甘肅天水市北山地質(zhì)災(zāi)害類(lèi)型及成因分析

辛存林，楊國(guó)林，趙志鵬，孫現(xiàn)輝，馬維云，李鴻儒

（西北師范大學(xué) 地 理與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，甘肅 蘭 州 7 30070）

0 引言

天水市北山位于天水市城區(qū)以北的黃土梁上，包括秦州區(qū)玉泉鎮(zhèn)與中梁鄉(xiāng)的部分村莊地域。地理坐標(biāo)：東經(jīng) 105°38'～105°43'，北緯 34°34'～ 34°36'。北山地貌基本形態(tài)主要為河谷、階地和黃土丘陵。大的河谷為耤河，是渭河的支流，河流走向近東西向，水流方向自西向東。次一級(jí)溝谷多為“U”型，溝谷走向基本與黃土后壁走向及耤河河谷走向垂直，切割較深，多在10～40m，研究區(qū)范圍南側(cè)，靈山寺西側(cè)、玉泉觀(guān)東側(cè)，共有8條大的“U”型溝谷發(fā)育。南接天水市區(qū)，東為泰山路，北與羅峪溝相望，西連中梁山，交通條件便利。

天水市屬典型的山間河谷盆地型城市，受特殊地形地貌、巖土性質(zhì)等的控制和影響，地質(zhì)環(huán)境較差，滑坡、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育且活動(dòng)頻繁，是天水市主要的地質(zhì)災(zāi)害問(wèn)題，嚴(yán)重威脅著人民生命財(cái)產(chǎn)的安全并制約著城市的發(fā)展。歷史上造成了嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡，隨著城市規(guī)模的擴(kuò)大，地質(zhì)災(zāi)害和環(huán)境工程地質(zhì)問(wèn)題將更加突出［1］。因此，通過(guò)對(duì)研究區(qū)地質(zhì)災(zāi)害的形成機(jī)制的分析和探討，可為進(jìn)一步治理該區(qū)的各類(lèi)地質(zhì)災(zāi)害提供理論指導(dǎo)，同時(shí)對(duì)預(yù)測(cè)研究區(qū)未來(lái)地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生、發(fā)展具有積極的指導(dǎo)作用和實(shí)際意義。

1 地質(zhì)災(zāi)害概況

通過(guò)野外調(diào)查和對(duì)已有成果資料的綜合研究分析，北山發(fā)育的地質(zhì)災(zāi)害主要有滑坡、崩塌、不穩(wěn)定斜坡、黃土濕陷、泥石流溝等五種類(lèi)型。

根據(jù)調(diào)查統(tǒng)計(jì)，北山共發(fā)育滑坡90處，崩塌共計(jì)36處，不穩(wěn)定斜坡23處，泥石流易發(fā)區(qū)9處，地面塌陷6處（表1）。由此可見(jiàn)，北山地質(zhì)災(zāi)害以斜坡變形為主，即為滑坡、崩塌及不穩(wěn)定斜坡為主，其次為黃土濕陷及泥石流溝災(zāi)害（圖1）。

表1 地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查統(tǒng)計(jì)表Table 1 The investigation of geological hazard table

2 地質(zhì)災(zāi)害類(lèi)型及特征

2.1 滑坡

根據(jù)野外調(diào)查，北山滑坡發(fā)育有90處，其中大型滑坡1處、中型滑坡29處，小型滑坡60處，坡度多集中在20°～40°（圖2）。中型滑坡中后期發(fā)生的次生滑坡較多，其規(guī)模均為小型。天水市北山滑坡主要分布在北山的陽(yáng)坡，形成了數(shù)條滑坡群溝，說(shuō)明該地區(qū)在地質(zhì)歷史時(shí)期滑坡現(xiàn)象非常嚴(yán)重。天水市北山滑坡分布廣，密度高，規(guī)模較大，活動(dòng)性較差。按物質(zhì)組成分類(lèi)，北山滑坡可分為2類(lèi)：一類(lèi)為新近系泥巖滑坡。另一類(lèi)為粘性土類(lèi)滑坡，滑坡體主要由青灰色粉質(zhì)粘土組成。天水市北山的滑坡主要發(fā)育于黃土和新近系泥巖中，主要為黃土滑坡和黃土—泥巖滑坡。黃土滑坡的主要特點(diǎn)是滑坡形態(tài)較為完整，以圈椅狀地貌特征為主，有明顯的后壁，黃土覆蓋于泥巖之上，多沿泥巖頂面順層滑動(dòng)。因多次滑動(dòng)而在滑坡體上形成多級(jí)臺(tái)階；黃土—泥巖滑坡的主要特征是滑動(dòng)時(shí)泥巖和黃土一起滑動(dòng)，滑動(dòng)面多為泥巖中的軟弱面，多成群出現(xiàn)?；滦螒B(tài)完整，后緣較陡，平面形態(tài)為“圈椅狀”，兩側(cè)多雙溝同源，舌部泥巖與黃土混雜堆積難辨層次。

圖1 地質(zhì)災(zāi)害平面分布圖Fig.1 The distribution of geological disasters plane

圖2 滑坡地形坡度的統(tǒng)計(jì)曲線(xiàn)圖Fig.2 The statistical curves of land slide slope and the terrain

2.2 崩塌和不穩(wěn)定斜坡

圖3 崩塌、不穩(wěn)定斜坡的地形高度統(tǒng)計(jì)曲線(xiàn)圖Fig.3 The statistical T curves of height collapse unstable slopes and the terrain

根據(jù)野外調(diào)查，北山崩塌發(fā)育有36處，其中中型崩塌16處，小型崩塌20處；不穩(wěn)定斜坡23處。崩塌不穩(wěn)定斜坡的高度多集中在10～40m（圖3）。主要分布在人類(lèi)居住區(qū)周?chē)?，?duì)周?chē)用竦纳?cái)產(chǎn)安全造成威脅。北山的崩塌和不穩(wěn)定斜坡主要屬黃土型，主要位于滑坡或階地前緣以及人類(lèi)居住區(qū)。人類(lèi)在黃土陡崖下挖窯、切坡建房，人為造成崖體的不穩(wěn)定，若陡崖體崩塌易造成較大的損失。

2.3 泥石流溝

根據(jù)野外調(diào)查，北山泥石流溝發(fā)育有9處（表2），按物質(zhì)組成屬于泥流溝，按流域形態(tài)屬于山坡型，按流體性質(zhì)屬于稀性，按水動(dòng)力條件屬于暴雨型。比較典型的N8泥石流溝，又名張家溝。平面形態(tài)呈“條帶”狀。溝流域面積0.38km2，溝道長(zhǎng)1.3km，溝道比降19.8％，固體松散物質(zhì)約10×104m3/km2。溝中大部分開(kāi)墾為耕地或經(jīng)濟(jì)林，溝口狹窄，而且溝口被民房阻塞，溝口處有排洪渠，出溝后排泄至城市地下管網(wǎng)（圖4）。泥石流溝溝谷深切，坡度較陡，主溝兩側(cè)支溝不發(fā)育，但具有雙溝同源，有較好的匯水條件，溝谷以“V”型為主，主溝縱坡降比大于100‰。

表2 泥石流溝主要特征統(tǒng)計(jì)表Table 2 The main characteristics of debris flow gully table

圖4 N8泥石流溝平面圖Fig.4 The plan of N4 debris flow gully

2.4 黃土濕陷

黃土濕陷是北山較發(fā)育的地質(zhì)災(zāi)害類(lèi)型，黃土濕陷的破壞方式主要為陷穴、陷坑、落水洞等。在北山其發(fā)育規(guī)模一般都比較小，共發(fā)育有6處（表3）。黃土濕陷形成的陷穴或落水洞主要分布在滑坡體上，影響范圍較小。

表3 黃土濕陷災(zāi)害主要特征統(tǒng)計(jì)表Table 3 The main characteristics of loess soil disaster statistics

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查和勘察資料，濕陷性黃土覆蓋于天水北山上更新統(tǒng)的馬蘭黃土中，其厚度一般10～15m，北山黃土自重濕陷系數(shù)0.012～0.17，屬Ⅱ～Ⅲ（中等—嚴(yán)重）自重濕陷黃土，濕陷系數(shù) 0.026～0.132。北山黃土濕陷多由落水洞引起的，平面上為串珠狀，剖面形態(tài)呈漏斗狀，塌陷的土體為黃土，底部為新近系泥巖，厚度大于3m，面積均較小。

3 災(zāi)害形成機(jī)制分析

北山地處黃土丘陵地帶，因人為因素或自然因素導(dǎo)致部分地區(qū)地形的坡度角較大，一般在60°以上，坡體較陡、且臨空面較大，為地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生提供了空間條件。北山地表風(fēng)化強(qiáng)烈，黃土垂直節(jié)理和卸荷節(jié)理發(fā)育，由兩種節(jié)理構(gòu)成的結(jié)構(gòu)面把土體分割成大小不規(guī)則的塊體，使得土體之間的結(jié)合力降低，土體失穩(wěn)形成不穩(wěn)定坡體。危巖帶自然坡度在60°～80°，巖體臨空卸荷，應(yīng)力釋放，而后斜坡體內(nèi)巖層應(yīng)力重新調(diào)整，在巖體后緣形成新的卸荷裂隙，隨著變形時(shí)間增長(zhǎng)，張裂隙逐漸向深部擴(kuò)展。隨著風(fēng)化、侵蝕等地質(zhì)作用的進(jìn)一步加劇，應(yīng)力加劇調(diào)整積累，拉張裂隙進(jìn)一步擴(kuò)張，并逐步向深部發(fā)展，從而形成整個(gè)裂隙面的貫通。后期經(jīng)沖溝流水的不斷沖刷，人為的在底部開(kāi)挖及頂部的加載，危巖體在降雨和地震的作用下又再度復(fù)活，成為新的不穩(wěn)定斜坡。因此，山體崩塌具備了傾倒、開(kāi)裂以致崩塌的地質(zhì)結(jié)構(gòu)條件［2］。由此可見(jiàn)，獨(dú)特的坡體結(jié)構(gòu)是地質(zhì)災(zāi)害形成和演化的重要內(nèi)因，而沖溝的切割，降雨和地震則是斜坡變形破壞誘發(fā)的外因。因坡體向臨空面卸荷回彈，同時(shí)受降雨、風(fēng)化、溶蝕等外營(yíng)力作用，使平行于陡崖的構(gòu)造裂隙開(kāi)始張開(kāi)，并逐漸向深部擴(kuò)展，形成裂縫，裂縫外側(cè)產(chǎn)生向坡外方向的輕微蠕動(dòng)。隨后受連續(xù)大雨聯(lián)合作用，后緣裂縫加寬加深，最終誘發(fā)滑坡、崩塌等災(zāi)害的發(fā)生，而滑坡、崩塌的發(fā)生又為泥石流的發(fā)生提供了物源條件（圖4），從而形成了惡性循環(huán)（圖5）。

圖5 地質(zhì)災(zāi)害的形成機(jī)制Fig.5 The formation mechanism of geological disasters

4 地質(zhì)災(zāi)害成因分析

4.1 地層巖性

地層巖性是地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育的物質(zhì)基礎(chǔ)，不同巖土組成的斜坡具有不同的穩(wěn)定性和滑坡類(lèi)型［3］。因此，地層巖性的空間分布對(duì)地質(zhì)災(zāi)害的空間分布具有控制作用。區(qū)內(nèi)出露的地層從老到新主要有：前寒武系牛頭河群（An∈）、新生界新近系（N）和第四系（Q）。區(qū)內(nèi)滑坡多發(fā)生在黃土層內(nèi)，與滑坡關(guān)系密切的巖土層主要有馬蘭黃土、離石黃土、新近系泥巖。馬蘭黃土和離石黃土廣泛出露于地表，表層馬蘭黃土結(jié)構(gòu)較為疏松，垂直節(jié)理發(fā)育，透水性較好，具有強(qiáng)濕陷性，物理力學(xué)性質(zhì)差；下部離石黃土結(jié)構(gòu)相對(duì)較緊密，物理力學(xué)性質(zhì)較好。坡體面流沿黃土垂直裂隙滲入坡體，局部形成軟弱面，為滑坡變形破壞和產(chǎn)生提供了有利條件。另外，離石黃土和透水性差的新近系泥巖接觸面也成為滑動(dòng)面。風(fēng)化強(qiáng)烈的新近系泥巖由于裂隙節(jié)理發(fā)育，巖體松軟，也往往成為滑坡的載體（表4）。

表4 部分巖土體物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)Table 4 Part of the physical and mechanical indexes of geotechnical engineering

天水市北山以馬蘭黃土為主，垂直節(jié)理發(fā)育，黃土本身具有弱—中等濕陷性，遇水易崩解，形成落水洞和裂縫等，有利于雨水的滲入使得土體強(qiáng)度降低和結(jié)構(gòu)的破壞，促使土體失穩(wěn)。上覆土體的結(jié)構(gòu)控制著黃土濕陷的大小范圍，也為裂隙的產(chǎn)生和發(fā)展提供了物質(zhì)基礎(chǔ)。

4.2 地質(zhì)構(gòu)造

根據(jù)北山的地層分布與構(gòu)造反映，顯示出研究區(qū)地質(zhì)構(gòu)造新近紀(jì)為山間盆地或斷塊拗陷，第四紀(jì)為斷塊隆起。新近系地層主要表現(xiàn)為緩傾褶皺構(gòu)造，走向北西—南東。新近系地層層理出露不清晰，產(chǎn)狀近水平。北山地處祁呂賀蘭山字型構(gòu)造體系前弧西翼與秦嶺緯向構(gòu)造體系的復(fù)合部位，同時(shí)收到隴西旋卷構(gòu)造體系和西秦嶺北東向構(gòu)造帶的影響，使得該區(qū)構(gòu)造非常復(fù)雜，褶皺十分發(fā)育。天水至其南西方向的西和、禮縣，大面積沉積了新近系地層，構(gòu)成了天水—西禮盆地。盆地四周基巖及基底層的主要構(gòu)造線(xiàn)又可分為北西西向和近東西向兩種，研究區(qū)的構(gòu)造線(xiàn)為沿耤河、渭河流域的走向北西構(gòu)造線(xiàn)。

4.3 地形地貌

天水市北山地處隴西黃土高原與西秦嶺山地過(guò)渡帶，也是黃河流域及長(zhǎng)江流域的分水嶺地區(qū)，地勢(shì)相對(duì)較高［4-5］。北山地處黃土丘陵地帶，地形起伏較大，是滑坡發(fā)育的根本條件［6］。因人為因素或自然因素導(dǎo)致部分地區(qū)地形的坡度角較大，一般在60°以上，而地形坡度直接影響到滑坡發(fā)生的可能性的大?。?］。這樣就為不穩(wěn)定斜坡的形成提供了條件，坡體較陡、且臨空面較大，為崩塌提供了空間條件。天水北山地表風(fēng)化強(qiáng)烈，節(jié)理裂隙發(fā)育。黃土垂直節(jié)理和卸荷節(jié)理發(fā)育，兩種節(jié)理構(gòu)成的結(jié)構(gòu)面把土體分割成大小不規(guī)則的塊體，使得土體之間的結(jié)合力降低，土體失穩(wěn)形成不穩(wěn)定坡體。特別是當(dāng)結(jié)構(gòu)面的傾向和坡向一致或接近的情況下，且傾角小于坡腳時(shí)更容易發(fā)生崩塌。

天水市北山地形起伏較大，溝谷深切，坡度較陡，主溝兩側(cè)支溝不發(fā)育，但具有雙溝同源，有較好的匯水條件，溝谷以“V”型為主，主溝縱坡降比大于100‰，較利于松散物質(zhì)的搬運(yùn)，為泥石流的發(fā)生提供了地形條件。

4.4 降雨條件

造成滑坡的原因除了與當(dāng)?shù)氐刭|(zhì)構(gòu)造有關(guān)外，主要還是與降雨入滲有關(guān)［8］，增加了土體重量，降低了軟弱結(jié)構(gòu)面的抗剪強(qiáng)度，而黃土層中的垂直節(jié)理有利于降雨入滲，從而增加坡體的自重降低抗滑力，當(dāng)溝谷切穿黃土層形成臨空面時(shí)，黃土坡體易發(fā)生滑坡［9］。降雨的作用主要表現(xiàn)在：一是增加邊坡的自重并使滑帶土軟化，起到潤(rùn)滑劑的作用，使得土體發(fā)生滑動(dòng)。二是降水的強(qiáng)度控制著滑坡的變形和復(fù)活。天水市秦州區(qū)最大年降水量900mm以上，年降水量532.9mm，降水量年際變化較大，年降水量最大772.2mm（1976年），最小為316.6mm（1939年）。市內(nèi)降水強(qiáng)度4～6mm/d，夏季平均6mm，春秋季為3～5mm，冬季約1mm，一日最大降水量60～90mm，1h最大降水量30～50mm，10min最大降水量15～20mm。天水市降水主要集中在7～9月，同時(shí)也是滑坡發(fā)生的高峰期。雨季大量的降水沿節(jié)理裂隙滲入土體，這樣不僅使得土體的容量增大，同時(shí)浸潤(rùn)了下部的軟弱結(jié)構(gòu)面，降低土體的強(qiáng)度而使土體失穩(wěn)，形成不穩(wěn)定體，甚至能沖刷土體而產(chǎn)生崩塌。同時(shí)，降水是黃土濕陷、泥石流形成的觸發(fā)因素，而暴雨則是泥石流形成的主導(dǎo)動(dòng)力，降水在地面匯集沿黃土的節(jié)理裂隙滲入土體，增加土體的容量；水進(jìn)一步對(duì)土體浸潤(rùn)使得軟弱面的強(qiáng)度降低，促進(jìn)土體滑動(dòng)。水對(duì)土體的侵蝕和潛蝕作用，使其幾何形態(tài)和結(jié)構(gòu)發(fā)生變化。

4.5 水文地質(zhì)條件

地表水入滲和地下水位上升，造成溝谷地表侵蝕嚴(yán)重，使邊坡穩(wěn)定性減弱［10］。區(qū)內(nèi)地下水依據(jù)其埋藏條件和賦存特征，可分為兩類(lèi)，即第四系松散巖類(lèi)孔隙水和新近系碎屑巖類(lèi)孔隙裂隙水。

4.5.1 第四系松散巖類(lèi)孔隙水

（1）黃土潛水：主要接受大氣降水補(bǔ)給，徑流途徑較短，沿第三系泥巖隔水層層面以泉的形式排泄，常常在含水層及下伏泥巖接觸面附近形成軟弱帶，易誘發(fā)滑坡、崩塌。該類(lèi)地下水在滑坡區(qū)的賦存主要與滑坡基底和滑坡體地層結(jié)構(gòu)有關(guān)，局部具有雞窩狀上層滯水的特點(diǎn)，含水層主要為經(jīng)滑動(dòng)擾動(dòng)的灰綠色泥巖地層，地下水埋深在滑坡后緣較淺，在3～8m，滑坡前緣則大于20m，滑坡體中粉質(zhì)粘土透水性極差，一般不含水。該類(lèi)水單泉流量小于0.001L/s，但水質(zhì)較好，礦化度小于1g/L。

（2）河谷潛水：賦存于南溝河河谷區(qū)，主要含水層為圓礫層，上部粉質(zhì)粘土為弱含水層。建筑場(chǎng)地含水層厚度在0.3～2.2m，水位埋深5.0～6.0m，向西含水層逐漸變厚，埋深變淺。該類(lèi)水透水性一般，在富水地段，單井一般500～1000m3/d，水質(zhì)較好，水化學(xué)類(lèi)型屬HCO3--Ca2+-Mg2+型，礦化度 0 .5～1g/L。其補(bǔ)給源主要為大氣降水、溝谷潛流、地下徑流，地下水自南向北徑流，排泄途徑主要是人工開(kāi)采、地下徑流和地表泉水。

4.5.2 新近系碎屑巖類(lèi)孔隙裂隙水

該類(lèi)地下水分為潛水和承壓水，頂部風(fēng)化層潛水常與河谷潛水構(gòu)成統(tǒng)一含水層，水質(zhì)較好，但水量小，單井涌水量多小于15m3/d，而深部承壓水不僅水量微弱，而且水質(zhì)也極差，礦化度大于2.5g/L。

4.6 人類(lèi)經(jīng)濟(jì)工程活動(dòng)

人類(lèi)活動(dòng)是觸發(fā)滑坡的一個(gè)重要因素。人類(lèi)的工程活動(dòng)如不合理的切削坡腳、陡坡耕植、植被破壞、建筑加載、廢棄物的不合理堆填、灌溉設(shè)施的滲漏等都能導(dǎo)致滑坡、崩塌、泥石流發(fā)生并影響其發(fā)展。主要表現(xiàn)在：一是濫伐濫樵，二是陡坡耕種，三是修路建房亂起亂堆。植被的破壞為泥石流提供了大量的物質(zhì)來(lái)源，同時(shí)人類(lèi)活動(dòng)加速了泥石流的發(fā)展。人類(lèi)的工程活動(dòng)如陡坡耕植、廢棄物的無(wú)序堆放等破壞了黃土坡地固有的徑流條件，導(dǎo)致黃土濕陷的發(fā)生和發(fā)展。

4.7 松軟巖土體分布廣泛

松軟的黃土，發(fā)育的滑坡、崩塌等重力的堆積物都是泥石流的主要物質(zhì)來(lái)源，泥石流固體物質(zhì)的來(lái)源是黃土、新近系泥巖、泥巖風(fēng)化堆積體及人類(lèi)經(jīng)濟(jì)工程活動(dòng)等松散物質(zhì)。黃土和新近系泥巖形成大量的滑坡、崩塌等暴雨堆積物，受暴雨形成的坡面流和洪水的沖刷，源源不斷為泥石流提供固體物質(zhì)。

5 結(jié)論

天水市北山突發(fā)性地質(zhì)災(zāi)害的類(lèi)型主要有滑坡、崩塌、不穩(wěn)定斜坡、地面塌陷和泥石流溝等五種類(lèi)型。

（1）天水市北山的滑坡在物質(zhì)組成上以黃土滑坡為主，在力學(xué)性質(zhì)上以混合式為主，牽引式滑坡次之，在滑面埋深上以中層滑坡為主，在滑體規(guī)模上以小型為主。天水市崩塌按物質(zhì)組成分以黃土崩塌為主，按動(dòng)力成因以人為崩塌為主，按運(yùn)動(dòng)形式以?xún)A倒式崩塌為主。區(qū)內(nèi)滑坡、崩塌呈帶（片）狀分布，不穩(wěn)定斜坡集中分布于人為活動(dòng)強(qiáng)烈的地段，人類(lèi)的工程活動(dòng)如不合理的切削坡腳、陡坡耕植、建筑加載等都能導(dǎo)致滑坡、崩塌及泥石流的發(fā)生并影響其發(fā)展。

（2）天水市北山泥石流溝按物質(zhì)組成以泥流為主，按流域形態(tài)分以溝谷型為主，按規(guī)模以小型為主。泥石流的形成和分布明顯受地質(zhì)、地貌、暴雨、洪水等條件影響，山地強(qiáng)烈抬升、地勢(shì)陡變，為泥石流提供了地形地貌條件。而大量破碎、結(jié)構(gòu)松散的碎屑巖石為其儲(chǔ)備了豐富的物質(zhì)來(lái)源。

（3）造成地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的主要原因仍以自然因素為主，特別是突發(fā)性的地質(zhì)災(zāi)害絕大部分與大氣降雨有著十分密切的關(guān)系，但同時(shí)需要指出的是人類(lèi)工程活動(dòng)的影響也是導(dǎo)致本區(qū)地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的重要原因。

（4）泉水的出露分布較廣，對(duì)滑坡、黃土濕陷及泥石流的長(zhǎng)期侵蝕，是地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的一個(gè)重要原因。

致謝工作過(guò)程中得到甘肅省科學(xué)院地質(zhì)自然災(zāi)害防治研究所馮學(xué)才老師的悉心指導(dǎo)，在此表示衷心地感謝!

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