地灾孕育环境地质条件及灾害发育规律

2.3　地灾孕育环境地质条件及灾害发育规律

2.3.1　地质环境表征因素的识别

山地公路所处的地质环境对沿线地质灾害的发育、发生及发展演化具有很大的影响，可以说是地质灾害发育的基础条件。结合前人研究成果，综合考虑本次实地调研的具体情况，本书对山地公路地质环境的表征因素进行了识别，他们分别是地形地貌、地层岩性、地质构造、斜坡体类型、水文地质和植被覆盖条件等。上述指标还包含了一些二级指标，如反映地形地貌的二级指标是地面高程和地形坡度等。确定了用于描述山地公路地质灾害孕育环境的地质要素后，可根据实地调研数据研究各单因素条件下地质灾害的发育规律，从而进一步研究地质灾害对山地公路环境条件的敏感性，这也是对其进行定量化危险性评价的必要基础工作。

2.3.2　山地公路地质灾害对地质环境因素的响应规律

1）地形地貌

（1）重庆市总体地形地貌特征概况

重庆地区大约处于川东褶皱带、川鄂湘黔隆褶带、川黔南北构造带、大巴山断褶带、川中台拱等几种地质构造带上，其中川东褶皱带是区域内占主导地位的地质构造形态，其特点是背斜褶皱紧密，多发育成条状山岭，向斜宽阔，多发育成低缓的丘陵或平坝^［76］。重庆市三维地貌如图2.4所示。

图2.4　三维地貌图

由于各构造系基本特征及其发生、发育规律存在很大差异，且岩层组合不同，因此塑造了重庆市复杂多样的地形地貌形态。总体呈如下特征^{［77，78］}：

①地势起伏大，层状地貌明显。全市最低点在巫山县碚石村鱼溪口，海拔73.1 m；最高点为巫溪、巫山和湖北神农三县交界的阴条岭，海拔2 797 m，相对高差2 723.9 m。东部、东南部和南部地势高，多在海拔1 500 m以上；西部地势低，大多为海拔300～400 m的丘陵。

②地貌造型各异，以山地、丘陵为主。全市地貌类型分中山、低山、高丘陵、中丘陵、低丘陵、缓丘陵、台地、平坝8类，其中山地（中山和低山）面积62 413.24 km2，占幅员面积75.8%；丘陵面积近14 985.76 km2，占18.2%；平地2 964.22 km2，占3.6%；平坝面积1 976.14 km2，占2.4%。

③地貌形态组合的地区分异明显。华蓥山—巴岳山以西为丘陵地貌；华蓥山至方斗山之间为平行岭谷区；北部为大巴山中山台地；东部、东南部和南部属巫山大娄山山区。

④喀斯特地貌分布广泛。在东部和东南部地区，喀斯特地貌大量集中分布，地下水和地表喀斯特形态发育较好。在北斜条形山地中发育了渝东地区特有的喀斯特槽谷奇观。在东部和东南部的喀斯特山区分布着典型的石林、峰林、洼地、浅丘、落水洞、溶洞、暗河、峡谷等喀斯特景观。

（2）重庆市国省干线公路沿线地貌概况

根据实地考察情况，并结合相关工程勘察资料，重庆市域范围内部分重点调查的国、省道干线公路的详细地形地貌情况，如表2.8所示。

（3）不同高程分布区域地质灾害发育规律

①高程分布特征

从重庆市三维地貌图和数字高程模型（图2.5）可获取重庆市地势变化的定量特征（表2.9）。因此按照高程分级进行定量统计，获得重庆市地势高程分级面积及其比例。

图2.5　重庆市数字高程模型图

表2.9　重庆市地势高程分级统计

续表

以海拔高程分布而论，区域内海拔高度分布离散性较大，地灾灾害易发程度存在差异。以海拔高度400 m、600 m、800 m、1 200 m为界，各区间内地域面积分别为23 899.52 km2、16 813.47 km2、9 883.49 km2、16 510.96 km2、12 378.04 km2，各占幅员面积的26.00%、20.40%、15.53%、20.03%和18.14%。

②地质灾害发育规律

高程对地质灾害分布的影响主要表现在不同高程范围内斜坡临空面人类活动强度差异、降雨等微观气候存在差异。另外，不同高程范围具有不同的植被类型和植被覆盖率也影响了斜坡的稳定性。本书基于调查的重庆市国省干线1 957个历史灾害点的高程分布，统计了5个高程范围内地质灾害发生个数，并绘制了统计直方图（图2.5）。由图可知，重庆国省干线公路地质灾害易发性由强到弱的高程范围依次是600～800 m、400～600 m、100～400 m、800～1 200 m、大于1 200 m。

图2.6　重庆市公路地质灾害各高程区间发育数量统计直方图

从不同高程范围单灾种地质灾害发育程度来看，滑坡灾害发生频数最大的高程范围是600～800 m，其次为400～600 m的高程范围，与灾害点总数的规律基本一致；最易于发生崩塌灾害的高程范围区间依次是600～800 m、400～600 m、800～1 200 m、100～400 m、大于1 200 m。

（4）不同坡度分布区域地质灾害发育规律

①坡度分布特征

为研究需要，笔者根据国际科学数据服务平台（Intenational Scientific Date Sevice Platform）提供的全球GDEM 30 m数字高程数据，利用ARCGIS软件的坡度分析模块对重庆市区域范围内的坡度进行分析，最后得到重庆市土地面积坡度分级图（图2.7），并统计各级坡度的面积及其比例（表2.10）。从表2.10可以看出，重庆市区域范围内平地与缓坡地（坡度＜15° ）几乎占一半，对地质灾害的敏感性较小，另有55.22%的区域敏感性相对较大，其中有4.03%的土地坡度在35°以上，对地质灾害高度敏感，主要分布在长江的南岸以及渝东北的中低山区，极易发生地质灾害。

图2.7　重庆市土地坡度分级图

表2.10　重庆市土地面积坡度分级统计

②地质灾害发育规律

地形坡度是地质灾害发生的一个主要影响因素，它不仅影响评价区域范围内地应力分布，而且对地表水径流、地下水的补给与排泄、松散物质（风化层）的堆积厚度、植被覆盖度等起着决定性的控制作用，进而控制边坡的稳定性，是各种地质灾害形成的内在动力源。

根据现场调查资料，重庆国省干线公路两侧斜坡以高陡坡为主，大于30°的斜坡占绝大部分区段。根据调查区段路网地质灾害发育特征和斜坡坡度特征，将地形坡度划分为0°～15° 、16°～30° 、30°～45° 、45°～65° 、65°～90° 5个区间，统计各个区段地质灾害发育情况，结果如图2.8所示。重庆国省干线公路沿线最有利于地质灾害发育的坡度区间为30°～70° ，然后依次为70°～90° 、15°～30° 、0°～15° ，地质灾害发育最少的坡度为0°～15° 。其中30°～50°和50°～70°两个坡度区间发育程度差异性不大，两个区间地质灾害数量占总数量的66.07%，因此，30°～70°坡度区间可称为公路地质灾害发育优势坡角。

通过图2.8可以看出，滑坡和崩塌灾害在不同坡度间的发育情况和全部地质灾害点的分布特征具有基本相同的规律，但在优势坡角上存在显著差异。滑坡灾害在各坡度区间上的发育强度依次是30°～50° 、50°～70° 、15°～30° 、0°～20° ；崩塌灾害在各坡度区间上的发育强度依次是50°～70° 、70°～90° 、30°～50° 、15°～30° 、0°～20° ，其中低于15°的边坡不发生崩塌地质灾害。

图2.8　重庆市公路地质灾害各坡度区间发育数量统计直方图

2）地层岩性

（1）重庆市岩土体类型

根据重庆市地表组成物质的结构特征、理化特征及对地貌发育的作用，可将其岩土体类型分为5类：

①软弱松散地层岩组（SQ）

软弱松散地层岩组（SQ）分布于重庆市各个区域，按其成因类型，主要有冲积和混合堆积。前者系由沙、粘土、砾石组成的河床相堆积，主要断续分布于长江、嘉陵江、乌江、渠江等沿岸，恰是公路沿线区域；后者主要是指剥蚀平坝堆积，分布范围同样遍及重庆市各个区域，寒武系由冲积、洪积、残积等堆积物组成，亚粘土、粘土为主要组成成分。

②软弱软硬相同的层状碎屑岩岩组（SD）

软弱软硬相同的层状碎屑岩岩组（SD）主要是指以泥岩、砂岩、页岩为主的互层岩组，本组主要为罗侏系珍珠冲组、新田沟组、蓬莱镇组构成，为浅湖泊或河湖泊相堆积。该组主要特征为砂岩与泥、页岩，互层，其中泥页岩之比大于1∶1。砂岩主要为紫红色、灰紫色，具有层状和块状结构，以中粒、细粒长石石英砂岩、碎屑石英砂为主。砂岩所含矿物组合，石英含量大于70%，长石为10%～35%。副矿物中含有大量绿帘石，组成绿帘石—磷灰石—锆石组合。黏土矿物主要为水云母及绿泥石和蒙脱石。

③坚硬较坚硬岩溶化碳酸盐岩岩组（HC）

本岩组由下三叠系浅海相的飞仙关组组成，主要分布于背斜轴部及綦江南部，以紫色、暗紫色钙质泥岩为主，中夹有灰色灰岩，生物碎屑灰岩。

④坚理较坚硬块状结晶岩岩组（HM）

本岩组由寒武系地层组成，分布于重庆市南部川黔边界地区。主要由咸化浅海相沉积的灰色、深灰色中厚层状白云岩、白云质灰岩与灰岩组成，中夹有角砾状白云岩、砂岩白云岩等。

⑤坚硬厚层状碎屑岩岩组（HD）

本岩组以硬质砂岩为主，质地坚硬，干抗压320～1 000 kg／ cm2，由三叠系须家河组地层组成，为内陆湖沼—河流相堆积，主要呈条带状展布于背斜轴部或翼部。本组以灰色、灰白色块状粗、中或细粒长石石英砂岩为主（其组成成分为石英75%，长石13%～15%，岩屑15%～20%（以硅质岩为主，次火山岩、花岗岩、泥岩等），颗粒为棱角至次圆状），泥岩占14.4%。

（2）地质灾害发育规律

地层岩性是影响地质灾害发育特征的控制性因素之一。经验表明，岩体的坚硬程度或其呈现的结构由岩体自身的物理特性及组合方式决定，岩土性质松软、裂隙发育及其造成的结构不完整，或是斜坡体内存在软弱结构面时，则失稳变形的几率相应增大。可以说地层岩性和岩土体性质是地质灾害孕育、发生、发展的物源基础，它不仅控制了滑坡、崩塌等地质灾害的发育和分布，同时很大程度上制约其活动方式及规模。

在现场勘查及地质灾害基础资料整理的基础上，本书按照各种灾害点所属岩性的比例进行统计（图2.9），不同类型岩组地质灾害发育程度的顺序依次为HD、HC、SD、HM和SQ。对各单灾种地质灾害而言，滑坡、崩塌灾害的发育规律与灾害总数的发育规律基本相同，但在优势岩组分布上略有差异。滑坡灾害对不同岩组的发育程度依次为SD、HD、HC、HM和软SQ；崩塌灾害对不同岩组的发育程度依次是HD、HC、HM、SD和SQ。

图2.9　重庆市公路地质灾害各岩组发育数量统计直方图

3）地质构造

（1）重庆市地质构造特征概况

岩土体是地壳表层的一种地质体，其形成过程和垂向堆垛与所处大地构造相关，空间分布同样受到浅层构造变形及其构造格架的控制。同时，岩土体稳定性与新构造，特别是活动性构造作用的强度更有着极其密切的关系。因此，本书用活动论和系统论的观点，以构造为主线，提出重庆构造—岩土体分区方案，以更好地探讨作为地质灾害形成的载体和物质基础的岩土体条件。

根据岩土体所处地点构造单元的性质、层状岩土体发育情况及其物质特征、岩体（层）的构造变形样式和构造格架及其空间状态，以及活动构造对岩土体的影响程度和稳定性等，可将重庆分为4个构造——岩土体分区，如图2.10所示。

图2.10　重庆市地质构造单元略图

（2）重庆市国省干线公路地质构造特征概况

根据实地考察情况，并结合相关工程勘察资料，重庆市域范围内部分重点调研的国省道干线公路的详细地质构造情况，如表2.11所示。

（3）地质灾害发育规律

地质构造主要存在褶皱和断裂两种类型。前者因挤压作用形成，岩体失去完整性、裂缝高度发育，同时易于遭受较强烈的风化和溶蚀作用；后者往往分布在深大断裂活动带及其附近地段，岩体破碎程度高，相比褶皱构造更易遭受侵蚀、溶蚀或风化。总体来讲，断裂构造区域比褶皱构造区域的地质灾害发育程度高。

①褶皱构造

重庆地区轴部附近多为平坦的山脊或谷地地形，构造迹线与地形等高线的叠加分析表明，褶皱轴部山脊相对平坦的地形宽度一般为200～300 m。根据刘传正等的研究，褶皱构造对地质灾害的影响距为1 250 m。据此，本书对褶皱构造区的影响区分析设定间距步长为300 m，从轴部往两侧1 250 m范围内共分5个对称条带，并统计各条带内地质灾害的分布数，从而分析褶皱影响区地质灾害的发育情况。统计结果表明（图2.11），随着与褶皱轴部距离的增大，地质灾害的分布数量逐渐减少。

图2.11　褶皱构造影响范围内不同距离发育数量统计直方图

对于单种类地质灾害，滑坡崩塌地质灾害与地质灾害发育总数表现出同样的变化趋势，由此可以定性评价褶皱轴部不同距离范围内两种地质灾害的易发性。由图2.10可认为，滑坡、崩塌地质灾害危险性强弱的距离区间依次是0～250 m、250～500 m、500～750 m、750～1 000 m、大于1 000 m。

②断裂构造

重庆国省干线公路断裂构造主要分布于奉节巫山一带，断裂构造对地质灾害的影响距亦为1 250 m，表现出与褶皱构造相同的发育规律（图2.12）。

图2.12　断裂构造影响范围内不同距离发育数量统计直方图

4）斜坡体类型

（1）重庆市国省干线公路斜坡体类型分布特征

斜坡类型是地层产状，地质构选与地形地貌之间复杂配置关系的高度概括，综合体现了斜坡坡度、坡向与地层倾向和倾角的空间状况及组合形式。在很大程度上决定了斜坡岩土体变形的方式和强度。根据统计调查资料，重庆市国省干线公路沿线斜坡体类型主要有5类，分别是平缓层状斜坡（Ⅰ）、斜向／反向碳酸岩斜坡（Ⅱ）、斜向、反向碎屑岩斜坡（Ⅲ）、顺向坡／土质斜坡（Ⅵ）、结晶岩斜坡（Ⅴ）。上述坡体类型几乎展布于各个路段。

（2）地质灾害发育规律

因斜坡体结构类型对崩塌、滑坡等地质灾害的分布同样起着重要作用，故本书绘制了如图2.13所示的重庆市国省干线公路地质灾害在各种斜坡体类型中的数量分布直方图。图中显示不同斜坡类型地质灾害的分布存在较大的差异，从数量分布可得出易于发生地质灾害的各类型顺序依次是：斜向／反向碎屑岩斜坡（Ⅲ）、顺向坡／土质斜坡（Ⅵ）、斜向／反向碳酸岩斜坡（Ⅱ）、平缓层状斜坡（Ⅰ）、结晶岩斜坡（Ⅴ）。从单灾种地质灾害来看，崩塌灾害与灾害点总致的分布情况其有同样的趋势，在顺向坡、土质斜坡（Ⅵ）中的分布频数最大。

图2.13　不同斜坡类型地质灾害发育数量统计直方图

5）水文地质

（1）重庆市水文地质特征

分析区域水文地质特征可从地下水赋存介质、水动力学特征地表径流特征及河流切割特征等方面入手。对重庆地区而言，地下水可分为松散岩类孔隙水和基岩裂隙水两大类。前者主要分布于低山斜坡、丘陵地带及河谷岸坡表面的第四系松散堆积层当中，由于受到降雨、人工排水、江水及下伏基岩裂隙水补给，呈现较大的动态变化特征；对沿江岸坡地带的土质滑坡、崩塌层级人工堆积层透水性强，地下水动态受降雨及两江水位变化影响较大，旱季时不含水或水位埋深大。在公路期接受降雨及江水补给，地下水位受江水控制，随江水位变化而变化，堆积体大部分呈饱水状态。后者可进一步划分为泥岩类风化裂隙水机砂岩类空隙裂隙水，含水的岩性组合不同造成水文地质结构类型存在差异，水动力学特征亦不同。地表径流首先影响地貌发育，进而对地质灾害产生影响，重庆市地表径流总体上从南向北递减，区域差异较大，最高径流深度900 mm，最低为350 mm左右，径流系数0.38。经验表明，在雨水丰沛、河流密集区域，河流切割是影响水文地质条件的主控因素，重庆市由范围内的长江、嘉陵江及乌江等几大水系基本上决定了该区域的水文地质特征。

（2）河流切割与地质灾害的关系

按照主成分分析法的基本思路，可以河流切割为主成分来分析研究重庆市水文地质条件与地质灾害的关系，用以探究其致灾规律。相关研究表明，区域内河流切割密度特征与地质灾害分布密度特征基本呈正相关，可认为河流切割区域是地质灾害的主要孕育场。从致灾机理上看，一方面，河流切割后，岩土体含水状态发生变化，致使其力学特征发生变化；另一方面，河流的削坡作用使坡体形成了有利于失稳的临空面。本书在分析河流切割对地质灾害的影响时，同样沿用“影响距”的概念，以重庆市范围内长江干流、一级支流、二级支流和三级支流水系为中心线，以200 m宽度为划分单位分带，统计了各条带内滑坡、崩塌灾害的发育数量，并绘制相应图表（图2.14）。统计结果表明，离水系越近，地质灾害密度越大；在距离水系400 m范围内，地质灾害点约占总数的57.5%。据此确定河流切割的影响距为400 m，即从水系中心线向两侧400 m范围内的地质灾害易发性最高。从单灾种地质灾害来看，滑坡、崩塌灾害具有同种趋势，在水系两侧400 m范围内灾害点所占比例达70%以上。

图2.14　河流切割影响范围内地质灾害发育数量统计直方图

（3）地下水位与地质灾害的关系

河流切割考虑的是区域水系对地域单元的切割作用。江河湖泊的水位变化同样对斜坡稳定性有很不利的影响。水位的升降引起坡提体前缘内部动水压力的变化，从而降低有效正应力，对斜坡稳定性产生不利影响。

6）植被覆盖

植被状况对斜坡稳定性具有一定的影响作用。如图2.15所示，当植被覆盖度为10%～50%，地质灾害发育频数最高，其次为植被覆盖度小于10%的区域。当植被覆盖度大于50%时，灾害分布频数最低。究其原因，植被对斜坡稳定性的贡献除了大幅度减少坡面破坏以外，其根茎还具有一定的根固作用，同时植被的存在，还有利于减缓坡面水流速度。而植被覆盖度小于10%时，区域范围内一般分布有坚硬碳酸盐组，稳定程度高。

图2.15　不同植被覆盖率地质灾害发育数量统计直方图