以張臺鐵路為例談線狀工程地質災害成因

朱慈廣 何曉磊

(1.山西省地質工程勘察院，山西 太原 030024； 2.山西省國土資源學校，山西 晉中 030620)

以張臺鐵路為例談線狀工程地質災害成因

朱慈廣1何曉磊2

(1.山西省地質工程勘察院，山西 太原 030024； 2.山西省國土資源學校，山西 晉中 030620)

通過野外調查和室內資料整理，概述了張臺鐵路沿線的地質環境背景和地質災害類型與特征，利用工程地質測繪、經驗類比以及統計學的方法和手段，對張臺沿線的各種地質災害的成因進行了分析，結果表明，災害的發生受地形地貌、巖性結構、水及人類工程活動的共同影響。

鐵路，線狀工程，地質災害，成因

研究區內，鄉寧煤田是河東煤田的重要組成部分，是我國三大優質主焦煤基地之一，是冶金工業急需的優質強粘結主焦煤，張禮至臺頭地方鐵路的修建對煤炭的外運具有非常重要的意義，而對張臺地方鐵路沿線地質災害的研究也意義重大。此外，張臺鐵路沿線的地質災害還對周圍居住的居民的生命財產造成了嚴重的威脅。為此，論文在對鐵路沿線的各種地質災害進行地質調查與詳盡分析的基礎上，利用工程地質測繪、歷史經驗類比和統計學的方法與手段，分析了沿線各種地質災害的成因。這些研究不僅為防災減災和災害治理提供參考，還為相關類型的地質災害形成機理分析提供理論參考。

1 工程概況

張臺鐵路即張禮至臺頭地方鐵路。張臺線位于山西省中南部臨汾，總體呈東西向展布，地理坐標介于N35°56′25″～36°04′28″和E111°6′15″～111°29′20″之間[1]。研究區地處臨汾市的堯都區、襄汾縣和鄉寧縣境內。線路自南同蒲鐵路張禮車站北端接軌引出，向西跨汾河，經浪泉、梁段、光華至臺頭，線路全長61.236 km,見圖1。

研究區地處中緯度的內陸黃土高原，屬典型暖溫帶大陸性半干旱氣候，四季分明，春季干旱多風，夏季炎熱多雨，秋季涼爽易澇，冬季寒冷少雪。多年(1951年～2001年)平均降水量487 mm～546.6 mm。研究區按照成因及形態可分為侵蝕堆積河谷階地區、山前沖洪積傾斜平原區、構造剝蝕低山～低中山區、山間河谷區四個地貌單元。

研究區地層主要出露奧陶、石炭及第四系地層。奧陶系主要出露奧陶系下統(O1)和奧陶系中統(O2)，而奧陶系中統(O2)表現為下馬家溝組(O2x)和上馬家溝組(O2S)。巖性以白云巖、白云質灰巖、白云質泥巖、鈣質頁巖和泥灰巖為主。石炭系在研究區主要出露中統本溪組(C2b)和上統太原組(C3t)。巖性主要為鋁土巖、耐火粘土巖、粘土質頁巖、砂巖、碳質頁巖夾煤層、泥巖、煤線，此外有山西式鐵礦分布。第四系在擬建線路沿線分布較廣，可分為上更新統(Q3)及全新統(Q4)。巖性多以砂土、粘土、礫石層為主，可見鈣質結核出露。

研究區位于祁連山呂梁山山前東翼和新構造體系的復合部位，東西橫跨臨汾斷陷盆地和呂梁山單斜兩個構造單元。研究區主要斷層構造為：F1(羅云山—龍祠斷層)，F2(石灰窯斷層)，F3(臺頭東斷層)。本區新構造活動強烈，形跡明顯，如圖2所示。

研究區所處臨汾盆地位于山西斷陷帶西側，地震活動強度很大，頻率較高，震源淺。破壞性地震多為主震余震型，小震多屬震群型或單個突發型，震源深度在剖面上多呈層狀，多數地震的震源在14 km～20 km之間。

根據研究區含水介質特征、地下水賦存條件以及水理性質，張臺鐵路沿線地下水類型可分為：松散巖類孔隙水、碎屑巖類裂隙水、碳酸鹽巖類裂隙巖溶水三種。

研究區內的堯都區煤層現尚未被開采；襄汾、鄉寧兩縣下伏無煤層儲存。鐵路沿線的三個小型采石場(襄汾縣薛村附近)，開采活動微弱。其他人類工程活動主要為修路，多沿溝依坡而建，存在不同程度的開挖、削坡等情況，在邊坡處理不當的情況下，易產生滑坡、崩塌等地質災害。

2 地質災害類型與特征

擬建地方鐵路穿越侵蝕堆積河谷階地區、沖洪積傾斜平原區、構造剝蝕低山～低中山區、山間河谷區四個地貌單元。

研究區現狀條件下地質災害為滑坡、崩塌及潛在崩塌、泥石流，集中發育于構造剝蝕低山～低中山區。沿線下伏煤層沒有被開采或沒有煤層儲存，沒有采空區及采空形成的采空塌陷、地裂縫地質災害。

野外調查發現崩塌計4處，潛在崩塌18處、滑坡1處，泥石流支溝3條。地質災害的分布受地形地貌、巖土體性質、結構構造、地質構造發育程度等控制，其發生與降水(特別是豐水年暴雨、連續降雨)和人類工程活動、地下水活動等因素密切相關。故地質災害具有條帶狀、群發性、突發性、繼發性以及周期性等特征[2-6]。

研究區現狀條件下各類地質災害點從規模上多以小型、中型為主(見表1)；穩定性為不穩定。

表1 常見地質災害災變等級分級表 104 m3

3 地質災害成因

該研究區發育的地質災害主要是滑坡、崩塌、泥石流、巖溶塌陷和地面沉降，對其成因[7- 9]現分述如下。

3.1 滑坡

1)發育特征。

本次調查在擬建地方鐵路沿線建設用地研究區內發現1處滑坡H1。H1滑坡分布于擬建地方鐵路CK57+950北220 m、后高家河村西北、襄臺公路、豁都峪河北的山坡上，與擬建鐵路隔河相望，見圖3。

H1滑坡屬基巖滑坡，滑坡體巖性為中奧陶(O2)中厚層灰巖、薄板狀泥灰巖。按照結構分類為切層滑坡，巖層走向N65°，傾向N155°,傾角5°。山坡坡向N190°。滑動面的傾角約70°，大于巖層傾角。滑坡體呈臺階狀，前緣陡立高度3.3 m，并有水滲出。后緣陡壁、有拉張裂縫，高度13 m左右，呈圈椅狀地形；滑坡高20 m，長93 m,厚4.2 m,為淺層滑坡。體積7 812 m3，為小型滑坡。該滑坡始發于1998年5月。

2)形成機制分析。

a.地形地貌：地形地貌是滑坡形成的主要條件。H1滑坡發育在斜坡地段，公路修筑時開挖坡腳形成陡峭邊坡，滑動前坡度80°左右，現狀條件下坡度70°左右，前緣臨空；兩側沖發育溝使坡體凸出，增大臨空面的同時減小側向阻力。山高坡陡溝深，雨季溝谷流水侵蝕切割坡腳，增大了坡體下部的臨空面，導致坡體內應力重新分布，坡體下部支撐力減小，易在重力作用下形成滑坡。

b.巖性特征：H1滑坡為巖質滑坡，巖性為灰巖、泥灰巖，風化強烈，裂隙發育，為降水提供入滲通道和儲存空間。泥灰巖、灰巖在雨水作用下容易溶蝕，進一步使裂隙貫通發展成為滑移面，形成滑坡。

c.水的作用：水是誘發滑坡最活躍的因素。包括大氣降水入滲、地表水的下滲和沖蝕(特別是洪水沖蝕)、地下水的滲透作用等。降水入滲能浸潤接觸面(滑面)，減小抗剪阻力；地表水的側蝕和下蝕造成坡體前緣、側緣臨空；地下水對灰巖的長期溶蝕，均對滑坡的發生起重要作用。特別是雨季連續降水或暴雨的情況下，H1滑坡發生的可能性更大。

d.人類工程活動影響，山前開挖邊坡修筑公路，使山坡斜坡變陡、前緣臨空，為坡體失穩創造了地形條件。

3)穩定性分析。

經定性分析認為，H1滑坡目前處于不穩定狀態。其原因為斜坡前緣較陡，坡度70°左右，臨空高差大，且有水滲出。后緣陡壁、有拉張裂縫。經計算，該滑坡目前穩定性較差。

3.2 崩塌及潛在崩塌

1)發育特征。

擬建地方鐵路有2/3線在構造剝蝕低山～低中山區沿山坡中下部布設。該區邊坡巖性主要為灰巖、泥灰巖、白云巖，部分粘土、亞粘土。灰巖、白云巖、泥灰巖抗溶蝕能力差，裸露的坡體表層為一層厚度3 m～4 m的風化殼。井頭至佛兒崖(C12K19+500～C12K30+500)受F1斷層影響、東寬水—臺頭(C12K39+500～CK58+100)受次級小斷層及F2斷層影響，風化程度強烈,巖石破碎，裂隙密集，風化層厚約4 m。佛兒崖—東寬水(C12K30+500～C12K39+500)風化程度中等,巖石較破碎，風化層厚約3 m。且線路穿越的溝谷多為“V”形谷，由于洪水的沖刷，邊坡坡度較陡，穩定程度較差，崩塌及潛在崩塌較發育，見圖4。

野外調查中，研究區發現有22個段陡立邊坡，其中有4處崩塌，18處潛在崩塌，主要與線路斜交或直交。4處崩塌全部為小型；18處潛在崩塌中，5處小型，13處中型。

2)形成機制分析。

a.地形地貌：陡坡地貌是崩塌發生的必備條件。沿線陡立邊坡一般坡度60°～82°，前緣一般為溝谷，有水流掏蝕坡腳或人工切坡，有利于崩塌形成。

b.結構構造：構造使該區巖石節理裂隙發育，將完整巖土體分割成柱狀、棱角狀、塊體，降低巖體間結合力，巖層傾向與斜坡傾向一致或相近，尤其是該區巖層傾角小于斜坡坡角，為易滑組合，增加了邊坡失穩的可能性。

c.巖性特征：垂直節理發育的黃土及軟硬相間的灰巖、泥灰巖、白云巖由于差異風化，在岸坡地段軟弱泥灰巖風化強烈往往形成巖腔，其上較堅硬灰巖在重力作用下易于失穩。

d.降水入滲：降水是崩塌主要誘因之一。一方面沖刷巖體，另一方面大量入滲，在增大巖土體重量的同時對結構面起到潤滑作用，降低其結合力，易導致崩塌發生。

e.長期風化凍融等作用：包括風化、凍融和植物根劈作用等，使巖土體分裂、破碎，在地形有利地段易發生散落、掉塊，特別是垂直節理發育的黃土體受熱脹冷縮作用，在春季解凍期極易發生崩塌。

3)穩定性分析。

通過對各崩塌的發育特征和形成機制、誘發因素等的分析及穩定性驗算，目前研究區22個陡立邊坡全部處于不穩定狀態。

3.3 泥石流

擬建地方鐵路沿線主要穿過汾河，沿豁都峪河兩大河流。調查發現，汾河、豁都峪河河谷寬闊(見圖5，圖6)，河谷內主要巖性為砂、礫石、亞砂土類，尚未發生大的泥石流災害。

擬建鐵路沿線小型支溝眾多。其中，有3條支溝為小型泥石流溝谷。分布于襄汾薛村、景村及黃崖村西溝谷中，該段處于構造剝蝕低山～中低山地貌。這些支溝溝域內，邊坡出露主要巖性為奧陶系灰巖、白云巖，溝口山坡上覆蓋薄層第四系上更新新統亞粘土、亞砂土；溝域內林地面積為65%～75%；現場調查這些支溝溝口處，分布有堆積物，為第四系全新統礫石、砂、亞砂土，但這些堆積物規模較小，約150 m3～270 m3，表明這些溝谷歷史上發生過規模較小的泥石流。

研究區泥石流為溝谷型泥石流，按規模劃分為小型，從物質組成看為水石流。泥石流發生的內在因素為巖性差異及差異風化，而誘發因素為降雨，尤其是夏秋季節高強度持續的降水。

3.4 巖溶塌陷

研究區地表分布奧陶系中統上馬家溝組(O2S)中厚層狀灰巖。據調查，沿線尤其是C12K2+500～C12K4+700段，小型巖溶發育，巖溶類型主要為溶洞、溶孔、溶隙等，直徑可達0.5 m～3 m，巖溶內無充填物，連通性較好，洞身沿節理、裂隙發育，是地下水沿裂隙下滲溶蝕及地表水侵蝕聯合作用的結果，發育程度為小～中等。發育位置多在地表及側壁陡坎處。地表巖溶塌陷不明顯，未見大的巖溶塌陷坑。據鉆孔揭露，深埋區灰巖裂隙溶隙均不發育。泥灰巖巖層中未見異常，表明該地段除局部地段巖溶發育外，整體上巖溶不甚發育。

研究區巖溶塌陷的發育主要受巖體結構影響，灰巖內發育的孔隙、裂隙以及節理等等地下水通道是該種地質災害發育的主要原因。

3.5 地面沉降

研究區地面沉降與新構造運動和地下水位下降相關。本區新構造運動使得臨汾盆地的整體沉降速率達到0.4 mm/年。但臨汾市中心年地面沉降速率卻為10 mm/年，遠大于盆地整體沉降速率。臨汾市地面沉降主要由淺層地下水位下降引起。

臨汾市地面沉降中心位于臨汾市區中心，1978年～2002年累計最大沉降量為24 cm，年沉降速率為10 mm/年。臨汾市區中心為地下水降落漏斗中心，1978年～2002年累計最大80 m，年沉降速率為3.3 m/年。地面沉降量與地下水位下降在時間上和空間上都存在著明顯的對應關系，地下水水位下降是導致地面沉降必然的結果，地面沉降是引起地面變形的主要因素。

線路附近堯廟鄉大韓村1996年地下水位開始下降，并與臨汾地下水降落漏斗連接起來，成為臨汾地下水降落漏斗邊緣。該處有一第四系松散層孔隙水井，井深110 m，1996年～2007年總下降8 m。

按照降落漏斗中心的地面沉降量與地下水降深對應關系計算，大韓村年沉降速率為2.2 mm/年，多年地面沉降總量2.4 cm。向西、東方向，無水源地，地下水位逐漸變淺，地面沉降也相應減小，到神劉村、郡里減少為零。

4 結語

1)研究區地質災害的類型主要為滑坡、崩塌、泥石流、巖溶塌陷以及地面沉降等五類。

2)滑坡災害的發生受地形地貌、巖性結構、水及人類工程活動的共同影響，其中水是最活躍的因素；崩塌及潛在崩塌災害的發生是地形地貌、結構構造、巖性特征、水、風化凍融等因素共同作用的結果，其中結構構造和風化凍融的影響較大；泥石流規模較小，其發生是巖性差異和差異風化，以及水的誘發的共同作用；巖溶塌陷發生的主要因素是地下水通道的發育，比如裂隙和孔隙；地面沉降是區域新構造運動的垂直升降和人類抽采地下水的結果。

3)本文在論述張臺沿線地質災害發生原因時，主要從宏觀入手，缺少微觀角度的探討，這是下一步的研究方向。

[1] 朱慈廣，王東桃，張文華.張禮至臺頭地方鐵路工程地質災害危險性評估報告[R].太原：山西省地質工程勘察院，2009.

[2] 何曉磊.西安市灞河左岸滑坡形成機理研究——以成東坡滑坡為例[D].武漢：中國地質大學碩士學位論文，2014.

[3] 何曉磊，張 彬，王 濤，等.大通縣韓家山滑坡發育特征及成因機制研究[J].干旱區資源與環境，2014(10)：169-175.

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[6] 辛 鵬，吳樹仁，石菊松，等.基于降雨響應的黃土丘陵區滑坡危險性預測研究——以寶雞市麟游縣為例[J].地球學報，2012,20(4)：349-359.

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[9] 辛 鵬.陜西寶雞市渭河北岸大型黃土滑坡形成機理與危險性評估[D].武漢：中國地質科學院博士學位論文,2013.

The cause of geological disasters in linear engineering with example of Zhang-Tai railway

ZHU Ci-guang1HE Xiao-lei2

(1.Geological Engineering Investigation Institute of Shanxi Province, Taiyuan 030024, China;2.Shanxi School of Land and Resources, Jinzhong 030620， China)

Through field investigation and indoor data compilation, author overviewed the environmental geology background, the type and characteristics of geological hazards along the Zhang-Tai railway, and performed an analysis of the cause of geological disasters in linear engineering. Which using a combination methods of engineering geological mapping, experience analogy, and statistics. The results showed that the occurrence of disasters was affected by topography, rock structures, water and human engineering activities.

railway, line engineering, geological disasters, causes

1009-6825(2014)31-0098-03

2014-08-28

朱慈廣(1961- )，男，工程師； 何曉磊(1986- )，男，講師

P694

A