天水市群發地質災害特征與成災機理

張成航, 張茂省, 于國強

(1.國土資源部 黃土地質災害重點實驗室, 陜西 西安710054; 2.中國地質調查局 西安地質調查中心, 陜西 西安710054)

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天水市群發地質災害特征與成災機理

張成航1,2, 張茂省1,2, 于國強1,2

(1.國土資源部 黃土地質災害重點實驗室, 陜西 西安710054; 2.中國地質調查局 西安地質調查中心, 陜西 西安710054)

[目的] 對甘肅省天水市2013年“7·25”群發性山洪地質災害的成災特征、分布規律及其成因進行分析，為黃土丘陵溝壑區降雨誘發地質災害早期識別和減災防災提供科學依據。 [方法] 在全面實地調查的基礎上，建立三維連續介質動態數值模型，對天水市典型滑坡運動特征進行求解。 [結果] “7·25”山洪地質災害具有普遍性，群發性明顯，局地爆發性，隱蔽性強等5大顯著特征；受強降雨和地震因素疊加效應的影響加劇了災害的破壞程度；此次災害大部分滑坡失穩的坡面幾何形態多為直線型凹型面坡，滑坡失穩多發生在35°～45°坡度范圍內，以40°坡居多，黃土坡面滑坡通常是窄條狀、方量較??；典型滑坡體在斜坡運動過程中，平均速度、最大速度、總動能和總勢能均是急劇增加，進入水平面后，各個動力參數急劇下降。侵蝕作用是滑坡運動中非常重要的不可忽視的一個重要的因素，它使得災害體質量增加，同時依靠較高的速度(30 m/s)，具有更強的破壞性。[結論] 天水市群發地質災害形式依然嚴峻，降水是引發和加劇此次地質災害的主要因素。

群發地質災害; 發育特征; 成災機理; 天水市

文獻參數： 張成航, 張茂省, 于國強.天水市群發地質災害特征與成災機理[J].水土保持通報，2016,36(4)：46-50.DOI:10.13961/j.cnki.stbctb.2016.04.009

在山區，一次強降雨將可能引發大量的滑坡、泥石流等地質災害，造成大量的人員和財產損失。2013年，中國西南、西北多個地區突降持續性強降雨，誘發了大范圍群發性地質災害。7月3—31日，延安地區降下有氣象記錄以來過程最長、強度最大的一次降雨，引發多達8 000余處地質災害，造成嚴重的財產損失和人員傷亡[1-3]；7月8—11日，都江堰出現區域性暴雨天氣，是1954年都江堰有氣象記錄以來雨量最大的一次降雨，誘發大量泥石流災害及重大傷亡事故的滑坡災害[4-7]；7月25日，天水市出現大范圍罕見暴雨天氣，暴雨導致天水市出現群發性滑坡、崩塌、泥石流等地質災害，共出現708處，造成24人死亡、1人失蹤、2 386間房屋倒塌、6 666間房屋受損，直接經濟損失達82.75億元，給當地人民生命和財產造成了巨大損失[8-9]。群發性地質災害發生時，如何避免重大人員和財產損失的重復發生，是中國地質災害防災減災工作的重大難題。在對已有的典型群發性降雨地質災害的特征分析基礎上，對其成災機理進行研究，用以對類似區域地質災害隱患的評估，是解決上述難題行之有效的途徑之一。本研究在對2013年甘肅省天水市“7·25”降雨地質災害全面調查的基礎上，對此次地質災害的發育特征及成因進行深入探討，并選取秦州區娘娘壩鎮南峪村滑坡作為研究對象，通過三維連續介質模型[10-14]，對典型滑坡運動路徑、滑移距離、致災范圍、滑坡強度、運動速度進行研究，以揭示滑坡運動機理，得出一些新的發現或啟示，以期為中國黃土梁峁區降雨誘發地質災害早期識別和減災防災提供科學依據。

1　群發地質災害發育特征分析

天水市地處隴西黃土高原、秦嶺山地和隴山山地的過渡地帶，絕大部分屬黃土丘陵溝壑區。區內黃土分布廣泛，覆蓋較厚，黃土丘陵區被渭河、西漢水及其支流切割得支離破碎，千溝萬壑。既有巖層相對松軟地帶，河流侵蝕堆積形成一系列串珠狀河谷盆地；又有巖層較堅硬的地段，河流侵蝕下切后形成陡峻的峽谷。加之黃土垂直節理和裂隙發育，造成區內地質環境十分脆弱，滑坡、泥石流、崩塌、不穩定斜坡失穩等地質災害現象頻繁發生，是研究降雨誘發地質災害的優良場所。受到“7·22”岷縣地震和“7·25”大范圍強降雨天氣影響，天水西北和南部地區地質災害大面積、群發性爆發。截止2013年8月1日，天水市已連續出現4次強降雨天氣，由于強降雨持續時間較長，降水入滲致使土體含水量短時間內達到飽和狀態，自重增加，抗剪力降低，形成危害性較大的群發性滑坡、泥石流、崩塌等地質災害。

通過野外調查，此次強降雨地質災害新發生災害點為496處，主要分布在降雨范圍的秦州區、麥積區、武山縣、甘谷縣、清水縣、張家川回族自治縣7縣(區)，“7·25”群發性山洪地質災害點分布如圖1所示。

圖1　2013年天水市“7·25”群發性地質災害點分布

受地質環境條件及本次暴雨災害的影響和制約，災區滑坡等斜坡災害在軟弱地層中集中分布，主要分布于第四系黃土、第四系坡殘積層及古、新近系泥巖地區，其他地層中滑坡的數量較少?；麓蠖嘌貥嬙炀€集中分布，滑坡的滑向與構造線走向平行。同時，崩塌、滑坡及不穩定斜坡沿村莊、交通沿線集中分布。災區山體陡峻，溝壑縱橫，相對高差大，給崩塌、滑坡等地質災害的形成創造了有利的地形條件。經過調查分析，此次災害區地質災害呈現以下5點特征：(1) 普遍性、群發性明顯。災害區內泥石流、滑坡、崩塌災害普遍發育，幾乎每個鄉鎮均有地質災害分布，由于受強降雨影響，滑坡、泥石流、崩塌等地質災害隨處可見，連片分布，范圍廣泛，在山體斜坡上形成類似“爪”式的坡面碎屑流，群發性特征十分明顯(圖2)，并且根據航片顯示，地質災害發生約占全區面積的10%。 (2) 局地爆發性特征。此次群發性地質災害發育呈流域單元集中分布特征，滑坡、泥石流等主要集中渭河流域和西漢水流域及其較大支流的河谷地區，地質災害發育密度相對較高[15-16]，麥積區和秦州區尤為突出。 (3) 隱蔽性強。天水地區地處黃河流域與長江流域的過渡地帶，植被覆蓋率高，地質災害的隱蔽性非常強，根據現有的專業知識和監測程度很難判斷地質災害的具體發生部位，具有隱蔽性強特征，大部分地質災害隱患只有在發生災害后，才被發現。 (4) 潛在危害大。通過對災前災后航攝影像對比可知，局地爆發區域內山體滑坡的面積約占山體坡面面積的10%。現場調查發現，這些山坡上未發生滑動的部分也處于飽水狀態，穩定性很差，若再發生降雨，加劇地質災害發生的可能性非常大，對居民災后回遷和恢復重建造成巨大的潛在危害。 (5) 災害鏈模式顯著。此次災害突破了傳統單體地質災害模式，代之以廣泛分布的高密度坡面流、碎屑流和溝谷型泥石流疊加的災害鏈模式，并造成多處堵江，形成堰塞湖，威脅災后回遷和重建工作[17]。

圖2　天水地區“爪”式滑坡地質災害

2　群發地質災害成災機理研究

2.1天水市群發性山洪地質災害成因分析

2.1.1降水因素降水是引發和加劇此次地質災害的主要因素。自6月19日至8月1日，天水地區持續不斷連續降水。尤其是6月19—21日，7月7—8日，7月21—22日，7月24—26日期間，天水市各縣區連續經歷4次強降雨，降雨量為199.1～369 mm。區域內連續降水，具有強度大、范圍廣等特點，使得區內山體巖土體飽和，巖土體抗剪強度顯著降低。進一步誘發或加劇了崩塌、滑坡、泥石流等地質災害的發生。災區的708處地質災害隱患點，幾乎都由此次強降雨引發或加劇而產生。

2.1.2地震災害疊加天水市地處六盤山南北地震帶中段銀川—天水—武都帶和秦嶺北緣東西地震帶中部天水—蘭州帶的交匯復合部位，地震背景條件復雜，活動頻繁。據有關資料記載，自公元前186年以來，該地震帶記錄到5級以上地震24次，其中6.0～6.9級地震20次，7.0～7.9級地震7次，大于或等于8級的地震11次，地震活動的強度大、頻率高，有明顯的成群分布的特點，具有活躍—平靜相互交替的活動態勢[18-19]。2008年5月12日汶川8級地震波及天水，天水震感強烈，民房受損嚴重，并伴隨有地質災害活動；2013年7月22日岷縣6.6級地震，波及天水，滲透巖土體遭受擾動，加重了此次天水市群發性山洪泥石流災害，災害的疊加效應明顯加劇了天水市群發性山洪地質災害。

2.2天水市降雨誘發型滑坡成災機理研究

(1) 大部分滑坡基本都位于老滑坡上，底部巖性為變質砂巖，頂部由黃土覆蓋，覆蓋層厚度約為2 m，滑動面多位于覆蓋層與基巖接觸面。

(2) 黃土坡面滑坡通常是窄條狀、分布寬度范圍從幾米到十米不等，長度從十幾米到幾百米，失穩體積逐漸從幾十立方至上百立方。

(3) 大部分滑坡失穩發生在35°～45°坡度范圍內，40°坡居多。

(4) 大部分滑坡失穩的坡面幾何形態多為直線型凹型面坡。

在特征分析基礎上，采用有限元求解方法，開發了三維連續介質動態數值模型程序，對流變模型(摩擦模型、Voellmy模型)進行編碼，采用以上模型對天水降雨誘發型滑坡運動路徑、滑移距離、致災范圍、滑坡強度、速度進行研究，以揭示滑坡運動機理。由于此次災害最為嚴重的區域為天水市娘娘壩鎮區域，因此選取其內南峪村滑坡作為研究對象，該滑坡的特征和上述4個特征一致(圖3)。該滑坡高為175 m，坡長267 m，坡度40°，滑坡帶寬約為20 m，坡面最深處下凹2 m。按照滑坡原型設計的數值模型，滑坡初始物質形狀為一球冠形狀，高為1.8 m，半徑為1 m，位于滑坡頂部。兩種模型下，初始物質在有限制的渠道中加速下滑，物質初始形狀是圓形，物質輪廓沿著渠道拉長，逐漸形成蝌蚪狀，橫向擴展在斜坡上運動過程中很小。當進入水平區域，由于沒有邊界限制，橫向擴展開始加劇，逐漸增大，此時縱向延伸依然比較明顯。其沉積物輪廓形狀與Gray等[20]采用內摩擦角40°，底摩擦角30°石英碎片的渠道顆粒流試驗結果極其相似。另外發現，堆積區中心并不在最大深度位置處，而是在最大深度位置處前側。盡管流變模型不一樣，但物質中心(反映了整體運動特性)位置都很類似，這是由于泥石流與滑坡的前緣比其堆積區中心研究意義更為重大。

從圖3可以看出，在兩種模型情況下，隨著沿坡下降，盡管有額外的物質不斷卷入，其平均深度仍然逐漸降低。當物質在堆積區不斷沉積，隨著累計體積不斷增加，物質深度逐漸增加，物質最終形成了一個主體相對較厚，前端相對較薄的形態。兩種模型下，堆積區深度最深處均位于坡腳水平區域附近，其最大堆積厚度達2.2 m，堆積區橫向范圍達40 m左右，縱向范圍達30 m左右，這與現場調查結果一致，驗證了此次模擬結果的準確性；同時也可以采用該數值模型和流變參數對天水市同類型滑坡進行預測。

圖3　南峪村滑坡堆積區厚度與范圍

從圖4—5中滑坡在運動過程中各個動力參數和滑坡體面積的變化過程中可以看出，兩種流變模型下，各動力參數和滑坡體面積的變化過程保持一致。滑坡體在斜坡運動過程中，平均速度、最大速度(前端速度)、總動能和總勢能均是急劇增加，進入水平面后，各個動力參數急劇下降；而最大速度(前端速度)在滑坡體運動至坡腳處，并沒有馬上減小，出現一個緩慢的增加過程，最大達到30 m/s，隨后快速下降?？偟膩碚f，由于侵蝕作用而導致的系統慣性增加，滑坡整體運動的越快，停止的也就越快。

圖4　滑坡動力參數模擬結果

滑坡體體積隨時間的變化情況如圖6所示，從圖6可以看出，在滑坡體運動過程當中，可以卷走更多的溝床物質，使體積逐漸增加，最終達到1 200 m3，與實際情況相符。

總的來說，當滑坡運動到坡腳時，由于運行高度和速度的增加使得滑體體積得到了快速的增加，這可能是大多數坡腳侵蝕嚴重的一個主要的原因，這也就解釋了圖4中最大速度(前端速度)出現波折的原因；但在堆積區域由于速度降低侵蝕并不嚴重，侵蝕速率很低。同時在侵蝕過程中，由于在運動和侵蝕質量間動量傳遞的過程中出現了能量的損耗，運動的整體速度減慢了。因此，侵蝕作用是滑坡運動中非常重要的不可忽視的一個重要的因素，它使得災害體質量增加，同時依靠較高的速度(30 m/s)，具有更強的破壞性；這也就解釋了該滑坡雖然初始方量不大，但最終直接將房屋摧毀的原因。

圖5　滑坡體面積模擬結果

圖6　滑坡體體積模擬結果

3　討論與結論

(1) 受地質環境條件及本次暴雨災害的影響和制約，“7·25”降雨誘發地質災害主要分布在暴雨的7縣(區)范圍，具有普遍性、群發性明顯、局地爆發性特征、隱蔽性強、潛在危害大、災害鏈模式顯著特征。

(2) 降水是引發和加劇此次“7·25”降雨地質災害的主要因素，災害發生前期，連續的4次強降雨，具有強度大、范圍廣等特點，使區內山體巖土體飽和，顯著降低了巖土體抗剪強度，并由于“7·22”岷縣6.6級地震影響，波及天水，擾動巖土體，降雨與地震的疊加效應明顯加劇了此次群發性山洪地質災害。

(3) 此次群發地質災害，大部分滑坡基本都位于老滑坡上，底部巖性為變質砂巖，頂部由黃土覆蓋，覆蓋層厚度約為2 m，滑動面多位于覆蓋層與基巖接觸面；黃土坡面滑坡通常是窄條狀、分布寬度范圍、長度均較小，失穩方量不大；大部分滑坡失穩發生在35°～45°坡度范圍內，40°坡居多；大部分滑坡失穩的坡面幾何形態多為直線型凹型面坡。

(4) 通過三維連續介質動態數值模擬，表明滑坡體在斜坡運動過程中，平均速度、最大速度(前端速度)、總動能和總勢能均是急劇增加，進入水平面后，各個動力參數急劇下降；而最大速度(前端速度)在滑坡體運動至坡腳處，并沒有馬上減小，出現一個緩慢的增加過程，坡腳侵蝕嚴重，由于侵蝕作用，災害體的質量急劇增加，對前緣的承災體造成重大傷害。

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Development and Causes of Group Geological Hazard in Tianshui City

ZHANG Chenghang1,2, ZHANG Maosheng1,2, YU Guoqiang1,2

(1.KeyLaboratoryforGeo-hazardsinLoessArea,MLR,Xi’an，Shaanxi710054,China;2.Xi’anCenterofGeologicalSurvey,ChinaGeologicalSurvey,Xi’an，Shaanxi710054,China)

[Objective] Through the investigation of the “7·25” massive mountain torrents geological hazards in Tianshui City of Gansu Province occured in 2013, we expected to reveal the landslide mechanism and provide a scientific basis for early identification, prevention, and reduction of rainfall-induced geo-hazards in the loess ridge-hill areas of China. [Methods] The characteristics, distribution law of geological hazards and its causes were studied. Three dimensional continuum dynamic numerical models were established to calculate the dynamic character of landslide in Tianshui City. [Results] The results showed “7·25” massive mountain torrents geological hazards had characteristics of occurrence universally, outbreak massively, locally and unnoticeably, and had strong hazard potentiality. The hazards were exacerbated by the effects of earthquake and rainfall. The slope geometry shapes of landslide in the torrent’s geological hazard are linear concaved. Most slopes are in the range of 35°～45°, and among which, 40° slopes were found more frequently. Loess slope landslide is usually in a narrow strip and with small volume. The average velocity, maximum velocity, total kinetic energy and potential energy of typical landslide increased dramatically in slope motion process. These indices dropped sharply after entering a horizontal plane. Erosion plays an important role in landslide movement, which make slope sliding in a high speed and lead to more destructive hazards. [Conclusion] The risk degree of group geo-hazards remains severe in Tianshui City. Precipitation is the main factor that cause and aggravate the geological disasters.

group geological hazards; development characteristics; mechanism; Tianshui City

2015-10-15

2015-10-30

國家自然科學基金項目“高山峽谷區域暴雨泥石流成災臨界閾值研究”(41302224); 陜西省科學技術研究發展計劃項目(2014KJXX-20); 國家地質找礦專項(12120114025901， 121201011000150022)

張成航(1982—),男(漢族),山東省平邑縣人,碩士,工程師,主要從事地質災害調查與研究。E-mail:nicesupper@qq.com。

于國強(1979—),男(漢族),內蒙古自治區包頭市人,博士,主要從事土壤侵蝕與水土保持及地質災害等方面的研究。E-mail:yuguoqiang23@163.com。

A

1000-288X(2016)04-0046-05

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