Developing law and disaster modes of geohazards in red bed region of southwestern China: A case study of Yiliang County of Yunnan Province
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摘要: 红层区边坡的变形破坏引发的地质灾害类型多、数量大，造成的人员伤亡和财产损失较大。以彝良县红层地区地质灾害为研究对象，结合实地调查，对彝良县红层边坡变形破坏所引发的49处不稳定斜坡、150处滑坡、53处崩塌进行了统计分析，总结了发育规律及特征。对不同斜坡结构下的红层边坡的成灾模式及破坏过程进行了分析，红层顺向边坡常见破坏模式为滑移-拉裂式；横向边坡常见破坏模式为崩解-冲刷式；反向坡、斜向坡的常见破坏模式为软岩崩解剥落-硬岩卸荷拉裂坠落式。研究可为彝良县等红层发育地区的地质灾害防治和管理提供一定的技术支持和参考。Abstract: The deformation and destruction of slope in red bed area frequently cause many types and large quantities of geological hazards, resulting in large casualties and property losses. Taking the geological hazards in the red bed area of Yiliang county as the research object, the overall developing laws and characteristics of the geohazards were statistically analyzed based on a detailed field survey of 49 unstable slopes, 150 landslides, and 53 rockfalls. Then, the disaster modes and failure process of slopes under different models of slope srtuctures are carried out systematically. The failure mode of consequent slopes are sliding-cracking modes, the failure mode of transverse slopes are disintegrating and scouring mode, the failure mode of reverse and oblique slopes are soft rock disintegration and peeling-hard rock cracking and falling. The research can provide some technical support and reference for the prevention and management of geological disasters in other red bed areas.
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Keywords:
- red bed /
- geohazards /
- developing law /
- disaster modes
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0. 引言
红层软岩具有岩体强度低、抗风化能力差、透水性弱、水敏感性强、亲水性强，浸水后膨胀软化，失水后崩解的特性。红层边坡自稳能力差，不及时治理会发生变形破坏，进而诱发滑坡、崩塌落石等地质灾害。西南地区的红层集中分布在四川和云南。彝良县境内红层发育，由于红层边坡变形破坏引发的地质灾害类型多数量大，给当地造成了较大的人员伤亡和财产损失，因此对于红层边坡的孕灾成灾方面的研究具有紧迫性和必要性。
近年来，许多学者对中国红层、云南红层、四川红层的分布及工程地质特性进行了研究[1-11]；对红层软化、崩解特性试验研究[12-15]；对红层软岩软弱夹层的蠕变性质实验研究[16-19]；对软岩软化微观机理研究[20-22]；对软硬相间边坡的失稳模式和稳定性研究[23-30]。前人的研究取得了许多新的进展和成果，积累了丰富的经验。以彝良县红层地区地质灾害为研究对象，从地层时代、规模、坡度3个方面对彝良县红层边坡的分布规律及特征进行统计分析；结合典型灾害点对不同斜坡结构下的红层边坡的成灾模式及演化过程进行总结研究。研究可为红层发育地区的地质灾害防治和管理提供一定的技术支持和参考。
1. 彝良县地质环境条件
彝良县隶属于昭通市，地处云南省东北部的云、贵、川三省结合部的乌蒙山区，云贵高原北东部边缘斜坡地带，乌蒙山脉五莲峰支系，境内山高谷深，地势自南西向北东倾斜。
彝良县具有高原季风立体气候特征，全县多年平均降雨量967.68 mm。雨量集中于雨季（5～10月），占全年降雨量的93.6%，24 h最大降雨量高达235.4 mm（1992年7月13日），10 min雨强高达13.36 mm（1990年6月28日）。县境内河流均属金沙江水系横江支流，全县大小河流150多条，较大者为洛泽河和白水江。
彝良县位于扬子准地台滇东北拗褶带昭通镇雄拗褶区，构造形迹以褶皱为主，断裂相对较少，主导构造以北东向为主，北西向为辅。彝良县处于大关-马边地震活动带，地震活动频繁，震级大。2012年9月7日，彝良县连续发生M5.7级、M5.6级地震，震中距离彝良县城约15 km。
2. 彝良县红层边坡发育特征
彝良县红层软岩主要分布于该县的西部和南部，具体分布情况为：(1) 白垩系（K），主要分布于洛旺乡北东、洛泽河镇北一带；(2) 侏罗系（遂宁组J2s、沙溪庙组J2sx、自流井组J1z），主要分布于角奎镇新场、发达、洛泽河镇及洛旺乡等地；(3) 三叠系（关岭组T2g、飞仙关组T1f），主要分布于角奎镇、荞山乡、牛街镇、柳溪乡、两河乡、龙安乡和小草坝乡等地。
彝良县共发育不稳定斜坡101处、滑坡288处、崩塌161处（图1）。其中发育在上述红层地层中的不稳定斜坡49处，占斜坡总数的48.5%；滑坡150处，占滑坡总数的52.1%，崩塌53处，占崩塌总数的32.9%。根据不同地层时代、不同斜坡结构类型、不同规模、不同坡度对红层边坡发生的灾害数量分别进行了统计。
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图 1 彝良县红层区地质灾害分布图Figure 1. Distributions of geological hazards in red strata area of Yiliang County2.1 不同地层时代发育特征及规律
统计红层灾害发育的地层时代如图2所示。红层不稳定斜坡中，沙溪庙组J2sx最多，21处；飞仙关组T1f和遂宁组J2s次之，分别为12处和8处。红层滑坡中，以飞仙关组T1f最多，46处，沙溪庙组J2sx和遂宁组J2s次之，分别为41处和39处。红层崩塌中，沙溪庙组J2sx最多，21处；飞仙关组T1f次之，19处。
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图 2 按不同地层时代统计灾害数量规律图Figure 2. Statistics on the number of disasters according to different strata ages在构造作用以及其他外动力作用影响下，软弱地层容易成为潜在的滑动面或滑动带。同时，由于抗风化能力弱，易形成大量的松散物质。彝良县的沙溪庙组J2sx、飞仙关组T1f和遂宁组J2s三种地层，尤其是沙溪庙组J2sx发育的红层边坡最易发生变形破坏、发生地质灾害数量也最多，以上地层尤其要加强地质灾害的排查和防范。
2.2 不同规模等级发育特征及规律
统计红层灾害发育的规模等级如图3所示。红层不稳定斜坡和红层滑坡的数量均随着规模等级的增大而减少，其中小型规模的最多，中型规模的次之。红层崩塌中，中型规模的最多，小型和大型的次之。
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图 3 按不同规模等级统计灾害数量规律图Figure 3. Statistics of the number of disasters according to different scales2.3 不同坡度区间发育特征及规律
统计红层灾害发育的坡度如图4所示，边坡坡度与地质灾害坡度比率分布呈似正态分布，小于20°的边坡，地层稳定，地质灾害发育弱；随着坡度增大，边坡失稳滑动的概率增大，20°～50°的边坡地带，多发育滑坡、不稳定斜坡，特别是在软弱岩层形成的20°～40°斜坡，既有利于松散物质的形成堆积，又易于形成滑动面，是滑坡、不稳定斜坡的主要发生区；大于50°的斜坡地带，多发生崩塌类地质灾害，彝良县内崩塌均发生在具高陡临空面的陡坡和陡崖地段。
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图 4 按不同坡度区间统计灾害数量规律图Figure 4. Statistics of the number of disasters according to different slope intervals3. 红层边坡成灾模式及演化过程分析
岩体结构是在漫长的地质历史过程中，通过原生建造、构造改造及表生改造三个阶段综合作用的产物。原生建造是基础，构造改造是主体，而浅、表生改造则是一定程度、一定范围内进一步劣化了岩体结构及其工程性状。不同斜坡结构与不同岩体结构组合下，红层边坡的变形破坏结果不同。
3.1 顺向红层边坡的成灾模式及演化过程
顺向红层边坡的变形主控界面是岩层层面，基本上都具有后壁陡直，滑面平缓的特点，属座滑型滑坡。一般发育在上部为巨厚层砂岩，下伏薄层-中厚层粉砂质泥岩、泥岩。在构造应力作用下往往形成两组近正交的共轭节理，且与岩层层面近垂直，节理裂隙间距大，且切割较深，岩体为整体巨厚层状。顺向边坡最常见的成灾模式为滑移-拉裂式的顺层滑坡或崩塌。软岩岩层层面为滑动面，硬岩后缘拉张裂隙贯通，造成硬岩沿软岩层面滑动，破坏力极强，潜在危害极大。
以彝良县牛街镇南厂村大石盘组崩塌为例，该处崩塌发生于2016年6月16日，造成3栋房屋倒塌、1人死亡、1人受伤（图5）。崩塌区为基岩边坡，陡峭近直立。该崩塌所在边坡为顺向边坡，出露地层岩性为三叠系关岭组的灰岩（T2g），中间夹暗紫红色及灰绿色泥页岩，属软硬相间地层。
顺向红层边坡常见的成灾模式为拉裂—滑移式滑坡或崩塌，演化过程如图6所示。
（1）岩体的损伤和拉张裂缝的形成。边坡岩体中切割坡面的陡直拉张裂缝，在长期的降雨及风化、溶蚀等作用下，地下水灌入结构面中，产生较大的静水压力，并软化、溶蚀裂隙表面，造成后缘拉张裂缝张开度增大，连通率提高，延伸长度增加，最终贯通至软岩层面处。
（2）软岩在裂隙水侵润、岩溶、温差变化等作用下，后缘裂隙充水产生强大的静水压力，结构面抗剪强度降低，阻滑段支撑力下降。
（3）后缘拉张裂缝贯通后，形成了孤立的危岩体，随着时间的积累，软岩层面的抗剪强度进一步降低，阻滑段的支撑力小于危岩体的下滑力，造成了软岩层面的贯通，危岩体在重力作用下沿层面由剪出口发生剪切滑移。
（4）由于有力的地形条件，危岩体携带着上覆残坡积土层整体滑移下错，滑坡或崩塌体在坠落过程中沿控制性节理面进一步拉裂解体，最终堆积在边坡坡脚处趋于稳定。
3.2 横向红层边坡的成灾模式及演化过程
横向红层边坡的变形破坏主要受岩体结构的浅表生改造过程所产生的卸荷裂隙控制，岩体卸荷松动，裂隙发育，加剧了岩体后期的风化、地下水淋滤溶蚀等次生改造作用，次生改造作用又进一步劣化了岩体结构强度。在彝良县境内，横向边坡最常见的成灾模式为崩解冲刷—剪切坠落式，常因差异风化形成局部风化剥落和小型冲沟。
以金家湾子南侧公路边坡为例，该边坡地层岩性为紫红色泥岩，页岩，粉砂岩，属陡倾的横向坡，由于软硬相间岩层的差异风化，坡面产生了三条明显的冲沟，三条沟的风化深度分别为3 m、1.5 m、4 m左右，冲沟成为了天然的排泄通道（图7）。泥岩、页岩经过长期风化作用，岩石碎屑附着在边坡表面，表层松散的全风化层易在雨水冲刷下剥落沿冲沟冲出，形成坡面泥石流，堵塞公路，在冲沟出口可见泥岩页岩堆积物（图8）。
上述横向红层边坡的成灾模式为崩解-冲刷式崩塌，在彝良县境内发育广泛，尤其是在公路沿线的边坡尤为常见，演化过程如图9所示。
（1）红层软岩岩体中的泥岩、页岩具有透水性差，亲水性强，浸湿后岩体强度降低，失水后容易产生崩解的特性，因此在经历降雨后表层的泥岩、页岩崩解呈散体状颗粒物；而粉砂岩在经历降雨等风化作用后，陡倾节理会逐渐变宽变长。
（2）由于长期的差异风化，泥岩页岩不断剥蚀下切，两侧粉砂岩形成天然的侧壁，冲沟深度逐渐加深。
（3）新鲜的崩解物和少量被节理面贯通掉落的粉砂岩岩块会堆积在沟内，下次降雨时雨水汇集于沟内裹挟着这些物质形成坡面碎屑流一并冲向坡脚处。
3.3 反向坡、斜向坡的成灾模式及演化过程
反向坡和斜向坡的变形破坏也主要受构造节理的一系列浅表生改造过程所产生的陡倾节理面控制，常见的成灾模式为软岩崩解剥落-硬岩剪切滑移坠落。主要发生在反向高陡斜坡，陡倾节理面倾向坡外的临空面处，主要发育的灾害类型为局部小型的崩塌落石，隐蔽性较强，危害较大。顺斜向坡的变形破坏受卸荷裂隙和层面共同控制，易引发沿层面滑动的顺层滑坡，危害性大。
以彝良县角奎镇马窑村垭口组的一处逆斜向边坡为例。地层岩性为侏罗系中统遂宁组J2s紫红色泥岩、钙质泥岩、粉砂质泥岩夹细砂岩及泥灰岩。由于泥岩和砂岩的差异风化，泥岩崩解剥落形成凹槽，砂岩悬空，陡倾节理的岩桥剪断形成贯通性结构面（图10）。
反向边坡、斜向边坡的成灾模式大都为软岩崩解剥落-硬岩卸荷拉裂坠落，其演化过程如图11所示。
（1）在降雨、冻融、温度、阳光、生物等的综合作用下，特别是长期反复的干湿效应、气温波动、阳光交替，泥岩、砂岩抗风化性能有所差异，风化作用将泥岩崩解剥蚀后，形成向岩体内部的凹槽。
（2）随着深度不断加大，导致上部砂岩悬空，形成危岩，砂岩中的陡倾节理或张拉裂缝的“岩桥”被剪断形成贯通性结构面。
（3）变形体在自重应力作用下，发生坠落，形成落石或崩塌。
4. 结论
（1）对彝良县红层边坡的发育特征及规律进行统计总结得知，彝良县的沙溪庙组J2sx、飞仙关组T1f和遂宁组J2s三种地层，尤其是沙溪庙组J2sx发育的红层边坡最易发生变形破坏、发生地质灾害数量也最多；红层边坡变形破坏形成的不稳定斜坡、滑坡的规模以小型为主，崩塌以中型为主；坡度在20°～30°的红层边坡最易发生滑坡、不稳定斜坡；坡度在50°以上的红层边坡最易发生崩塌。
（2）不同斜坡结构与不同岩体结构组合下，红层边坡的成灾模式及破坏过程是不同的。红层顺向边坡常见成灾模式为滑移-拉裂式的顺层滑坡或崩塌；横向边坡常见成灾模式为崩解冲刷-剪切坠落式，常因差异风化形成局部风化剥落和小型冲沟；反向坡和斜向坡常见成灾模式为软岩崩解剥落-硬岩卸荷拉裂坠落，主要发育的灾害类型为局部小型的崩塌落石。
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图 1 彝良县红层区地质灾害分布图
Figure 1. Distributions of geological hazards in red strata area of Yiliang County
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图 2 按不同地层时代统计灾害数量规律图
Figure 2. Statistics on the number of disasters according to different strata ages
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图 3 按不同规模等级统计灾害数量规律图
Figure 3. Statistics of the number of disasters according to different scales
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图 4 按不同坡度区间统计灾害数量规律图
Figure 4. Statistics of the number of disasters according to different slope intervals
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