肃南县矿区周边地质灾害基本特征及成因分析

李科技，吴瑞杰，车林娟，徐路恒

（河西学院土木工程学院，甘肃 张掖 734000）

崩塌，是指斜坡或边坡上的岩土体在自身重力或外力作用下突然脱离母体崩落、滚动、堆积在坡脚的地质现象。崩塌作为常见的地质灾害，经常对人类的生命财产和生存环境造成极大的威胁，甚至造成巨大的人员伤亡和经济损失，严重制约着经济社会的可持续发展。

新中国成立以来，专家学者们对滑坡崩塌等地质灾害的研究日趋深入，取得了一系列研究成果，极大的提升了地质灾害风险评估及治理的能力。对于崩塌地质灾害的研究，总体经历了从点到面，再由面具体到点的一个过程。首先，一些学者通过总结归纳与分析，从面上对崩塌的特征、成因及稳定性等进行了研究。如赵允辉[1]系统性的论述了危岩的成因、失稳方式、运动特性等概念，并就危岩稳定性的评价方法、监测预报及处理措施等方面进行了归纳与总结。盛海洋[2]等概略性的论述了我国崩塌的分布特征，并从地形地貌、地层岩性、断裂构造和水的作用等四个方面分析了崩塌的成因。骆银辉[3]等认为陡峻边坡崩塌主要受控于节理裂隙和结构面的组合,其活跃程度取决于卸荷裂隙的扩张与卸荷裂隙区的扩展。王根龙[4]等通过对悬臂-拉裂式崩塌进行调查研究表明，差异风化剥蚀、河流侧蚀、海水浪蚀、碳酸盐溶蚀等作用是岩质边坡产生凹进岩腔和凸出悬臂的外动力地质作用。利用应力计算理论，推导出岩腔极限深度计算公式，结合岩石风化剥蚀速率，对悬臂梁危岩体产生破坏的时间进行了预测。并根据大拉应力-抗拉强度比值分析法，推导出悬臂梁危岩体稳定系数计算公式，并给出其稳定性评价标准。

在深入分析研究崩塌地质灾害普适性的时空分布规律及成因机制等问题后，对于一定区域崩塌的研究也在不断推进。例如，旷镇国[5]通过对重庆市中区危岩进行调查研究，认为危岩破坏由上硬下软岩体组成、结构面切割、卸荷和顺江延伸的高陡斜坡四条件所导致，并划分出拉断-坠落、剪切-坠落（崩落）、压碎-崩落、倾倒-崩塌等四种危岩破坏机制。刘传正[6]结合重庆武隆鸡尾山危岩体形成，从山体地质结构、裂隙组合及软弱夹层等物质结构基础，高陡临空的地形，长期的降雨渗流和岩溶作用等方面分析了危岩体的形成，并得出危岩体发生崩塌的过程是在铁矿采空“悬板张拉”形成危岩体的基础上,向外的视滑力主导作用下的一个 “山体拉裂-弱面蠕滑-剪出崩塌-碎屑流冲击-灾难形成”的链式反应的结论。李振[7]通过调查盐亭县的危岩带，对四处典型危岩体特征进行分析，采用赤平投影法、稳定性计算、坠落轨迹及冲击能计算对危岩体的稳定性进行了评价，并对不稳定危岩体采取针对性整治措施。范可[8]等通过对记录或现存的岩质崩塌进行统计分析，认为桂林市岩质崩塌具有明显的时空分布规律，并对崩塌类型进行了划分，且主要从降雨、地形、地层岩性、地质构造和人类活动等方面对崩塌的形成进行了分析。王芸、李晓平等[9-10]在对研究区崩塌灾害地形地貌、地层岩性、工程地质条件、水文地质条件以及人类工程活动等条件分析的基础上，对崩塌灾害的发育特征、形成机制进行了分析，并对崩塌灾害的稳定性进行了评价。

针对张掖市肃南县地质灾害频发的现状，并查阅相关文献，认识到现阶段对该区地质灾害，特别是崩塌地质灾害的研究较少，严重阻碍了当地防灾减灾工作的开展。因此，非常有必要结合县内公路工程对区域崩塌进行分析研究，掌握其特征与形成机质，对后期崩塌地质灾害的防治具有重要的现实意义。

1 研究区地质环境

1.1 地形地貌

肃南县地形地貌较为复杂，其奠定于喜马拉雅运动以前的老构造运动，挽近期新构造运动对地形地貌特征产生了显著的影响；同时，外营力对地貌的塑造也起着深刻的作用，如冰蚀作用、雪蚀和寒冻风化作用、水蚀作用、风蚀干燥剥蚀作用等。在上述内外营力长期作用下，地表形态呈现山地、平原、戈壁、沙漠相间分布的多样复杂的地貌景观。地势总体上西高东低、南高北低，肃南县可划分为四个大的地貌单元：构造侵蚀地形、构造剥蚀地形、堆积地形、风积地形，其中，S213线肃南段处于构造

侵蚀地形区，海拔2500m～3500m，切割深度500m～800m。山势挺拔，山峰陡峻，山脊多呈锯齿状，山体坡角30°～50°。

1.2 气象水文

肃南县具有典型的大陆性气候特征，总的气候特点是：季节分明，山区降水量较大，平原区降水量较少。

山区主要气象要素的特征值：年平均气温3.6℃，无霜期83天，年平均降水量由东部的350m～450mm，向西逐渐减少至250m～350mm。降水量随着海拔的增高而增大，降水梯度为10.1～15.9mm/100m，据肃南气象站（县城）资料，年均气温3.9℃，多年平均降雨量265.2mm，蒸发量1789.5mm；无霜期90-120天。

南部祁连山区是河西走廊诸多河流的发源地，横跨石羊河、黑河、疏勒河三个大内陆水系，主要河流有东大河、西大河、黑河、梨园河、马营河、丰乐河、观山河、洪水坝河、北大河、白杨河、石油河等大小33条河流，这些河流均从祁连山北麓流出境外，多年平均出境总径流量43.11亿m3；河流多年径流量变化总体上，东部石羊河流域减少，中部黑河流域相对基本稳定，西部疏勒河流域呈增加趋势，河流来水时空分布不均，主要集中于6～9月份，占总径流量的75%以上，河流来水以大气降水、冰川融水为主。

1.3 地层岩性

研究区地层主要由晚古生界、中生界岩层构成，部分新生界岩层，主要地层详述如下：

（1）下石炭统臭牛沟组（C1c）：为生物屑泥晶灰岩建造，厚约158m，一般为深灰色中厚层状生物屑灰岩，加少量炭质页岩、薄层状粉砂岩。

（2）上石炭统羊虎沟组（C2y）：为含煤碎屑岩建造，厚约533m，岩性为砂岩、炭质页岩夹可采煤层。

（3）下二叠统大黄沟组（P1d）：为砂岩-粉砂岩-泥岩互层建造，厚约93m，岩性为深灰-灰白色及杂色中厚层状长石石英砂岩，夹粉砂岩、泥岩及页岩。

（4）上二叠统红泉组（P3hq）：为砂砾岩建造，厚约1000m，岩性以紫红色含砾粗砂岩、砾岩为主，夹薄层砂质泥岩。

（5）中-上三叠统五佛寺组-丁家窑组（T2-3w-d）：为复成分砂砾岩建造，厚约320m，岩性为紫红色-灰白色砾岩、含砾粗粒岩屑长石砂岩、细粒岩屑长石砂岩、粉砂岩、粉砂质泥岩、泥岩。

（6）下白垩统下沟组（K1x）：为砂砾岩建造，厚约859m，岩性为灰色、淡红色含砾粗砂岩、砂砾岩、砾岩。

（7）上白垩统中沟组（K2z）：为砂砾岩与粉砂岩-泥岩互层建造，厚约1336m，岩性为灰紫色、青灰色、灰白色砂砾岩、泥质砂岩夹泥岩、碳质页岩及劣煤层。

（8）中更新统酒泉组（Q2j）：为复成分砂砾岩建造，厚约20m，冲积、洪积砾石夹凸镜状黄土。

1.4 地质构造与新构造运动

肃南县所处一级构造单元为昆仑—秦岭地槽褶皱区，二级单元为祁连褶皱系。山区构造主要是高角度逆冲断层、复背斜及复向斜，走向以NW和NWW为主，延伸数公里乃至数百公里，主干断层具有长期活动性特点。山区构造较为复杂，断裂、褶皱极为发育。山前主要的区域构造是祁连山区与平原区接触带的叠瓦式深大隐伏断裂带，延伸长度达千公里以上，北西西向展布，该断裂带构造形迹复杂，不同地段断裂带的宽度、规模、断距差异较大。

区内新构造运动极为活跃，主要表现为振荡性上升运动、褶皱断裂运动及大面积的沉降运动。振荡性上升运动形成了不对称性阶梯状分布的中高山区，以及河谷地带的多级阶地；褶皱断裂运动在继承了古老断层的基础上，老断层的复活形成了一系列山区基岩与盆地之间的隐伏断裂；沉降运动形成了具有大厚度第四系分布的山间盆地。

2 崩塌基本特征

S213线是县通二级公路，起点位于张掖市甘州区原S213线k10+000m处，终点k100+661.203m接原S213线k114+600m，路线主线全长90.573km。其中在肃南县境内区段为k51+420m至k100+661m，全长约为49km。通过现场踏勘及沿线崩塌分布状况，沿S213线选取k51+420m-k64+339m作为研究区段，并对潜在崩塌危害点利用GPS进行定位（图1），从而为归纳分析崩塌的特征奠定坚实的基础。

通过现场实地勘察及卫星地图，易见研究区段线路总体走向为东西向，且公路北侧距离边坡坡脚较近，边坡较为陡峭；而公路南侧边坡相对平缓，边坡坡脚远离公路，对公路安全畅通影响甚微。结合崩塌的基本概念，可知崩塌主要发生在公路北侧。根据研究区段潜在崩塌灾害点的分布状况及特征，选取了28个GPS点，主要集中在k51+420m-k54+600m段（Ⅰ段）、k58+030m-k58+680m段（Ⅱ段）和k63+147m-k64+339m段（Ⅲ段）。在此基础上，主要针对以上三段线路中典型危岩体边坡研究崩塌的基本特征。

图1 研究区段潜在崩塌点GPS定位图

2.1 k51+420m崩塌点

通过对危岩体处边坡剖面（图2）的现场观察、测量及编录，可知该边坡坡向为125°，坡角为65°，且组成该边坡的岩层发育较好，层面明显，节理不甚发育，岩层倾向为345°~355°，倾角为45°~52°，节理产状为86°∠71°。该岩质边坡主要由下白垩统下沟组（K1x）砂砾岩和上白垩统中沟组（K2z）砂砾岩与粉砂岩-泥岩互层构成，其中尤以含砾粗砂岩夹薄层泥岩与泥质砂岩最为典型。通过勘察认为该边坡的形貌特征主要表现为两个方面：一方面，由于风化剥蚀及流水冲蚀等作用，边坡坡面凹凸不平，沿泥岩和泥质砂岩薄夹层形成条带状的具有一定深度的凹陷槽，拓宽了岩层层面间的距离；另一方面，由于先期危岩体的崩落，造成母岩体沿岩层面形成了具有一定倾角的临空面。边坡以上两个方面的形貌特征，有利于边坡进一步遭受风化剥蚀及水流冲蚀，最终造成崩塌的发生。

图2 危岩体处边坡剖面A

2.2 k53+400m-k53+500m段崩塌

经现场地质调查及量测，该段危岩体边坡（图3）走向约205°，坡角表现为坡脚缓倾而边坡中上部近直立状，高约22m～25m，且坡脚距离公路1m～5m。组成该危岩体边坡的岩层主要为上白垩统中沟组（K2z）砂砾岩与粉砂岩-泥岩互层建造，产状为310°∠20°，表现为岩层倾向与边坡坡向相反，有利于边坡的稳定性。但由于该危岩体边坡上卸荷节理较为发育，且其产状主要为115°∠65°，表现为向坡外陡倾的裂隙，在风化作用及流水冲蚀的作用下，非常有利于崩塌地质灾害的发育发生。经估算，崩塌体方量约为350-500m3。除主要节理外，还包括部分产状为335°∠60°、148°∠32°及210°∠45°等的节理构造。此外，部分区段边坡上近竖直节理十分发育，其走向与边坡走向近于垂直，在竖直向节理及自身重力作用下，导致下部软弱岩块出现塑性变形及蠕动现象，使上部岩体出现整体错落的现象（图4）。

图3 危岩体处边坡剖面B

图4 危岩体处边坡剖面C

2.3 k63+147m-k64+339m段崩塌

经现场地质调查，该段危岩体边坡（图5）走向约255°，总体表现为坡脚陡倾而边坡上部近直立的凸坡，高约120m～150m，且坡脚距离民宅约为20m～30m，距离公路约20m～50m。组成该危岩体边坡的岩层主要为上白垩统中沟组（K2z）砂砾岩与粉砂岩-泥岩互层建造，产状为112°∠73°，表现为岩层倾向与边坡坡向斜交。该危岩体边坡中下部主要覆盖风化碎屑物及落石块体，倾角约为45°，为新近沉积岩土体，坡面表部整体胶结性和密实度较差，在边坡面流的侵蚀作用下，冲沟较为发育。而边坡上部近于直立，节理裂隙非常发育，岩体遭受节理的切割破坏亦十分严重，且岩体的差异风化表现明显，沿岩层面可见明显的临空面，故而岩体总体较为破碎。经分析认为，该边坡的中下部仅会发生规模较小的落石及滑坡，而上部则会发生较大的崩塌灾害。

通过对边坡岩体节理产状的量测及统计，作出了岩体节理走向玫瑰花图（图6）。在地质调查的基础上，结合区域构造应力场特征，认为该段边坡遭受较为强烈的构造作用力，造成岩体中构造节理发育，从而破坏了岩体的完整性，促使崩塌的发育发生。

图5 危岩体处边坡剖面D

图6 节理走向玫瑰花图

3 崩塌的成因机制

崩塌是山体斜坡地段的一种表生动力地质现象，主要与地形地貌、地层岩性、地质构造、水文地质条件、地震作用和人类工程活动等因素有关。研究区段崩塌的成因机制主要为天然的高陡边坡和人工边坡，在重力作用下向临空面卸荷，于边坡坡顶或坡面一定部位形成拉张裂隙，并与构造节理、沿岩层层面因差异风化形成的临空面共同组合作用，随裂隙的逐步贯通及对岩体进行切割围限，形成危岩体。危岩体在地震、车辆振动及大气降水等外界因素的触发下，最终突然脱离母体，翻滚坠落并堆积于坡前一定部位。研究区崩塌形式主要有倾倒式崩塌和滑移式崩塌两种类型。

3.1 倾倒式崩塌

由陡倾的卸荷节理和构造节理切割形成的危岩体，且节理裂隙的下部仍存在于坡体内部。随着风化侵蚀的不断作用和卸荷裂隙在坡体内部的不断加深变宽，同时考虑大气降水在裂隙中产生的水压力，最终使危岩体在自身重力的作用下，围绕节理面的下端或边坡前端危岩体与母体的连接处发生旋转倾倒破坏，形成崩塌地质灾害。

3.2 滑移式崩塌

此类崩塌主要由一组节理面与一组临空面组成的危岩体在外动力地质作用下形成。节理主要为构造运动比较强烈区域的构造节理，包括部分卸荷节理，节理总体表现为陡倾角并倾向坡外。临空面主要是因差异性风化和先期崩塌体崩塌后造成的，差异性风化变现为组成边坡的泥岩与泥质砂岩夹层物理力学性质较差，抗风化能力较差，易受风化侵蚀和水流的冲蚀，从而逐渐发展成为具有一定深度的条带状的风蚀槽，也即形成临空面。另一方面，对于以岩层面为危岩体边界的崩塌，崩塌发生后亦会产生临空面，从而在一定程度上促进了滑移式崩塌的发育和发生。

4 结论

通过对崩塌灾害的地质调查及分析研究，得到以下几点认识：

（1）研究区危岩体边坡总体呈坡脚陡倾（或缓倾）而边坡上部近直立状，危岩体的形成主要受卸荷节理、构造节理及岩体差异性风化形成的临空面的控制。

（2）研究区崩塌的成因机制主要为天然的高陡边坡和人工边坡，在重力作用下向临空面卸荷，于边坡坡顶或坡面一定部位形成拉张裂隙，并与构造节理、沿岩层层面因差异风化形成的临空面共同组合作用，随裂隙的逐步贯通及对岩体进行切割围限，形成危岩体。危岩体在地震、车辆振动及大气降水等外界因素的触发下，最终突然脱离母体，翻滚坠落并堆积于坡前一定部位。

（3）研究区崩塌形式主要有倾倒式崩塌和滑移式崩塌两种类型，并对两类崩塌的形成机制进行了分析研究。