浅淡郑州市地质灾害分布特征与形成条件

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浅淡郑州市地质灾害分布特征与形成条件

山东茂隆新材料科技有限公司 2021-01-04 2834


简介: 21世纪初期我国地震活动趋势仍处于活跃期,极易诱发各类地质灾害,本文在郑州市地质灾害调查的基础上,结合其地质环境背景及人类工程活动,综合分析了地质灾害的分布特征与形成条件,为郑州市地质灾害防治及规划提供了依据。关键字:地质灾害、分布特征、形成条件

  郑州市位于河南省中部,地理座标:东径112°40′—114°12′,北纬34°16′—34°58′,面积7446.2km2,总的地势为西高东低,呈阶梯状下降。境内90%以上属淮河流域,其余为黄河流域。郑州市位于暖温带半湿润季风气候区,多年平均气温14.3℃,极端最高气温43.0℃,极端最低气温-17.9℃。多年平均降水量为638.6mm,年内季节分配失调,降雨多集中在7、8、9三个月,约占全年降雨量的60—70%。郑州市矿产资源丰富,矿山开发已成为本地区重要的经济活动,矿山的开采,在推动地方经济发展的同时,也随之带来严重的地质灾害问题。

1地质灾害分布特征   郑州市主要地质灾害有崩塌、滑坡、泥石流、地面塌陷和地裂缝,地质灾害发育类型具有显著的多样性特征。这种“多样性”与该地区特定的地形地貌、岩性、构造条件以及人类工程—经济活动等因素有着极为密切的关系。

1.1崩塌发育的分布特征   郑州市崩塌发育分布规律十分明显。具体特征有三:

  1、西部、西南部基岩山区主干断裂和紧密褶皱带附近的脆性地层或软硬相间的复杂岩系地区。如嵩山南麓、北麓及箕山北麓地区,崩塌灾害频繁严重。

  2、中部、中西部人类采石、采矿强烈活动地区和公路、铁路、库渠等骨干工程地带。如1999年8月,巩义市米河镇魏寨村采石场崩塌。1999年7月5日,登封第二水泥厂崩塌。1961年3月6日,新密市大槐刘嘴“五八”渠崖头崩塌等。

  3、北部、中东部黄土丘陵、斜地地区。如1992年邙山区黄河桥村崩塌。2003年10月荥阳乔楼镇聂楼村崩塌等。在调查发现的26处崩塌中,绝大部分分布于上述三个地带。

  1.2滑坡的分布特征   区内滑坡的分布规律亦很明显,主要分布在下述两个地区:

  一是西部、西南部中低山区地形陡峻、风化强烈的斜坡地带;

  二是北部、中东部黄土丘陵和黄土覆盖丘陵地区。前者岩质滑坡、土质滑坡兼有,如登封少林寺塔林滑坡,唐庄乡花峪村滑坡,巩义夹津口镇铁生沟滑坡、涉村镇罗泉村滑坡、浅井村滑坡等;后者主要为土质滑坡,如邙山区古荥镇黄河桥村滑坡,二七区候寨乡西胡垌滑坡、新郑千户寨乡风后岭村滑坡,新密白寨镇杨树岗村滑坡等。

  1.3泥石流发育的分布特征   泥石流发育分布除时间上集中于每年的6—9月份降雨季节、尤其是年内第一次连续降雨过程中的暴雨阶段外,空间上分布特征亦很突出。

  ①西部、西南部中低山区发育较频

  调查结果表明,区内有近半泥石流发生于西部、西南部中低山区,如登封城关镇玄天庙村泥石流、玉皇沟村泥石流、大仙沟村泥石流、清泥宫泥石流、贺瑶村泥石流等。

  ②北部、中东部黄土丘陵和黄土覆盖丘陵地区亦有分布

  该地区泥石流泥质成份较多,一般多呈泥流形式出现,如荥阳崔庙镇卢庄泥石流、贾峪镇石碑沟泥石流、新郑大槐树村泥石流、郭老庄村泥石流等。

  ③大、中型矿山尾矿库区

  主要是铝土矿、煤矿开采形成的尾矿弃料,由于存放不当而造成的。如上街铝厂尾矿库泥石流。此类泥石流,目前区内发生不多,但存在潜在隐患,亦应引起重视。

  1.4塌陷及其塌陷式地裂缝的分布特征   据调查,区内共有大、小地面塌陷77处,主要位于登封、新密和巩义市境内。地面塌陷及其塌陷地裂缝的空间分布规律和规模,主要受地下采空区位置、地形地貌及地层岩性所控制。其分布特征主要有二:一是均沿二迭系煤系地层及铝土矿层的走向分布,塌陷区的长轴方向也与煤系地层及铝土矿层的走向平行,并随着走向的变化而变化;二是地面塌陷一般分布在地势低洼的山间沟谷、平原和盆地地带。因这些地带“深厚比”(可采层埋深与采厚之比)较小,地面变形破坏在相同情况下则较为严重。

  1.5地裂缝的分布特征   调查结果表明,区地裂缝(指非采矿塌陷引起的地裂缝,下同),均分布于北部、中东部黄土丘陵、斜地地区。如1981年6月21日,荥阳东二十里铺茹砦村地裂缝,走向NEE,长300m,宽0.5m,可见深0.7m;荥阳城关镇大王村地裂缝,一条长420m,宽0.5m,深1.2m;另一条长300m,宽2m,可见深8m,走向亦为NEE向。如此还有不少,如荥阳刘河镇刘河村地裂缝,崔庙镇崔庙村地裂缝,王村镇司村地裂缝,中原区须水镇须水村地裂缝,二七区候寨乡三李村地裂缝等。地裂缝产出的地形地貌部位以黄土冲洪积斜平原和黄土丘陵正负地形过渡处居多,延伸方向也多与负地形沟壑走向近于一致。时间上,地裂缝的产生多发生在雨季。

2、地质灾害形成条件与诱发因素分析

   2.1崩塌形成条件与诱发因素

   2.1.1形成条件

  (1)地形地貌

  从区内26处崩塌发育分布的地貌部位来看,崩塌形成的地貌条件归纳起来有三:

  一是较陡的地形坡度,且坡面形态凸凹不平;

  二是较高的坡体,位能差较大;

  三是具有一定的临空抛出空间。调查区西部、西南部基岩山区,侵蚀切割强烈,坡陡谷深,相对高差达数百米;北部、中东部黄土丘陵、斜地地区沟壑密布,切深壁陡,呈近直立状,相对高差数十米至百余米,它们均为崩塌的形成提供了有利的地貌条件。

  (2)地层岩性与岩体结构

  分析区内崩塌产生的岩性、结构条件发现,地层岩性与岩体结构状况对崩塌形成、分布具有十分明显的控制作用。

  ①西部、西南部基岩山区,块状、厚层状坚硬花岗岩、石英砂岩、碳酸盐岩等脆性岩体(层),常形成陡峻的边坡,且构造节理和卸荷裂隙发育,是形成崩塌的“优势”地层岩性,极易产生崩塌。

  ②软、硬岩性相间地层,如石炭、二迭系等中厚层砂岩与页岩、泥岩互层,是造成本区软基座型崩塌的主要原因。

  ③北部、中东部黄土丘陵、斜地地区,黄土、黄土状土垂直节理发育,常呈数米、数十米高的直立边坡,且具大孔隙及湿陷性等特性,亦易造成崩塌。

  (3)地质构造

  从地质构造角度分析,区内崩塌大都发生在:与区域性骨干断裂带走向平行的陡峭斜坡带;几组断裂交汇的峡谷处,以及与斜坡走向平行的紧密褶皱轴的两翼地带。

  这些地带构造作用使得岩层强烈变形,岩体的完整性、稳定性遭到严重破坏,整体刚度降低,各种断裂面、节理面、裂隙面发育,造成岩层破碎,使其解体卸荷形成崩塌,如登封唐庄乡塔水磨村崩塌,大金店顾家河村崩塌,巩义大峪沟镇钟岭村崩塌,西村镇坞罗村不稳定斜坡体等。

  2.1.2诱发因素   (1)气象因素

  气象因素主要表现在气温和降雨作用两个方面。前者促进崩塌的孕育,后者激发崩塌的产生。

  调查区地处季风气候区,气温随季节及昼夜变化幅度较大,导致区内岩石物理风化速度加剧,促进了崩塌的孕育形成。

  大气降雨的激发作用表现在,降雨将岩体裂隙充盈,产生静、动水压,并使裂隙中充填物软化或淘空,以致崩塌体与母体之间抗拉强度及抗剪强度发生降低,从而诱发崩塌。对于黄土类崩塌,降水还同时增加了土体自重,且形成的沟谷迳流,又常使坡脚蚀空软化,导致崩塌。

  调查结果表明,区内崩塌的产生大多出现在雨季,尤其是暴雨季节,其根源也就在此。

  (2)人类活动因素

  区内人类活动主要为采石、采矿、修路架桥、挖渠建库等。这些活动,从不同途径使得自然坡度变陡、坡体临空面增大。加之活动过程中,经常使用爆破作业方式,导致边坡岩土体中各种结构面的力学强度发生降低,甚至改变整个边坡的稳定性,从而诱发崩塌。

  2.2滑坡形成条件与诱发因素

  2.2.1形成条件

  (1)地形地貌

  滑坡形成的地形地貌条件主要有地形坡度、坡面形态、临空面、斜坡结构类型及其组合状况等,它们构成区内滑坡形成的基础条件之一。调查区西部、西南部山区地带,构造运动强烈,沟谷侵蚀切割深度大,地形陡峻,是滑坡孕育、产生的有利地貌部位;北部黄土丘陵地区,沟壑发育,谷深坡陡,坡脚临空宽旷,特别是在久雨或暴雨季节,坡脚被水浸润或淘蚀,更易于滑坡的发生和发展。

  (2)地层岩性

  地层岩性是滑坡形成的物质基础。区内地层岩性出露齐全,且岩性组合复杂。不同的地层岩性及不同的岩性组合关系,对滑坡的孕育、发生、发展影响各不相同,产生滑坡的形式、规模、频率亦不相同。

  西部、西南部山区岩质滑坡,多发生在软硬岩性互层组合环境下,如第三系砂砾岩与泥岩互层部位;石炭系、二迭系砂岩、泥岩、页岩互层部位;石炭系石灰岩、页岩、泥岩与煤系地层互层部位以及登封群片岩、片麻岩等变质程度较深的部位。这些部位一个显著的特点是,在降水和其它外营力作用下,软质岩遇水软化,导致强度降低,演变成为滑动带,而硬质岩则充当成为滑动体,从而发生滑移。

  北部、中东部黄土丘陵和黄土覆盖丘陵地区,岩性因素造成滑坡主要有下述两种情况:

  一是北部黄土丘陵区,黄土分布厚度大,具有质地均一,大孔隙和湿陷性等特性。同时,垂直节理发育,沟壑密集,切割强烈,久雨或暴雨季节滑坡发生频繁,且规模一般较大。

  二是中东部部分黄土覆盖丘陵区,其覆盖层厚度几米至几十米不等,与下伏地层存在一个天然倾斜的接触面,上下两部分岩性截然不同,上部黄土、黄土状土结构疏松,易接纳大气降水及地表水的补给。下伏地层结构致密,致使地下水在该界面上部富集,造成接触面(带)的浸润软化,同时,黄土浸水增荷,从而导致滑坡的发生。

  (3)地质构造

  地质构造对区内滑坡形成具有重要作用,突出表现在以下两个方面:

  ①构造升、降运动,加剧了地形起伏,侵蚀切割能力增强,地形高差发展悬殊,位能差加大。如西部、西南部山区及黄土丘陵地区的构造上升运动,便为这些地区滑坡的形成提供了有利的条件。

  ②构造褶皱、断裂运动,造成岩体整体性破坏,产生断层面、裂隙面、节理面及不整合面等多种软弱结构面,这些软弱结构面充当滑动面(带),从而造成滑坡的发生。西部、西南部基岩山区部分岩质滑坡,即是这种构造作用形成的。

  2.2.2诱发因素   (1)气象因素大气降水是区内滑坡发生的主要诱发因素。对于不同岩性的滑坡体,其诱发机制不同。

  ①岩质滑坡

  a、降水通过对软弱夹层的浸水软化作用,造成抗剪强度降低,形成滑动面,从而造成滑坡的发生。

  b、降水进入滑动带后,由于水体静、动水压作用,使带(界)面上、下两侧岩体之间有效法向应力及摩擦力发生降低,从而诱发滑坡。

  ②土质滑坡

  土质滑坡,主要针对区内黄土、黄土状土而言。降水作用一则使滑体自重大幅增加;二则使滑动带土受到浸润而抗剪强度迅速下降,从而产生滑坡。

  之外,在调查区西南部山前深变质岩地带,岩体表部风化作用强烈,呈豆腐渣状,厚达10余米,其下为相对致密坚硬的新鲜岩体。该地带在降水影响下,风化带饱水增重,且下渗水于新鲜岩体接触面处形成富集,造成滑移界面,亦可诱发滑坡。

  (2)人类工程活动人类工程活动诱发区内滑坡,主要表现在三个方面:

  ①坡脚开挖

  公路、铁路、水利工程建设,常常形成人工开挖边坡,使斜坡外形和应力状态发生不良改变。常造成岩土体临空面增大,斜坡支撑力减小,岩土内聚力降低,抗滑力减弱,边坡失稳,诱发滑坡。

  ②矿山开采

  区内矿山众多,尤以煤矿开采最盛。随造成大量采空区塌陷使得临近山体斜坡变形,坡度变陡,临空面变大,进而导致边坡失稳,诱发滑坡。

  ③陡坡耕植

  主要指调查区北部黄土丘陵地区。因陡坡耕植及人为对地表植被的破坏,造成土质疏松,降水作用增强,从而诱发滑坡。

  2.3泥石流形成条件与诱发因素   泥石流形成与发生有三个必备条件,即地形地貌条件、物源条件和水源条件。

  1、地形地貌条件地形地貌条件是泥石流发育分布及演化的首要基础条件,它主要具有两方面的作用:

  (1)提供位能

  调查区位于我国第二级台阶地貌与第三级台阶地貌的交接过渡地带,中西部山区丘陵长期处于抬升状态,山高坡陡,高差悬殊,切割强烈,相对高差达300—800m,且东与长期下降平原毗连。这种高差悬殊的沟床地势条件为泥石流的发生提供了充足的位能,赋予了泥石流足够的侵蚀、搬运能量。

  (2)提供足够数量的水、土、石储存空间

  地形地貌形态决定着沟床比降、流域形态、流域面积及其流域内山坡坡度和植被覆盖状况。而上述各参量又控制着泥石流发生、发展所需水体、土石体储存空间的大小。区内流域形态多呈不规则的长条形、葫芦瓢形,沟床比降100—400‰,山坡坡度25—45º,植被发育一般,尤其在陡峭坡上方,植被覆盖度更低,这些为泥石流的形成提供了有利的地形地貌条件。

  2、物源条件

泥石流形成所需的物源条件,其影响因素众多,有自然的,亦有

长丝土工布具有良好的力学功能,透水性好,并能抗腐蚀,抗老化,具有隔离、反滤、排水、保护、稳固、加筋等功能,能适应凹凸不平的基层,能抵抗施工外力破坏,蠕变小,长期荷载下仍能保持原有的功能。特性:强 度—— 同等克重规格下,各向拉伸强度均高于其它针刺无纺布;抗紫外线光照——具有极高的抗紫外线能力;耐极高温性能——耐高温达230℃,高温下仍保持结构完整及原有的物理性能;渗透性及平面排水性——土工布较厚且是针刺成型的,具有良好的平面排水和垂直透水性,多年后仍能保持此性能;耐蠕变性——土工布耐蠕变性优于其它土工布,因此长效性好。它能耐土中常见化学物质的侵蚀以及耐汽油、柴油等的腐蚀;延展性——土工布在一定应力下有很好的延伸率,使之能适应凹凸不平的不规则基面。

人为的。自然的影响因素主要包括地层岩性、地质构造、高层次地质灾害发育程度等,它们以不同的方式提供着松散固体物。

  (1)地层岩性因素

  地层岩性决定其抗风化能力,亦即决定着提供松散碎屑物的多寡,决定着泥石流的形成规模及性质。区内西部、西南部基岩山区,太古界、元古界变质岩等,变质程度较深,岩性软弱,风化层较厚,是该区泥石流形成的重要物源之一;古生界及中生界岩性坚硬,但构造作用强烈,节理裂隙发育,岩石较为破碎,形成大量以碎、块石为主的泥石流物源,并以水石流的形式出现;嵩山期、王屋山期岩浆岩出露区,尤其是中、粗粒花岗岩,岩石坚硬,构造节理裂隙发育,沿节理裂隙易崩解成为巨大石块,是该地区水石流的重要物源,北部、中东部黄土丘陵和黄土覆盖丘陵地区,黄土、黄土状土结构疏松,垂直节理发育,雨季崩塌、滑坡易发,并形成泥流。

  (2)地质构造因素

  构造因素成为物源条件主要表现在构造运动造成岩层变形、破坏,并导致影响带内节理裂隙发育方面。其作用是将岩层(体)切割成为大小不等,形状不同的块体,从而为泥石流的形成提供松散固体物质。区内泥石流的各类物质来源过程中,大多存在构造作用因素。

  (3)高层次地质灾害发育因素

  这里主要指同泥石流产生相关的崩塌、滑坡灾害。事实上,各种泥石流的物质来源,多数依靠流域区内崩塌、滑坡提供,它们与泥石流之间具有内在成生联系。调查区内发生的各类泥石流,其物质来源大多如此。

  之外,泥石流的物源条件亦有人类活动因素。据调查,主要表现在以下两个方面:

  ①毁林垦荒,陡坡耕种,水土流失加剧,导致泥石流的发生。

  ②矿山尾矿不当堆放,遭遇久雨、暴雨发生人为泥(渣)石流。如上街铝厂尾矿库泥(渣)石流。

  3、水源条件。水不仅是泥石流的组成部分,更主要的是松散固体物质的搬运介质。在物源、地形有利条件下,它是泥石流的激发因素。

  调查区地处季风气候区,降雨集中,降雨强度大。西部、西南部山区及北部、中东部丘陵地区,多年平均降雨量600—700mm,最大可达千余毫米。一日最大降雨量在数十至上百毫米,最大可达数百毫米。这种降雨特点,有利于区内泥石流的形成。

  2.4地面塌陷及塌陷式地裂缝的形成条件与影响因素矿山开采,主要是煤矿开采,形成地下采空区,是造成区内地面塌陷和塌陷式地裂缝形成的主要根源。   矿石开采后,由于岩体内部形成一个空洞,使其天然应力平衡状态受到破坏,引起应力重新分布,产生局部的应力集中。当采空区面积较大,围岩强度不足以抵抗上覆岩土体重力时,顶板岩层内部形成的拉张应力超过岩层抗拉强度极限时产生向下的弯曲和移动,进而发生断裂、破碎并相继冒落。随着采空范围不断扩大,采空区顶板在应力作用下不断发生变形、破裂、位移和冒落,自下而上出现冒落带、裂隙带和下沉带,结果在地表形成地面塌陷。

  地面塌陷区范围大于地下采空区范围,平面上分为中间沉降区、外围拉伸区和二者之间地带的应力挤压区三部分。其中,中间沉降区沉降速度及幅度最大,无明显地裂缝产生;应力挤压区下沉不均匀,呈凹形向中心倾斜;外围拉伸区下沉不明显,在拉张应力作用下,常形成张性地裂缝,即塌陷式地裂缝。采空区内大部分地裂缝即属这种成因。

  如果矿层埋藏浅、厚度不大,冒落带可直达地表,从而在采空区正上方形成下宽上窄的塌陷式地裂缝。该种情况,区内较为少见。由于受地形地貌的影响,区内塌陷式地裂缝往往不是对称出现的,斜坡地带一般比平坦地带分布多、规模大。

  2.5地裂缝的形成条件与诱发因素   区内地裂缝的发生,既具有内在因素,也具有外在因素。前者包括地层岩性、地形地貌等,是地裂缝的形成条件,决定着地裂缝活动的性质和展布规律;后者包括气象条件、人为活动等,是地裂缝的诱发因素,影响着地裂缝发生的时间、地段和发育强度。

  1、形成条件—内在因素分析

  (1)地层岩性

  从上述分布来看,地裂缝均发生在黄土、黄土状土地区。该区土体存在一个典型特征,即垂直节理极为发育,且质地疏松、具大孔隙、存在生物洞穴及轻微湿陷性等特性。这些特征和特性为地裂缝的产生创造了内在前提条件。

  (2)地形地貌

  包括黄土自身地形地貌条件和黄土下伏地层“古”地形地貌条件两个方面。其中,前者又包括内部埋藏型古冲沟等隐蔽地貌。

  地形地貌对地裂缝的形成影响,其本质就是造成了黄土、黄土状土自身荷重分布的空间不均匀性,尤其当雨季黄土吸水饱和后,这种影响更加突出,并因此产生“不均匀”沉降,进而导致地面开裂。

  2、诱发因素—外在因素分析

  (1)气象因素

  主要表现在降雨方面。由于黄土、黄土状土垂直节理发育、存在生物洞穴,并具有大孔隙、湿陷性等特性,当雨季地面存在积水,水流将优先沿着垂直节理的微细裂隙或生物洞穴向下渗流。由于垂直节理及生物洞穴连通性好,垂直渗流速度相对较快,沿着垂直节理及生物洞穴处造成冲刷、潜蚀、湿陷作用强烈,从而诱发地裂缝。

  (2)人类活动因素主要为边坡、洞室开挖产生局部应力改变,引起土体变拉张变形所致。

3.结语   对已掌握的地质灾害资料,结合地质环境特征及其它因素综合分析可以发现地质灾害的形成、发生、发展是有显著特征和一定规律的。近年来郑州市地质灾害发生的次数明显增多,如2003年就发生地质灾害36起,死亡12人,其原因是多方面的,地质作用的周期性变化和气候条件的变化固然重要,但是人类违背自然规律进行经济发展对地质环境的破坏,也加剧了地质灾害的发生与发展。地质灾害已为制约郑州市经济和社会可持续发展的重要因素之一,科学地保护地质环境、防治地质灾害已成为刻不容缓的任务。

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