我国倾倒变形体发育规律研究

陆文博，晏鄂川，邹 浩，张世殊

(1.中国地质大学(武汉) 工程学院，武汉 430074； 2.中国电建集团 成都勘测设计研究院有限公司，成都 610072)

我国倾倒变形体发育规律研究

陆文博1，晏鄂川1，邹 浩1，张世殊2

(1.中国地质大学(武汉) 工程学院，武汉 430074； 2.中国电建集团 成都勘测设计研究院有限公司，成都 610072)

倾倒变形体发育规律研究在倾倒变形防治规划及水电工程选址中具有重要意义。统计国内的倾倒变形体，有助于分析我国倾倒变形体发育规律。根据倾倒变形体的分布提出倾倒变形体区域地质易发性分区研究范围，选取地貌、地层时代、地震烈度、构造应力分布为影响因子，针对倾倒变形体进行区域地质易发性区划评价。选择在西部地区发育的11条主要河流上的水电工程倾倒变形体进行地理位置易发性区划评价，分析不同等级中倾倒变形体分布特点与发育要素(岩性、坡高、坡角、发育高程、水平及垂直发育深度)的对应关系。结果表明：倾倒变形体主要分布在四川、青海、云南3省；横断山脉“极大、大起伏高山”区属于倾倒变形体地质极易发区；雅砻江中游、澜沧江中上游、黄河上游、大渡河上游、岷江上游等河流属于倾倒变形体地理位置易发性较高区段。通过此研究，可为西南倾倒变形体防治规划及水电工程选址提供一定的参考依据。

倾倒变形体；区域地质；西部水电工程；地理位置；易发性；发育规律

1 研究背景

随着人类工程活动的日益频繁及范围的扩大，在国内外的水电工程、矿山工程、公路工程等方面都出现了大量反倾向边坡失稳破坏。在国内，典型的有天生桥二级水电站厂房南边坡[1]、华蓥山溪口镇滑坡[2]、金川露天矿边坡[3]、巴东黄腊石滑坡群[4]。近年来,伴随我国西部水电开发建设的发展，西部流域上相应的水电工程倾倒变形体发生较多，例如雅砻江锦屏一级水电工程坝肩高陡反倾边坡[5]、澜沧江上游黄登水电站右坝肩变形体[6]和白龙江麒麟寺水电站倾倒体[7]等。国外的有加拿大Frank滑坡[8]、意大利Vajont北麓滑坡[9]、秘鲁的Ghurgar岩崩[10]等。倾倒变形体的工程地质问题逐渐成为了相关领域有待解决的重大问题。

截至目前，针对倾倒变形体的研究，特别是水电工程倾倒变形边坡，多着重于单体倾倒变形体的演化过程[11-17]、变形机理与稳定性[18-32]和发育特征[15，33-35]，鲜有从地质条件与地理位置的角度涉及倾倒变形体的发育规律及易发性特点的相关研究工作，针对倾倒变形体发育的各项要素(岩性、坡高、坡角、发育高程、水平及垂直发育深度)与倾倒变形体发育规律的联系成果更少。

基于上述认识，本文从区域地质与地理位置2个角度入手，在统计已有倾倒变形体的基础上，对我国西部倾倒变形体易发性进行区划分析，有利于了解倾倒变形体的发育分布规律，同时可为水电工程选址提供一定的参考依据。

2 倾倒变形体实例统计

总结目前国内工程中已出现的倾倒变形体失稳破坏案例，将发生的倾倒变形边坡载体类型大致划分为4类：矿山边坡[21-22]、公路边坡[23-28]、建筑边坡[29]及水电边坡。其中以水电工程中出现的倾倒变形体最多，广泛分布于雅砻江流域[30,33,36-41]、澜沧江流域[6,42-54]、黄河流域[7,31,34,55-61]、大渡河流域[62-65]、怒江流域[66]、岷江流域[67]、白龙江流域[68-69]、洮河流域[70-71]、克孜尔河流域[72-73]、西溪河及新疆部分流域[32,74]。

通过文献整理统计得到国内倾倒变形体实例，其分布如图1所示。水电、矿山、公路、建筑领域的主要倾倒变形体位置及名称见表1。可见我国倾倒变形体主要集中在西部水电工程中，其他边坡工程中较少出现倾倒变形现象。

图1 倾倒变形体分布Fig.1 Distribution of toppling deformation slopes

编号位置名称岩性1四川省木里县雅砻江中游锦屏一级水电站变形体板岩、片岩2四川省金川县大渡河上游金川水电站变形体变质砂岩、千枚岩3四川省金川县金川公路隧道进口边坡变质砂岩、千枚岩4四川省金川县大渡河某水电站新扎沟左侧变形体变质细砂岩、千枚岩5四川省新龙县雅砻江干流某水电站变形体砂岩、板岩6四川省理县岷江支流二古溪公路隧道边坡板岩、变质砂岩7四川省汉源县大渡河瀑布沟水电站1#-2#倾倒变形体砂岩、板岩8四川省甘孜州雅砻江上游新龙水电站1#-2#倾倒变形体砂岩、板岩9四川省黑水县岷江上游黑水河毛儿盖电站千枚岩、变质砂岩10四川省华蓥市赵子秀山变形体灰岩11四川省甘孜州某水电站工程库区马河段河谷滑坡花岗岩12四川省甘孜州雅砻江中游某水电站进水口边坡变质粉砂岩13四川省甘孜州雅砻江上游格尼电站1#-3#变形体变质砂岩、板岩14青海省贵德县黄河上游某边坡花岗岩、花岗闪长岩15青海省兴海县黄河上游茨哈峡水电站1#-6#倾倒体板岩、变质砂岩16青海省贵德县黄河上游拉西瓦水电站变形体花岗岩17青海省南部黄河上游某巨型倾倒体砂岩、板岩18青海省循化县黄河上游公伯峡电站古什群倾倒体片麻岩、片岩19青海省兴海县黄河上游羊曲水电站倾倒体变质砂岩、板岩20云南省迪庆州澜沧江某水电站1#-4#倾倒体边坡板岩、变质石英砂岩21云南省迪庆州澜沧江上游里底水电站变形体千枚岩22云南省州迪庆澜沧江上游某水电站倾倒体变质角砾岩、泥质板岩23云南省云龙县澜沧江上游某水电站1#-2#倾倒体板岩、变质砂岩24云南省凤庆县澜沧江中游小湾水电站左岸倾倒体花岗片麻岩、片岩25云南省迪庆州澜沧江中上游乌弄龙水电站1#-2#倾倒体砂、板岩26云南省兰坪县1#-2#澜沧江上游黄登水电站右坝肩变形体变质角砾岩、板岩27甘肃省文县白龙江干流某梯级电站变形体千枚岩、凝灰岩28甘肃省文县白龙江麒麟寺水电站倾倒体千枚岩、变质凝灰岩29甘肃省碌曲县洮河多松多水电站厂房边坡变质砂岩、板岩30湖北省兴山县兴山县档案馆变形体泥岩夹砂岩、粉砂岩31河南省洛阳市黄河中游小浪底水电站1#-2#变形体细砂岩32安徽省皖南山1#-4#倾倒变形边坡板岩、砂岩33重庆市巫溪县中梁水库硝洞槽-郑家大沟岸坡灰岩34西藏省察隅县怒江上游俄米水电站I#倾倒变形体变质细砂岩

3 区域地质易发性分区研究

倾倒变形发育与否与多种因素有关，区域地质背景往往起到重要作用。我国疆域辽阔，不同区域的地质背景差异明显，导致多地尤其西南部，反倾岩质边坡倾倒变形现象时有发生。

3.1 因子选取

为研究倾倒变形体的发育特点，揭示倾倒变形体分布与区域地质背景的相关性，考虑到目前掌握的相关数据，本次选取4个典型区域地质因子(地貌类型、地层时代、地震烈度、构造应力分布)，进行倾倒变形体区域地质分布规律分析。

图2为中国及邻区现代构造应力场简图[75]。

图2 中国及邻区现代构造应力场简图Fig.2 Schematic map of modern tectonic stress field in China and its adjacent regions

选取阿尔金山脉与阴山山脉连线，纬度25°N—38°N的国内大陆区域为研究范围，不同地貌类型、地层时代、地震烈度、地应力在研究区内的分布结果见图3。

注：(a)中A1—A3分别为：鲁东低山丘陵，华北、华东低平原，宁镇平原丘陵;B1—B5分别为：浙闽低中山，淮阳低山，长江中游平原、低山，桂湘赣中低山地，粤桂低山平原; C1—C4分别为：山西中山盆地，河套、鄂尔多斯中平原，黄土高原，新甘中平原; D1—D4分别为：鄂黔滇中山，四川低盆地，川西南、滇中中高山盆地，滇西南高中山; E1—E8分别为：阿尔金山祁连山高山山原，柴达木—黄徨高中盆地，昆仑山极大、大起伏极高山、高山，横断山极大、大起伏高山，江河上游中、大起伏高山谷地，江河源丘状高山原，羌塘高原湖盆，喜马拉雅山极大、大起伏高山、极高山图3 单因子分区Fig.3 Zoning of single factor

图3(a)中，根据不同地貌区位置及高程，参考《中国地貌图》[76]，将研究区域划分为A—E共5个不同等级、 24种地貌类型。图3(b)中，根据不同区域不同时代地层，参考《中国地质图》[77]，将研究区域划分为第四系、第三系、中生界、古生界、元古界、太古界6类，分别用A至F表示。图3(c)中，根据不同地区的不同地震烈度，参考《中国地震烈度区划图》[78]，将研究区域划分为<6度区、6度区、7度区、8度区、≥9度区5个等级,分别用A至E表示。

我国西部与东部，其构造应力场有各自的特征，西部构造应力场是由印度板块向北偏东方向挤压造成，因此西部主应力以北北东向为主，东部构造应力场是由太平洋板块向北西西向挤压造成，因此东部主应力以北西西向为主，且构造应力大小由西向东先减小后增大，拐点约位于东经105°附近的南北地震带。由于区域地质灾害易发性评价中，单元的划分仅仅影响评价结果的精度，在对图2进行简化的基础上，结合以上我国构造应力特点，得出地应力分区，如图3(d),A—H构造应力逐渐减小，H—N构造应力逐渐增大。

3.2 易发性评价

3.2.1 层次分析法简介

层次分析法(The Analytic Hieraechy Process，AHP)，最早是由美国运筹学家T. L. Saaty在20世纪70年代提出[79]。其基本方法是把复杂的研究对象分解成多个层次(通常包括目标层、准则层和方案层)。

基本步骤为：①层次结构建立，分析研究对象各因素的相关关系，将具有不同属性的因素根据隶属关系分成若干层次；②判断矩阵构造，根据Saaty提出的1～9及其倒数作为衡量标准，对所有同一层次的每个因素进行两两对比，即判断不同因素对于上一层次母要素的重要程度，并按照定量化的标准，构成矩阵形式；③一致性检验，即要求判断矩阵在逻辑上具有合理性。

3.2.2 易发性区划

3.2.2.1 单因子分值求解

对研究区进行倾倒变形体易发性评价时，首先选取上述地貌类型、地层时代、地震烈度、构造应力分布4种评价因子。根据不同评价因子中各个区域的灾害点发育情况对各个区域打分。

在此，基于单因子不同区域的倾倒变形体发育密度，引入概念发育频度P。设单因子i下，内部面积为Sij的j区域内发育倾倒变形体数量为nij，定义发育密度和发育频度分别为：

(1)

(2)

式中ρ0为研究区变形体总发育密度。

在ArcGIS中，导入变形体图层和单因子图层，通过矢量叠加，结合式(1)和式(2)，计算各单因子不同分区发育频度，将发育频度作为分区分值(图4)。

图4 单因子分区得分

图5 层次结构模型Fig.5 Hierarchical model

3.2.2.2 层次分析法应用

定义总评价指标为综合指标K，作为层次结构模型的目标层，将地貌、地层时代、地震烈度和构造应力作为措施层，建立如图5所示的层次结构模型。

根据以上层次结构图，可以计算综合指标K的值Kv为

(3)

式中：xi为各个参评因子的等级得分(i=1或2)；ai为不同因素的影响权重系数。

为获得4个影响因子的重要性，通过专家打分法构造措施层内的判断矩阵(比较地貌、地层时代、地震烈度、构造应力两两之间的重要程度)为

在MatLab中计算判断矩阵最大特征值λmax及对应的特征向量m分别为：

m=(0.372 9,0.420 8,0.324 9,0.758 5) 。

对矩阵进行一致性检验，即:

(4)

(5)

式中:CI为一致性指标；RI为一致性比例。易知判断矩阵具有足够一致性。因此可以算出地貌、地层时代、地震烈度和构造应力的权重分别为0.198 7,0.224 2,0.173 1,0.404 1。

图6 倾倒变形体区域地质易发性分区Fig.6 Zoning of regional geology susceptibility for toppling deformation slopes

根据以上结果综合式(3)得到单因子组合情况下的总分，经过自然断点法分段，分别定义得分由低到高的区间等级为等级1—等级5，得到如图6所示的倾倒变形体区域地质易发性分区,其中区域地质易发性等级划分如表2。

表2 区域地质易发性等级划分

3.3 评价结果分析

根据图6的评价结果，可得出各等级区域的面积比例和倾倒变形体比例(图7)。由图7(a)可知，等级1—等级5，区域面积所占比例分别为32.33%，20.74%，22.97%，16.52%，7.43%。由图7(b)可知，等级1—等级5，其内部发育的倾倒变形体个数分别为2,4,2,10,16，分别占研究区倾倒变形体总数的5.88%，11.76%，5.88%，29.41%，47.06%。

图7 各等级区域的面积比例和倾倒变形体比例Fig.7 Pie charts of area and toppling deformation slopes of all grades

4 地理位置易发性分区研究

图6中的等级区划说明在我国西部，尤其是西南部，倾倒变形体易发程度相对其他区域较高，且多为水电工程倾倒变形体。因此在以上34处变形体中，剔除非水电工程和具体信息不详的倾倒变形体，剩余26处。区划研究包括11条河流，每条河流不同区段分布不同数量倾倒变形体。此时河流及变形体的分布见图8。

图8 河流及倾倒变形体地理位置分布Fig.8 Geographical positions of rivers and toppling deformation slopes

剩余倾倒变形体，在境内主要河流及其支流上的分布数量及密度存在明显差异。为进一步探究不同流域已发生倾倒变形体的分布规律，深入了解典型河流内上游、中游及下游倾倒变形体的分布规律，本部分采用基于已统计倾倒变形体的情况进行分区评价的信息量法，对不同河流进行易发性分区研究。

4.1 信息量法简介

信息量法基本思想为：地质灾害是否发生、发生可能性大小，与研究区域获取的信息的质量和数量有直接关系，即地质灾害发生与否及其发生可能性，可由各区域信息量值来反映[80]。

基本原理如下。

发生事件(H)的信息量I(xi,H)的计算式为

(6)

通过单因子的信息量叠加获得总信息量。

4.2 易发性评价

4.2.1 信息量计算

依靠现有的倾倒变形体，从倾倒变形体在河流上发育的密度来考虑，可以采用下式计算，即

(7)

式中：L为研究区河流总长度；li为研究区内某一河流的长度；N为研究区所有相关流域上倾倒变形体发育数量；ni为研究区内某一河流上倾倒变形体发育数量；ni/li为某一条河流上倾倒变形体分布的线密度；N/L为研究区倾倒变形体分布总的线密度。

4.2.2 信息量分区

在对倾倒变形体进行分区评价时，从2个方面进行研究：

(1) 总信息量分区。不同河流分布的倾倒变形体点密度各有不同。

(2) 典型河流信息量分区。典型河流上游、中游和下游，其分布的倾倒变形体点密度不同。

由信息量的计算原理知：整条河流或其局部信息量值>0,=0,<0时，说明其倾倒变形体的发育水平分别高于、等于、低于整个研究区域的发育水平；信息量值为-∞时，整条河流或其局部内无倾倒变形体发育。

根据式(7)可计算每条河流获得的信息量值，也可以计算单条河流上游、中游和下游分别获得的信息量，由自然断点法将11条河流划分为4个等级的不同区段(表3)。

总体河流的信息量分区如图9(a)所示， 进一步得到单条河流上游、中游和下游的信息量分区(图9(b))。

表3 地理位置易发性等级划分

图9 河流信息量总体区划和典型河流区划Fig.9 Global zoning and typical zoning of information amount of rivers

4.3 评价结果分析

根据倾倒变形体发育的各项要素(岩性、坡高、坡角、发育高程、水平及垂直发育深度)，进一步分析倾倒变形体发育要素与信息量间的关系。

对于岩性，将其分为3个类型：硬质岩(H)、软质岩(S)、硬质岩+软质岩(S+H)。根据变形体统计，通常倾倒变形体的坡角在35°以上，故将坡角分为[0,35°),[35°，40°),[40°，45°),[45°，50°),[50°，55°)。统计点中无≥55°的坡角。

根据变形体统计，通常100 m以上的倾倒变形体发育数量多，故将坡高分为[0,100) m,[100,200)m,[200,300) m,[300,400) m,≥400 m。

根据中国地形的3大阶梯分界，第1阶梯与第2阶梯分界高程为4 000 m；第2阶梯平均高程在1 000～2 000 m之间；第3阶梯大部分海拔在500 m以下。据此，将倾倒变形体的发育高程划分为[0,500) m,[500,1 000) m,[1 000,1 500) m,[1 500,2 000) m,≥2 000 m，其中≥2 000 m又可划分为,[2 000,2 500 )m,[2 500,3 000) m,[3 000,3 500) m。据统计，未发现发育高程≥3 500 m区域的倾倒变形体。

基于统计的工程实例平硐调查水平发育深度结果，通常倾倒变形体水平发育深度在50 m以上，垂直发育深度在30 m以上，故将倾倒变形体水平发育深度划分为[0,50) m, [50,100) m, [100,150) m, [150,200) m, ≥200 m；垂直发育深度划分为4个区间：[0,30) m, [30,60) m, [60,90) m, ≥90 m。

分析结果见图10，为不同要素倾倒变形体在易发性等级为1和3的分区即低易发区和较高易发区中的分布数量。

图10 不同岩性、坡角、坡高、高程、水平及垂直发育深度的倾倒变形体分布直方图Fig.10 Distribution of toppling deformation slopes according to lithology, slope angle，slope height, elevation,horizontal development depth and vertical development depth

此外，对于岩性，等级为2时共4处，均为硬质岩+软质岩，等级为4时仅1处，为硬质岩；对于坡角，等级为2时共4处，分别为23°，44°，45°，50°，等级为4时，只有1处，为41°；对于坡高，等级为2时共4处，分别为150,240,340,400 m，等级为4时，只有1处，坡高546 m；对于高程，等级为2时共4处，分别为2 077, 2 160,2 190, 2 230 m，等级为4时只有1处，高程为1 970 m；对于水平发育深度，等级为2时共2处，分别为65,120 m，等级为4时只有1处，为50 m；对于垂直发育深度，等级为2和4时分别各有一处，均为35 m。

5 易发性规律综合分析

综合考虑河流上游、中游和下游与区域地质易发性分区成果(图4)，将区域上的易发性程度不同的区域投影至河流上，可以获得不同河流不同地理位置的倾倒变形体区域地质易发性程度。投影的结果为倾倒变形体区域地质与地理位置综合评价的成果图(图11)。图11中，分别根据区域地质易发性指标和地理位置易发性指标重新划分为5个等级。

图11 河流、灾害点的易发性区划综合分布Fig.11 Comprehensive distribution of susceptibility zoning for rivers and hazard sites

图12 3条河流易发性等级分段比值曲线Fig.12 Proportion of length of three rivers in every grade of susceptibility

由图11可知，区域地质上，四川盆地以西“横断山极大、大起伏高山”区、以中生界地层为主、构造应力相对集中、地震烈度≥8度的西南地区，是倾倒变形体极易发区域，称为倾倒变形体区域地质极易发区。该区域由于构造应力集中，形成了极大、大起伏高山，地震烈度高，当区内发育由中生界薄层岩石组成的斜坡时，倾倒变形体易发性程度高。

区域地理上，3条典型河流的各易发性等级所占比值见图12。除黄河外，澜沧江和雅砻江均通过上述倾倒变形体区域地质极易发区。黄河上游水电开发，诱发了多处倾倒变形体，其上游的上段具有更高易发性。澜沧江上游大部分河段和雅砻江中游河段均处于极易发区，雅砻江上游易发性相对下游偏低。

6 结 论

本文通过统计国内已发生倾倒变形体，采用层次分析法和信息量法对我国西部倾倒变形体的区域地质易发性与地理位置易发性，运用ArcGIS软件分别进行区划研究，得出如下结论：

(1) 水电工程倾倒变形体在四川、青海、云南3省发育偏多，公路、矿山倾倒变形体在四川、辽宁、安徽、吉林等地发育，但数量极少。

(2) 四川盆地以西横断山脉“极大、大起伏高山”区、以中生界地层为主、构造应力相对集中、地震烈度≥8度的西南地区，属于倾倒变形体区域地质极易发区。该区域由于构造应力集中，形成了极大、大起伏高山，地震烈度高，当区内发育由中生界薄层岩石组成的斜坡时，倾倒变形体易发性程度高。

(3) 雅砻江中游、澜沧江中上游、黄河上游、大渡河上游、岷江上游等河流属于西部水电工程倾倒变形体地理位置易发性较高区段，其中发育数量较多的是雅砻江中游、澜沧江中上游、黄河上游。

(4) 不同区域内，河流的不同区段，孕育倾倒变形体的可能性各异。区域地质易发性往往决定河流及其流域上倾倒变形体的易发性。区域地质易发性分区基于4个区域地质因子的加权叠加进行，分区结果在一定程度上可指导区域上倾倒变形体的预测预报和防治规划。地理位置易发性分区基于11条典型河流的上游、中游和下游倾倒变形体点密度进行，分区结果在一定程度上可指导水电工程建设的选址规划。

本文统计倾倒变形体数量有限，且水电工程中倾倒变形体的发生，其影响因素广泛、复杂，研究结果精度受限于此，可进一步深入研究。

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(编辑：占学军)

Development Rules of Toppling Deformation Slopes in China

LU Wen-bo1, YAN E-chuan1, ZOU Hao1, ZHANG Shi-shu2

(1.Faculty of Engineering, China University of Geosciences, Wuhan 430074, China；2.Chengdu Engineering Corporation Limited, Power China, Chengdu 610072, China)

Researches on the development rule of toppling deformation slopes is of great significance in prevention planning for toppling deformation and site selection for hydropower projects. And statistical research is conducive to the analysis of toppling deformation slopes in China. In this article, the west region of China is determined as the study area in view of the distribution of toppling deformation slopes. Four influencing factors are selected for geographical susceptibility zoning evaluation, namely landform, stratigraphic age, seismic intensity and tectonic stress distribution. Toppling deformation slopes of 11 rivers in west China are taken as examples for the evaluation of geographical position susceptibility. The relations between distribution features and development factors (lithology, slope height, slope angle, elevation, horizontal depth and vertical depth) are revealed according to the zoning results. Results show that 1) toppling deformation slopes mainly exist in Sichuan, Qinghai and Yunnan provinces; 2) Hengduan Mountains with extremely large and large heaves belong to the zone of extremely high susceptibility; 3) areas of high susceptibility are located in the middle reach of Yalong River, the middle and upper reaches of Lancang River, the upstream of Yellow River, Dadu River and Minjiang River. The research results offer reference for prevention planning of toppling deformation and site selection for hydropower projects in southwest China.

toppling deformation slope; regional geology; hydropower projects in west China; geographical position; susceptibility; development rule

2016-05-19；

2016-06-24

中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司科技项目(P225-2014)

陆文博(1992-)，男，湖北孝昌人，硕士研究生，主要从事岩土体稳定性评价与利用的研究，(电话)18062651007(电子信箱)lwblwb21@126.com。

10.11988/ckyyb.20160484

2017,34(8):111-119

P642.4

A

1001-5485(2017)08-0111-09