陕西省吴起县斜坡几何形态与地质灾害相关性研究*

姜建伟，赵法锁，祝俊华，祝艳波

(长安大学 地质工程与测绘学院，陕西 西安 710054)

吴起县地理位置在延安市西北部，是延安市地质灾害最为严重的县之一[1]。其自然条件差，防灾设施不完善，滑坡、崩塌灾害屡屡发生，给当地居民造成了巨大的生命财产损失[2-3]。斜坡几何形态在一定程度上控制着地质灾害的发生，国内外在这方面做过许多研究工作。Brabb计算各影响因素在已经发生滑坡中所占的比例，得出坡度是影响滑坡发生的主要因素之一[4]。Mark分析了地形与浅层滑坡灾害发生概率的关系，得出陡峭的地形处更易发生滑坡[5]。Carrara等以GIS技术为平台，统计分析了许多因素对系列滑坡的影响[6]。Larsen和Torres-Sanchez研究了PuertoRico三个区域地形因子与滑坡灾害概率的关系，得出高程在300 m以上，坡度大于12°的北东向斜坡易发生滑坡[7]。戴福初、李军用GIS研究香港大屿山滑坡，得出坡度在20°以上，坡高在100～500 m的南坡，滑坡发生的概率更大[8]。S.Lee等[9-10]把RS和GIS相结合，研究不同因子影响滑坡发生概率的大小。白世彪等根据三峡大坝水库的DEM图，提取斜坡的坡高、坡向和坡度等因子，统计分析了这些因子与滑坡发生的相关性[11]。张茂省分析了延安市宝塔区斜坡因子坡高、坡度、坡向和坡型对地质灾害的影响[12]。王萌和乔建平以GIS技术为平台，反演计算出斜坡的坡高、坡型、坡向和坡度等对滑坡的权重和贡献[13]。张国平等计算出了滑坡在斜坡坡高、坡型、坡向和坡度等地形因子下占的比例，分析了滑坡与这些因子的关系[14]。

综上，国内外对于这方面采用不同的研究方法来研究不同的地区，研究结果具有区域差异性，没有一个统一的规律。以前没有专门对吴起县做过这方面的研究，本文基于延安市吴起县地质灾害隐患点所处的区域特征，对区内斜坡几何形态与地质灾害相关性展开研究。

1　地质环境概况

吴起县地处陕北黄土高原中部腹地，属黄土高原丘陵沟壑区，地势从西北至东南由高到低，其间沟壑纵横、梁峁起伏，以黄土梁涧和峁梁地形地貌为主[15]。研究区气候干旱，降雨量较少，年均降雨量478.3 mm,降雨集中在7 - 9月。区内水系分布呈树枝状，河网密布，干流深切。地表被第四系黄土覆盖。含水层主要包括第四系松散层中的孔隙水、黄土孔隙裂隙水及白垩系砂岩中的裂隙水这三种类型[3]。区内地质构造相对简单，结构稳定，无大型褶皱和断裂构造，地震很少。境内总体植被覆盖率低，水土流失严重。区内人类工程活动包括城乡建设、农牧业活动、公路铁路的修建、水利水电建设与矿产资源开发等，它们对地质环境造成了严重的影响。

2　斜坡几何形态与地质灾害特征

研究区斜坡坡型包括：凸型、直线型、凹型和阶梯型这四种基本类型，如图1所示。前两类斜坡剖面曲率分别大于和等于0，是正向类型斜坡；后两类斜坡剖面曲率小于0，是负向类型斜坡。四种基本坡型会组合成“S”型、反“S”型等组合形式。斜坡坡度范围在15°～88°，平均坡度41.2°；坡高分布在35～160 m之间，平均坡高86.8 m；坡向分布较广，各个朝向的坡均有，但在45°～75°、90°～180°、225°～270°坡向区间分布的较多。研究区74处地质灾害隐患点发育类型统计如表1所示。

表1　吴起县地质灾害隐患点发育类型统计表

从表1中看出，地质灾害以滑坡、崩塌为主。滑坡类型主要为人类工程活动为主的中小型、中浅层、牵引式黄土滑坡。崩塌以小型、浅层、倾倒式和滑移式黄土崩塌最为普遍。滑坡、崩塌多发生在多雨年份或多雨季节及人口集中、人类工程活动强度大的地区，发生具有突发性[16-17]。

3　斜坡几何形态与地质灾害相关性

地质灾害与斜坡几何形态关系密切，甚至受斜坡几何形态的控制[18]。斜坡的坡高、坡型、坡向和坡度等微观地形地貌在很大程度上影响着斜坡的稳定性，是地质灾害发生的重要条件，影响着滑坡、崩塌如何发生[1,19]。斜坡作为物质基础，给滑坡、崩塌灾害发生提供了很好的发育环境，斜坡几何形态影响着斜坡内应力的分布[20-21]。通过力学分析，在斜坡坡顶处会产生拉应力，坡脚处产生剪应力集中现象，坡内各处的应力值均随坡高增高而增大，而坡度可以改变斜坡中的应力分布。所以斜坡越凸、越高、越陡，会使剪应力更加集中，拉应力范围扩大，越易发生变形破坏。上缓下陡、中间缓上下陡的复合型斜坡也易失稳。

3.1　斜坡坡型与地质灾害

对一定区域范围的黄土斜坡，根据区域性的斜坡坡型特征，可以预测该区域不同坡型发生地质灾害的可能性[22]。对研究区73处地质灾害隐患点所在斜坡的坡型统计如表2所示。

表2　灾害隐患点所在斜坡坡型统计表

共调查出滑坡隐患点51个，其中发生在正向类型坡上的滑坡有36个，占滑坡总数的70.6%，正向类型坡中直线型坡6个，占整个滑坡数量的11.8%；而凸型坡30个，占整个滑坡数量的58.8%。发生在负向类型坡上的滑坡有9个，占滑坡总数的17.6%，其中凹型坡7个，占滑坡总数的13.7%；阶梯型坡2个，占滑坡总数的3.9%。

调查出崩塌隐患点17个，发生在正向类型坡上的崩塌有15个，占崩塌总数的88.2%，其中凸型11个，占崩塌总数的64.7%；直线型4个，占崩塌总数的23.5%。发生在负向类型坡上的崩塌有2个，都是凹型，占崩塌总数的11.8%。

图1　斜坡坡面形态

由统计结果得出：凹型和阶梯型负向类斜坡相对较稳定，而正向类凸型和直线型斜坡更易发生滑坡或崩塌灾害。原因是斜坡坡体表面应力状态直接受坡型影响，坡体局部会出现应力集中或严重卸荷现象[23]；地表水和地下水的径流也受坡型影响，土体含水量会随着变化，影响斜坡土体的强度。正向类斜坡应力集中，稳定程度较低。对于负向类斜坡，由于沿着它的走向有应力的支撑，应力集中程度减小了，大大提高了斜坡的稳定程度[24]。因此，坡型能够决定斜坡的稳定性，控制其变形破坏模式，凸型和直线型坡较凹型和阶梯型坡稳定性差。

3.2　斜坡坡度与地质灾害

斜坡坡度是滑坡、崩塌发育的主要微地貌条件[25]，它是影响地质灾害的重要因素，决定着斜坡内的应力分布，剪切力会随着坡度的增加而增大，从而增大滑坡、崩塌发生的概率[26]。研究区地质灾害隐患点的斜坡坡度统计见表3。

统计表明发育滑坡的斜坡坡度在15°～48°，平均坡度为35°，集中分布在29°～40°(33处，占64.7%)；崩塌的坡度区间是40°～88°，集中分布在60°～88°，坡度均值是61.7°；不稳定斜坡的坡度区间是32°～40°，平均值为35°。因此地质灾害随斜坡坡度不同分布类型不同。

根据坡度大小，将斜坡分为：平台(坡度<10°)、缓坡(10°～25°)、陡坡(25°～60°)、陡崖(60°<坡度)这四种类型[27]。滑坡和不稳定斜坡分布在30°～40°的陡坡，崩塌分布在60°以上的陡崖。调查的51个滑坡中有48个发生在陡坡，占调查滑坡总数的94.1%，有3个发生于缓坡；17个崩塌中8个发生在陡坡，其余9个发生在陡崖；不稳定斜坡5个都发生于陡坡。

因此，滑坡高易发区为坡度在30°～40°之间的斜坡体；中易发区为坡度在20°～30°和40°～50°之间的斜坡体；坡度在0°～20°、50°以上的斜坡体，滑坡发生的机率低。坡度在60°以上的斜坡体为崩塌高易发区；坡度在40°～60°的斜坡体为崩塌中易发区；坡度在40°以下的斜坡体，崩塌发生的机率低。不稳定斜坡的坡度主要分布在32°～40°，在滑坡高易发区范围内，说明不稳定斜坡若受到外来营力作用可能以滑坡形式破坏。

3.3　斜坡坡高与地质灾害

斜坡坡高控制着坡体内各处应力的大小，随着坡高的增大，应力值呈线性增加，控制着灾害的发育和破坏方式。

斜坡的坡高在一定程度上控制着滑坡灾害，滑坡在坡高为40～70 m的斜坡上发生的较多(表4、图2)，统计表明该区间的滑坡有40个，占滑坡总数的78.4%。图2表明滑坡高度与斜坡高度有很好的一致性。滑坡高度分布在30～125 m之间，平均高度为62.8 m，滑坡所在的斜坡平均高度为86.8 m，滑坡平均高度约为斜坡平均高度的0.73，约是斜坡高度的3/4位置发生滑坡(图3)。

表3　灾害隐患点所在斜坡坡度分段统计表

表4　灾害隐患点所在斜坡坡高分段统计表

图2　滑坡高度与斜坡高度对应关系图

图3　滑坡高度与坡高的比值分段统计直方图(注：图中光滑曲线为拟合曲线，表明近正态分布趋势)

崩塌在斜坡坡度较陡，坡高较低的陡崖上发生的较多，在17处崩塌隐患点中有7处发生在坡高小于40 m的陡坡上，占崩塌隐患点数量的41.1%；发生在40～50 m陡崖上的崩塌有8处，占崩塌总数的47.1%；发生在50 m以上高陡崖上的崩塌有2处，占崩塌总数的11.8%。说明超过50 m高陡崖上发生崩塌的概率很小(表4、图4)。崩塌所在的斜坡平均高度为60.3 m，崩塌平均高度为44.1 m，崩塌平均高度约为斜坡平均高度的0.73，也就是说崩塌多发生在斜坡坡高的3/4位置处，这与滑坡相同。

图4　崩塌高度与坡高对应关系图

不稳定斜坡高度发育在60～70 m(图5)，这个范围介于滑坡高度分布40～70 m之间。说明这5处不稳定斜坡发展趋势主要为滑坡。

图5　不稳定斜坡高度与坡高关系图

不稳定斜坡的失稳发展趋势分为两种：滑坡和崩塌[28]。可以说斜坡坡高较低时易发生崩塌灾害，坡高中等时发生不稳定斜坡，坡高较大时发生滑坡灾害。

3.4　斜坡坡向与地质灾害

调查的51个滑坡隐患点的坡向表明，滑坡的坡向分布在各个方向，不是标准的阴坡或阳坡，这是由于研究区的地形地貌长期受到侵蚀，人类强烈的工程活动等因素造成的。区内滑坡多数发生在90°～180°、240°～270°坡向之间(表5、图6a)。其中有21个滑坡发生在坡向90°～180°之间，占整个滑坡隐患点数量的41.2%；12个发生在240°～270°坡向区间，占总数的23.5%。崩塌主要发生在：45°～75°、120°～150°、225°～255°这三个坡向区间(图6b)。

斜坡坡向统计结果表明，坡向90°～180°、240°～270°之间的斜坡在吴起县分布相对较多。这一点与吴起县境内河流发育的走向有关。北洛河(含源头头道川、总走向130°)总方向为东南流向，决定河流两岸的斜坡对应坡向在240°～270°之间；其主要支流二道川(总走向83°)、白豹川(总走向28°)、宁赛川(总走向23°)、薛岔川(总走向89°)以及杨青川(总走向94°)，主干总体走向呈近东西方向，它们决定了河流两侧斜坡的坡向正好分布在90°～180°之间。

表5　灾害隐患点所在斜坡坡向分段统计表

图6　斜坡坡向分布图

通常将朝北方向的坡叫作阴坡，朝南方向的坡叫作阳坡。因为坡向不一样，山坡的水热和小气候等条件也不同。阳坡受日照时间比阴坡长，且太阳光照强烈，土温较高，昼夜温差较大。水热等条件的不同会导致坡体坡度、含水率、风化程度等要素不同。阳坡沟壑纵横，坡短而陡，有利于发生滑坡、崩塌灾害；而阴坡坡长而缓，滑坡、崩塌灾害发生较少[29]。除此之外，还在于该地区特殊的土质，据实验测试[2]，吴起县的马兰黄土中粗粉粒和砂粒含量之和在86%以上，粘粒含量则小于14%。黄土中粘粒含量很少，粉土质、砂质含量较多，因而土体在干燥条件下颗粒间连接较弱，而颗粒间有水分时，水膜吸力增加了颗粒间的连接。因此滑坡、崩塌灾害发生在阳坡多于阴坡。

4　结论

(1)陕西省吴起县的滑坡、崩塌大多数发育在正向型凸型和直线型斜坡上，在负向型凹型和阶梯型坡上发育较少。由此可知，凸型和直线型坡更易发生滑坡或崩塌灾害，而凹型和阶梯型坡相对稳定。

(2)区内当斜坡的坡度在30°～40°、坡高在40～70 m时，主要发育滑坡；当斜坡的坡度大于60°、坡高在30～50 m时，主要发育崩塌；且滑坡、崩塌的平均高度约为各自所处斜坡坡高的3/4。

(3)区内滑坡、崩塌灾害阳坡较阴坡发育，坡向大多数分布在90°～180°、240°～270°之间。

(4)建设用地场址应尽量远离凸型和直线型斜坡，坡高不宜超过20 m，坡度以小于20°为佳。当坡高>20 m，坡度>20°时，应分级治理，单级坡比1:0.4～1:0.6，单级坡高10～15 m，中部设宽度2～3 m的小平台；当坡高>30 m时，应设4～6 m的大平台。

通过对吴起县斜坡几何形态与地质灾害相关性的研究，以期为该县防灾减灾工作提供一定的参考依据。

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