燕子河流域崩塌地質災害成災機理分析

張小輝, 楊 強, 劉金輝, 葉振南, 孫秀娟

(1.東華理工大學, 南昌 330013; 2.中國地質調查局水文地質環境地質調查中心, 河北 保定 071051)

燕子河流域崩塌地質災害成災機理分析

張小輝1, 楊 強2, 劉金輝1, 葉振南2, 孫秀娟2

(1.東華理工大學, 南昌 330013; 2.中國地質調查局水文地質環境地質調查中心, 河北 保定 071051)

在分析燕子河流域地質災害形成的地質環境背景及誘發因素的基礎上，對燕子河流域崩塌地質災害的類型、發育特征進行了分析，總結了流域內3種主要的崩塌地質災害破壞模式及演化過程，并選取典型崩塌進行了穩定性研究。結果表明：燕子河流域崩塌地質災害以巖質、小型、復合式、中低位、不穩定崩塌為主；崩塌在空間上主要分布在燕子河干流、主要支流河谷斜坡地帶及康縣—陽壩公路沿線人類工程活動密集的“一路一帶”上，時間上主要集中于降雨較為集中的7—9月；崩塌的破壞模式主要有碎裂—墜落式、彎折—傾倒—滑移式、碎裂—滑移式，每種破壞模式經歷4個階段演化后形成災害；典型崩塌穩定性計算得出暴雨是崩塌發生的主導誘發因素。

崩塌; 地質環境; 成災機理; 破壞模式; 燕子河流域

燕子河位于甘肅省隴南市東南部，是嘉陵江一級支流。該流域地處揚子板塊北緣西段，西秦嶺褶皺帶接壤南側及甘孜—松潘褶皺帶東側，屬于三大構造單元交錯地帶，新構造運動及地震活動強烈，地質結構復雜；該區地貌上屬侵蝕剝蝕構造基巖中低山區，地形陡峻，溝壑縱橫；地層巖性屬于淺變質巖區，巖體表層風化嚴重，巖土體松散破碎；區內降雨量較為充沛，年降雨量相對較大，水土流失較為嚴重；特殊的地質環境背景致使該區成為地質災害發育密集、活動頻繁地區之一。地質災害對人民生命財產及公共設施構成了巨大威脅，已成為制約燕子河流域社會經濟發展和人民安居樂業的重要因素[1]。同時燕子河流域是“5·12”汶川地震的重災區[2]，地震打破了該區的地質平衡條件，加劇了該區地質災害及次生災害發生的頻率。受2009年“7·17”和2010年“8·11”特大暴雨的影響，地質災害發生的頻率及危害性進一步增強[3-4]。

燕子河流域退耕還林已經十余年，人類集中居住在河谷地帶，特別是近年來隨著道路修建中的路塹開挖、建房坡腳開挖、廢棄渣土堆放等人類工程活動影響，河谷公路沿線及坡腳開挖建房地段，形成了更多的高、陡、危斜坡體，致使崩塌地質災害頻繁發生，對過往車輛及行人安全、陡坡坡腳居住居民構成嚴重威脅。因此，展區內崩塌機理研究及典型斜坡穩定性分析，對區內崩塌防治及土地資源規劃利用具有重要意義。

1 自然地理及地質環境概況

1.1 自然地理概況

燕子河流域位于甘肅省隴南地區東部康縣境內，介于東經105°15′—106°00′，北緯32°50′—33°30′。發源于康縣碾壩鄉截山梁，縱穿碾壩、城關鎮、岸門口等鄉鎮，于托河鄧家壩進入陜西省寧強縣，至燕子貶鎮匯入嘉陵江。主干流由西東折向北南，流域面積約1 400 km2，是康縣最長河流，其支流有火燒河、板橋河、曲河、太平河及萬家河等。燕子河流域海拔594～1 930 m、多年平均年徑流量5.36億m3，多年平均流量16.98 m3/s，枯水期流量3.71 m3/s。萬家大梁、牛頭山對峙南北，白虎嶺、松尖子、竹坪寺、斷頭山一線山脈對峙東西，分別構成了上中下游區段兩岸分水嶺。三官河、秧田河及眾多支流匯入，組成了具有顯著周期性特點的徑流補給系統。燕子河流域交通條件較差，受特殊自然地理條件制約，境內公路干線主要有武(都)—康(縣)、成(縣)—碧(口)、康(縣)—略(陽)縣級公路。區內以傳統的農業生產為主，耕地主要集中在河漫灘。

1.2 地質環境概況

研究區位于楊子板塊北緣西段，西秦嶺褶皺帶的東端，甘孜—松潘褶皺帶北側，為三大構造單元的銜接地區，分屬摩天嶺地塊和文—康構造帶兩個次級構造單元。主體構造線呈NE—SW向展布，由大型褶皺和斷裂組成。而后期小規模斷裂多呈NE，NW及SN向展布，對主體構造線進行了疊加改造，形成了復雜的構造格局。流域地處南北構造帶和地震帶上，地應力集中，地震災害頻繁，地震烈度為Ⅷ度。區內地下水可分為松散巖類孔隙水、基巖裂隙水和斷層帶脈狀水。松散巖類孔隙水主要分布于河溝谷及山體斜坡地帶。基巖裂隙水在區內分布廣，其補給來源主要接受降水的滲入補給及冰雪融水。補給區與其分布區基本一致。斷層脈狀水主要賦存于斷層存在的巖體中，地下水相互貫通，形成斷層帶脈狀水，降低了巖體強度，常造成山體崩塌、滑坡。燕子河流域屬典型的亞熱帶向暖溫帶過渡氣候，溫暖而多雨，是甘肅省降水量最多的縣份之一。多年平均氣溫11℃，多年平均降水量777.5 mm，多年平均蒸發量1 062.4 mm。總體表現為氣溫由西北向東南逐漸升高的趨勢。受地形、植被等因素的影響，降水量分布在地域上很不均勻，總的趨勢是自東南向西北遞減。

2 崩塌災害發育特征

2.1 崩塌地質災害類型

燕子河流域崩塌災害點共計190處，主要沿公路發育，與人類工程活動關系密切，多數崩塌已經形成災害或存在災害隱患。按照中國地質調查局地質調查技術標準《崩塌滑坡泥石流地質災害調查與風險評價技術要求》(2016年試用稿)對燕子河流域崩塌按照物質組成、規模、崩塌坡頂距坡腳高度、崩塌破壞方式進行崩塌類型的劃分。物質組成分為巖質、土質及混合質，規模分為小型(<1萬m3)、中型(1萬m3～10萬m3)、大型(10萬m3～100萬m3)，崩塌坡頂距坡腳高度分為低位(≤15 m)、中位(15～50 m)、高位(50～100 m)、特高位(>100 m)，崩塌破壞方式分為傾倒式、滑移式、墜落式及復合式，斜坡結構分為順向坡(巖層傾向與坡向夾角小于30°的斜坡)、順斜坡(巖層傾向與坡向交角在30°—60°的斜坡)、橫向坡(巖層傾向與坡向交角大于60°的斜坡)、逆斜坡(巖層傾向與坡向交角在120°～150°的斜坡)、逆向坡(巖層傾向與坡向交角小于150°的斜坡)。劃分的崩塌類型見圖1—3。從圖1—3得出：燕子河流域崩塌以巖質崩塌為主，在規模上以小型崩塌為主，崩塌高差以中、低位為主，破壞方式主要為復合式、其次為墜落式，從斜坡結構類型上來看以橫向坡為主；燕子河流域以基巖出露為主，崩塌主要是修路開挖及坡腳建房開挖巖土體卸荷造成，致使崩塌以巖質、小型崩塌為主；由于淺變質巖區巖性較為破碎、表層風化嚴重，破壞方式上多伴有碎裂、滑移、傾倒等多種破壞形式，復合型居多，開挖后坡面臨空，巖土體節理裂隙發育，墜落式相對較多；修路建房開挖形成的崩塌坡頂至坡底高差相對較小、規模小，致使崩塌多為中低位崩塌；從斜坡結構圖上來看，雖以橫向居多，但由于定義的橫向坡范圍較大，崩塌數量與斜坡結構關系不大。對崩塌穩定性進行定性評價，得出不穩定的占69%，基本穩定占31%。

圖1崩塌物質組成及規模圖2崩塌破壞方式及高度圖3崩塌斜坡結構類型劃分

2.2 崩塌災害時空分布及發育特征

(1) 時空分布不均勻性。燕子河流域構造運動強烈，軟弱淺變質巖廣泛發育，巖土體易風化、剝蝕，巖土體節理裂隙發育、物理力學性質差是崩塌廣布發育的物質基礎。受地形條件限制，區內人工活動多沿河流溝谷的平緩地帶分布，修路及建房開挖致使崩塌地質災害極為發育。

燕子河流域崩塌發育及分布在時間和空間上均存在不均勻性。崩塌災害主要集中分布在燕子河干流、主要支流河谷斜坡地帶及康縣—陽壩公路沿線的“一路一帶”上，其他地區則相對較少，崩塌地質災害分布與人類工程活動關系極為密切。

從時間上來說，豐水年崩塌地質災害的發生頻次明顯高于干旱年份，同時在同一年中，雨季是地質災害的多發期，尤其是7—9月降水高峰期更為集中，具體發生時間大多和降水同步或稍微滯后。2009年7月17日暴雨及2010年8月11日暴雨過程中，康縣—陽壩公路沿線及燕子河主干流斜坡坡腳均發生了數量巨大的崩塌，阻斷交通1～2個月，暴雨及強降雨是誘發崩塌地質災害的主導因素。

(2) 群發性。燕子河流域崩塌地質災害具有群發性特征，具體表現在三個方面：一是地質環境條件的影響，二是受降雨的影響，三是人類活動的影響。燕子河流域地形切割強烈，溝谷呈“V”字型，溝谷兩側坡度大，受構造影響的淺變質巖區巖土體十分破碎，特殊的地形地貌、地層巖性及構造，致使“V”型溝谷兩側斜坡是崩塌地質災害的群發地帶。

本區發生的地質災害與降水關系密切，一是當某年降雨量明顯增大時，為崩塌地質災害高發年；當某一次降雨為暴雨或特大暴雨，且持續時間較長時，會誘發大范圍的地質災害發生。2009年“7·17”及2010年“8·11”暴雨時均大面積誘發了大量崩塌地質災害。人類工程活動密集區域，修路、建房、采石等破壞原來巖土體的整體性，巖土體內應力釋放，導致節理裂隙張大，加上風化作用，修路及建房形成的人工巖土邊坡是崩塌災害群發的地段。以康縣—陽壩公路為例，邊坡開挖形成卸荷陡坡，在降雨、地震等影響下形成了大量的垮塌災害。

(3) 突發性和反復性。區內地質災害發育具有突發性，主要影響因素為降雨及地震等突發性因素。強降雨、持續久雨或暴雨過后往往會造成突發性的崩塌地質災害，表現為發生時歷時短，速度快，具有突發性，危害性大等特點，容易造成人員傷亡及財產損失。區內遭遇巨大的構造運動如地震等對崩塌地質災害的影響是持續性的，存在孕災演化循環的過程。在崩塌災害易發地段，地質環境較為脆弱，在地震發生后數年內，如遇強降雨等誘發因素，崩塌會反復發生。

3 崩塌的破壞模式及演化過程

崩塌災害的形成與發展是一個漸變演化的過程，剖析崩塌的破壞模式、演化過程是研究崩塌的形成機理及崩塌災害防控的關鍵點。對燕子河流域崩塌災害進行分析，在《崩塌滑坡泥石流地質災害調查與風險評價技術要求》(2016年試用稿)中給出的墜落式、傾倒式、滑移式3種崩塌破壞模式的基礎上，結合斜坡變形破壞及演化過程[5]，總結出燕子流域崩塌災害主要破壞模式主要有三種：碎裂—墜落式、彎折—傾倒—滑移式、碎裂—滑移式。燕子流域碎裂—墜落破壞模式演化過程見圖4，彎折—傾倒—滑移式崩塌破壞模式見圖5，碎裂—滑移式破壞模式見圖6。

(1) 碎裂—墜落式。碎裂—墜落式崩塌破壞模式廣泛發育于燕子河流域變質灰巖、變質砂巖、千枚巖、片巖等易崩滑地層的逆向坡、逆斜坡體中。該類坡體巖層結構節理裂隙十分發育，巖體受多組節理裂隙及層面控制，巖體較為破碎，坡體開挖后臨空面近直立，存在大量的卸荷裂隙。碎裂—墜落式崩塌破壞模式經歷4個發展演化階段，分別是原始坡形階段、裂隙擴展階段、破裂面貫通階段、失穩破壞階段(圖4)。破壞演化過程為：原始坡體存在大量卸荷裂隙，裂隙在降雨等誘發因素影響下不斷擴展，從而形成破裂面，破裂面在在強降雨等誘發因素持續影響下逐漸貫通，最終致使崩塌破壞失穩。碎裂塊體的大小主要由節理、裂隙密度及延伸情況決定，其規模往往較小，該類崩塌突發性和反復性強。

圖4 碎裂-墜落式破壞模式示意圖

(2) 彎折—傾倒—滑移式。彎折—傾倒—滑移式崩塌破壞模式廣泛發育于燕子河流域千枚巖、片巖等表層風化嚴重，巖土體軟弱的逆向、逆斜及近直立地層斜坡體上。彎折—傾倒—滑移式崩塌破壞模式經歷4個發展演化階段：原始坡形、巖層受力彎折階段、傾倒滑移面貫通階段、失穩破壞階段(圖5)。破壞演化過程為：原始斜坡巖層在降雨等誘發因素影響及上部荷載作用下發生彎折變形，隨著誘發因素的持續作用，巖體進一步風化，物理力學性質變差，逐漸形成滑移面，滑移面逐漸擴大并貫通，最終發生傾倒沿著滑移面滑動形成崩塌破壞。崩塌規模及破壞影響主要由坡頂覆蓋層厚度、巖層風化程度、地形地貌等因素決定，一般為中小型，該類崩塌多發生在強降雨過程中，具有周期性、群發性特點。

(3) 碎裂—滑移式。碎裂—滑移式崩塌破壞模式主要發育于千枚巖、片巖、變質砂巖、變質灰巖等易崩滑地層，巖土體較為軟弱的順向、順斜地層，碎裂巖土體沿著順滑結構面滑動形成崩滑破壞。碎裂—滑移式崩塌破壞模式經歷4個發展演化階段：原始階段、裂隙擴展階段、碎裂滑移面貫通階段、失穩破壞階段(圖6)。破壞演化過程為：原始斜坡巖層在降雨等誘發因素影響及上部荷載作用下節理、裂隙不斷擴展，隨著誘發因素的持續作用，碎裂結構面逐漸形成滑移面并逐漸擴大及貫通，最終發生巖土體沿著滑移面滑動形成崩塌破壞。該類崩塌規模及破壞影響主要受巖體的節理、裂隙及層面共同作用形成碎裂滑移結構面的大小及形態控制，一般為小型，該類崩塌多發生在強降雨過程中或稍微滯后，具有周期性、反復性的特點。

圖5 彎折-傾倒-滑移式破壞模式示意圖

4 典型崩塌實例剖析

選擇燕子河流域分布較為廣泛、占有比例大的碎裂—墜落式崩塌進行穩定性分析。選取的典型碎裂—墜落式崩塌為清真寺南崩塌，該崩塌為白云質灰巖碎裂—墜落式崩塌，在“5·12”地震、“7·17”暴雨、“8·11”暴雨過程中均發生崩塌破壞阻斷公路，在每次降雨過程中均出現不同程度的崩塌破壞，因此選擇該崩塌具有較強的代表性。

4.1 典型崩塌概況

清真寺南崩塌位于康縣城關鎮清真寺南側，燕子河左岸，由人工修路開挖形成，中下部向內凹陷，上部臨空，左右側為溝谷，三面臨空，陡崖近直立，平均坡度約85°；頂部及局部崖面有灌木叢發育，植被覆蓋率約30%，坡腳局部有碎石塊堆積。崩塌體寬100 m，最大落差40 m，危巖體體積1.2萬m3，屬中型崩塌。下伏基巖為益洼溝組白云質灰質巖，主要礦物成分為碳酸鎂、石英、鐵質和鈣質，風化嚴重，呈灰色，地層產狀為340°∠80°，節理裂隙較發育，主控節理產狀為80°∠30°，237°∠22°，57°∠77°，250°∠67°，節理面平整，粗糙度一般，密度10條/m，局部石英脈填充，寬約5 mm，剪節理發育，主控節理上下貫通，可見延伸長度約30 m。節理面與坡向基本一致，節理裂隙切割是崩塌發生的主控因素。崩塌帶中部巖體受風化、卸荷作用影響較為破碎，且臨空面較好。危巖體破壞方式主要為碎裂—墜落式，暴雨或地震易誘發危巖體墜落，威脅過往行人和車輛的生命財產安全。崩塌剖面見圖7。

圖6 碎裂-滑移式破壞模式示意圖

圖7 清真寺南崩塌剖面圖

4.2 穩定性分析

根據現場測量的白云質灰巖的節理裂隙產狀，應用赤平投影法對該邊坡進行穩定性分析[6-8]。該邊坡坡高約40 m，坡向280°，自然邊坡坡度約30°，人工邊坡約85°，邊坡節理裂隙發育，巖體破碎，地層產狀340°∠80°，幾組主控節理產狀為80°∠30°(J1)，237°∠22°(J2)，57°∠77°(J3)，250°∠67°(J4)。赤平投影分析見圖8，圖中P1代表自然邊坡，P2代表人工邊坡，D代表地層，J1，J2，J3，J4分別代表4組主控節理，右表中D-J1，D-J2，D-J3，D-J4，J1-J2，J1-J3，J1-J4，J2-J4，J3-J4分別代表結構面組合交線。

根據赤平投影法穩定性判斷依據[9-10]，該崩塌存在J4與地層-J4兩組不穩定結構面。J4結構面傾向與坡向趨于一致，傾角小于坡角，屬不穩定結構；地層-J4結構面交點位于邊坡同側，且交線的傾角小于坡角，不利于邊坡穩定；綜合來看，該邊坡處于不穩定狀態，且J4結構面(250°∠67°)與地層-J4結構面組合(273°∠65°)相比，其傾角更大，為最不穩定結構面。

圖8 清真寺南邊坡赤平投影圖

4.3 基于剛體極限平衡理論的邊坡穩定性定量計算

邊坡穩定性定量計算選取3個工況，工況1：天然狀態(自重)；工況2：暴雨狀態(飽和+自重)；工況3：地震(自重+地震力)。計算時各參數選取參照研究區內巖土力學性質試驗結果及經驗參數，地震水平作用系數取0.05，危巖抗彎力矩計算系數ζ取1/12。

根據清真寺崩塌危巖體碎裂—墜落式的破壞方式，且后緣無陡傾裂隙，選取《地質災害防治工程勘察規范》(DB50/143—2003)[11]中墜落式危巖體計算公式，利用公式(1)，(2)計算危巖體穩定性系數，計算公式如下：(注：穩定性系數取兩種計算結果的較小值)

(1)

(2)

式中：c表示危巖體粘聚力標準值(kPa)；φ表示危巖體內摩擦角標準值(°)；W表示危巖體自重(kN/m)；Q表示地震力(kN/m)；ζ表示危巖抗彎力矩計算系數；H0表示危巖體后緣潛在破壞面高度(m)；a0表示危巖體重心到潛在破壞面的水平距離(m)；b0表示危巖體重心到過潛在破壞面形心的鉛垂距離(m)；flk表示危巖體抗拉強度標準值(kPa)，根據巖石抗拉強度標準值乘以0.20的折減系數確定；F表示危巖穩定性系數。選取的計算參數及計算結果見表1。

表1 清真寺南崩塌穩定性計算結果

參照地質災害防治工程勘察規范(DB50/143—2003)中崩塌危巖體穩定性判別標準，由表1可知，該崩塌在工況1下穩定系數為1.11，工況3下穩定系數為1.07，均屬欠穩定狀態；工況2下穩定系數0.87，為不穩定狀態，降雨過程中會發生危巖體墜落。

通過赤平投影法穩定性定性分析和剛體極限平衡法的穩定性計算，得出白云質灰巖地層節理較為發育，存在優勢結構面；通過對優勢結構面穩定性進行分析得出暴雨工況下崩塌處于不穩定狀態，天然及地震狀態下崩塌處于欠穩定狀態，說明暴雨是該類崩塌主導影響因素，暴雨過程中會出現局部或者大面積的崩塌災害，需要加強防范。

5 結 論

(1) 燕子河流域地處三大構造單元交錯地帶新構造運動強烈，位于淺變質巖區，巖土體表層風化嚴重、十分破碎，地貌上屬侵蝕剝蝕構造基巖中低山地貌，區內地形陡峻、溝壑縱橫，特殊地質環境背景是崩塌地質災害發生的基礎條件(內因)；充沛而集中的降雨量，較為集中的人類工程活動是崩塌地質災害的主導誘發因素(外因)；內外因共同作用造就了燕子河流域是崩塌地質災害高發區域。

(2) 從崩塌類型上來看，燕子河流域崩塌以巖質崩塌為主，在規模上以小型崩塌為主，破壞方式主要為復合式、其次為墜落式，崩塌多為中低位崩塌，崩塌穩定性以不穩定居多。從斜坡結構圖上來看，各類坡型分布較平均，崩塌數量與斜坡結構關系不大。

(3) 燕子河流域崩塌災害分布特征在時間和空間上均存在明顯不均勻性，崩塌災害主要集中分布在燕子河干流、主要支流河谷斜坡地帶及康縣—陽壩公路沿線人類工程活動密集的“一路一帶”上，崩塌主要是修路開挖及坡腳建房開挖巖土體卸荷造成，具有群發性特點；在時間上主要集中在7—9月降雨時段。同時該流域崩塌地質災害具有突發性和反復性的特點，降雨過程中發生的崩塌表現出發生歷時短、速度快、突發性強、危害性大的特點；崩塌災害易發地段地質環境較為脆弱，在強降雨等誘發因素下，崩塌會反復發生。

(4) 在墜落式、傾倒式、滑移式3種崩塌破壞模式基礎上，結合巖土體變形演化過程，總結出燕子流域崩塌災害主要破壞模式主要有3種：碎裂—墜落式、彎折—傾倒—滑移式、碎裂—滑移式。對3種崩塌的破壞模式演化過程進行了研究，并總結了3種破壞模式的形成機理。

(5) 選擇占有比例大、分布廣泛的碎裂—墜落式典型崩塌—清真寺南崩塌進行穩定性評價。運用赤平投影理論分析得出2組不穩定結構面，其中J4為最不穩定結構面。選擇合理計算方法及參數對該崩塌進行穩定性計算，得出暴雨是影響該類崩塌的主導因素，天然及地震狀態下崩塌處于欠穩定狀態，該結論與實際調查結果較為一致，為該區同類崩塌地質災害防治提供了理論依據。

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AnalysisonDisasterMechanismofCollapseinYanziRiverBasin

ZHANG Xiaohui1, YANG Qiang2, LIU Jinhui1, YE Zhennan2, SUN Xiujuan2

(1.EastChinauniversityofTechnology,Nanchang330013,China;2.CenterforHydrogeologyandEnvironmentalGeology,CGS,Baoding,Hebei071051,China)

In the analysis of the geological environment background and geological disaster inducing factors of the Yanzi River Basin, the geological disaster type and the Yanzi River Basin development characteristics were analyzed, the three major failure modes of collapse and evolution process were summarized, and the typical collapse was selected to analyze stability. The results show that the collapse geological disasters of Yanzi River Basin were the rock, small, composite, low and unstable collapse; collapse mainly distributed in valley slope zone of the Yanzi River and the main tributary, Kangxian County—Yangba town road of human engineering activities ‘area all the way’, collapse focused on the more concentrated rainfall events from July to September; the main failure modes of collapse are fracturing-load falling, bending—toppling—sliding and fracturing—sliding, each failure mode experiences disaster after four stages of the formation of evolution; the typical calculated collapse stability indicates that rainstorm is the dominant factor inducing collapse occurrence.

collapse; geological environment; disaster mechanism; failure mode; Yanzi River Basin

2016-09-01

：2016-09-18

國家自然科學基金“降雨型高速遠程滑體失穩機理與破壞過程研究”(41372332);中國地質調查局地質調查項目“嘉陵江上游燕子流域地質災害調查”(12120115045501)

張小輝(1993—),男,云南楚雄人,碩士,主要從事地質災害調查研究。E-mail:1570686235@qq.com

楊強(1980—),男,山東淄博人,碩士,高級工程師,主要從事地質災害防治研究工作。E-mail:yang5359535@126.com

P642.22

：A

：1005-3409(2017)03-0351-06