劉廣寧, 齊 信, 黃波林, 王世昌

(中國地質調查局 武漢地質調查中心, 湖北 武漢 430205)

西陵峽水田壩區(qū)域地質災害發(fā)育特征及成因機制

劉廣寧, 齊 信, 黃波林, 王世昌

(中國地質調查局 武漢地質調查中心, 湖北 武漢 430205)

[目的] 掌握西陵峽水田壩區(qū)域地質災害發(fā)育特征及成因機制，為該區(qū)域地質災害防治提供依據。[方法] 對地質災害的類型、規(guī)模、斜坡結構、巖性特征、分布高程、地形坡度進行詳細的野外調查，并運用統(tǒng)計學進行梳理分析。[結果] 研究區(qū)發(fā)育主要地質災害為滑坡、崩塌(危巖)和不穩(wěn)定斜坡，其規(guī)模以中小型為主?？臻g上分布不均勻，且集中分布在海拔高度300～800 m的區(qū)域,坡度20°～40°斜坡區(qū)域，并沿主要構造、斷裂呈條帶狀發(fā)育；絕大多數(shù)災害發(fā)育在侏羅系蓬萊鎮(zhèn)組(J3p)、遂寧組(J3s)和沙溪廟組(J2s)巖性段中，以順向結構岸坡中發(fā)育地質災害居多；時間上，地質災害多集中發(fā)生在降雨集中汛期6—9月。[結論] 地質災害成因機制的內在因素為地形地貌、地層巖性、岸坡結構類型和地質構造；外在因素為降雨、庫水波動和人類工程活動。

地質災害; 發(fā)育特征; 成因機制

文獻參數(shù)： 劉廣寧, 齊信, 黃波林, 等.西陵峽水田壩區(qū)域地質災害發(fā)育特征及成因機制[J].水土保持通報，2017,37(1)：319-324.DOI:10.13961/j.cnki.stbctb.2017.01.056； Liu Guangning, Qi Xin, Huang Bolin, et al. Development characteristics and mechanism of regional geohazards in Shuitianba area of Xiling Gorge[J]. Bulletin of Soil and Water Conservation, 2017,37(1)：319-324.DOI:10.13961/j.cnki.stbctb.2017.01.056

三峽庫區(qū)地形地貌復雜，岸坡結構類型多樣，地質環(huán)境及其脆弱。水庫175 m蓄水以來，在強降雨等極端氣候條件下，大量地質災害隱患點發(fā)生變形破壞甚至失穩(wěn)[1]。并且每一次災害事件的發(fā)生都會造成不同程度的人類財產損失、甚至人員傷亡事故[2]。對社會安定和國民經濟的發(fā)展造成嚴重影響。本文擬選擇三峽庫區(qū)長江N岸水田壩區(qū)域，在1∶5萬地質災害調查的基礎上，通過對野外調查資料的梳理、統(tǒng)計，掌握該區(qū)域地質災害的時空分布狀況，發(fā)育特征，在此基礎上對其規(guī)律進行總結，從而對其成因機制及影響因素進行系統(tǒng)分析。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)地處鄂西三峽庫區(qū)西陵峽水田壩區(qū)域，總面積470 km2。該區(qū)域屬亞熱帶季風氣候區(qū)，氣候溫和濕潤、雨量充沛、四季分明，多年平均氣溫17～19 ℃，多年平均降雨量1 493.2 mm。降雨具連續(xù)集中的特點，雨季多暴雨，日最大降雨量達358 mm，主要集中在4—10月。研究區(qū)河流水系發(fā)育，地表水資源比較豐富。長江在研究區(qū)南側自西向東橫貫全境，境內流長12.8 km。區(qū)內溪流網布，主要發(fā)育歸州河、泄灘河及香溪河3條支流，自三峽庫區(qū)175 m蓄水以來，水位垂直變幅達30 m余，歸州河、泄灘河及香溪河等支流在蓄水期間已形成寬闊的庫區(qū)。

地貌上，研究區(qū)地處鄂西褶皺山地，地勢西南高東北低,以中低山峽谷地貌為主，山勢呈NEE展布，地形切割較深，多發(fā)育NW向沖溝，河谷地貌多發(fā)育于歸州河近水區(qū)域，大于1 500 m高中山區(qū)，發(fā)育較少，主要分布在泄灘熊家?guī)X一帶，最大高程1 704.8 m。地形坡度集中發(fā)育在20°～40°。地層巖性上，研究區(qū)大部分是碎屑巖分布區(qū)，三疊系中統(tǒng)巴東組(T2b)碳酸鹽巖夾碎屑巖、碎屑巖、局部出露沙鎮(zhèn)溪組(T3s)，出露最為廣泛的地層為侏羅系，其包括桐竹園組(J1t)、聶家山組(J1n)、沙溪廟組(J2s)、遂寧組(J3s)、蓬萊鎮(zhèn)組(J3p)；地質構造上，位于上揚子臺坪之秭歸臺褶束東緣，絕大部分屬秭歸盆地，東部跨入NNE向的黃陵斷穹，北部包括北西南大巴山弧形褶皺帶的尾部，南為NE，NEE向恩施弧形褶皺帶，研究區(qū)居于這3組不同方向構造的交匯部位，屬應力作用微弱的地區(qū)，因而構造較為簡單。

2 地質災害類型及規(guī)模

研究區(qū)地質災害及其發(fā)育，通過野外實地調查，該區(qū)域主要發(fā)育滑坡、崩塌(危巖)、不穩(wěn)定斜坡3種地質災害，共計206處。其中滑坡179處占地災總數(shù)的86.89%，崩塌(危巖)6處占地災總數(shù)的2.91%，不穩(wěn)定斜坡21處占地災總數(shù)的10.20%，災害點密度44處/100 km2。主要發(fā)育分布于人類工程活動強烈、受庫水周期性波動影響強烈的區(qū)域。從地質災害規(guī)模來看，區(qū)內地質災害規(guī)模以中小為主，大型次之，特大型極少，無巨型地災發(fā)育(表1)。

表1 研究區(qū)地質災害類型規(guī)模統(tǒng)計處

3 時空分布及發(fā)育特征

3.1 各鄉(xiāng)鎮(zhèn)發(fā)育

由于受到地形地貌、斜坡結構類型、氣象水文、地質構造、人類工程活動等多方面因素影響[3]，研究區(qū)地質災害及其發(fā)育、分布特征在區(qū)域上有明顯的差異性。研究區(qū)包含秭歸縣和興山縣兩個行政單元，其中秭歸縣占圖幅大部分區(qū)域，故地質災害秭歸縣發(fā)育數(shù)量顯著，其中秭歸縣境內發(fā)育各類地質災害達196處，興山縣在研究區(qū)內地質災害僅發(fā)育8處，均發(fā)育在高橋鄉(xiāng)。秭歸縣地質災害發(fā)育遍及6個鄉(xiāng)(鎮(zhèn))，災害點數(shù)量最多的為水田壩鄉(xiāng)，達105處，占地質災害點總數(shù)的50%以上，以下依次是歸州鎮(zhèn)、泄灘鄉(xiāng)、沙鎮(zhèn)溪鎮(zhèn)、郭家壩鎮(zhèn)(表2)。

表2 研究區(qū)各鄉(xiāng)鎮(zhèn)地質災害統(tǒng)計

3.2 沿高程和坡度發(fā)育

垂直方向上，通過高程與地質災害的關系可以間接反映出不同高程地層巖性特征、地形地貌特征、物質組成特征等，這些特征是地質災害孕育的重要條件[4-5]。通過調查、統(tǒng)計(后緣高程值)，高程大于800 m以上多為山頂、近山頂區(qū)域，天然灌木林地及其發(fā)育，地形相對平緩，地災極少發(fā)育。高程小于300 m多在河谷甚至水面之下，地質災害較少發(fā)育，地質災害多集中發(fā)育在高程300～800 m(圖1)，其地質災害總和139處，多為滑坡、不穩(wěn)定斜坡占地災總數(shù)的67.48%，這與該高程段第四系松散堆積體大量分布和人類工程活動頻繁密不可分。地形坡度上，其中有172處地質災害發(fā)育、分布在斜坡坡度20°～40°的斜坡上(圖2)，占災害總數(shù)的80%以上。在小于20°或大于40°的斜坡地段，滑坡、不穩(wěn)定斜坡較少發(fā)育，前者由于坡度小，地形平緩，土層不易滑動，而后者由于坡度較大，不利于松散物的堆積。該區(qū)域崩塌(危巖)的發(fā)育地形坡度均大于55°。

圖1 地災與高程及地形坡度關系

3.3 巖性和岸坡結構

通過調查、統(tǒng)計(圖2)，其中侏羅系蓬萊鎮(zhèn)組(J3p)共發(fā)育地質災害84處，占地質災害總數(shù)的40.78%；遂寧組(J3s)共發(fā)育地質災害39處，占比18.93%；沙溪廟組(J2s)共發(fā)育地質災害35處，占比16.99%；聶家山組(J1n)共發(fā)育地質災害16處，占地質災害總數(shù)的7.77%；桐竹園組(J1t)共發(fā)育地質災害14處，占比的6.8%；三疊系巴東組(T2b)共發(fā)育地質災害39處，占比8.74%。由此可見，研究區(qū)地質災害主要發(fā)育在侏羅系中劣質巖性段：沙溪廟組(J2s)、遂寧組(J3s)和蓬萊鎮(zhèn)組(J3p)中，其數(shù)量超過地質災害總數(shù)的75%。

研究區(qū)內順向、斜向、橫向、逆向結構斜坡均有發(fā)育，由于其處于秭歸向斜近核部區(qū)域，且剛好沿著歸州河通過，故該區(qū)域順向結構斜坡及其發(fā)育，主要發(fā)育在該支流兩岸。其中發(fā)育在順向結構斜坡中的地質災害高達117處，占比56.8%；斜向結構中31處，占比15.05%；橫向結構中11處，占比5.34%；逆向結構中47處，占比22.82%。

3.4 沿地質構造發(fā)育

研究區(qū)褶皺構造簡單，主要為近南北向的秭歸向斜。另外在工作區(qū)西部還發(fā)育一系列東西向的小型寬緩褶皺：筆架山向斜、九龍灘背斜、紅巖灣向斜。大部分地質災害發(fā)育在秭歸向斜兩側和紅巖灣向斜附近，呈帶狀分布，其余兩褶皺附近調查中未見地災發(fā)育。研究區(qū)斷裂發(fā)育也比較簡單，主要發(fā)育北北東、北北西向斷裂，通過調查發(fā)現(xiàn)，地質災害的發(fā)育程度受斷裂構造影響明顯。區(qū)內斷裂較發(fā)育，其中大型的主要有水田壩斷層、黃荊樹斷層、張家河斷層等。

圖2 地災與巖性關系

通過現(xiàn)場調查發(fā)現(xiàn)，沿主要斷裂帶(斷層兩側2 km范圍內)，原本的地形地貌、地表水系受其影響發(fā)生顯著改變，斷裂帶內巖層、巖土體受到不同程度的破壞，結構破碎、松散，易形成地質災害，通過統(tǒng)計，研究區(qū)主要斷裂帶附近發(fā)育崩塌、滑坡、不穩(wěn)定斜坡災害點90處，占地質災害總數(shù)的43.69%。其中尤以水田壩、黃荊樹斷裂帶最為突出，共42處(表3)。

3.5 時間發(fā)育特征

通過野外實地調查、搜集當?shù)胤罏臏p災部門記錄資料以及對當?shù)厝簻y群防相關人員的走訪，針對每個災害點的變形、破壞、失穩(wěn)時間進行了梳理統(tǒng)計，結合近年來月平均降雨量數(shù)據，對地質災害與降雨關系進行了分析。分析表明地質災害的頻發(fā)期與降雨強度、累積降雨量有顯著的關系[6]。

降雨量越大，地質災害發(fā)生的數(shù)量和頻率越高。研究區(qū)降雨主要集中在6—9月的汛期，期間發(fā)生的地質災害高達149處，占地災總數(shù)的70%以上(圖3)。

表3 泄灘幅地質災沿害主要斷裂構造發(fā)育統(tǒng)計

圖3 歷年各月降雨量與地質災害發(fā)育程度關系

4 成因機制分析

4.1 內在因素

4.1.1 地貌條件 地形地貌是崩塌、滑坡等地質災害活動的基礎，不同類型的地質災害具有不同的地形地貌條件，相對高差、地形坡度的差異導致不同規(guī)模類型地質災害的發(fā)生[7]。研究區(qū)內低中山—高中山地貌區(qū)(800～1 600 m)由于近山頂?shù)貏葺^為平坦且植被極其發(fā)育，水土保持良好，地質災害較少發(fā)育；低低山—中低山區(qū)(500～800 m)地形坡度多在45°甚至形成50°以上峻坡，普遍大于土體的天然休止角，在自然狀況下巖土體已達到甚至接近極限平衡狀態(tài)，松散物質難以長期賦存，在外界因素作用下，極易向下發(fā)生失穩(wěn)，地質災害較為發(fā)育；河谷地貌區(qū)(145～500 m)地形坡度多在20°～40°，上部物質向下運移多堆積于此，結構松散、且多為涉水斜坡，在庫水周期升降、沖刷淘蝕作用下，地質災害體極易發(fā)生變形破壞乃至失穩(wěn)。經統(tǒng)計，50%以上地質災害發(fā)育在該區(qū)域，由此可見，地質災害的數(shù)量及發(fā)育分布特征與地貌條件密切相關。

4.1.2 地層巖性 研究區(qū)大面積發(fā)育侏羅系軟硬互層結構劣質巖組。對于滑坡而言，地層巖性是滑坡的物質基礎。由于地層巖性不同，抗剪強度各不相同，發(fā)生滑坡的難易程度不同。軟弱地層，在構造作用以及其他外力作用影響下，都容易形成土狀或泥狀的軟弱夾層，成為潛在的滑動面或滑動帶，具備產生滑動的基本條件，同時，在軟弱地層中，由于抗風化能力弱，易形成大量的松散物質。相反，硬質巖類，巖體抗風化能力強，不易形成潛在滑移面和松散物質。對于崩塌(危巖)而言，上硬下軟的巖性組合，容易發(fā)生崩塌或形成危巖體。由于抗風化能力的差異，下伏軟弱巖層抗風化能力低，易產生風化凹腔，使上部堅硬的巖體突出失去支撐，在風化、降雨等外界條件作用下極易發(fā)生變形破壞。在重力作用下，被卸荷裂隙或構造裂隙切割為塊狀的巖體，因重心不穩(wěn)而產生崩塌[5]。

4.1.3 岸坡結構類型 岸坡結構類型對于地質災害的類型、變形破壞乃至失穩(wěn)具有重要的控制作用[8]。研究區(qū)地質災害主要發(fā)育在順向和逆向結構岸坡內，其地質災害164處，占地災總數(shù)的75%以上，順向岸坡中由于軟弱夾層的發(fā)育，形成潛在滑面，加之大量切層節(jié)理的發(fā)育，在重力作用下極易發(fā)生滑動失穩(wěn)；逆向結構岸坡中尤其是侏羅系中碎裂結構巖體，發(fā)育大量陡傾坡外的節(jié)理、裂隙，巖體結構及其松散，在外界條件及重力作用下極易發(fā)生崩滑失穩(wěn)。

4.1.4 地質構造 針對該區(qū)域，秭歸向斜核部沿軸線兩側呈條帶狀分布，主要由于向斜兩側多為順向結構岸坡，在外部因素影響下極易發(fā)生順層滑動。斷裂構造的發(fā)育，使其兩側地層巖性因強烈擠壓，形成幾十米寬的破碎帶，局部存在軟弱面或軟弱帶，如斷層泥、糜棱巖等，巖土體強度較低，易風化剝蝕，這使得巖體的完整性遭受破壞，多形成破碎、松散堆積物為地災提供了良好的物源條件[9]。其松散的結構特征為斜坡體內地下水的運移提供了空間條件，在降雨、風化、侵蝕、人類工程活動等因素作用下，易形成地質災害。

4.2 外在因素

4.2.1 降雨 大氣降雨對地質災害影響尤其是對滑坡、崩塌災害的影響十分強烈[10-11]。通過在當?shù)叵嚓P部門收集自1958—2015年秭歸縣(以研究區(qū)為主)由集中降雨誘發(fā)的災害典型事件資料可知(表4，圖3)，研究區(qū)內降雨集中在6—9月的梅雨季節(jié)和汛期，降雨、尤其是連續(xù)強降雨導致大量崩滑地質災害變形失穩(wěn)，致使當?shù)厝藗兩敭a遭受到巨大損失。

表4 集中降雨時間及致災損失統(tǒng)計

注:據實地調查走訪研究區(qū)6處崩塌(危巖)，其變形失穩(wěn)均與降雨相關，179處滑坡，變形、失穩(wěn)有時間記載的共計119處，其中87處發(fā)生在5—9月，占比例為73.11%。

4.2.2 庫水波動 自三峽庫區(qū)蓄水以來，庫水位周期性在145～175 m波動，歸州河作為長江的支流，水位同樣周期性升降。巖體在庫水浸泡過程中，由于水壓力的變化，孔隙、微裂隙中入滲的水體會在裂隙尖端處產生的應力集中極易導致裂隙的拓展和延伸。此外，庫水的浸泡使得巖體內部的粘聚力和摩擦力也大大降低，巖體力學性質逐漸呈下降趨勢，巖體發(fā)生軟化，且軟化作用具有不可逆性，同時對滑動有潤滑作用，抗剪強度急劇下降，抗滑力不斷減小。當水位上升時，斜坡部分浸水后，水體將進入坡體內部，向上的托浮力增大，降低了淹沒坡體的阻滑作用，對于碎裂巖質斜坡尤為明顯；當水位下降時，斜坡內部水體將向外排泄，排泄過程中對斜坡物質具有明顯的拖拽、牽引作用，促使斜坡向下運動，對于松散堆積型斜坡尤為明顯。丹江口庫區(qū)回水范圍內，發(fā)育涉水地質災害共有113處，占總數(shù)的54.85%，這些地質災害前緣均受庫水回水的升降變化影響，如果長期在干濕循環(huán)條件作用下，將導致涉水地質災害體的前緣強烈變形破壞，最終導致整體發(fā)生失穩(wěn)[12-14]。

4.2.3 人類工程活動 人類工程活動不僅僅是毀林開荒、引發(fā)水土流失，其同樣是地質災害的重要誘因。研究區(qū)地質災害的形成受人類工程活動影響也及其明顯[15]。主要表現(xiàn)為城鎮(zhèn)遷建、公路建設、礦產資源開發(fā)、及居民建房等。區(qū)內主要因人類工程活動誘發(fā)的地質災害點46處，占地質災害點總數(shù)的22.33%。大量的人類工程活動破壞了斜坡原始平衡狀態(tài)，誘發(fā)了地質災害的產生。近2 a秭歸縣大力推進鄉(xiāng)村、縣級公路建設，形成了大量的高切坡，大多都未進行錨固、坡面防護等可靠、有效的工程治理措施。調查過程中發(fā)現(xiàn)：坡體開挖過程中產生應力釋放，臨空面自內向外發(fā)生卸荷作用，節(jié)理、裂隙發(fā)生延伸、貫通，巖體及其破碎，緩傾角的坡體易形成滑坡、不穩(wěn)定斜坡；而陡傾角的坡體易形成危巖或崩塌。在降雨等因素促發(fā)下，發(fā)生破壞失穩(wěn)的可能性很大。

5 結 論

通過調查，研究區(qū)共發(fā)育206處地質災害，災害點密度44處/100 km2，災害類型主要為滑坡、崩塌(危巖)和不穩(wěn)定斜坡，其中滑坡最為發(fā)育，占比85%以上，地質災害規(guī)模以中小型為主。空間上，地質災害分布不均，50%以上發(fā)育在水田壩鄉(xiāng)；且地質災害多發(fā)育在高程300～800 m、坡度20°～40°斜坡地帶；75%以上的地質災害發(fā)育在侏羅系沙溪廟組(J2s)、遂寧組(J3s)和蓬萊鎮(zhèn)組(J3p)中；75%以上地災發(fā)育在順向、逆向結構岸坡中；且具有沿主要構造斷裂呈條帶狀分布的特點，時間上，地質災害主要發(fā)育在降雨頻繁的6—9月。誘發(fā)地質災害的內部控制因素主要為地形地貌條件、地層巖性、岸坡結構類型和地質構造特征。外部控制因素主要為降雨、庫水波動和人類工程活動。根據目前地質災害發(fā)育分布現(xiàn)狀、變形破壞跡象和發(fā)展趨勢，建議加強群測群防和定期巡視力度。通過調查、走訪三峽水庫升降調水期間和降雨密集的汛期是該區(qū)域地質災害最為敏感的時間段，應做好地質災害防范和應急處置工作。

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Development Characteristics and Mechanism of Regional Geohazards in Shuitianba Area of Xiling Gorge

LIU Guangning, QI Xin, HUANG Bolin, WANG Shichang

(WuhanCentreofChinaGeologicalSurvey,ChinaGeologicalSurvey,Wuhan,Hubei430205,China)

[Objective] The objective of this study is to investigate the development characteristics and mechanism of the regional geological hazards in Shuitianba area in the Xiling Gorge, and to provide the basis for preventing and controlling geological disasters in the region. [Methods] The type, size, slope structure, lithology, elevation distribution and slope gradient of geological disasters were investigated in detail, and statistical analysis was done. [Results] The major geological disasters include landslides, collapses(dangerous rock) and unstable slopes, and vary from small to medium-sizes. Spatially, regional distribution was not uniform, geological disasters more developed in elevation between 300～800 m with slope range from 20° to 40 °; and belt-like geological disasters developed along the main structure and fracture. The vast majority of geological disasters were formed in three stages: Penglaizhen formation(J3p), Suining formation(J3s) and Shaximiao formation(J2s) in the lithology of Jurassic, and mostly distributed in bedding slope. The geological disasters mostly occur in flooding season from June to September. [Conclusion] The internal factors affecting the formation of the geological disasters include topography, lithology, slope structure type and geological structure while external factors include rainfall, reservoir water fluctuation and engineering activities by human beings.

geological disasters; development characteristics; formation mechanism

2016-03-15

2016-07-19

國家自然科學基金項目“基于水波動力學的水庫崩塌滑坡涌浪研究”(41372321); 中國地質調查局災害預警項目(12120114079301); 水工環(huán)地質調查項目(DD20160257)

劉廣寧(1980—),男(漢族),河北省大城縣人,碩士研究生,高級工程師,主要從事水工環(huán)、地質災害調查研究。E-mail:guang-ning1123@163.com。

A

1000-288X(2017)01-0319-06

P694