云南镇雄地质灾害频发原因及预警预报分析*

郑杨 陈茂 杨东 龙郧铠 罗军尧

(昆明理工大学建筑工程学院 昆明 650500)

0 引言

镇雄县位于云南省东北部、云贵川三省交界处。境内山势险峻、地表破碎、水系发育、降雨集中，地势总体由西南向东北逐渐递减[1-2]。近年来，由于人类工程活动和局部强降雨的影响，使得镇雄成为地质灾害最严重的地区之一，如2013年1月11日，镇雄县果珠乡赵家沟突发特大山体滑坡，导致46人死亡，大量房屋和耕地被直接掩埋[3-4]；同年1月28日，镇雄中屯镇头屯村水塘北侧发生特大滑坡，导致房屋建筑发生开裂、坍塌等灾害，且造成数千万元的经济损失，但由于滑前建立了完善的监测预防系统，所幸未出现人员伤亡[5]；2014年6月，在持续的降雨条件下触发小型堆积体滑坡，导致道路瘫痪，河流受阻[6]。由于镇雄县特殊的山区地形条件，每年都会发生不同规模和数量的地质灾害，阻碍了当地经济水平的发展，给人民的生命和财产安全带来了极大的影响。

研究表明：区域内地质灾害频发，类型较多。主要以滑坡最为常见，其次为崩塌、地面塌陷、地裂缝、泥石流、不稳定斜坡等[2]。滑坡灾害诱发条件受多种因素共同控制，包括区域降雨条件、地形地貌特征、地层岩性、地震以及人类活动等[7]。本文结合以上几个因素分析镇雄滑坡灾害频发的原因，并针对滑坡灾害提出预警预报方法，以期能为该地区地质灾害的研究以及防灾减灾事业提供具有科学意义的理论依据。

1 区域地质灾害原因分析

1.1 降雨及气候规律

降雨条件常是诱发滑坡灾害的重要因素之一，其类型有多雨和久雨(雪)之分。多雨即暴雨，主要集中在每年的雨季，期间局部降雨强度大，来势迅猛，常是诱发地质灾害的高频因素；久雨(雪)一般雨量小，覆盖面积大，历时悠长。与前者相比，其最大特点是地表径流小，降雨多数沿裂隙结构缓慢侵入岩体，改变土体环境应力场状态，降低坡体的强度指标，成为滑坡灾害演变的潜在成因[8-9]。根据中国气象网，统计了1981—2010年间云南镇雄降雨气候条件(图1—图2)。

图1 1981—2010年镇雄地区平均、最高、最低气温曲线

图2 1981—2010年镇雄地区降雨量曲线

资料显示，镇雄县温差较大，干湿季节分明，该类降雨气候条件为滑坡的演变提供了外营力。剧烈的温差变化加快了岩体的风化进程，促进裂隙不断发育延伸，最终导致岩块不断崩解散落，为研究区地质灾害的演变提供了物源条件。同时，镇雄地区雨季主要集中在5—9月，降雨丰富，约占全年雨量的76.3%，尤其在6—8月更是出现一个高峰期，该阶段也是滑坡灾害的高发时段。在干季，岩体经过长期的风化作用逐渐分解，变成松散干燥的堆积体。待漫长的雨季后，镇雄各地土体含水量逐渐达到饱和状态，重度变大，土体下滑力逐渐增加，且强度指标值急剧降低，导致土体抗剪强度下降。加之短暂的强降雨作用后，坡体受到不断冲刷后易形成滑坡灾害。

1.2 区域地形地貌特征

镇雄县处于云贵川三省交界处，地势由西南向东北方向逐渐递减。区域内山势险峻，地形复杂，海拔一般介于1 000～2 000 m，地表切割和剥蚀严重，为溶蚀-侵蚀中山地貌。在地壳剧烈活动及河流侵蚀作用下，该类地形逐渐演变而成，且形成中切峰丛峡谷的地貌组合。特殊的高山深谷、溶蚀发育特征成为该地区地质灾害演变的重要条件。

1.3 地层岩性特征

研究区地层出露比较齐全，其中以二叠系和三叠系最为常见，且区域内广泛分布有二叠系上统峨眉山玄武岩组，该类地层中较普遍存在软弱夹层，经水作用后发生软化，强度大幅度降低，导致夹层上覆土体滑坡可能性变成必然。区域内地层岩性主要以浅海相碳酸盐岩、碎屑岩为主，其次是滨海相、海陆相交互相的砂岩、泥岩、页岩和含煤建造。透水性强，易于下渗的特点使得含页岩泥岩等夹层软化导致发生滑坡，且含煤层组成的一套砂页岩地层具有强度低、易于风化的特点，也是诱发滑坡灾害的因素之一。

1.4 地震作用

镇雄县属于地震灾害发生频率较弱的地带，在现有资料中还未见相关报道，但昭阳区及其余县份是一个地震多发的地区(图3)。

图3 2010—2020年昭通地区地震震中分布

近10 a间，昭通地区共发生1 961次不同规模的地震，导致了许多不同程度的地质灾害。据图3显示，昭通市除位于东北部的镇雄县和威信县，其余县区地震灾害均有分布。如2012年和2014年在彝良和鲁甸发生的MS5.7、5.6和MS6.5地震是近年来昭通地区发生的最大的两次地震，在一定程度上改变了周围环境的平衡状态，导致了地质灾害的发生[10]。虽然镇雄属于弱地震带，但相邻县区频发的地震灾害给区域内造成的影响是不可忽略的。地震发生时伴随着强烈的地震波，其破坏了原有地表结构的整体性，导致区域岩体崩解、地形破碎，为滑坡的发生提供不可或缺的演变条件和触发因子。

1.5 人类活动

镇雄县境内煤炭矿藏丰富，全县国土资源面积3 696 km2，煤炭占有面积达到1 619.6 km2，占全县面积的44%。近年来，随着煤炭产业不断兴起与发展，研究区域内煤炭资源被大量开采，导致了脆弱的地质环境遭到严重破坏，出现大面积采空区；加之镇雄县高速公路、铁路等交通网络的迅速发展，大量的人类工程活动改变了区域内地形地貌特征，破坏了坡体原有平衡状态。由于区域内大面积的采空区以及不亚于自然风化侵蚀的人类工程活动，导致了研究区滑坡、泥石流等地质灾害频发。

2 区域地质灾害危险性分布

滑坡、泥石流是我国最严重的山地灾害，由于镇雄县特殊的山区条件，导致境内地质灾害频发。余飞燕等[1]选用多种致灾因子(高程、岩性、降雨量等)进行量比分析，得到了镇雄地区滑坡地质灾害分区图(图4)。研究表明：滑坡灾害高发区主要集中在牛场、塘房、罗坎、泼机等乡镇，区域内岩性主要有粉砂岩、细砂岩、泥岩以及页岩夹灰岩等。强度低、水敏感性强的岩性特征是导致研究区地形破碎、灾害频发的主要内在原因。

1—滑坡点；2—乡镇；3—县行政中心；

3 区域性滑坡预警预报分析

据相关报道表明[11]，研究区域内地质灾害类型主要以滑坡灾害为主，故本文以此开展了对该地区地质灾害的预警预报分析。根据文献[12]且结合研究区域现状，主要预测方法如下：

(1)滑坡变形前兆的现象预报法。滑坡灾害在破坏的过程中会出现许多宏观变形前兆：地下水出现异常变化、滑坡前缘和后缘分别出现放射性裂缝和张性裂缝现象、地声、地热以及动物活动异常等，此类宏观现象在斜坡发生滑动前表现直观，故对于临滑坡体的预警预报十分有效。

(2)位移-时间曲线变化趋势判别法。滑坡演变的过程实际上就是岩土体蠕动变形的过程。基于岩土体流变理论，滑坡从初始蠕变到最终的破坏经历了不同的变形阶段(图5)，分别为减速阶段(AB)、近似等速阶段(BC)以及加速阶段(CD)。AB段，土颗粒空间位置不断发生旋转揉搓以适应新的应力链环境，导致土体变形速率不断减小；BC段，经历调整之后的土体应力环境处于一个基本稳定的状态，土体变形速率趋于0；CD段可划分为发展着塑性变形的CE段和急剧变形破坏的ED段。所以针对各蠕变阶段所对应的预测预报分别为：长期、中期、短期和临滑预报。经典的“斋藤法”便是依托于土体蠕变理论，以变形速率反映滑坡变形的本质，其经验公式为：

图5 滑坡蠕变变形阶段

lgtr=2.33-0.916×lgε±0.95 (第Ⅱ阶段)

(1)

(2)

式中，tr为滑坡灾害预报时间；ε为土体等速变形速率；t1、t2、t3分别为时间观测点，从滑坡蠕变变形第Ⅱ、第Ⅲ阶段的角度出发，以岩土体应变速率对滑坡灾害进行监测，从一定程度上反映了滑坡的变形本质。

(3)黄金分割法。有关学者[13]通过对国内外10余个具有完整系统状态历时曲线的滑坡进行整理分析，最后指出尽管滑坡失稳破坏时的地质条件、规模大小以及变形时长存在差异，但滑坡变形历时关系上存在一个共性，即滑坡蠕变变形的历时曲线中线性段与线性、非线性段历时之和有如下关系：

(3)

式中，T1为线性等速时段，T2为非线性加速时段。由滑坡变形的位移历时曲线，知道土体的变形发展进入非线性破坏阶段后，就可以知道其稳态的变形历时T1，再由式(3)便可以求得要经历的非线性变形历时T2，由此便可以对滑坡失稳破坏时间做出预测。

4 结论

云南省昭通市镇雄县是一个地质灾害多发区，频繁的灾害给当地居民的生命财产安全带来了极大的威胁。通过整理分析资料得出，导致研究区滑坡灾害频发的原因主要有：

(1)区域内剧烈的温差变化、分明的干湿两季以及局部集中强降雨的气候特征。

(2)山势陡峭、地形破碎以及溶蚀发育的地形地貌特征。

(3)区域内广泛出露有含软弱夹层的岩组，及以浅海相碳酸盐岩、碎屑岩为主的岩性特征。

(4)滇东北区镇雄县属于地震发育程度相对较弱的地带，地震直接作用并不明显，多数源于周边地区频发的地震所伴随的地震波影响。

(5)镇雄县境内煤炭资源丰富，由于多年来不断开采对区域内地形地貌特征带来了很大影响，加之近年来高速公路、铁路等交通网络的迅速发展，植被破坏严重，加快了地质灾害的发生。

滑坡灾害的演变是一个复杂的蠕动变形的过程，对其作出预警预报分析对研究区防灾减灾工作有着巨大的意义。本文结合区域研究现状，从以下几个方面对研究区的地质灾害作出预警预报分析：①滑坡变形前兆的现象预报法；②位移-时间曲线变化趋势判别法；③黄金分割法。