广州北部山区斜坡类地质灾害致灾机理及易发性分析——以广州从化良口—吕田一带为例

庄卓涵

(广东省地质调查院，广东 广州 510080)

广州北部山区广泛分布侵入岩，断裂构造较为发育，地壳风化强烈，风化层厚度较大且分布较广，在强烈的人为工程活动(修建公路及削坡建房)干预下，大量的风化壳边坡易发生崩塌、滑坡等斜坡类地质灾害[1-2]。区内已查明斜坡类地质灾害大多发生在花岗岩全风化土及残积土所在边坡。

近年来，GIS技术在地质灾害研究中的地位日益突出，其应用广度及深度也逐渐拓宽[3-5]。而较常见的斜坡类地质灾害易发性评价方法主要有层次分析法[6-8]、信息量法[9-10]、神经网络模型[11]、综合危险性指数法[12]等等。

本文在充分分析斜坡类地质灾害发育特征和区域地质环境条件，刻画其致灾机理，选取合适的致灾因子，以GIS技术和RS技术为基础[13-14]，采用层次分析法和综合指数法相结合的方法[15]，对区内斜坡类地质灾害易发性进行评价分区。

1.1 地形地貌

区内以中低山-丘陵地貌为主，地形坡度一般小于20°，在良口镇五指山地区坡度相对较陡，坡度20°～40°；
在佛冈县羊角山、流溪河水库周围、石榴花顶、元山等山区地形切割较大，坡度多为30°～60°。

1.2 岩土体条件

研究区发育有泥盆系、石炭系、三叠系、白垩系及第四系，出露面积占比约20.0%。另外，区内岩浆岩发育，分布广泛，侵入岩主要呈岩基、岩株及岩墙状产出，岩性多为二长花岗岩，面积占比为75.9%。

1.3 断裂构造

研究区处于北东向广从断裂带与东西向佛冈-丰良断裂带交汇处，构成区内构造基本格架的构造形迹主要表现为脆性断裂，走向以北东为主，东西及北西次之。北东向断裂在区域上属于恩平-新丰断裂带中段广州-从化断裂的北延部分，发育多条近平行的北东向断裂，呈带状发育，具为多期活动特征；
东西向断裂在区域上属于佛冈-丰良断裂带之主干断裂清远-安流断裂西段，为形成于印支期的基底断裂，控制了晚三叠世山间盆地的空间分布；
北西向断裂多规模较小，走向上延伸不远，为脆性断层。

1.4 降雨

研究区属亚热带季风气候，雨热同期，雨量充沛，多年平均降雨量为1 800～2 178.5 mm，主要集中在夏季，6-9月多台风天气，伴随有强降水。

图1 崩塌演化模式图

2.1 崩塌

崩塌的变形破坏受内外因素控制，内在因素包括地形地貌、地层岩性、地质构造、物质组成、结构面发育程度；
外在因素包括地震、降雨、人类工程活动等[16]。

根据收集调查灾害点现状、结构类型特征以及现今变形破坏迹象的分析，区内崩塌的破坏模式主要为冲蚀-崩滑，具体致灾机理如下(见图1)。

初始坡体处于稳定平衡状态，植被覆盖率较高，坡体较为稳定，结构面少量发育；
因修建道路或建造房屋需要对边坡进行开挖，开挖后，临空面发生卸荷回弹，坡顶及坡面出现微裂隙(图1a)。雨水沿着裂隙及作业残留沟痕入渗、径流，并在排泄过程中携带细小颗粒，使得物质组成及结构发生改变，内部应力场也随之变化。

由坡面跌水造成的冲刷下切力，使得坡面微裂隙逐渐发育为冲蚀沟槽，呈顺坡楔状分布。在坡面流水作用下，沟槽不断向坡顶方向发生侵蚀，沟槽长度、深度及发育规模随之变大(图1b)。边坡被冲蚀沟槽切割成多个条状土体，稳定性大大降低。

受雨水软化作用，水压力作用以及地下水浮托力作用影响，边坡土体的抗滑力降低，土体发生部分崩落。坡脚位置土体首先发生崩落，形成更陡坡面及更大临空面；
被沟槽切割成条状的土体由坡脚位置逐渐崩塌，形成崩塌凹洞(图1c)，最终导致边坡整体发生崩滑。

2.2 滑坡

与崩塌相似，岩土结构及节理裂隙为滑坡的发生提供了内在条件，人工开挖边坡为滑坡发生提供了有效临空面，降雨作用成为滑坡发生的外在诱发因素。

区内查明的滑坡物质组成均为土质，根据调查灾害点现状、结构类型特征及变形破坏迹象，总结其破坏模式主要为拉裂—滑移，其破坏机理如下(图2)。

人工开挖边坡，临空方向发生卸荷回弹，应力平衡改变，须牺牲应变以期达到再次应力平衡，所以坡顶及坡面多发育裂隙，近边缘处多出现平行于坡面的拉张裂隙(图2a)。

图2 滑坡演化模式图

而边坡前缘为应力集中带，应变增大及裂隙的发育使得边坡前缘发生滑动，牵引滑体上部土体变形，后缘土体也开始出现拉张裂隙，滑体处于蠕动变形阶段；

在降雨作用下，降雨水楔作用明显，裂隙进一步扩大，滑体变形加剧，滑体前缘土体受后缘土体挤压作用，滑动幅度变大，局部发生垮塌(图2b)；
随着裂隙逐步发展，直至贯通形成滑动面，土体最终在重力作用下，向坡脚滑移。

本次评价以GIS技术和RS技术为基础，从致灾机理角度出发，分析选取合适的致灾因子，采用层次分析法和综合指数法相结合的方法，对区内斜坡类地质灾害易发性进行评价分区。

3.1 评价指标及模型的建立

在地质灾害易发性评价中，以评价斜坡类地质灾害易发性指数为目标层；
其次选定基础因素、诱发因素为一级指标层；
选取地形坡度、植被覆盖率、工程地质岩组、地质构造、降雨、人类工程活动等为二级指标层(图3)。

结合自然地理特征和前人对该区的研究，在充分考虑资料的可获得性、研究区尺度大小、研究范围的大小以及研究精度的要求等因素的前提下，选取了以下6个因素作为评价因子。

3.1.1 地形坡度

地形坡度是地质灾害发育的主要控制因素之一，地形的高差有利于坡体物质势能的转换，为地质灾害形成提供动力。利用ArcGIS的表面分析功能，和等高线数据可得到数字高程图形(DEM)，从而获得地形坡度数据。根据地质灾害分布情况，将区内地形坡度划分为5个级别：(1)0°～8°、(2)8°～25°、(3) 25°～45°、(4)45°～60°、(5)﹥60°。

图3 地质灾害易发性分区评价体系图

3.1.2 植被覆盖率

植被覆盖率从一定程度上反映地貌的变化，也是间接反映地貌对地质灾害的影响。区内植被覆盖率高区主要分布于中部、西南角一带，可达85%，如高桥山、石牙顶等地。利用遥感数据及ArcGIS平台，将区内植被覆盖程度划分为5个类别：(1)高覆盖；
(2)中覆盖；
(3)低覆盖；
(4)裸土；
(5)水体。

3.1.3 工程地质岩组

地层岩性是地质灾害发育的重要内在因素。由于不同类型的工程地质岩组所处的地貌单元不同及存在的抗风化程度、力学性质及完整性的不同，在一定程度上决定了地质灾害的分布规律及发育特征。根据工程地质特征，将区内岩土体划分为4类：(1)坚硬岩；
(2)较坚硬岩；
(3)软质岩；
(4)松散岩组。

3.1.4 地质构造

地质构造发育的地段，岩体完整性较差，较为破碎，也为雨水入渗提供有利通道，其附近地质灾害发育程度明显高于其他区域[17]。一般采取对断裂和褶皱轴迹的距离分析来确定影响范围。根据区内断裂发育情况，在断裂带两侧设置缓冲距离划分成3个区域：(1)<200 m；
(2)200～1 000 m；
(3)>1 000 m。

3.1.5 降雨

降雨为地质灾害的发生提供了动力条件，是主要诱发因素之一。区内斜坡类地质灾害主要集中在汛期，其高发期主要受降水周期的控制[18]。根据区内降水线分布状况，大致划分为3个区域：(1)降水量<1 900 m；
(2)降水量为1 900～2 100 m；
(3)降水量>2 100 m。

3.1.6 人类工程活动

人类工程活动改变了地质环境，增加地质灾害发生的可能性、频率及危害范围，是主要的直接诱发因素。区内房屋建筑、道路工程等各类人类工程活动日益增加，自然边坡多被改造为高陡边坡，且没能采取有效的工程措施，坡面多为裸露状态，容易失稳诱发斜坡类地质灾害的发生。根据实际调查情况及人类工程活动强度，划分为3个区域：(1)人类工程活动强烈区；
(2)人类工程活动较强烈区；
(3)人类工程活动一般区。

3.2 评价方法

本次采用综合指数法，其数学评价模型为：

(1)

i=1，2，…，n；
j=1，2，…，m(公式)

式中：Pi为第i单元的易发性指数；
i为评价单元；
j为评价因子；
aj为第j个评价因子在第i评价单元的赋值；
wj为第j个评价因子的权重；
m为评价因子数；
n为评价单元数。

3.3 评价指标权重

利用AHP层次分析法软件及构建的层次结构模型，生成易发性判断矩阵A-B(表1)、基础因素判断矩阵B1-C(表2)、诱发因素判断矩阵B2-C(表3)，并两两比较确定重要性程度。

表1 易发性判断矩阵A-B

表2 基础因素判断矩阵B1-C

表3 诱发因素判断矩阵B2-C

计算各判断矩阵的最大特征根和特征向量并通过一致性判断。

将B1-C、B2-C的权重Wi在A-B下归一化，得到6个因素的总排序(表4)。

3.4 地质灾害易发性分级

利用MapGIS空间分析功能，对各因素图件进行叠加，将评价因子权重以及评价因子赋值进行加权计算，即可计算出各单元的值，按照自然断点分级法，将地质灾害易发性结果分为高易发、中易发和低易发3类。最后对区内地质环境条件、地质灾害发育分布规律、形成条件等综合分析后，进行适当修正，最终将区内斜坡类地质灾害易发性评价划分为高、中、低三级易发区5个亚区，见斜坡类地质灾害易发性分区统计表(表5)和斜坡类地质灾害易发性分区图(图4)。

表4 易发性评价体系层次总排序

3.4.1 高易发区(Ⅰ)

1)G105国道、G45高速公路低山区崩塌、滑坡高易发区(Ⅰ1)

分布于Gl05国道良口至吕田段沿线低山丘陵区，属花岗岩低山区，工程地质岩组主要为块状较硬花岗岩组，区域断层延伸方向与G105国道、G45高速公路方向大致相同，所以道路两侧基岩较为破碎，同时在风化作用下，裂隙发育，风化残积层厚5～15 m，自然坡角20°～40°。因G105国道扩建改造，开挖形成大量的人工边坡，边坡高度5～60 m，坡角45°～85°，坡面多为裸露状态，且未采取有效的支护措施，在暴雨作用下极易发生崩塌、滑坡。区内地质灾害隐患点42处。

2)良口镇团丰-溪头低山丘陵区崩塌高易发区(Ⅰ2)

主要分布于调查区中部良口镇团丰村-溪头村一带，零星分布在调查区北部的吕田镇慈坑村，属丘陵地貌，山坡坡度一般25°～45°，工程地质岩组为块状坚硬黑云母花岗岩组，上覆残积土厚度10～20 m。该区人类工程活动强烈，居民削坡建房现象常见，植被覆盖率低，削坡坡角45°～75°，人工坡高3～30 m，多数边坡无防灾减灾措施，在暴雨作用下极易发生崩塌、滑坡。区内地质灾害隐患点76处。

表5 斜坡类地质灾害易发性分区统计表

图4 斜坡类地质灾害易发性分区图

3.4.2 中易发区(Ⅱ)

1)良口镇梅树村—吕田镇联峰村低山区崩塌、滑坡中易发区(Ⅱ1)

主要分布于调查区东北侧良口镇梅树村—吕田镇联峰村，少量分布于汤塘镇、温泉镇低山丘陵区，工程地质岩组主要为块状较硬～坚硬花岗岩组，区内断裂发育，加上风化作用，岩石较为破碎，风化残积层厚5～15 m。修建房屋或修造道路等人工削坡活动较强烈，使得边坡坡脚变陡，坡角多为25°～65°，且坡面多裸露，在强降雨作用下，斜坡类地质灾害较易发生。

2)汤塘镇围镇村—铁岗镇三坑村低山区崩塌、滑坡中易发区(Ⅱ2)

主要分布于调查区南部，属花岗岩低山丘陵区，工程地质岩组主要为块状较硬～坚硬花岗岩组，区内人类工程活动较强烈，居民削坡建房现象较常见，削坡坡角40°～75°，人工坡高4～50 m，多数边坡为裸露状态或防护效果不明显。

3.4.3 低易发区(Ⅲ)

广泛分布于调查区低山区，零星分布在河谷平原位置。低山区主要为块状较硬～坚硬花岗岩组，断裂活动较弱，植被覆盖率较高，岩石较为完整，人口密度较小，人类工程活动较弱，工程建设强度较低，地质灾害发育程度低；
河谷平原第四系区，地势较为平坦，断裂活动影响弱，地质灾害发育程度低。

(1)本文通过对地质灾害发育特征及地质环境条件的分析，刻画其致灾机理，选取合适的致灾因子，以GIS技术和RS技术为基础，采用了层次分析法和综合指数法相结合的方法对地质灾害易发性进行评价分区，划分出地质灾害高易发区、中易发区、低易发区。

(2)结合评价结果分析，受断裂构造及风化作用影响，区内边坡风化壳厚度较大，且人类工程活动(修建公路及削坡建房)强烈，在强降雨作用下，斜坡类地质灾害易发。

(3)易发性分区统计表数据显示，区内查明的地质灾害点多分布于中～高易发区，证明本次评价具备一定的可信度，可进一步研究分析，为周边地区的地质灾害防治提供思路。

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