江南造山带东段滑坡发育影响因素研究

崔玉龙, 杨 柳, 金嘉乐, 潘俊伟,许 冲

(1.安徽理工大学土木建筑学院,安徽 淮南 232001;2.应急管理部国家自然灾害防治研究院地质灾害研究中心,北京 100085)

在国家标准《滑坡防治工程勘查规范》(GB/T 32864-2016)中,滑坡是在重力作用下沿地质弱面向下向外滑动的地质体和堆积体,根据滑坡发生年代可分为新滑坡、老滑坡和古滑坡。虽然大多数滑坡在天然状态下处于稳定状态,但当其受到人类工程活动扰动、极端降雨或者地震震动等影响后会重新复活,从而威胁到人类的生命财产安全。如2005年中国贵州省发耳煤业在开挖两条主隧道时遇到了一个未知的滑坡(大寨滑坡),隧道内出现顶部塌陷、大面积收缩和严重支护破坏以及部分地面沉降[1];2011年6月四川省凉山州木里藏族自治县东拉滑坡的复活对东拉大桥的安全造成了直接威胁[2];2018年7月12日江顶崖大型滑坡复活并阻塞了甘肃省舟曲县南峪乡的白龙江,导致水位上升、破坏了省道、淹没了南峪镇的电站[3];2020年6月17日四川省甘孜藏族自治州丹巴县滑坡的复活造成房屋损坏及人员伤亡,并且导致小金川主河道堵塞,形成堰塞湖[4]。鉴于滑坡复活的灾害性,建立区域内(包括滑坡位置和滑坡范围)滑坡数据库对滑坡地质灾害防灾减灾工作具有重大意义。

早期对滑坡的研究多是针对单体滑坡开展研究,例如文献[5]通过实地考察湖北省清江县茅坪滑坡组成和地质构造,对滑坡的变形特征和触发机理进行了深入研究;文献[6]对四川省大渡河双家古滑坡开展了野外调查、钻探取样、航空摄影和剖面测绘,研究了古滑坡的特征与机理;文献[7]以位于中国广州市北部300公里武江边上的古滑坡为例,考察了滑移带土体的强度,并对古滑坡稳定性进行了分析;文献[8]对四川省金沙江北岸马湖滑坡进行调查,包括大地测量、钻探和现场调查,估算马湖滑坡体积并划分马湖滑坡形成期次;文献[9]选取三峡水库青滑坡作为案例研究,通过现场勘测和长期监测数据,对青石滑坡的触发机理和可能的演化过程进行分析;文献[10]利用有限元软件Midas GTS NX分析了插旗山滑坡的稳定性规律。近年来,随着计算机技术与遥感技术的发展,从区域角度开展滑坡的识别和研究也逐渐受到关注,文献[11]通过遥感影像解译南投县水里乡上安村滑坡,分析区域内滑坡发育特征并利用离散元法构建数字模型,以探索滑坡运动过程及影响范围;文献[12]以大渡河流域内发育的滑坡为例,提出了基于InSAR技术的早期滑坡复活识别的一般步骤;文献[13]在遥感和野外调查的基础上,建立了川藏铁路加查-朗县段滑坡数据库,分析滑坡发展特征,通过证据权模型评价区域滑坡易发性;文献[14]利用遥感解译确定青藏高原东南部三江流域滑坡灾害空间分布,并探讨滑坡灾害的发育规律及其主要影响因素;文献[15]在野外调查研究的基础上,结合巴塘断裂带地质灾害成灾背景,分析区域滑坡的分布规律与发育特征,探讨巴塘断裂带的地质灾害效应;文献[16]基于GoogleEarth图像的深度学习,利用GoogleEarth影像识别黄土区域滑坡,建立了甘肃省三个黄土地区的滑坡数据库。以上研究无论是针对单体滑坡还是区域滑坡,均取得了丰富的成果。典型单体滑坡的成因机制对此类滑坡的防治具有针对性,而区域滑坡的分布规律和成因机制可为整个区域的滑坡防灾减灾提供参考。

滑坡的发生受多种因素的影响,可分为内部因素和外部因素,内部因素包括地形地貌、地层岩性和坡体植被,外部因素包括地震、降雨和人类工程活动。在一个区域内,已经发生滑坡的位置说明该位置具备发生滑坡的较多因素,未来该位置及附近区域依然是容易发生滑坡。滑坡较密集的区域也是未来容易发生滑坡复活和新滑坡的区域,所以滑坡数据库及其空间分布规律对该区域滑坡防灾减灾具有重要的价值。江南造山带东段地处华南地层,经过加里东期构造作用、印支期构造作用和燕山期构造作用形成了如今的地形地貌[17]。该地区地质构造复杂,滑坡等地质灾害多发[18]。然而,目前未见针对该区域开展大范围的区域滑坡研究。本研究根据前期研究获得的区域滑坡数据库[19],选取滑坡点密度和滑坡面密度两个指标,分析高程、坡向、距断层距离、地层岩性、距水系距离对滑坡发育的影响和滑坡空间分布,探究各因子对滑坡发生的影响程度和该类地质环境下滑坡的空间分布规律,以期为该区域的滑坡防灾减灾和城市规划等提供参考。

1 研究区地质背景

江南造山带地处扬子板块与华夏板块之间,是新远古代形成以岛弧地形拼接为主的增生型造山带[20]。其北西侧与扬子板块接壤,南东侧连接华夏地块,东段以江绍断裂作为边界,区域内多褶皱、断层密布。研究区位于江南造山带东段,地处安徽、浙江、江西、江苏4省相邻区,总面积为85 717.7km2,地理坐标在116 °E～120 °3 ′51.227 ″E、28 °15 ′16.169 ″N～31 °32 ′17.95 ″N之间。区域内总体地势西北高、东南低,主要为山地丘陵地貌。研究区经过扬子地块与华夏地块的碰撞挤压作用,地块隆起,形成褶皱。由于特殊的地形地貌条件,研究区旅游资源丰富,包含黄山、齐云山、九华山等旅游景点。伴随着旅游业的开发,大规模的劈山修路、采石采矿、基建施工形成了大量切坡,促进了滑坡的复活。区域内断层分布较多,如景德镇-宜丰断裂带、屯溪-鹰潭-安远断裂带、弋阳-德兴断裂带、马金-乌镇断裂带等。研究区地层从新元古界至新生界均有发育,出露的地层包括石炭系(C)、泥盆系(D)、古近系(E)、侏罗系(J)、白垩系(K)、新近系(N)、奥陶系(O)、二叠系(P)、第四系(Q)、志留系(S)、三叠系(T)、震旦系(Z)、寒武系(∈),以侏罗系、第四系出露最为广泛。

图1 江南造山带东段构造背景图

2 数据和方法

2.1 数据

本研究所使用的数据来源如表1所示,其中高程、坡向为栅格数据,水系、断层、地层岩性为要素类矢量数据,数据的提取均在ArcGIS软件中完成。高程数据来源于中国科学院地理科学与资源研究所(https://www.resdc.cn/Default.aspx)的ALOS数字高程模型(DEM),分辨率为12.5m,利用ArcGIS平台将DEM数据进行栅格处理可获得研究区的坡向与水系数据。断层与地层岩性数据来源于中国地质调查局(http://www.ngac.org.cn/)公开的1∶50万中国地质图。

表1 滑坡数量与面积分布表

2.2 研究方法

潘俊伟在该研究区通过滑坡人工目视解译面积为85 717.7km2的范围,共解译了5 047处滑坡,建立了该区域的滑坡数据库[19]。本次研究在此基础上,根据DEM在ArcGIS软件中提取高程、坡向的栅格图件及水系的矢量图件。地层岩性是根据1∶50万地质图的地层岩性矢量图件进行重新分类并转换成栅格图件;距断层距离和距水系距离是在ArcGIS软件中计算断层、水系的欧式距离而得到的栅格图件。所有图件均重采样为12.5m分辨率的栅格,然后将图层进行重分类并将值提取至滑坡点。基于文献[20-21],选取滑坡点密度和滑坡面密度两个指标,绘制各影响因子的不同分级与滑坡点密度和滑坡面密度的关系图,分析江南造山带东段各影响因子对滑坡发育的影响与滑坡的分布特征。

3 滑坡发育影响因素

本研究主要选取高程、坡向、距断层距离、地层岩性和距水系距离5个影响因子,通过比较分级区内滑坡点密度和滑坡面密度两个指标,分析滑坡的受影响程度。

3.1 滑坡规模

滑坡规模是研究滑坡发育的基础,同时也是各影响因素共同作用的结果。研究区内共解译出5 047处滑坡,滑坡总面积为527km2,占研究区总面积的6.15 %,如图2所示。其中最小的滑坡面积为0.001 3km2,最大的滑坡面积为1.47km2。将滑坡面积分为7类:0.001～0.01km2、0.01～0.1km2、0.1～0.2km2、0.2～0.3km2、0.3～0.4km2、0.4～0.5km2和大于0.5km2,统计结果如表1所示。典型滑坡如图3所示。

图2 研究区古滑坡分布图

图3 典型滑坡解译实例

3.2 地形因素

1 )高程 研究区高程在-79～1 821m,以200m为间隔,将研究区按高程分为6类,其中高程大于1 000m的区域归为一类,如图4(a)所示。分别统计每个分级区域内滑坡点密度和滑坡面密度,如图4(b)所示。由图4可知,滑坡点密度与滑坡面密度随高程的增加先升高后下降;在400～600m的高程范围内,滑坡点密度和滑坡面密度达到最大,分别为0.126/km2和1.34%;在小于200m的高程范围内,大部分区域为河流湖泊及平地,故滑坡发育最少,滑坡点密度和滑坡面密度也最小。

(a)高程因素分级图

2)坡向 不同坡向的光照、风速、植被覆盖不同,以致滑坡分布也不同。将研究区按坡向分为平地、北、东北、东、东南、南、西南、西与西北9个类别,如图5(a)所示。统计每个类别内滑坡点密度和滑坡面密度,结果如图5(b)所示。由图5可知,平地几乎不发生滑坡,故滑坡点密度与滑坡面密度最小,接近于0;因研究区属于亚热带季风气候,朝南方向由于光照充足且植被覆盖率高,在强风作用下更容易发生滑坡[22],故朝南方向滑坡数量较多。

(a)坡向因素分级图

3.3 地质因素

1)距断层距离 研究区位于扬子板块东南部,受地块挤压影响,发育了大量断层[23]。活动断层在演化过程中对地形地貌、地层岩性、坡体结构以及局部地应力的影响,会促使滑坡的发生[24]。按1 500m间距分割,将研究区按距断层距离分为6类,其中大于7 500m为一类,如图6(a)所示。不同类别内滑坡点密度和滑坡面密度的统计如图6(b)所示。由图6可知,滑坡大多集中发生在距断层4 500～7 500m的区间内;在距断层1 500～3 000m及大于7 500m的区间里几乎不发生滑坡。

(a)距断层距离分级图

2)地层岩性 岩石的强度决定了滑坡发生的概率,地层岩性在滑坡发育中起着重要的作用。本研究按地质年代将研究区分为14类,如图7(a)所示,研究区内岩性描述如表2所示。不同岩性分类内滑坡点密度和滑坡面密度的统计如图7(b)所示。根据滑坡分布与地层岩性关系图可知,三叠系(T)区域内滑坡最为发育,主要岩性是泥岩、灰岩等,易风化破碎,因此滑坡点密度和滑坡面密度最大;其次为震旦系(Z);古近系(E)滑坡发育概率较低,主要岩性是砾岩、砂岩等,砂岩主要由沙粒胶结而成,抵御风化的能力较强,不易发生滑坡,所以滑坡点密度和滑坡面密度最小。

表2 地层岩性分类表

(a)地层岩性分级图

3.4 距水系距离

水系侵蚀会导致山谷两侧出现空旷的表面,水系侵蚀滑坡趾,导致滑坡的稳定性下降[25],故水系是诱发滑坡的重要因素。本研究按距离水系200m为间距,将研究区分为7个区间,如图8(a)所示。各区间内滑坡点密度与滑坡面密度统计如图8(b)所示。由图8可知,滑坡点密度与滑坡面密度在距水系200～400m区间达到峰值;在距水系距离大于200m的范围内,滑坡点密度与滑坡面密度随距离的增加而减小;由于距水系0～200m区间内多为地势平坦河谷与浅滩区域,故滑坡发育较少。

(a)距水系距离分级图

4 讨论

4.1 滑坡验证

本研究未对解译的滑坡进行现场验证,通过收集其他研究学者在该区域研究的单体滑坡点数据进行验证。选取7个滑坡进行验证,分别是皂汰滑坡[26]、阳台滑坡[27]、鸟雀坪滑坡[28]、新龙村畈章组滑坡[29]、下村党组滑坡[30]、郭村滑坡[31]、合山滑坡[32]。将这7个古滑坡的位置添加到本文解译的滑坡数据库中,通过导入验证发现有6个滑坡与本文建立的滑坡数据库重合,正确率为86%,证明本文解译的滑坡准确度较高。

4.2 影响因子共线性及敏感性分析

在滑坡易发性和风险评价研究中,影响因子中存在的冗余信息可能会影响滑坡风险评价的精度。选用方差膨胀系数(VIF)及Relief-F方法对本文所选的影响因子进行筛选。VIF是对因子共线性的分析,容忍度(TOL)为VIF的倒数。影响因子多重共线性分析结果如表3所示,当VIF小于10时,因子间不存在共线性。Relief-F方法是对滑坡评价因子的敏感性的定量分析,该算法根据影响因子对近距离样本的区分能力来确定因子的贡献大小,影响因子敏感性如图9所示,因子的敏感性由高到低是高程>地层岩性>距断层距离>坡向>距水系距离。距水系距离和坡向因子敏感性统计值为负,在滑坡易发性和风险性评价中可视为冗余因子而去除。

表3 影响因子多重共线性分析结果

图9 影响因子敏感性图

5 结论与展望

本文基于滑坡数据库[19],分析了高程、坡向、距断层距离、地层岩性、距水系距离对滑坡分布的影响,发现研究区滑坡主要发育在高程200～800m,坡向南方向;三叠系及震旦系地层内,由于岩性易风化破碎,滑坡更容易发育,古近系滑坡发育较少;受河流冲蚀影响,水系附近坡体稳定性降低,滑坡发育最多,距水系大于200m的范围内,随距离的增加滑坡发育越少。在本研究中建立的江南造山带东段滑坡数据库是对全球范围内滑坡数据库的补充,分析所得的滑坡空间分布规律对该区域防灾减灾及工程建设选址具有一定的参考价值。

本文开展的江南造山带东段滑坡空间分布规律研究,对影响因素和滑坡数据库进行了验证,分析了滑坡在各个影响因素中的发育情况,但文中选用的影响因子较少。在后续工作中将增加影响因素种类,进一步开展江南造山带东段滑坡易发性和危险性评价的相应研究,为区域防灾减灾工作提供一定的参考。