山西省柳林县山体崩塌地质灾害特征及成因分析

李 振,张春岗,黄红国

(1.山西冶金岩土工程勘察有限公司,山西 太原 030013; 2.中晋环境科技有限公司,山西 太原 030013)

山西省是我国境内黄土分布最广的省份之一,黄土覆盖率在70%以上,省内山多川少,地势由西南向东北逐渐升高,全省80%左右为山地和丘陵,大部分地区海拔在+1 500 m以上[1]。柳林县属山西省吕梁市,位于山西省中部西缘,属暖温带大陆性季风气候区,四季分明。受季风及地形等的影响,春季风沙较多;夏季温度较高,降雨较少且降雨时间集中;秋季气候适宜;冬季持续时间较长,气温较低且气候干燥[2]。全年日照充足,平均日照时间2 449.5 h,年平均气温10.5 ℃,极端最高温度36.8 ℃,极端最低温度-17 ℃。年平均降水量为472.3 mm,最大值632 mm,最小值为37.44 mm,降雨主要集中于6—8月,这3个月的降雨量上全年降雨量的50%以上,且大多降雨形式为暴雨[3]。但降雨分布不均,自东南向西北方向降雨量逐渐减少,且高海拔地区降雨量相对较多。柳林县属西北黄土高原的丘陵沟壑区,其海拔高度随基岩倾斜方向由东向西递减。柳林县内山体崩塌地质灾害绝大多数为黄土崩塌,黄土孔隙较大且垂直节理发育[4-5],较为特殊的性质使其具有不同于寻常岩质崩塌的特点。黄土崩塌不仅受到自身属性、地形地貌以及构造特征的影响,同时还受到人类工程和自然外力等因素影响。黄土崩塌通常发生在高陡的山体斜坡上,土体受自身重力或外力影响,突然倾落、脱离山体,顺山体斜坡坡面滚动、滑移,最终堆积于坡脚处,不但会造成经济损失,还容易造成人身重大伤害,严重影响周边居民的生命与财产安全。

为了对山体崩塌地质灾害加以预防,以山西省柳林县为例,对山体崩塌地质灾害特征及成因展开分析。

1 山体崩塌地质灾害特征分析

1.1 山体地质构成特征

柳林县山体崩塌地质构成复杂多样,将山体崩塌分为纯黄土崩塌和黄土—基岩崩塌。其中,纯黄土崩塌又分为马兰黄土(Q3)崩塌和离石黄土(Q2)与马兰黄土崩塌2种[6]。

1.1.1 纯黄土崩塌

(1)Q3黄土崩塌。Q3黄土崩塌主要由马兰黄土构成,马兰黄土是一种空隙较大、土质较为均匀、带有植物根系的浅黄色黄土[7-8]。Q3黄土山体斜坡坡度较大,接近于90°,山体斜坡坡高通常在4～10 m,Q3黄土崩塌规模在数立方米到数百立方米,属于小型崩塌,通常发生于黄土塬边、黄土梁卯边缘、冲沟沟头等位置。

(2)Q2与Q3黄土崩塌。Q2与Q3黄土崩塌由离石黄土与马兰黄土共同构成,离石黄土是一种节理裂隙发育的砖红色黄土,离石黄土中存在多层古土壤[9]。Q2与Q3黄土崩塌主要发生于黄土塬边斜坡高陡处和冲沟岸坡高陡处等,该类崩塌发生处山体斜坡坡度较大,通常在80°以上,坡高在10～30 m,崩塌规模在数百立方米到数千立方米,同样属于小型崩塌。

1.1.2 黄土—基岩崩塌

黄土—基岩崩塌主要由黄土和新近系泥岩构成[10],黄土通常分布于山体斜坡顶端,泥岩分布于斜坡低端,并且泥岩上层存在一层砂砾岩。黄土—基岩崩塌往往发生于冲沟沟口两侧斜坡上,山体斜坡坡度较大,接近于90°,坡高在10～20 m,崩塌规模相对较小。

1.2 山体形态特征

地形地貌是发生山体崩塌和活动的储能空间,同时也是形成崩塌以及崩塌类型、规模、数量等崩塌属性的决定性因素。柳林县地貌类型复杂多样,地貌单元种类繁多[11],由于流水堆积作用,三川河、黄河和大黄沟两侧逐渐形成高低不等的河谷阶地、河漫滩、阶地、河曲洼地和河堤洼地。此次研究区域主要包括河谷阶地、丘陵区、黄土沟间和黄土沟谷区4种地貌单元[12-13],基于4种地貌研究发现,山体形态是影响山体崩塌地质灾害特征的关键因素之一。因此,从4个方面对柳林县内发生的山体崩塌地质灾害的82处点位加以分析[14]。柳林县82处山体崩塌地质灾害点分布如图1所示。

图1 柳林县82处山体崩塌地质灾害点示意Fig.1 Schematic diagram of 82 geological disaster points of mountain collapse in Liulin County

1.2.1 山体斜坡坡型

柳林县内山体斜坡坡型分为4种类型,统计柳林县不同山体斜坡坡型与山体崩塌的关系,结果见表1。

表1 山体斜坡坡型与山体崩塌关系Tab.1 The relationship between mountain slope type and mountain collapse

由表1可知,直立型山体斜坡是4种坡型中最易发生山体崩塌的坡型,占柳林县内总崩塌数量的60.98%左右;其次为凸型斜坡,崩塌数量占总数量的21.95%左右,再次为凹型斜坡,崩塌数量占总数量的10.98%左右;崩塌数量最少的为阶梯型斜坡,占总数量6.10%左右。4种山体斜坡崩塌数量占比相差较大,说明坡型是山体崩塌地质灾害的重要影响特征。

1.2.2 山体斜坡坡度

山体斜坡坡度是山体崩塌地质灾害的重要因子,统计柳林县内的82处崩塌的原始山体斜坡坡度范围见表2。

表2 山体斜坡坡度与山体崩塌关系Tab.2 The relationship between mountain slope gradient and mountain collapse

由表2可知,山体斜坡坡度在50°～60°内时,山体只出现过1次崩塌;随着山体斜坡坡度的逐渐增加,山体崩塌数量随之上升,在80°～90°内达到最大值,占山体崩塌总数量的58.54%左右,说明山体斜坡坡度是山体崩塌地质灾害特征的重要决定因素之一,山体崩塌数量随着坡度的增加逐渐增加。

1.2.3 山体斜坡坡高

山体斜坡高也是山体崩塌地质灾害特征的重要影响因素之一,统计柳林县内不同山体斜坡坡高下山体崩塌情况,见表3。

表3 山体斜坡坡高与山体崩塌关系Tab.3 The relationship between the height of mountain slope and mountain collapse

由表3可以看出,山体斜坡坡高<10 m时,山体崩塌数量较少,约为全部山体崩塌总数的14.63%;坡高在10～20 m时,山体崩塌较易发生崩塌;坡高在20～30 m和30～40 m时,山体崩塌情况与小于10 m类似;坡高>40 m后,山体崩塌数量明显减少。可见,山体崩塌数量随着山体斜坡坡高的增加呈现先增加后减少趋势。

1.2.4 山体斜坡坡向

山体斜坡坡向也是影响山体崩塌的重要因素之一,研究柳林县内不同山体斜坡坡向下山体崩塌数量见表4。

表4 山体斜坡坡向与山体崩塌关系Tab.4 The relationship between slope orientation and mountain collapse

随着山体斜坡坡向的改变,山体阳坡日照多于阴坡,阳坡白天气温和土温明显高于阴坡,早晚温差较大,且人类通常居住于山体阳坡面,阳坡面从事的工程更为密集,导致阳坡发生较多崩塌。由表4可以看出,山体斜坡坡向在180°～270°时,发生崩塌数量最多;其次为90°～180°,再次为270°～360°,发生崩塌数量最少的为0°～90°。山体斜坡坡向由0°～360°增加过程中,山体崩塌数量呈现先增加后减少的趋势。

2 山体崩塌地质灾害成因分析

受柳林县地形地貌、气象水文、人类工程等因素共同影响,山体斜坡内部存在不同的力学机制,从而决定山体斜坡最终的崩塌原因和崩塌形式。根据山体边坡变形失稳的力学特征[15],可将山体崩塌分为6种类型,并对6种崩塌成因加以分析。

依据山体崩塌地质灾害特征分析结果,基于研究区域内自然环境及人类活动等设计并开展300次山体崩塌实验。实验中,共发生倾倒式崩塌78次、坠落式崩塌76次、剥落式崩塌60次、滑移式崩塌42次、冒落式崩塌25次、错落式崩塌19次,对应实验结果如下。

2.1 倾倒式崩塌

倾倒式崩塌多发于下硬上软的土体组合之中,崩塌受力如图2所示。该类崩塌山体斜坡坡顶往往存在柱状节理和垂直节理,崩塌失稳时土体将坡脚某点作为支撑点旋转,出现转动性倾倒崩塌[16]。

统计78次倾倒式崩塌中不同影响因素下崩塌发生次数,见表5。由表5可以看出,在78次倾倒式崩塌中,降雨导致的崩塌占42.31%左右,自然风化占26.92%左右,坡脚开挖占24.36%左右。对柳林县进行实地考察可知,降雨引发的崩塌数量最多,其次为自然风化作用,再次为人类工程活动。理论分析和实验结果与实地考察结果相符,说明降雨、自然风化和坡脚开挖是倾倒式山体崩塌的主要成因。

图2 倾倒式崩塌受力Fig.2 Force on toppling collapse

表5 不同影响因素下倾倒式崩塌发生次数Tab.5 Occurrence times of toppling collapse under different influencing factors

2.2 坠落式崩塌

坠落式崩塌通常发生于陡峭的山体斜坡上,受山坡表层覆盖物的影响,崩塌体下方支撑减小,崩塌体逐渐转变为悬空状态,最终缺少支撑造成坠落式崩塌。该类崩塌分为单面连接崩塌和多面连接崩塌2种,两者受力分别如图3和图4所示。

图3 单面连接崩塌受力Fig.3 Stress diagram of single side connection collapse

图4 多面连接崩塌受力Fig.4 Stress diagram of collapse with multiple connections

统计76次坠落式崩塌中不同表层覆盖物下崩塌发生次数,见表6。

表6 不同表层覆盖物下坠落式崩塌发生次数Tab.6 Occurrence times of falling collapse under different surface coverings

由表6可以看出,76次坠落式崩塌中,80.26%以上崩塌成因为基岩外露或基岩埋藏较浅,17.11%为密实岩块堆积的坡面,不同表层覆盖物下崩塌情况不同。经实地考察,柳林县坠落式崩塌多发生于坡度较大、高度较高的边坡上,坡度在70°～90°,坡高均值在20 m左右,发生坠落式崩塌上方斜坡多发生基岩外露的情况,部分斜坡基岩埋藏较浅,周围有密实岩块堆积,少部分区域属于长有草皮的光滑坡面。理论分析和实验结果与实地考察结果相符,说明基岩外露或基岩埋藏较浅是坠落式山体崩塌的主要成因。

2.3 剥落式崩塌

剥落式山体崩塌通常出现在坡脚或坡面处,其崩塌受力如图5所示。

图5 剥落式崩塌受力Fig.5 Stress of spalling collapse

经分析将剥落式崩塌成因划分为以下3种。

(1)冻融型剥落。分析柳林县气象特征发现,冬季气温较低且春季回暖较快,以月为单位的气温变化较大;同时,昼时日照充足,温度较高,夜时温度较低,昼夜温差较大。因此,造成大量冻融现象。在冻结过程中,冻胀力使土体形成冻胀裂纹,而气温回升土体融化后,即使部分土体愈合,仍会形成软弱带。由于黏聚力降低和外力影响,土体自坡面脱落,造成山体崩塌地质灾害[17]。

(2)冲刷型剥落。在降雨集中的月份中,雨水激溅和地表水侵蚀共同作用,使山体斜坡坡面形成微小裂缝,裂缝随着降雨逐渐增大,最终导致表层土体与山体斜坡土体分离,造成山体崩塌地质灾害。

(3)扰动型剥落。在人为开挖山体边坡时,土体受到扰动;同时,山体斜坡坡体卸荷、节理裂缝张开,致使坡体稳态失衡,被节理分割的土体自坡体上脱落,造成山体崩塌地质灾害。

统计60次剥落式山体崩塌中山体斜坡各位置和各崩塌成因发生次数,见表7。

表7 剥落式崩塌在各位置上发生次数和各崩塌成因次数Tab.7 Occurrence times of spalling collapse at each location and cause times of collapse

分析表7中实验结果发现,剥落式崩塌主要发生于坡顶和坡脚处。其中,坡脚处发生的次数最多,达到66.67%左右。造成剥落式崩塌的主要成因为冻融、降雨和坡脚开挖。在柳林县的实地考察中,剥落式崩塌的主要类型为冻融型、冲刷型和扰动型。理论分析和实验结果与实地考察结果相符,说明冻融、降雨和人类工程为剥落式山体崩塌的主要成因。

2.4 滑移式崩塌

滑移式崩塌通常发生于软硬相间土体构成的山体斜坡上,造成崩塌的主要影响因素是水,在竖直节理或裂缝切割作用下,坡肩上部分土体逐渐脱离斜坡,沿着支撑面向下滑动[18]。滑移式崩塌受力如图6所示。

图6 滑移式崩塌受力Fig.6 Stress of sliding collapse

统计42次滑移式崩塌中不同影响因素下崩塌发生次数,见表8。由表8可以看出,在42次滑移式崩塌中,有61.90%的崩塌由降雨导致。对柳林县进行实地考察发现,区域内倾倒式崩塌前大多发生过降雨。理论分析和实验结果与实地考察结果相符,说明降雨和人类工程是该类崩塌的主要成因。

表8 不同影响因素下倾倒式崩塌发生次数Tab.8 Occurrence times of toppling collapse under different influencing factors

2.5 冒落式崩塌

冒落式崩塌往往发生于人工开挖窑洞的区域中,在窑洞挖掘过程或开挖完成的后期活动中,土体边坡容易发生内部稳态失衡;在后续降雨、自然风化以及人类工程作用下,造成窑洞上方出现冒落、崩塌等情况[19]。冒落式崩塌受力如图7所示。

图7 冒落式崩塌受力Fig.7 Stress of falling collapse

统计25次冒落式崩塌中不同影响因素下崩塌发生次数,见表9。

表9 不同影响因素下坠落式崩塌发生次数Tab.9 Occurrence times of falling collapse under different influencing factors

由表9可以看出,在25次冒落式崩塌中,由降雨引发的崩塌占总次数的60%,坡脚开挖占24%。受自然环境影响,柳林县居民通常在山体斜坡坡脚处开挖窑洞,使边坡失去稳定性。在柳林县进行实地考察后发现,大部分冒落式崩塌由降雨、人类工程和自然风化导致。理论分析和实验结果与实地考察结果相符,说明降雨、人类工程和自然风化是冒落式山体崩塌的主要成因。

2.6 错落式崩塌

错落式崩塌通常发生在斜坡坡面较陡的山体上,坡顶逐渐出现不明显的垂直裂缝,若发生降雨浸润或工程扰动,会导致裂缝贯通,崩塌体脱离坡面,造成错落式山体崩塌[20]。错落式崩塌受力如图8所示。

图8 错落式崩塌受力Fig.8 Stress of staggered collapse

统计19次错落式崩塌中不同影响因素下崩塌发生次数,见表10。

表10 不同影响因素下错落式崩塌发生次数Tab.10 Occurrence times of staggered collapse under different influencing factors

由表10可以看出,19次错落式崩塌中,绝大多数崩塌由降雨和坡脚开挖导致。经实地考察发现,柳林县内的错落式崩塌大多发生在60°以上山体斜坡上,且山体斜坡坡高较高,超半数在25 m以上,崩塌前往往经历过降雨和坡脚开挖,使山体斜坡稳定性遭到破坏导致崩塌。理论分析和实验结果与实地考察结果相符,说明降雨和人类工程是错落式山体崩塌的主要成因。

3 结语

以柳林县为例,对山体崩塌地质灾害特征及成因进行研究,分析了该区域山体地质构成特征和山体形态特征,探讨了山体斜坡坡型、坡度、坡高、坡向与山体崩塌的关系;以倾倒式、坠落式、剥落式、滑移式、冒落式、错落式崩塌为切入点,分析了山体崩塌地质灾害成因。通过理论分析结果和实地考察结果对比可知,在柳林县区域内,冻融、降雨、人类活动、自然风化、基岩外露或基岩埋藏较浅等因素,是该地区内产生山体崩塌地质灾害的主要成因。研究结果能够为山体崩塌预防提供新的思路,可通过有效的地质工程手段,干预地质灾害产生的过程,减轻或防止灾害的发生,保障人民群众的生命财产安全。