莊卓涵

(廣東省地質(zhì)調(diào)查院，廣東 廣州 510080)

0 引言

廣州北部山區(qū)廣泛分布侵入巖，斷裂構(gòu)造較為發(fā)育，地殼風(fēng)化強(qiáng)烈，風(fēng)化層厚度較大且分布較廣，在強(qiáng)烈的人為工程活動(修建公路及削坡建房)干預(yù)下，大量的風(fēng)化殼邊坡易發(fā)生崩塌、滑坡等斜坡類地質(zhì)災(zāi)害[1-2]。區(qū)內(nèi)已查明斜坡類地質(zhì)災(zāi)害大多發(fā)生在花崗巖全風(fēng)化土及殘積土所在邊坡。

近年來，GIS技術(shù)在地質(zhì)災(zāi)害研究中的地位日益突出，其應(yīng)用廣度及深度也逐漸拓寬[3-5]。而較常見的斜坡類地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評價方法主要有層次分析法[6-8]、信息量法[9-10]、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型[11]、綜合危險性指數(shù)法[12]等等。

本文在充分分析斜坡類地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育特征和區(qū)域地質(zhì)環(huán)境條件，刻畫其致災(zāi)機(jī)理，選取合適的致災(zāi)因子，以GIS技術(shù)和RS技術(shù)為基礎(chǔ)[13-14]，采用層次分析法和綜合指數(shù)法相結(jié)合的方法[15]，對區(qū)內(nèi)斜坡類地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性進(jìn)行評價分區(qū)。

1 研究區(qū)地質(zhì)環(huán)境條件

1.1 地形地貌

區(qū)內(nèi)以中低山-丘陵地貌為主，地形坡度一般小于20°，在良口鎮(zhèn)五指山地區(qū)坡度相對較陡，坡度20°～40°；在佛岡縣羊角山、流溪河水庫周圍、石榴花頂、元山等山區(qū)地形切割較大，坡度多為30°～60°。

1.2 巖土體條件

研究區(qū)發(fā)育有泥盆系、石炭系、三疊系、白堊系及第四系，出露面積占比約20.0%。另外，區(qū)內(nèi)巖漿巖發(fā)育，分布廣泛，侵入巖主要呈巖基、巖株及巖墻狀產(chǎn)出，巖性多為二長花崗巖，面積占比為75.9%。

1.3 斷裂構(gòu)造

研究區(qū)處于北東向廣從斷裂帶與東西向佛岡-豐良斷裂帶交匯處，構(gòu)成區(qū)內(nèi)構(gòu)造基本格架的構(gòu)造形跡主要表現(xiàn)為脆性斷裂，走向以北東為主，東西及北西次之。北東向斷裂在區(qū)域上屬于恩平-新豐斷裂帶中段廣州-從化斷裂的北延部分，發(fā)育多條近平行的北東向斷裂，呈帶狀發(fā)育，具為多期活動特征；東西向斷裂在區(qū)域上屬于佛岡-豐良斷裂帶之主干斷裂清遠(yuǎn)-安流斷裂西段，為形成于印支期的基底斷裂，控制了晚三疊世山間盆地的空間分布；北西向斷裂多規(guī)模較小，走向上延伸不遠(yuǎn)，為脆性斷層。

1.4 降雨

研究區(qū)屬亞熱帶季風(fēng)氣候，雨熱同期，雨量充沛，多年平均降雨量為1 800～2 178.5 mm，主要集中在夏季，6-9月多臺風(fēng)天氣，伴隨有強(qiáng)降水。

圖1 崩塌演化模式圖

2 致災(zāi)機(jī)理分析

2.1 崩塌

崩塌的變形破壞受內(nèi)外因素控制，內(nèi)在因素包括地形地貌、地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造、物質(zhì)組成、結(jié)構(gòu)面發(fā)育程度；外在因素包括地震、降雨、人類工程活動等[16]。

根據(jù)收集調(diào)查災(zāi)害點現(xiàn)狀、結(jié)構(gòu)類型特征以及現(xiàn)今變形破壞跡象的分析，區(qū)內(nèi)崩塌的破壞模式主要為沖蝕-崩滑，具體致災(zāi)機(jī)理如下(見圖1)。

初始坡體處于穩(wěn)定平衡狀態(tài)，植被覆蓋率較高，坡體較為穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)面少量發(fā)育；因修建道路或建造房屋需要對邊坡進(jìn)行開挖，開挖后，臨空面發(fā)生卸荷回彈，坡頂及坡面出現(xiàn)微裂隙(圖1a)。雨水沿著裂隙及作業(yè)殘留溝痕入滲、徑流，并在排泄過程中攜帶細(xì)小顆粒，使得物質(zhì)組成及結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，內(nèi)部應(yīng)力場也隨之變化。

由坡面跌水造成的沖刷下切力，使得坡面微裂隙逐漸發(fā)育為沖蝕溝槽，呈順坡楔狀分布。在坡面流水作用下，溝槽不斷向坡頂方向發(fā)生侵蝕，溝槽長度、深度及發(fā)育規(guī)模隨之變大(圖1b)。邊坡被沖蝕溝槽切割成多個條狀土體，穩(wěn)定性大大降低。

受雨水軟化作用，水壓力作用以及地下水浮托力作用影響，邊坡土體的抗滑力降低，土體發(fā)生部分崩落。坡腳位置土體首先發(fā)生崩落，形成更陡坡面及更大臨空面；被溝槽切割成條狀的土體由坡腳位置逐漸崩塌，形成崩塌凹洞(圖1c)，最終導(dǎo)致邊坡整體發(fā)生崩滑。

2.2 滑坡

與崩塌相似，巖土結(jié)構(gòu)及節(jié)理裂隙為滑坡的發(fā)生提供了內(nèi)在條件，人工開挖邊坡為滑坡發(fā)生提供了有效臨空面，降雨作用成為滑坡發(fā)生的外在誘發(fā)因素。

區(qū)內(nèi)查明的滑坡物質(zhì)組成均為土質(zhì)，根據(jù)調(diào)查災(zāi)害點現(xiàn)狀、結(jié)構(gòu)類型特征及變形破壞跡象，總結(jié)其破壞模式主要為拉裂—滑移，其破壞機(jī)理如下(圖2)。

人工開挖邊坡，臨空方向發(fā)生卸荷回彈，應(yīng)力平衡改變，須犧牲應(yīng)變以期達(dá)到再次應(yīng)力平衡，所以坡頂及坡面多發(fā)育裂隙，近邊緣處多出現(xiàn)平行于坡面的拉張裂隙(圖2a)。

圖2 滑坡演化模式圖

而邊坡前緣為應(yīng)力集中帶，應(yīng)變增大及裂隙的發(fā)育使得邊坡前緣發(fā)生滑動，牽引滑體上部土體變形，后緣土體也開始出現(xiàn)拉張裂隙，滑體處于蠕動變形階段；

在降雨作用下，降雨水楔作用明顯，裂隙進(jìn)一步擴(kuò)大，滑體變形加劇，滑體前緣土體受后緣土體擠壓作用，滑動幅度變大，局部發(fā)生垮塌(圖2b)；隨著裂隙逐步發(fā)展，直至貫通形成滑動面，土體最終在重力作用下，向坡腳滑移。

3 易發(fā)性評價

本次評價以GIS技術(shù)和RS技術(shù)為基礎(chǔ)，從致災(zāi)機(jī)理角度出發(fā)，分析選取合適的致災(zāi)因子，采用層次分析法和綜合指數(shù)法相結(jié)合的方法，對區(qū)內(nèi)斜坡類地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性進(jìn)行評價分區(qū)。

3.1 評價指標(biāo)及模型的建立

在地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評價中，以評價斜坡類地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性指數(shù)為目標(biāo)層；其次選定基礎(chǔ)因素、誘發(fā)因素為一級指標(biāo)層；選取地形坡度、植被覆蓋率、工程地質(zhì)巖組、地質(zhì)構(gòu)造、降雨、人類工程活動等為二級指標(biāo)層(圖3)。

結(jié)合自然地理特征和前人對該區(qū)的研究，在充分考慮資料的可獲得性、研究區(qū)尺度大小、研究范圍的大小以及研究精度的要求等因素的前提下，選取了以下6個因素作為評價因子。

3.1.1 地形坡度

地形坡度是地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育的主要控制因素之一，地形的高差有利于坡體物質(zhì)勢能的轉(zhuǎn)換，為地質(zhì)災(zāi)害形成提供動力。利用ArcGIS的表面分析功能，和等高線數(shù)據(jù)可得到數(shù)字高程圖形(DEM)，從而獲得地形坡度數(shù)據(jù)。根據(jù)地質(zhì)災(zāi)害分布情況，將區(qū)內(nèi)地形坡度劃分為5個級別：(1)0°～8°、(2)8°～25°、(3) 25°～45°、(4)45°～60°、(5)﹥60°。

圖3 地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性分區(qū)評價體系圖

3.1.2 植被覆蓋率

植被覆蓋率從一定程度上反映地貌的變化，也是間接反映地貌對地質(zhì)災(zāi)害的影響。區(qū)內(nèi)植被覆蓋率高區(qū)主要分布于中部、西南角一帶，可達(dá)85%，如高橋山、石牙頂?shù)鹊?。利用遙感數(shù)據(jù)及ArcGIS平臺，將區(qū)內(nèi)植被覆蓋程度劃分為5個類別：(1)高覆蓋；(2)中覆蓋；(3)低覆蓋；(4)裸土；(5)水體。

3.1.3 工程地質(zhì)巖組

地層巖性是地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育的重要內(nèi)在因素。由于不同類型的工程地質(zhì)巖組所處的地貌單元不同及存在的抗風(fēng)化程度、力學(xué)性質(zhì)及完整性的不同，在一定程度上決定了地質(zhì)災(zāi)害的分布規(guī)律及發(fā)育特征。根據(jù)工程地質(zhì)特征，將區(qū)內(nèi)巖土體劃分為4類：(1)堅硬巖；(2)較堅硬巖；(3)軟質(zhì)巖；(4)松散巖組。

3.1.4 地質(zhì)構(gòu)造

地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育的地段，巖體完整性較差，較為破碎，也為雨水入滲提供有利通道，其附近地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育程度明顯高于其他區(qū)域[17]。一般采取對斷裂和褶皺軸跡的距離分析來確定影響范圍。根據(jù)區(qū)內(nèi)斷裂發(fā)育情況，在斷裂帶兩側(cè)設(shè)置緩沖距離劃分成3個區(qū)域：(1)<200 m；(2)200～1 000 m；(3)>1 000 m。

3.1.5 降雨

降雨為地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生提供了動力條件，是主要誘發(fā)因素之一。區(qū)內(nèi)斜坡類地質(zhì)災(zāi)害主要集中在汛期，其高發(fā)期主要受降水周期的控制[18]。根據(jù)區(qū)內(nèi)降水線分布狀況，大致劃分為3個區(qū)域：(1)降水量<1 900 m；(2)降水量為1 900～2 100 m；(3)降水量>2 100 m。

3.1.6 人類工程活動

人類工程活動改變了地質(zhì)環(huán)境，增加地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的可能性、頻率及危害范圍，是主要的直接誘發(fā)因素。區(qū)內(nèi)房屋建筑、道路工程等各類人類工程活動日益增加，自然邊坡多被改造為高陡邊坡，且沒能采取有效的工程措施，坡面多為裸露狀態(tài)，容易失穩(wěn)誘發(fā)斜坡類地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生。根據(jù)實際調(diào)查情況及人類工程活動強(qiáng)度，劃分為3個區(qū)域：(1)人類工程活動強(qiáng)烈區(qū)；(2)人類工程活動較強(qiáng)烈區(qū)；(3)人類工程活動一般區(qū)。

3.2 評價方法

本次采用綜合指數(shù)法，其數(shù)學(xué)評價模型為：

(1)

i=1，2，…，n；j=1，2，…，m(公式)

式中：Pi為第i單元的易發(fā)性指數(shù)；i為評價單元；j為評價因子；aj為第j個評價因子在第i評價單元的賦值；wj為第j個評價因子的權(quán)重；m為評價因子數(shù)；n為評價單元數(shù)。

3.3 評價指標(biāo)權(quán)重

利用AHP層次分析法軟件及構(gòu)建的層次結(jié)構(gòu)模型，生成易發(fā)性判斷矩陣A-B(表1)、基礎(chǔ)因素判斷矩陣B1-C(表2)、誘發(fā)因素判斷矩陣B2-C(表3)，并兩兩比較確定重要性程度。

表1 易發(fā)性判斷矩陣A-B

表2 基礎(chǔ)因素判斷矩陣B1-C

表3 誘發(fā)因素判斷矩陣B2-C

計算各判斷矩陣的最大特征根和特征向量并通過一致性判斷。

將B1-C、B2-C的權(quán)重Wi在A-B下歸一化，得到6個因素的總排序(表4)。

3.4 地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性分級

利用MapGIS空間分析功能，對各因素圖件進(jìn)行疊加，將評價因子權(quán)重以及評價因子賦值進(jìn)行加權(quán)計算，即可計算出各單元的值，按照自然斷點分級法，將地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性結(jié)果分為高易發(fā)、中易發(fā)和低易發(fā)3類。最后對區(qū)內(nèi)地質(zhì)環(huán)境條件、地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育分布規(guī)律、形成條件等綜合分析后，進(jìn)行適當(dāng)修正，最終將區(qū)內(nèi)斜坡類地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評價劃分為高、中、低三級易發(fā)區(qū)5個亞區(qū)，見斜坡類地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性分區(qū)統(tǒng)計表(表5)和斜坡類地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性分區(qū)圖(圖4)。

表4 易發(fā)性評價體系層次總排序

3.4.1 高易發(fā)區(qū)(Ⅰ)

1)G105國道、G45高速公路低山區(qū)崩塌、滑坡高易發(fā)區(qū)(Ⅰ1)

分布于Gl05國道良口至呂田段沿線低山丘陵區(qū)，屬花崗巖低山區(qū)，工程地質(zhì)巖組主要為塊狀較硬花崗巖組，區(qū)域斷層延伸方向與G105國道、G45高速公路方向大致相同，所以道路兩側(cè)基巖較為破碎，同時在風(fēng)化作用下，裂隙發(fā)育，風(fēng)化殘積層厚5～15 m，自然坡角20°～40°。因G105國道擴(kuò)建改造，開挖形成大量的人工邊坡，邊坡高度5～60 m，坡角45°～85°，坡面多為裸露狀態(tài)，且未采取有效的支護(hù)措施，在暴雨作用下極易發(fā)生崩塌、滑坡。區(qū)內(nèi)地質(zhì)災(zāi)害隱患點42處。

2)良口鎮(zhèn)團(tuán)豐-溪頭低山丘陵區(qū)崩塌高易發(fā)區(qū)(Ⅰ2)

主要分布于調(diào)查區(qū)中部良口鎮(zhèn)團(tuán)豐村-溪頭村一帶，零星分布在調(diào)查區(qū)北部的呂田鎮(zhèn)慈坑村，屬丘陵地貌，山坡坡度一般25°～45°，工程地質(zhì)巖組為塊狀堅硬黑云母花崗巖組，上覆殘積土厚度10～20 m。該區(qū)人類工程活動強(qiáng)烈，居民削坡建房現(xiàn)象常見，植被覆蓋率低，削坡坡角45°～75°，人工坡高3～30 m，多數(shù)邊坡無防災(zāi)減災(zāi)措施，在暴雨作用下極易發(fā)生崩塌、滑坡。區(qū)內(nèi)地質(zhì)災(zāi)害隱患點76處。

表5 斜坡類地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性分區(qū)統(tǒng)計表

圖4 斜坡類地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性分區(qū)圖

3.4.2 中易發(fā)區(qū)(Ⅱ)

1)良口鎮(zhèn)梅樹村—呂田鎮(zhèn)聯(lián)峰村低山區(qū)崩塌、滑坡中易發(fā)區(qū)(Ⅱ1)

主要分布于調(diào)查區(qū)東北側(cè)良口鎮(zhèn)梅樹村—呂田鎮(zhèn)聯(lián)峰村，少量分布于湯塘鎮(zhèn)、溫泉鎮(zhèn)低山丘陵區(qū)，工程地質(zhì)巖組主要為塊狀較硬～堅硬花崗巖組，區(qū)內(nèi)斷裂發(fā)育，加上風(fēng)化作用，巖石較為破碎，風(fēng)化殘積層厚5～15 m。修建房屋或修造道路等人工削坡活動較強(qiáng)烈，使得邊坡坡腳變陡，坡角多為25°～65°，且坡面多裸露，在強(qiáng)降雨作用下，斜坡類地質(zhì)災(zāi)害較易發(fā)生。

2)湯塘鎮(zhèn)圍鎮(zhèn)村—鐵崗鎮(zhèn)三坑村低山區(qū)崩塌、滑坡中易發(fā)區(qū)(Ⅱ2)

主要分布于調(diào)查區(qū)南部，屬花崗巖低山丘陵區(qū)，工程地質(zhì)巖組主要為塊狀較硬～堅硬花崗巖組，區(qū)內(nèi)人類工程活動較強(qiáng)烈，居民削坡建房現(xiàn)象較常見，削坡坡角40°～75°，人工坡高4～50 m，多數(shù)邊坡為裸露狀態(tài)或防護(hù)效果不明顯。

3.4.3 低易發(fā)區(qū)(Ⅲ)

廣泛分布于調(diào)查區(qū)低山區(qū)，零星分布在河谷平原位置。低山區(qū)主要為塊狀較硬～堅硬花崗巖組，斷裂活動較弱，植被覆蓋率較高，巖石較為完整，人口密度較小，人類工程活動較弱，工程建設(shè)強(qiáng)度較低，地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育程度低；河谷平原第四系區(qū)，地勢較為平坦，斷裂活動影響弱，地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育程度低。

4 結(jié)語

(1)本文通過對地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育特征及地質(zhì)環(huán)境條件的分析，刻畫其致災(zāi)機(jī)理，選取合適的致災(zāi)因子，以GIS技術(shù)和RS技術(shù)為基礎(chǔ)，采用了層次分析法和綜合指數(shù)法相結(jié)合的方法對地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性進(jìn)行評價分區(qū)，劃分出地質(zhì)災(zāi)害高易發(fā)區(qū)、中易發(fā)區(qū)、低易發(fā)區(qū)。

(2)結(jié)合評價結(jié)果分析，受斷裂構(gòu)造及風(fēng)化作用影響，區(qū)內(nèi)邊坡風(fēng)化殼厚度較大，且人類工程活動(修建公路及削坡建房)強(qiáng)烈，在強(qiáng)降雨作用下，斜坡類地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)。

(3)易發(fā)性分區(qū)統(tǒng)計表數(shù)據(jù)顯示，區(qū)內(nèi)查明的地質(zhì)災(zāi)害點多分布于中～高易發(fā)區(qū)，證明本次評價具備一定的可信度，可進(jìn)一步研究分析，為周邊地區(qū)的地質(zhì)災(zāi)害防治提供思路。