甘肅天水市北山地質災害類型及成因分析

辛存林，楊國林，趙志鵬，孫現輝，馬維云，李鴻儒

（西北師范大學 地 理與環境科學學院，甘肅 蘭 州 7 30070）

0 引言

天水市北山位于天水市城區以北的黃土梁上，包括秦州區玉泉鎮與中梁鄉的部分村莊地域。地理坐標：東經 105°38'～105°43'，北緯 34°34'～ 34°36'。北山地貌基本形態主要為河谷、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，研究區范圍南側，靈山寺西側、玉泉觀東側，共有8條大的“U”型溝谷發育。南接天水市區，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、巖土性質等的控制和影響，地質環境較差，滑坡、泥石流等地質災害發育且活動頻繁，是天水市主要的地質災害問題，嚴重威脅著人民生命財產的安全并制約著城市的發展。歷史上造成了嚴重的經濟損失和人員傷亡，隨著城市規模的擴大，地質災害和環境工程地質問題將更加突出［1］。因此，通過對研究區地質災害的形成機制的分析和探討，可為進一步治理該區的各類地質災害提供理論指導，同時對預測研究區未來地質災害發生、發展具有積極的指導作用和實際意義。

1 地質災害概況

通過野外調查和對已有成果資料的綜合研究分析，北山發育的地質災害主要有滑坡、崩塌、不穩定斜坡、黃土濕陷、泥石流溝等五種類型。

根據調查統計，北山共發育滑坡90處，崩塌共計36處，不穩定斜坡23處，泥石流易發區9處，地面塌陷6處（表1）。由此可見，北山地質災害以斜坡變形為主，即為滑坡、崩塌及不穩定斜坡為主，其次為黃土濕陷及泥石流溝災害（圖1）。

表1 地質災害調查統計表Table 1 The investigation of geological hazard table

2 地質災害類型及特征

2.1 滑坡

根據野外調查，北山滑坡發育有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）。中型滑坡中后期發生的次生滑坡較多，其規模均為小型。天水市北山滑坡主要分布在北山的陽坡，形成了數條滑坡群溝，說明該地區在地質歷史時期滑坡現象非常嚴重。天水市北山滑坡分布廣，密度高，規模較大，活動性較差。按物質組成分類，北山滑坡可分為2類：一類為新近系泥巖滑坡。另一類為粘性土類滑坡，滑坡體主要由青灰色粉質粘土組成。天水市北山的滑坡主要發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是滑坡形態較為完整，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。因多次滑動而在滑坡體上形成多級臺階；黃土—泥巖滑坡的主要特征是滑動時泥巖和黃土一起滑動，滑動面多為泥巖中的軟弱面，多成群出現。滑坡形態完整，后緣較陡，平面形態為“圈椅狀”，兩側多雙溝同源，舌部泥巖與黃土混雜堆積難辨層次。

圖1 地質災害平面分布圖Fig.1 The distribution of geological disasters plane

圖2 滑坡地形坡度的統計曲線圖Fig.2 The statistical curves of land slide slope and the terrain

2.2 崩塌和不穩定斜坡

圖3 崩塌、不穩定斜坡的地形高度統計曲線圖Fig.3 The statistical T curves of height collapse unstable slopes and the terrain

根據野外調查，北山崩塌發育有36處，其中中型崩塌16處，小型崩塌20處；不穩定斜坡23處。崩塌不穩定斜坡的高度多集中在10～40m（圖3）。主要分布在人類居住區周圍，對周圍居民的生命財產安全造成威脅。北山的崩塌和不穩定斜坡主要屬黃土型，主要位于滑坡或階地前緣以及人類居住區。人類在黃土陡崖下挖窯、切坡建房，人為造成崖體的不穩定，若陡崖體崩塌易造成較大的損失。

2.3 泥石流溝

根據野外調查，北山泥石流溝發育有9處（表2），按物質組成屬于泥流溝，按流域形態屬于山坡型，按流體性質屬于稀性，按水動力條件屬于暴雨型。比較典型的N8泥石流溝，又名張家溝。平面形態呈“條帶”狀。溝流域面積0.38km2，溝道長1.3km，溝道比降19.8％，固體松散物質約10×104m3/km2。溝中大部分開墾為耕地或經濟林，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（圖4）。泥石流溝溝谷深切，坡度較陡，主溝兩側支溝不發育，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計表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育的地質災害類型，黃土濕陷的破壞方式主要為陷穴、陷坑、落水洞等。在北山其發育規模一般都比較小，共發育有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 黃土濕陷災害主要特征統計表Table 3 The main characteristics of loess soil disaster statistics

根據現場調查和勘察資料，濕陷性黃土覆蓋于天水北山上更新統的馬蘭黃土中，其厚度一般10～15m，北山黃土自重濕陷系數0.012～0.17，屬Ⅱ～Ⅲ（中等—嚴重）自重濕陷黃土，濕陷系數 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 災害形成機制分析

北山地處黃土丘陵地帶，因人為因素或自然因素導致部分地區地形的坡度角較大，一般在60°以上，坡體較陡、且臨空面較大，為地質災害的發生提供了空間條件。北山地表風化強烈，黃土垂直節理和卸荷節理發育，由兩種節理構成的結構面把土體分割成大小不規則的塊體，使得土體之間的結合力降低，土體失穩形成不穩定坡體。危巖帶自然坡度在60°～80°，巖體臨空卸荷，應力釋放，而后斜坡體內巖層應力重新調整，在巖體后緣形成新的卸荷裂隙，隨著變形時間增長，張裂隙逐漸向深部擴展。隨著風化、侵蝕等地質作用的進一步加劇，應力加劇調整積累，拉張裂隙進一步擴張，并逐步向深部發展，從而形成整個裂隙面的貫通。后期經沖溝流水的不斷沖刷，人為的在底部開挖及頂部的加載，危巖體在降雨和地震的作用下又再度復活，成為新的不穩定斜坡。因此，山體崩塌具備了傾倒、開裂以致崩塌的地質結構條件［2］。由此可見，獨特的坡體結構是地質災害形成和演化的重要內因，而沖溝的切割，降雨和地震則是斜坡變形破壞誘發的外因。因坡體向臨空面卸荷回彈，同時受降雨、風化、溶蝕等外營力作用，使平行于陡崖的構造裂隙開始張開，并逐漸向深部擴展，形成裂縫，裂縫外側產生向坡外方向的輕微蠕動。隨后受連續大雨聯合作用，后緣裂縫加寬加深，最終誘發滑坡、崩塌等災害的發生，而滑坡、崩塌的發生又為泥石流的發生提供了物源條件（圖4），從而形成了惡性循環（圖5）。

圖5 地質災害的形成機制Fig.5 The formation mechanism of geological disasters

4 地質災害成因分析

4.1 地層巖性

地層巖性是地質災害發育的物質基礎，不同巖土組成的斜坡具有不同的穩定性和滑坡類型［3］。因此，地層巖性的空間分布對地質災害的空間分布具有控制作用。區內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）。區內滑坡多發生在黃土層內，與滑坡關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，表層馬蘭黃土結構較為疏松，垂直節理發育，透水性較好，具有強濕陷性，物理力學性質差；下部離石黃土結構相對較緊密，物理力學性質較好。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面。風化強烈的新近系泥巖由于裂隙節理發育，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性質指標Table 4 Part of the physical and mechanical indexes of geotechnical engineering

天水市北山以馬蘭黃土為主，垂直節理發育，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度降低和結構的破壞，促使土體失穩。上覆土體的結構控制著黃土濕陷的大小范圍，也為裂隙的產生和發展提供了物質基礎。

4.2 地質構造

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

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渡帶，也是黃河流域及長江流域的分水嶺地區，地勢相對較高［4-5］。北山地處黃土丘陵地帶，地形起伏較大，是滑坡發育的根本條件［6］。因人為因素或自然因素導致部分地區地形的坡度角較大，一般在60°以上，而地形坡度直接影響到滑坡發生的可能性的大小［7］。這樣就為不穩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。天水北山地表風化強烈，節理裂隙發育。黃土垂直節理和卸荷節理發育，兩種節理構成的結構面把土體分割成大小不規則的塊體，使得土體之間的結合力降低，土體失穩形成不穩定坡體。特別是當結構面的傾向和坡向一致或接近的情況下，且傾角小于坡腳時更容易發生崩塌。

天水市北山地形起伏較大，溝谷深切，坡度較陡，主溝兩側支溝不發育，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‰，較利于松散物質的搬運，為泥石流的發生提供了地形條件。

4.4 降雨條件

造成滑坡的原因除了與當地地質構造有關外，主要還是與降雨入滲有關［8］，增加了土體重量，降低了軟弱結構面的抗剪強度，而黃土層中的垂直節理有利于降雨入滲，從而增加坡體的自重降低抗滑力，當溝谷切穿黃土層形成臨空面時，黃土坡體易發生滑坡［9］。降雨的作用主要表現在：一是增加邊坡的自重并使滑帶土軟化，起到潤滑劑的作用，使得土體發生滑動。二是降水的強度控制著滑坡的變形和復活。天水市秦州區最大年降水量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）。市內降水強度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，同時也是滑坡發生的高峰期。雨季大量的降水沿節理裂隙滲入土體，這樣不僅使得土體的容量增大，同時浸潤了下部的軟弱結構面，降低土體的強度而使土體失穩，形成不穩定體，甚至能沖刷土體而產生崩塌。同時，降水是黃土濕陷、泥石流形成的觸發因素，而暴雨則是泥石流形成的主導動力，降水在地面匯集沿黃土的節理裂隙滲入土體，增加土體的容量；水進一步對土體浸潤使得軟弱面的強度降低，促進土體滑動。水對土體的侵蝕和潛蝕作用，使其幾何形態和結構發生變化。

4.5 水文地質條件

地表水入滲和地下水位上升，造成溝谷地表侵蝕嚴重，使邊坡穩定性減弱［10］。區內地下水依據其埋藏條件和賦存特征，可分為兩類，即第四系松散巖類孔隙水和新近系碎屑巖類孔隙裂隙水。

4.5.1 第四系松散巖類孔隙水

（1）黃土潛水：主要接受大氣降水補給，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，易誘發滑坡、崩塌。該類地下水在滑坡區的賦存主要與滑坡基底和滑坡體地層結構有關，局部具有雞窩狀上層滯水的特點，含水層主要為經滑動擾動的灰綠色泥巖地層，地下水埋深在滑坡后緣較淺，在3～8m，滑坡前緣則大于20m，滑坡體中粉質粘土透水性極差，一般不含水。該類水單泉流量小于0.001L/s，但水質較好，礦化度小于1g/L。

（2）河谷潛水：賦存于南溝河河谷區，主要含水層為圓礫層，上部粉質粘土為弱含水層。建筑場地含水層厚度在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。該類水透水性一般，在富水地段，單井一般500～1000m3/d，水質較好，水化學類型屬HCO3--Ca2+-Mg2+型，礦化度 0 .5～1g/L。其補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采、地下徑流和地表泉水。

4.5.2 新近系碎屑巖類孔隙裂隙水

該類地下水分為潛水和承壓水，頂部風化層潛水常與河谷潛水構成統一含水層，水質較好，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，而且水質也極差，礦化度大于2.5g/L。

4.6 人類經濟工程活動

人類活動是觸發滑坡的一個重要因素。人類的工程活動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、灌溉設施的滲漏等都能導致滑坡、崩塌、泥石流發生并影響其發展。主要表現在：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來源，同時人類活動加速了泥石流的發展。人類的工程活動如陡坡耕植、廢棄物的無序堆放等破壞了黃土坡地固有的徑流條件，導致黃土濕陷的發生和發展。

4.7 松軟巖土體分布廣泛

松軟的黃土，發育的滑坡、崩塌等重力的堆積物都是泥石流的主要物質來源，泥石流固體物質的來源是黃土、新近系泥巖、泥巖風化堆積體及人類經濟工程活動等松散物質。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。

5 結論

天水市北山突發性地質災害的類型主要有滑坡、崩塌、不穩定斜坡、地面塌陷和泥石流溝等五種類型。

（1）天水市北山的滑坡在物質組成上以黃土滑坡為主，在力學性質上以混合式為主，牽引式滑坡次之，在滑面埋深上以中層滑坡為主，在滑體規模上以小型為主。天水市崩塌按物質組成分以黃土崩塌為主，按動力成因以人為崩塌為主，按運動形式以傾倒式崩塌為主。區內滑坡、崩塌呈帶（片）狀分布，不穩定斜坡集中分布于人為活動強烈的地段，人類的工程活動如不合理的切削坡腳、陡坡耕植、建筑加載等都能導致滑坡、崩塌及泥石流的發生并影響其發展。

（2）天水市北山泥石流溝按物質組成以泥流為主，按流域形態分以溝谷型為主，按規模以小型為主。泥石流的形成和分布明顯受地質、地貌、暴雨、洪水等條件影響，山地強烈抬升、地勢陡變，為泥石流提供了地形地貌條件。而大量破碎、結構松散的碎屑巖石為其儲備了豐富的物質來源。

（3）造成地質災害發生的主要原因仍以自然因素為主，特別是突發性的地質災害絕大部分與大氣降雨有著十分密切的關系，但同時需要指出的是人類工程活動的影響也是導致本區地質災害發生的重要原因。

（4）泉水的出露分布較廣，對滑坡、黃土濕陷及泥石流的長期侵蝕，是地質災害發生的一個重要原因。

致謝工作過程中得到甘肅省科學院地質自然災害防治研究所馮學才老師的悉心指導，在此表示衷心地感謝!

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