穩,日益發展,淤積速度遞增,規模小;從暴發頻率來看,屬高頻泥石流,發生次數1～10次/a;從堆積物體積來看,均屬小型泥石流,堆積物體積小于2×104m3。

2.2.5 地面塌陷 彭陽縣內地面塌陷共計1個,占全縣地質災害點總數的0.1%。分布于王洼鎮煤礦區因采煤形成的地面塌陷,長約2.5 km,寬1.5 km,地面塌陷已造成近1 km2范圍內在雨季積水,糧食絕收,而在塌陷區地表居住的38戶人家窯洞普遍產生裂縫,直接威脅村民的生命財產安全。

3 地質災害時空分布規律

3.1 空間分布規律

沿河流兩側及其2,3級支流兩岸斜坡成帶狀分布。有90%以上的地質災害點集中分布在紅河、茹河和安家川河流域,紅河和茹河流域的地質災害發育程度比安家川河流域要高,這兩河流域的地質災害點占地質災害總數的79.9%。

滑坡在1 400～1 700 m高程范圍內相對集中。滑坡后緣高程跨度較大,在1 340～1 820 m之間均有分布,但80%以上的滑坡在1 400～1 700 m之間,跨度達300 m。不同規模類型滑坡后緣高度有所差異,大中型滑坡50%以上后緣高度分布在1 460～1 580 m之間,跨度120 m;而小型滑坡50%以上后緣高度分布較低,在1 460～1 520 m之間,跨度60 m。隨著滑坡規模的減小,滑坡后緣頂部高程呈現降低的趨勢。

在易滑或易崩地層巖性組合部位相對集中。彭陽縣黃土滑坡,79.3%屬于黃土層內滑坡;20.7%屬于上部切穿黃土,下部沿紅色泥巖或基巖滑動。滑坡在第四紀紀黃土,以及上部黃土、下部紅黏土或基巖出露的巖性組合部位集中分布;崩塌全部發育在第四紀黃土中。

在人類活動強度大的鄉鎮集中。人類工程活動強度與彭陽縣地質災害發育程度關系密切,人口密度相對越大,人類工程活動強度相對越強,地質災害也越發育。根據調查資料統計,人口密度大于彭陽縣平均人口密度的新集鄉、白陽鎮、紅河鄉、城陽鄉和古城鎮正是彭陽縣地質災害點密度較大的鄉鎮。

滑坡在坡向 0°～ 135°和 225°～ 360°區間相對集中。這與彭陽縣河流發育的走向有關,紅河、茹河主干總體上呈近東西向,其2級支流多呈近南北向發育,河流兩側斜坡坡向大多分布在 45°～135°和225°～315°間 。

3.2 時間分布規律

在全新世早期相對集中。據調查統計資料,在794處滑坡中,發生于全新世以前的古滑坡2處,占滑坡總數的0.3%;發生于全新世以來,而現今整體基本穩定的老滑坡780處,占總數的98.2%;近年來發生或目前仍有活動跡象的新滑坡12處,占總數的1.5%。

在現代人類活動強烈的時期相對集中。本次調查中,彭陽縣內新近發生的12處滑坡中有9處與削坡建窯建房有關,2處與公路建設有關,1處由水利工程引發。

在雨季相對集中。彭陽縣地質災害與降雨強度成明顯的正相關性,表現為在年降雨量大的年份相對集中;在一年中的雨季相對集中;在日降雨強度大的時間內相對集中。在暴雨時期內災害發生和降雨基本同步,連陰雨季節災害發生有不同程度的滯后性。因此,每年7—9月份是地質災害的高發時段。

4 地質災害形成條件分析

4.1 地形地貌

斜坡地形是滑坡、崩塌災害產生的先決條件[11]。彭陽縣內黃土堆積厚度一般在數十米至百余米,結構疏松,巖土侵蝕強烈,地表水系發育,以紅河、茹河和安家川河為主流,支流支溝密布,地形破碎,為地質災害的形成提供了有利的地形條件。

4.1.1 坡度 坡度明顯改變著斜坡的應力分布狀態,隨著坡度的增大,坡面附近應力帶范圍隨之擴大,坡腳應力集中并隨之增高。斜坡坡度對于黃土邊坡的穩定性影響很大,坡度越大,安全系數越小。也就是說,斜坡的坡度越大,臨空的危勢和斜坡體內應力也越大,斜坡易產生變形坡壞。彭陽縣內大于60°的陡崖易形成崩塌,隨著坡度的減緩,多發生滑坡,由陡坡轉變為緩坡,滑坡發生概率降低,直至不再有滑坡發生。不同坡度區間彭陽縣滑坡、崩塌和不穩定斜坡發育情況見圖2。

圖2 不同坡度區間災害發育情況

4.1.2 坡高 坡高雖然沒有改變斜坡內應力的分布狀態,但是控制著坡體內各處應力的大小,隨著坡高的增大,應力值呈線性增加。彭陽縣內斜坡坡高與滑坡的發生也存在明顯的相關性。滑坡一般多發生在坡高30～100 m的斜坡上。不同坡高區間彭陽縣滑坡發育情況見圖3。崩塌多發生在坡高10～20 m的斜坡上,占崩塌總數的69.2%;超過這一高度崩塌發生的概率減小。原因是斜坡越高,歷經風化已趨于穩定,坡度越緩;反之,斜坡越低,越易形成陡坡,也易受到河流以及人類工程活動的影響,尚處于平衡調整階段,發生崩塌的概率增高。

圖3 不同坡高區間滑坡發育情況

4.1.3 坡向 斜坡坡向受區內水系走向的控制。彭陽縣境內河流屬涇河水系,主要河流有南部的茹河、紅河,北部的安家川河。其中紅河、茹河主干總體上呈近東西向,其2級支流多呈近南北向發育,河流兩岸斜坡為彭陽縣內地質災害發育的主要區段,據統計,彭陽縣滑坡災害在 0°～135°和225°～360°的坡向區間相對集中。表明在彭陽縣,滑坡在陰坡和近似陰坡的斜坡上較發育。不同坡向區間彭陽縣滑坡發育情況見圖4。

圖4 不同坡向區間滑坡發育情況

4.2 地層結構

根據野外實地調查,彭陽縣內易滑地層為第四紀黃土,軟弱結構面為第四紀古土壤層、新近紀紅色泥巖以及基巖中的泥巖與砂巖與黃土的接觸面;易崩地層為第四紀黃土。黃土結構疏松、強度低、遇水軟化、節理裂隙發育等特性決定了黃土是區內最主要的易滑、易崩地層[12]。古近系、新近系地層在彭陽縣內與滑坡災害關系最為密切,其結構較均一,固結程度較高,天然狀態下呈堅硬狀態,強度較高,隔水性好。但遇水易崩解軟化,降低強度,常形成滑動面和滑床[13]。

4.3 降雨

降雨是導致彭陽縣地質災害發育的主要誘發因素之一。統計資料表明,多雨年份地質災害發生頻次明顯高于正常年份,年內的地質災害集中發生于夏秋7—9月的多雨季節。彭陽縣大部分為黃土丘陵區,且由于黃土自身的工程地質特性,在黃土構造節理、卸荷與風化裂隙、落水洞、陷穴等發育部位,降雨可沿空隙下滲甚至灌入,在相對隔水部位形成上層滯水或飽水帶,增大巖土體重力、甚至形成孔隙水壓力,降低巖土體強度,從而觸發黃土滑坡、崩塌的發生。彭陽縣降雨常以暴雨和連陰雨的形式出現,暴雨降雨強度高,但通常歷時較短;而連陰雨雖然降雨強度不大,但歷時長,雨水大部分都可滲入坡體,使得坡體地下水位不斷增高,從而導致斜坡失穩[14-15]。

4.4 人類工程活動

在地質災害的控制與影響因素中,地質環境條件變化緩慢,降雨和人類工程活動則是最活躍的因素[16]。彭陽縣人類工程活動比較強烈,主要表現為筑路、修建水庫和水渠、輸油輸氣管道建設,開挖宅基、窯洞,開礦、挖砂,斜坡墾植、放牧等活動。這些人類工程活動改變了地質環境狀態和斜坡的應力條件,引發了一系列的崩塌、滑坡等地質災害。本次調查中,新滑坡和崩塌災害無一不與人類不合理的工程經濟活動有關。

5 結論

(1)在充分發揮遙感技術信息量大、時效性強等優勢的基礎上,采用點、線、面相結合的地面調查方式,提高了地質災害調查精度,更新了彭陽縣地質災害數據和地質災害分布圖。

(2)滑坡、崩塌、以及不穩定斜坡為彭陽縣境內主要發育的地質災害類型,彭陽縣地質災害點共計1 284處,其中,滑坡794處,崩塌242處,不穩定斜坡224處,泥石流23處,地面塌陷1處;分別占區內地質災害總數的61.9%,18.8%,17.4%,1.8%,0.1%。

(3)彭陽縣內滑坡均屬黃土滑坡,其形態特征典型;崩塌均為黃土崩塌,主要分布在丘陵區梁峁相間的溝谷地帶或臺塬沖溝邊緣以及窯洞上方的高陡黃土懸崖上;不穩定斜坡具有坡度跨度大,潛在危害嚴重,坡度大都大于40°,坡高多在 30 m以上,坡頂多發育有拉張裂縫;彭陽縣內23條泥石流溝全部集中于西部黃峁山一帶的古城鎮內;地面塌陷分布于王洼煤礦區。

(4)彭陽境內地質災害從空間分布來看,沿河流兩側及其2,3級支流兩岸斜坡成帶狀分布;滑坡在1 400～1 700 m高程范圍內相對集中;在易滑或易崩地層巖性組合部位相對集中;在人類活動強度大的鄉鎮集中;滑坡在坡向0°～135°和 225°～ 360°區間相對集中。在時間域上,彭陽境內地質災害在全新世早期相對集中;在現代人類活動強烈的時期相對集中;在雨季相對集中。

(5)彭陽縣地質災害形成條件包括地形地貌、地層結構、降雨和人類工程活動,斜坡地形是滑坡、崩塌災害產生的先決條件;第四紀黃土和新近紀紅色泥巖是彭陽縣內的易滑地層;降雨是導致彭陽縣地質災害發育的主要誘發因素之一;新滑坡和崩塌災害無一不與人類不合理的工程經濟活動有關。

(6)依據彭陽縣地質災害發育特征及形成條件,其防治工作應貫徹預防為主、防治結合的原則;加強當地群眾保護地質環境的意識,宣傳遭遇地質災害時的應急自救知識;對于受地質災害威脅的已建零散居民區,采取搬遷避讓的防災措施;對于無法搬遷、穩定性差、威脅當地群眾生命財產安全的地質災害點應實施群測群防措施;對于新建礦山或建設場地應在項目可行性研究階段進行地質災害危險性評估工作。

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