Landslide hazard assessment based on improved catastrophe theory
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摘要: 滑坡危险性评价是滑坡风险评估的重要组成部分,对滑坡的预测和防治意义重大。传统滑坡危险性评价在计算指标间重要性时多采用AHP、专家评判法、模糊综合评判等方法, 但存在主观性较强,计算较为复杂等问题。研究基于一种改进的突变理论模型对滑坡进行危险性评价,选取坡度、坡向、高程、平面曲率、剖面曲率、距河流距离、地层岩性、土地利用类型、距断层距离、植被覆盖率、24 h降雨以及人类工程活动等12 个因子作为滑坡危险性评价的影响因子,采用熵权法判定指标间的相对重要性,并建立滑坡危险性评价体系;然后对指标进行标准化、归一化,计算总突变结果;最后使用拟合函数对总突变结果进行转换,得到新的滑坡危险性评价准则,并以雅安市的20 条滑坡对评价准则进行实例验证。结果表明,突变理论得到的评价结果准确率为90%,评价结果更加直观准确。Abstract: Landslide hazard assessment is an important part of landslide risk assessment, which is of great significance to landslide prediction and prevention. Analytic Hierarchy Process(AHP), expert evaluation, fuzzy comprehensive evaluation and other methods were often used in traditional landslide hazard evaluation to calculate the importance of inter-index, which were subjective and complicated. This paper introduced an improved model of mutation theory, which overcame the limitation of traditional methods and achieved higher evaluation accuracy. Firstly, according to field investigation and previous studies, 12 factors including slope, slope direction, elevation, plane curvature, profile curvature, distance from river, stratigraphic lithology, land use type, distance from fault, vegetation coverage rate, 24 h rainfall and human engineering activities were selected as influencing factors of landslide risk assessment, and the relative importance of indicators was determined by entropy weight method, and the landslide risk assessment system was established. Then the index was standardized and normalized, and the total mutation result was calculated. Finally, the fitting function was used to transform the total catastrophe result, and a new criterion of landslide risk assessment was obtained. Taking 20 landslides in Ya’an city as an example, the results showed that the accuracy of the evaluation results obtained by the catastrophe theory was 90%, and the improved evaluation results were more intuitive and accurate
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Keywords:
- landslide /
- risk assessment /
- catastrophe theory /
- entropy weight method
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0. 引言
岩溶塌陷是指岩溶洞隙上的岩、土体在自然或人为因素作用下发生变形,并在地面形成塌陷坑(洞)的一种岩溶动力地质作用与现象[1]。岩溶塌陷形成需要具备岩溶空间、一定厚度的盖层和触发因素三个基本条件[2]。已有研究发现岩溶塌陷具有集中分布趋势[3-4],如南宁市坛洛镇[5]、广州市夏茅、金沙洲和大坦沙[6]等均出现岩溶塌陷群迹象,因此,岩溶塌陷地质灾害除了具有突发性、隐蔽性等特点[7]外还具有群发性,也就是说岩溶塌陷地质灾害一般不会因为发生了就结束了,它将在未来某个时间还会再次发生,常常表现出周期性和重复产生的规律[1],其发生的时间主要与诱发因素作用强度有关,针对岩溶塌陷这一特点需高度重视。
近年来人为诱发的岩溶塌陷群受到大家关注较多[5-10],而自然诱发的岩溶塌陷群相关研究报道较少,比较著名的是广西玉林分界塌陷群和四川兴文小岩湾塌陷[1]。人为诱发的岩溶塌陷群预防相对较为简单且效果显著,只要控制好或切断人为诱发因素就能达到防止岩溶塌陷再次发生,实现主动防灾的目的。而自然诱发的岩溶塌陷群预防较为复杂,需查明其诱发因素并加以针对监测和精准预警方可避免受害,属于被动防灾,防灾难度大且效果难以保证,因此,自然诱发的岩溶塌陷群一旦发灾其破坏和影响程度要比人为诱发的岩溶塌陷群大得多,对此类成因的岩溶塌陷群更要加以关注。
本文依托“广东省城镇典型岩溶地面塌陷防治研究”项目,以佛山市高明区富湾镇李家村自然诱发的岩溶塌陷群作为研究对象,通过系统收集区域地质、构造、工程、水文、环境、气象、历史灾害等资料,结合钻探揭露结果,查明区域内地质环境条件和岩溶发育特征,分析形成过程,最后探讨其成因机理。为该地区岩溶塌陷的科学防灾减灾提供地质理论依据,从而保障当地人民群众生命财产安全和社会经济建设安全持续高质量发展。
1. 地质环境条件
研究区位于广东省中部佛山市高明区荷城街道办富湾镇南侧约600 m处,包括关家村、陈家村、李家村开田和余家村所在区域,面积约0.25 km2;地貌类型为珠江三角洲冲积平原区,属南亚热带季风型气候,日照充足,雨量充沛,多年平均气温为21.9 ℃,多年平均降雨量为1674.9 mm,其中4—9月为雨季,降雨量约占全年的80%。地表水系较发育,有鱼塘、小河流等,东侧距离西江最近约800 m。地表植被发育,长有高大树木。区内主要有四个村庄,未见有抽排地下水现象和其他人类工程活动。
1.1 地层岩性
研究区为第四系所覆盖,第四系地层有第四系残坡积层(Qedl)、海陆交互相沉积层(Qmc)和人工填土(Qml),下伏基岩地层为早侏罗世金鸡组(J1j)基岩,各地层的岩性简要描述见表1和图1。其中,第四系残坡积层(Qedl)为区内土洞发育的主要层位,早侏罗世金鸡组(J1j)岩层为区内溶洞发育层位。
表 1 研究区主要地层岩性表Table 1. Lithology table of main strata in the study area地质年代 地层单位及代号 岩性概述 第四系 人工填土(Qml) 以素填土为主,主要由粉质黏土和黏性土组成,含碎石和块石、砖块等。 海陆交互相沉积层(Qmc) 岩性主要为粉质黏土、淤泥、淤泥质土、粉细砂、粗砂、砂砾、砾石。 残坡积层(Qedl) 岩性主要由粉质黏土、粉土、粉砂、中砂和风化岩砾石、碎块组成。 侏罗系 金鸡组(J1j) 岩性以砾状灰岩为主,局部为砂页岩,砾状灰岩碎块角砾结构及致密胶结状重结晶结构;碎块角砾成分以灰岩角砾为主,其次为少部分的内碎屑及变质砂岩角砾。岩石的胶结物及填隙物成分主要由细碎屑及方解石组成,且以方解石数量居多;细碎屑主要为灰岩、砂岩细碎物以及少量的生物碎屑及鲕粒内碎屑;重结晶方解石呈填充状分布于碎块角砾间,方解石成分较纯。 1.2 地质构造
研究区位于北西向西江断裂组(f2)和北东向大尧山断裂组(f1)交汇处附近。区内至少存在三组次级隐伏断裂(编号:f1~f3)交汇(图1),其主要特征见表2。由表2可知,断裂作用导致岩石破碎、节理裂隙发育,对区内岩溶发育起到控制作用;此外,北东向断裂(f1)与西江断裂(f2)交汇为区内地下水形成强径流和频繁交换提供导水通道,对区内岩溶发育起到加速作用,在f1断裂沿线曾发生过3处岩溶塌陷。
1.3 工程地质条件
研究区覆盖层厚度16.70~68.50 m[11],土体类型属多层土体,岩石类型属碎屑岩类综合岩性组。根据沉积年代、成因、岩性和物理力学性质差异,将其自上而下共划分出17个工程地质层,其中,(1)、(2)-1~(2)-11和(3)为土层,(4)-1~(4)-4为基岩,各工程地质层特征见表3。
表 3 研究区岩土体特征表Table 3. Characteristics of rock and soil mass in the study area层号 地层代号 揭露厚度/m 土体特征概述 备注 (1) Qml 0.50~7.20 填土:广泛分布,由黏性土为主,含砂粒,局部见少量碎石、瓦片、砖块,已压实。 (2)-1 Qmc 1.50~7.80 粉质黏土:广泛分布,含少量砂粒,黏性一般-较强,可塑。 隔水层 (2)-2 0.50~9.80 淤泥质土:透镜状分布,含有机腐殖质、腐叶,局部夹淤泥质粉土、粉砂薄层,流塑。 相对隔水层 (2)-3 1.40~5.30 粉质黏土:较广泛分布,含粉细砂,局部含腐殖质,局部夹淤泥质土,稍密-中密,很湿,可塑。 隔水层 (2)-4 1.70~10.80 粉细砂:广泛分布,局部含较多黏粒,局部夹粉土、淤泥质土透镜体,松散-稍密,局部中密,饱和。 透水层 (2)-5 1.90~14.80 粉质黏土:较广泛分布,土质较杂,局部过渡有粉土、粉砂,局部夹淤泥质土薄层,黏性一般,软塑-
可塑。隔水层 (2)-6 0.40~14.40 淤泥质土:较广泛分布,含少量腐殖质及粉砂,局部过渡为淤泥,局部夹粉土、粉质黏土,流塑。 相对隔水层 (2)-7 1.20~13.30 粉细砂:广泛分布,含少量泥质,局部夹中砂,稍密-中密,局部松散或密实,饱和。 透水层 (2)-8 0.90~26.60 粉质黏土:广泛分布,含少量粉砂,黏性一般较强,可塑,局部硬塑,该层揭露到2个土洞,占总揭露土洞的11%。 隔水层、
土洞发育层(2)-9 1.50~6.50 淤泥质土:局部分布,含有机腐殖质,局部夹薄层粉砂,流塑。 相对隔水层 (2)-10 1.60~18.90 粉细砂:局部分布,含少量黏粒,局部夹粉土,稍密-中密,饱和。 透水层 (2)-11 0.90~3.70 粗砂、砾砂:透镜状分布,含较多泥质,以砾砂为主,局部过渡为粗砂、圆砾,密实,饱和。 透水层 (3) Qedl 0.80~18.50 残坡积土:广泛分布,以粉质黏土为主,含较多岩石风化的砂粒、角砾及碎石,可塑-硬塑状,中密-密实,饱和,该层揭露到16个土洞,占总揭露土洞的89%,是土洞发育的主要层。 隔水层、
土洞主要层(4)-1 J1j 1.50~9.17 全风化砂岩、炭质页岩:局部分布,砂岩密实砂土状,水冲易散;炭质页岩呈坚硬土状,局部夹煤层。 (4)-2 4.50 强风化砂岩:零星分布,半岩半土状,岩质极软,岩芯易折断。 (4)-3 1.40~2.80 中风化砂岩:局部分布,岩芯短柱状,岩质较坚硬,局部见褐铁矿化现象。 (4)-4 0.20~11.56 微风化砾状灰岩:广泛部分,砾状结构,砾石主要为灰岩砾,岩芯短或长柱状,岩质较硬-坚硬,个别较软,该层钻孔见洞率31.08%。 岩溶发育层 由表3可知,研究区覆盖层表现的特征总体为纵向上呈隔水层与透水层交替分层(即“隔−透”交替分层)、平面上存在漏水“天窗”,其中,(2)-1、(2)-3、(2)-5、(2)-8、(2)-11和(3)等隔水层中粉质黏土、残坡积土等土体所含黏粒间黏聚力作用可为土洞洞壁形成提供框架支撑结构,而(2)-4、(2)-7、(2)-10等透水层渗透系数大(1.3×10−2~2.77×10−2cm/s)[11]可为土层内细小颗粒流失形成土洞空洞提供通道。由于隔水层中存在“天窗”上下透水层之间形成沙漏效应,土体中细小颗粒(如细砂、粉砂等)在地下水潜蚀作用下通过“天窗”、透水层和导水通道自下往上逐步流失而留下黏性物质最终形成土洞,并会逐步扩大由小土洞发展为大土洞。钻探揭露发现土洞全部发育在土层最底层隔水层(3)和次底层隔水层(2)-8中,分别为2个和16个,分别约占总揭露土洞数的11%和89%,也验证了上述结果。(2)-2、(2)-6和(2)-9等淤泥质土层起到一定隔水作用,由于其具有流塑特性无法为土洞洞壁形成提供支撑力,一旦土洞发展切穿该层底面容易引起较大范围垮塌甚至引发地面塌陷,因此该层内一般不会发育土洞。程星等[12]将珠三角洲盖层地质模型概化为阻−透−阻型和透−阻−透型,并指出地下水流易向“天窗”处汇集形成超水力坡降引发“流土”现象,总之,这种带“天窗”的“隔−透”交替型地质结构对土洞的形成和发展十分有利。
此外,基岩砾状灰岩中胶结物方解石含量高且质纯,受构造作用岩石裂隙发育,加上断裂导水通道叠加作用,十分有利于地下水径流和交换,进而溶蚀和带走细小颗粒形成溶洞,并不断扩大和发展。
表 2 研究区主要断裂特征表Table 2. Characteristics of main faults in the study area断裂编号 走向 产状/(°) 长度/km 宽度/m 断裂特征概述 f1 北东 145∠45 3.5 2~10 为大尧山断裂组之次级断裂,主要发育早侏罗世地层之中,构造岩以碎裂岩为主,局部为硅化岩和硅化砂岩,带内裂隙发育。 f2 北西 10~25∠70~80 2.5 10~15 同属西江断裂组之南蓬山断裂的次级断裂,主要发育于泥盆系、石炭系地层中,构造岩由构造角砾岩、硅化岩和碎裂岩组成;断裂早期活动以压扭性为主,晚期活动表现为张扭性,具有活动多期性。 f3 北西 40∠50 2.5 10~25 1.4 水文地质条件
研究区地下水类型主要有松散岩类孔隙水和覆盖型碳酸盐岩类裂隙溶洞水两种,其地下水特征见表4。由于研究区紧靠西江,处于地下水强迳流和强交换带上,地下水和地表水联系密切且含水层厚度大,雨季地下水排入西江,旱季西江补给地下水,迳流方向有水平向也有垂直向,为区内岩溶发育提供有利的动力条件,同时也会直接诱发岩溶塌陷。此外,区内溶洞水水位普遍比松散土层水位高[8],说明区内溶洞水具有承压性,反映出该区域断裂导水性较好,是区内岩溶发育另一有利水文条件。
表 4 研究区地下水特征表Table 4. Groundwater characteristics in the study area地下水类型 地下水特征描述 松散岩类孔隙水 主要赋存于第四系海陆交互相沉积层和残破积层中,含水介质为(2)-4、(2)-7、(2)-10层砂砾石层和(3)层碎石土层,含水层厚度2.00~26.30 m;存在多个隔水层,上部为潜水、下部为微承压水;水位埋深1.00~3.80 m;富水性中等。 覆盖型碳酸盐岩类裂隙溶洞水 主要赋存于早侏罗世金鸡组(J1j)基岩裂隙和溶洞中,含水介质为(4)-4层微风化砾状灰岩,水位埋深1.30~1.60 m;富水性以中等为主,局部为丰富。 2. 岩溶发育特征及岩溶塌陷概况
2.1 土洞发育特征
研究区内收集到74个钻孔资料,其中有18个钻孔揭露到土洞,钻孔见洞率约24%,所揭露的各土洞特征见表5和图1。由图1可知,土洞发育与断裂走向基本一致且在断裂交汇带处集中。由表5可知,土洞洞顶土层厚度26.80~45.80 m,洞高0.70~9.53 m;约有48%的土洞呈半充填状态,约有39%的土洞呈充填状态,约有13%的土洞呈无充填状态;充填物质主要有流塑—软塑黏性土,含砂、砾石、碎石;部分土洞与土洞之间连通性较好,连结成大土洞。
表 5 研究区土洞特征表Table 5. Characteristics of soil caves in the study area孔号 土洞分布埋深/m 洞高/m 洞顶板土层厚度/m 充填情况 洞顶板最下部土层 所在层位 土类 厚度/m ZK9 33.00~37.50 4.50 33.00 半充填,洞底少量黏性土 残坡积土 1.20 (3) ZK22 26.80~36.33 9.53 26.80 洞底(0.33 m)充填少量黏性土 残坡积土 1.70 (2)-8 ZK22-1 32.20~10.30 9.10 32.20 无 残坡积土 1.00 (3) ZK23 27.10~30.12 3.02 27.10 无 残坡积土 3.60 (3) ZK23-1 29.50~30.70 1.20 29.50 无 残坡积土 1.10 (3) ZK26 35.10~39.20 4.10 35.10 充填砾夹泥 残坡积土 3.60 (3) ZK44 37.50~40.00 2.50 37.50 充填黏性土 残坡积土 11.40 (3) ZK44-1 37.00~39.00 2.00 37.00 充填流塑状黏性土 残坡积土 10.00 (3) ZK48 45.80~16.50 0.70 45.80 无 残坡积土 8.30 (3) ZK49 44.00~47.00 3.00 44.00 上部无充填、下部(1 m)充填黏性土 残坡积土 11.00 (3) ZK55-1 45.00~47.50 2.50 45.00 半充填软塑状黏性土 残坡积土 5.50 (3) ZK60 32.00~35.30 3.30 32.00 上部无充填、底部(0.3 m)充填黏性土 残坡积土 3.00 (3) ZK60-1 29.50~30.50 1.00 29.50 充填流塑状黏性土 残坡积土 1.50 (3) ZK61-1 28.70~31.30 2.60 28.70 充填流塑状黏性土 残坡积土 4.10 (3) ZK62 28.00~31.70 3.70 28.00 充填流塑状黏性土,含碎石 残坡积土 1.50 (3) ZK66 26.20~28.30 2.10 27.10 充填流塑状黏性土,含中砂、碎石 粉质黏土 1.20 (2)-8 ZK67 27.10~30.20 3.10 27.10 半充填流塑—可塑状黏性土 粉质黏土 3.50 (3) CZK3 27.30~35.30 8.00 27.30 半充填软泥,含碎石 残坡积土 7.20 (3) 2.2 溶洞发育特征
所收集到的74个钻孔中有23个钻孔揭露到溶洞,钻孔见溶洞率约31%,所揭露的各溶洞特征见表6和图1。由图1可知,溶洞与土洞发育分布基本一致,受断裂和古河道控制[10]。由表6可知,溶洞顶板埋深27.40~51.00 m,溶洞顶板砾状灰岩厚度0.20~6.20 m,溶洞以1~2层为主,个别达5层,单洞洞高0.30~11.00 m,单孔线岩溶率4.0%~89.0%;溶洞多呈充填或半充填状态,仅5个溶洞无充填物,充填溶洞占溶洞总数的63%,半充填溶洞占20%;充填物为流塑−软塑黏性土的溶洞占47%,充填物为砂、砾石的占37%。其中,充填及半充填溶洞分布于砾状灰岩的上部,埋藏浅,与古河道连通性好;而无充填的溶洞分布部位稍深,规模小。
表 6 研究区溶洞特征表Table 6. Characteristics of karst caves in the study area孔号 溶洞分布深度/m 洞高/m 洞顶板岩石厚度/m 洞顶板土层厚度/m 线岩溶率/% 充填情况 ZK11 33.00~33.50 0.50 1.50 29.00 6.3 无充填 ZK19 38.40~48.01 9.61 2.40 36.00 76.9 无充填 ZK20 33.10~33.50 0.40 1.20 31.90 4.4 无充填 ZK21 33.20~33.60 1.50 0.40 33.20 33.7 充填褐黄色黏性土 36.56~38.56 2.00 1.46 充填褐黄色砂土,含碎岩屑 ZK24-1 39.70~40.30 0.60 5.40 34.30 6.0 无充填 ZK25 36.10~36.90 0.80 2.90 33.20 8.1 充填褐黏性土,含较多砂 ZK26 41.30~42.00 0.70 2.10 35.10 25.0 充填卵石夹泥,未到底 ZK41 35.00~35.20 0.20 0.25 34.75 89.0 充填粗砂 35.60~43.50 7.90 0.40 充填碎块岩石及中粗砂 ZK42 32.40~38.00 5.60 5.00 27.40 51.9 充填碎石、中粗砂 ZK43 27.80~28.10 0.30 0.50 27.30 45.4 充填中砂 28.60~29.00 0.40 0.50 充填细砂 29.20~29.60 0.40 0.20 充填中砂 29.90~32.90 3.00 0.30 充填中砂 33.10~33.40 0.30 0.20 充填中砂 ZK44 43.90~46.65 2.75 3.90 37.50 39.6 上部无充填,下部(1.1 m)充填软塑状黏性土 ZK44-1 39.60~41.60 2.00 0.60 37.00 28.2 充填流塑状黏性土 ZK45 35.10~38.00 2.90 1.50 33.60 27.9 充填软塑状黏性土,含角砾、碎石 ZK58 34.80~37.30 2.50 1.70 33.10 42.6 充填黄色粉质黏土 38.80~40.60 1.80 1.50 充填黄色粉质黏土 ZK60 36.80~37.40 0.60 1.50 32.00 6.2 充填黄色黏性土 ZK61 32.30~36.50 4.20 5.50 26.80 40.4 上部无充填,下部(1.1 m)充填黏性土,含碎石、粗砂 ZK61-1 32.30~36.30 4.00 1.00 28.70 70.2 上部无充填,下部(1.3 m)充填流塑状黏性土 ZK62 41.90~43.60 1.70 1.70 28.00 13.8 上部无充填,底部(0.5 m)充填流塑状黏性土 ZK63 30.10~40.90 10.80 0.30 29.80 88.5 充填流塑状黏性土,含碎石、角砾 ZK65 32.7~33.1 0.40 3.80 28.90 4.0 无充填 ZK66 32.60~34.00 1.40 4.30 26.20 22.6 上部充填粗砂,含砾石
下部充填可塑状黏性土ZK67 34.80~44.60 9.80 4.60 27.10 66.2 半充填黏性土,含粗砂、砾石 ZK67-1 33.30~42.60 9.30 6.20 27.10 58.5 上部无充填,下部(2.6 m)充填流塑状黏性土 2.3 以往岩溶塌陷概况
研究区内曾发生过10处岩溶塌陷地质灾害[11],其特征见表7和图1。由表7可知,2005年4月25日—5月14日期间在树林内、鱼塘边和河涌边陆续发生过4处(编号:TX1~TX4),10月8日在干鱼塘内发现1处(编号:TX5),10月25日在西安河(干鱼塘底)内发现3处(编号:TX6~TX8),之后2006年3月10日又在西安河(干鱼塘底)内发现2处(编号:TX9~TX10)。塌陷坑直径0.6~5 m,个别达22.5 m,深度0.8~7 m,形态以圆形−近圆形为主,个别为长条形,按照塌陷坑数量个数分类标准[13],可知李家村岩溶塌陷群规模属中型。
表 7 研究区岩溶塌陷地质灾害特征表Table 7. Geological hazard characteristics of karst collapse in the study area塌陷编号 面积/m2 形状 规模/m 深度/m 位置 发生发展情况 灾害情况 TX1 528 近圆形 长22.5,宽22 7 李家村开田 始发时间为2005年4月25日,
盛发时间为2005年4月26日至
2005年5月8日;2006年3月10日
干鱼塘时发现毁树约10棵,直接威胁人员7户
26人,间接威胁86户386人。
经济损失超500万TX 2 19.6 圆形 直径5 4 西安河 TX 3 9.6 圆形 直径4.6 7 李家村开田 TX 4 200 近圆形 长18,宽15 7 李家村开田 TX 5 10.7 圆形 直径3.7 0.8 鱼塘底 TX 6 60.0 近圆形 长10,宽6.0 3.5 西安河 TX 7 19.6 圆形 直径5.0 3.2 TX 8 12.6 圆形 直径4.0 3.0 TX 9 长条形 宽0.7~0.8 1.0 TX 10 长条形 宽0.6~0.8 1.0 3. 岩溶塌陷群成因机理分析
3.1 岩溶塌陷群形成的发生过程分析
根据李家村岩溶塌陷群所记录的发灾经过[11](编号为TX1~TX4),结合塌陷发生先后位置的地形地貌、岩土体结构、岩溶发育和降雨情况等特点,将其发生过程划分为三个阶段:前期水渗气压阶段→中期软化塌陷阶段→后期振动群塌阶段,致塌模式属渗压−重力−软化型(图2)。各阶段特点简述如下:
(1)前期水渗气压阶段
因该区域长期受干旱少雨所影响,地下水位处于低位,在大暴雨作用时,雨水除一部分地表迳流流失外另一部分通过土体孔隙渗入土中,尤其是通过植物根系(如茂密树林)入渗至更深部,此时形成土层上部入渗水峰面,与地下水位面构成一个封闭区域,将土体孔隙中填充的气体包围其中,并随着入渗水峰面下降与地下水位面上升,包围在其中的气体体积被压缩产生反作用力,作用于土洞顶部土体中,并随着两个面的靠近被压缩气体的反作用力亦逐渐变大。
(2)中期软化塌陷阶段
雨水入渗水峰面的下降和地下水位面的上升所经过的区域土体发生软化,同时土洞上覆土体由非饱和状态变为饱和状态从而导致其上覆土体重力增加,入渗水峰面与地下水位面之间形成的气压冲击作用[14-18]、上覆土体饱和后增加荷载作用和土体软化作用共同导致土洞顶部土体发生垮塌,形成塌陷(TX1)。
(3)后期振动群塌阶段
TX1岩溶塌陷发生后,瞬间导致大量上部土体和地表水充填原有土洞空间并涌入溶洞内,有部分通过岩溶管道运移到其他地方,水土瞬间的垮塌产生强烈的岩土体振动作用和水体波动作用,通过“岩−土−水”媒介向四周传递,破坏四周区域岩土体的原有结构性能,改变原有“岩−土−水−气”系统的力学平衡极限,直接引发岩溶塌陷(TX2),或导致岩土体中抗垮塌力学平衡极限降低,并在其他外界因素(如降雨)的再次作用下,间接诱发岩溶塌陷(TX3),如此继续影响作用,不断四周外围扩展直接或间接引发塌陷(TX4~TX10),最终形成了塌陷群。
3.2 岩溶塌陷群形成的成因分析
通过对研究区地质环境条件及岩溶塌陷形成的演化过程综合分析,认为李家村岩溶塌陷群的致塌因素包括特殊的“岩−土−水−气”组合、断裂构造、植物根系和极端天气等。
3.2.1 内因与特殊的“岩−土−水−气”组合有关
(1)基岩:可溶岩基岩为早侏罗世金鸡组(J1j)砾状灰岩,砾石成分以灰岩为主,约占砾石的50%,钙质胶结,滴酸强烈起泡,CaCO3含量大于95%[11],属纯度较高的碳酸盐岩,极易溶蚀,为溶土洞发育和岩溶塌陷群的发生奠定了物质基底。
(2)土体:第四系海陆交互相沉积层(Qmc)广泛发育着这种带“天窗”的“隔−透”交替型地质结构,十分有利于地下水的跃层交换潜蚀和细小颗粒的运移流失,为土洞发育和地下水强迳流潜蚀作用创造了条件。第四系底部由砾状灰岩风化而成的残坡积层(Qedl)物质组成主要有残积黏性土并含灰岩碎石,具有一定的黏结力和透水性,十分有利于地下水潜蚀作用发育土洞,为区内孕育土洞的主要地质体[10]。
(3)水体:地表水(鱼塘、小河流、西江等)资源丰富,加之地下水位埋深浅,导致地下水与地表水水力联系密切;其次,第四系海陆交互相沉积层(Qmc)中透水砂层较厚,地下水可通过砂层迳流至西江,同时当西江水位上升时亦可接受西江水的渗流,常年反复作用形成地下水的强交换带;再者,地下水富水性中等−丰富且具有承压性,有利于可溶岩的溶蚀作用。总之,地下水丰富及其强迳流和强交换作用为溶土洞的形成和发展提供了有利的动力条件。
(4)气体:由表3可知上部土层以松散−稍密为主,土颗粒间存在较大空隙,充填着较多气体,一旦雨水入渗密封顶板后,土间气体将起到压力传递介质间接诱发岩溶塌陷作用。
3.2.2 趋势由断裂构造控制
区内多期次断裂构造作用一方面导致岩石破碎增加可溶岩石被溶蚀表面积和加速其风化速度,另一方面大尧山断裂组次级断裂(f1)与西江断裂(f2)的交汇沟通了地表水(西江)和地下水的联系,为区内形成地下水强迳流和强交换带提供了前提,从而控制着岩溶的发育。
3.2.3 过程受植物根系影响
高大树木根系可延伸进土中深处,从塌坑内观察可见较多树根延伸超过1.5 m,加上区内地下水位埋深浅(1.05~3.08 m),因此,植物根系作用可构成地下水与地表水的有利迳流通道。
3.2.4 诱因与极端天气有关
李家村岩溶塌陷群是在一场大暴雨后开始暴发的,当日降雨量高达151.20 mm。由图3可知,在岩溶塌陷群发生前两年(即2003年和2004年)年降雨量均小于1000 mm,日降雨量0~40 mm,平均日降雨量约10 mm,最大日降雨量约60 mm,两年间多达200 d为无雨日,导致该区域地下水水位持续下降,直至2005年4月25日发生塌陷前地下水位接近近年来历史最低位(埋深约7.50 m),出现大暴雨后,在“岩−土−水−气”等综合作用下产生较大的气压差从而诱发了岩溶塌陷。
综上所述,李家村岩溶塌陷群是在特殊的“岩−土−水−气”组合地质环境条件下,由强降雨作用诱发导致土洞垮塌引发一连串自然塌陷所形成的。
4. 结论
(1)李家村岩溶塌陷群的发生过程包括前期水渗气压、中期软化塌陷、后期振动群塌等三个阶段,其致塌模式为渗压−重力−软化型。
(2)李家村岩溶塌陷群是由强降雨诱发导致土洞垮塌引发一连串自然塌陷所形成的,其致塌因素主要包括特殊的“岩−土−水−气”组合、断裂构造、植物根系和极端天气等。基岩方解石含量高易溶蚀、带“天窗”的“隔−透”交替型地质结构、地下水的强迳流与频繁交换潜蚀作用和土体饱气的特殊“岩−土−水−气”组合为土洞和溶洞形成和发展起到决定性作用,北东向和北西向断裂交叉叠加作用对岩溶发育起到控制作用,植物根系增加地表水和地下水连通性,强降雨极端天气作用是主要诱因。
致谢:本文初稿完成后由本单位刘建雄教授级高级工程师进行审查,并给出了宝贵的修改意见,在此表示感谢!另外,感谢广东省城镇典型岩溶地面塌陷防治研究项目组全体成员,为本文的完成提供了重要帮助。
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表 1 一维状态变量的突变模型
Table 1 Mutation model of one-dimensional state variables
突变模型 控制变量维数 势函数 归一公式 折叠突变 1 尖点突变 2 燕尾突变 3 表 2 研究区滑坡的各评价指标
Table 2 Evaluation indexes of landslide in the study area
滑坡点 24 h降雨
/mm地层岩性 距断层距离
/km土地利用
类型坡度
/(°)高程
/m坡向
/ (°)平面曲率 剖面曲率 距河流距离
/km植被
覆盖率1 17 砂岩 3.1176 有林地 11.5042 1403 22.8906 −0.5440 0.5321 0.3168 0.3029 2 2 砾岩 7.0588 灌木林 11.9137 1002 99.0903 −0.5742 0.1138 0.1740 0.1429 3 16 砂岩 11.1765 旱地 9.6462 789 11.3099 0.0217 0.1496 0.1740 −0.1176 4 9 砂岩 3.8235 疏林地 11.2428 968 326.9761 −0.0350 0.0433 0.1020 −0.0078 5 18 砂岩 7.0588 旱地 27.0311 696 210.9638 0.1002 −0.1583 0.4400 0.2735 6 12 砾岩 0.4118 旱地 15.9518 809 122.7352 0.0380 0.2003 0.0900 0.3369 7 18 砂岩 5.0588 水田 24.1319 1827 170.3625 0.0489 −0.0072 0.2800 0.4900 8 6 砂岩 7.6471 高覆盖度草地 16.7599 815 255.5792 −0.0965 0.0915 0.0432 0.4749 9 8 泥岩 2.3529 旱地 20.9576 1574 81.8699 −0.0307 −0.1013 0.2720 0.3189 10 17 泥岩 6.4706 中覆盖度草地 20.8143 1103 243.9967 −0.1543 −0.0356 0.1260 0.2003 11 3 砂岩 4.7059 城镇用地 12.9588 649 58.3245 0.1499 −0.0642 0.0300 −0.0732 12 17 砂岩 2.6471 有林地 20.7455 1205 124.3151 0.0250 −0.1204 0.3000 0.3348 13 15 砂岩 9.0000 中覆盖度草地 23.0888 2094 85.5154 −0.0577 −0.2289 8.6000 0.1837 14 18 砂岩 4.1176 旱地 7.8539 611 25.0169 −0.0866 0.2141 0.0800 0.1813 15 13 冲洪积砾石及砂土 2.2353 旱地 18.4350 1086 180.0000 −0.1286 −0.1171 0.1640 0.0000 16 5 砂岩 8.5294 旱地 18.5686 726 60.2551 0.0832 −0.0702 0.1000 0.2671 17 22 冲洪积砾石及砂土 2.3529 旱地 7.1172 1096 334.2900 −0.1590 0.4979 0.1680 0.3975 18 32 砂岩 8.4706 旱地 29.2601 1769 59.6209 0.1344 −0.0270 6.5000 0.4317 19 34 冲洪积砾石及砂土 8.8235 旱地 14.7525 576 85.4622 0.1103 0.0115 0.0440 0.2170 20 34 砂岩 7.0588 中覆盖度草地 14.7242 889 267.2737 0.3683 −0.3448 0.3120 0.3745 表 3 滑坡危险性评价体系
Table 3 Landslide risk assessment system
目标层 突变模型 准则层 突变模型 中间层 突变模型 指标层 滑坡危险性A 燕尾突变(非互补) 地形地貌B1 尖点突变(非互补) 地貌C1 燕尾突变(非互补) 剖面曲率D1 平面曲率D2 坡向D3 滑坡形态C2 尖点突变(互补) 高程D4 坡度D5 地质条件B2 燕尾突变(非互补) 岩性条件C3 折叠突变 地层岩性D6 构造条件C4 尖点突变(非互补) 距断层距离D7 距河流距离D8 植被条件C5 折叠突变 植被覆盖率D9 诱发因素B3 折叠突变 致灾因子C6 燕尾突变(非互补) 24 h降雨D10 土地利用类型D11 人类工程活动D12 表 4 底层指标
与总突变结果 对应关系Table 4 Corresponding relationship between underlying indicators
and total mutation resultsx 0.00 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30 y 0.0000 0.5866 0.7407 0.7900 0.8215 0.8451 0.8640 x 0.35 0.40 0.45 0.50 0.55 0.60 0.65 y 0.8799 0.8937 0.9058 0.9167 0.9266 0.9356 0.9440 x 0.70 0.75 0.80 0.85 0.90 0.95 1.00 y 0.9517 0.9590 0.9658 0.9723 0.9784 0.9842 0.9897 表 5 标准化结果
Table 5 Standardization results
序号 剖面曲率 平面曲率 坡向 高程 坡度 地层岩性 距断层距离 距河流距离 植被覆盖率 降雨 土地利用类型 人类工程活动 1 0.9448 0.0845 0.0749 0.4956 0.1978 0.90 0.7696 0.9693 0.3532 0.4299 0.70 0.89 2 0.5112 0.0554 0.5236 0.2709 0.2137 0.60 0.4391 0.9844 0.5926 0.0050 0.60 0.34 3 0.5483 0.6302 0.0067 0.1516 0.1257 0.90 0.0937 0.9844 0.9824 0.4142 0.50 0.35 4 0.4381 0.5755 0.2170 0.2519 0.1876 0.90 0.7104 0.9920 0.8180 0.1928 0.80 0.30 5 0.2291 0.7059 0.8351 0.0995 0.8000 0.90 0.4391 0.9562 0.3973 0.4484 0.50 0.40 6 0.6009 0.6459 0.6628 0.1628 0.3703 0.60 0.9965 0.9933 0.3023 0.3021 0.50 0.33 7 0.3858 0.6563 0.9432 0.7331 0.6876 0.90 0.6068 0.9732 0.0733 0.4619 0.40 0.80 8 0.4880 0.5161 0.5974 0.1662 0.4016 0.90 0.3897 0.9983 0.0958 0.1115 1.10 0.32 9 0.2882 0.5796 0.4222 0.5914 0.5645 1.40 0.8337 0.9740 0.3293 0.1648 0.50 0.32 10 0.3563 0.4604 0.6591 0.3275 0.5589 1.40 0.4884 0.9895 0.5067 0.4299 1.20 0.32 11 0.3266 0.7538 0.2835 0.0732 0.2542 0.90 0.6364 0.9997 0.9159 0.0415 0.10 0.20 12 0.2684 0.6333 0.6721 0.3846 0.5562 0.90 0.8091 0.9711 0.3054 0.4299 0.70 0.30 13 0.1559 0.5536 0.4436 0.8827 0.6471 0.90 0.2763 0.0912 0.5315 0.3869 1.20 0.48 14 0.6152 0.5257 0.0874 0.0519 0.0562 0.90 0.6857 0.9944 0.5351 0.4485 0.50 0.31 15 0.2718 0.4852 1.0000 0.3180 0.4666 1.50 0.8436 0.9855 0.8064 0.3077 0.50 0.32 16 0.3204 0.6895 0.2949 0.1163 0.4718 0.90 0.3157 0.9923 0.4068 0.0893 0.50 0.30 17 0.9093 0.4558 0.1781 0.3236 0.0276 1.50 0.8337 0.9851 0.2117 0.5660 0.50 0.30 18 0.3652 0.7389 0.2911 0.7006 0.8865 0.90 0.3207 0.3138 0.1605 0.8430 0.50 0.46 19 0.4051 0.7156 0.4433 0.0323 0.3238 1.50 0.2911 0.9982 0.4817 0.9048 0.50 0.35 20 0.0357 0.9645 0.5351 0.2076 0.3227 0.90 0.4391 0.9698 0.2461 0.9050 1.20 0.40 表 6 滑坡危险性评价准则
Table 6 Criteria for landslide hazard assessment
危险性级别 高危险 中危险 低危险 改进前 (0.9100, 1] (0.8500, 0.9100] (0, 0.8500] 改进后 (0.4798, 1] (0.2916, 0.4798] (0, 0.2916] 表 7 滑坡危险性评价结果
Table 7 Landslide risk assessment results
序号 改进前 危险性 改进后 危险性 现场调查结果 1 0.8057 低危险 0.2019 低危险 低危险 2 0.6435 低危险 0.0526 低危险 低危险 3 0.6586 低危险 0.0596 低危险 低危险 4 0.8561 中危险 0.3068 中危险 中危险 5 0.8880 中危险 0.3998 中危险 中危险 6 0.8654 中危险 0.3313 中危险 高危险 7 0.8493 低危险 0.2900 低危险 低危险 8 0.8330 低危险 0.2531 低危险 低危险 9 0.8605 中危险 0.3181 中危险 中危险 10 0.9140 高危险 0.4961 高危险 高危险 11 0.7670 低危险 0.1465 低危险 低危险 12 0.9216 高危险 0.5281 高危险 高危险 13 0.9019 中危险 0.4486 中危险 中危险 14 0.7434 低危险 0.1204 低危险 低危险 15 0.9046 中危险 0.4589 中危险 中危险 16 0.8177 低危险 0.2230 低危险 低危险 17 0.8124 低危险 0.2134 低危险 中危险 18 0.8919 中危险 0.4130 中危险 中危险 19 0.8113 低危险 0.2114 低危险 低危险 20 0.8310 低危险 0.2492 低危险 低危险 -
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