工程地质学报  2018, Vol. 26 Issue (5): 1162-1169   (2526 KB)    
秦岭矿产资源开采区斜坡灾害发育规律与识别研究——以山阳—商南钒矿开采区为例
李培, 范文, 于国强, 梁鑫, 苏艳军    
① 长安大学地质工程与测绘学院 西安 710054;
② 中国地质调查局西安地质调查中心 西安 710054
摘要:以山阳—商南钒矿开采区为例,通过遥感解译、无人机航拍及野外详细地质调查,统计分析了斜坡地质灾害的分布与坡形、坡向、坡度、地层倾角、岩体结构与岩性的相关性。研究得出:(1)矿区斜坡地质灾害具有明显的顺向坡效应,顺向坡地质灾害占灾害总数的75.86%;(2)72.42%的灾害发育在坡度30°~50°的斜坡中;(3)灾害分布与地层倾角有很好的对应关系,大部分地质灾害集中在倾角40°~60°的范围内;(4)斜坡灾害多发生在结构面较发育的斜坡中,尤其是夹角在70°~90°的近乎正交的结构面组合范围内;(5)斜坡灾害多发育在硅质岩或白云岩与黏土岩互层中,而白云岩中多发生的是崩塌。同时,结合研究区遥感影像的对比分析,提出了斜坡地质灾害遥感识别方法,在此基础上,形成了一套矿区地质灾害早期识别技术。研究成果可为矿山企业和矿区居民对斜坡地质灾害的识别与预警预防提供技术支持。
关键词斜坡地质灾害    山阳—商南钒矿开采区    发育分布规律    统计分析    识别方法    
DISTRIBUTION AND IDENTIFICATION OF GEOHAZARDS IN QINLING MINING AREA: A CASE STUDY OF SHANYANG-SHANGNAN VANADIUM MINING AREA
LI Pei, FAN Wen, YU Guoqiang, LIANG Xin, SU Yanjun    
① School of Geological Engineering and Surveying, Chang'an University, Xi'an 710054;
② Xi'an Center of Geological Survey, Xi'an 710054
Abstract: On the basis of remote sensing interpretation, drones pictures and geological field survey, we analyzes the correlation between the distribution of slope geological hazards and the slope factors including shape, topographic slope, dip angle, structure characteristics and the lithology in Shanyang-Shangnan Vanadium mining area. The results are as follows. (1)The distribution of geohazards in the mining area has a marked bedding-dipping slope effect. The geological disasters of such slopes are 75.86% of the total. (2)72.42% of the slope hazards are concentrated in the slopes with angles of 30° to 50°. (3)The slope hazards have a corresponding relationship with the stratum inclination. Most geological disasters are concentrated in the range of bedding dip angles from 40°to 60°. (4)The slope hazards tend to occur in the combination of structural planes with the intersection angles within the range of 70°to 90°. The nearly orthogonal combination of structural planes has significant amplification effect of collapses. (5)The study also shows that the slope hazards usually occur in the siliceous rocks or interbedding of dolomite and clay rocks, while collapse occurs in dolomite. At the same time, we propose a remote sensing identification method for slope disasters, combining with the comparative analysis of remote sensing images in the study area. Then, we find a set of early identification method for slope hazards in mining areas. This research can provide technical support for mining enterprises and residents to identify and prevent slope disasters.
Key words: Slope hazards    Shanyang-Shangnan vanadium mining area    Distribution law    Statistics analysis    Identification method    

0 引言

秦岭山区内部受复杂多变的地形地貌、风化破碎的地层岩性、纵横交错的断裂构造及外部区域性气象水文条件、剧烈的人类工程活动因素的影响,地质环境异常脆弱,加之受到采矿工程活动的影响,区内地质灾害频发(戚炜等,2002孙果梅等,2005熊炜等,2014强菲等,2015陈建平等,2016)。由于其地质条件的复杂性及地质灾害的隐蔽性和多发性(范文等, 2011, 2012),造成人民群众生命财产重大损失的案例不胜枚举(熊炜,2012)。

2015年8月12日0时30分许,陕西省山阳县中村镇烟家沟碾沟村发生特大型山体滑坡灾害。滑坡后壁顶面高程约1263 m,剪出口高程约1015~1075 m,滑体长约550 m、宽约130 m、厚约10~40 m,滑坡堆积区的平面形态为斜长的喇叭形,面积约7.5×104 m2,体积约168×104 m3。滑坡体掩埋了中村矾矿15间职工宿舍和矿山配套设施及3间民房,8人遇难,57人失踪,造成了重大生命财产损失(杨海龙等,2016)。

灾害发生地位于我国重要的钒矿开采区,灾害发生后,笔者参与了山阳—商南钒矿开采区地质灾害遥感解译、野外实地调查、地质灾害危险性区划等工作。在此基础上,对山阳—商南钒矿带崩滑地质灾害的发育分布规律及其与坡形、坡向、坡度、地层倾角、岩体结构与岩性等的相关性进行了较为全面的统计分析研究,形成了对山阳—商南钒矿开采区崩滑地质灾害发育分布规律的初步认识。并基于上述分析,提出了一套矿区地质灾害早期识别方法,为该区的防灾减灾工作提供参考。

1 地质环境概况
1.1 地理位置

研究区位于陕西省南部,是秦岭钒矿集中开采区,范围为110°02′~110°22′E,33°23′~33°25′N,隶属于商洛市山阳县。山阳县城西北距西安140 km,有高速公路相通,各乡镇有省道308连通,区内村与村之间均有简易公路相通,交通较为方便。

1.2 地形地貌

研究区属秦岭山系鹘岭山脉,属基岩中-低山侵蚀构造地形,发育石灰岩峰沟谷地貌,其地貌特征与基底构造形态和新构造运动有相关性。区内地形陡峻,植被发育,地形起伏较大,海拔一般为800~1300 m。区内沟谷发育,流水侵蚀强烈,主沟系主要以NS向展布,沟谷横断面多呈“V”字形。坡陡沟狭,水系发育,地形复杂,局部山体溶蚀发育,坡体受沟谷切割严重。地貌按其形态可划分为:中低山沟谷区和构造侵蚀中山区。

1.3 地质构造与地层岩性

研究区位于南秦岭印支褶皱带白水江—白河褶皱束,南侧紧邻武当古隆起,在区域大的构造背景影响下,区内构造格局总体由近东西向的褶皱、断层构造组成。受这种构造格局的影响,岩体在多期的构造变形与变质作用下节理裂隙发育,该构造背景为斜坡地质灾害的孕育提供了有利的地质条件。另外,新构造运动导致的间歇性差异升降运动造成研究区山地的上升,加剧了河谷的下切作用,从而为斜坡灾害的孕育发生提供了有利的地形条件。另外,由于受构造运动及剥蚀作用,区内地层发生倒转,震旦系灯影组白云岩覆盖于寒武系水沟口组硅质岩之上,造成钒矿开采区“上硬下软”的地层结构(李凯,2017),为斜坡灾害的发生提供了有利的岩性条件。

区内3大类岩石均有分布,出露地层由老到新有震旦系、寒武系、奥陶系与志留系地层,其中寒武系水沟口组的硅质岩是主要的钒矿赋矿层。主要岩性为灰色、灰白色白云岩,灰黑色、暗紫红色硅质岩,黏土岩,板岩等。

1.4 气候条件

研究区四季分明,冬季寒冷,夏季酷热,春季温暖多风,秋季潮湿多雨,属典型的亚热带向暖温带过渡的季风性半湿润山地气候。年平均气温13.1°,极端最高气温39.8°,极端最低气温-14.5°,年无霜期平均205 d,区内降雨量丰富,年降雨量约为700~900 mm,多年平均降雨量709 mm,最大降水量1131.8 mm(1964年),最小降水量473.2 mm(1978年)。其中,5~10月是主要降水期,7~9月为多雨季节。暴雨及长期连阴雨是诱发斜坡灾害的主要因素。

2 地质灾害现状

基于无人机航拍、遥感解译与野外实地调查,对山阳—商南钒矿开采区地质灾害数量、类型及分布情况进行了统计分析,区内地质灾害的主要类型有滑坡、崩塌、不稳定斜坡、危岩体与泥石流(表 1)。其中滑坡及隐患点16处,占地质灾害总数的45.7%,崩塌及危岩体13处,占地质灾害总数的37.1%,泥石流隐患6处,分布于上游有大量矿渣堆积的沟谷地段。滑坡和崩塌是研究区最为严重的地质灾害类型。

表 1 山阳—商南钒矿开采区地质灾害类型及发育数量统计表 Table 1 Types and numbers of geological hazards in Shanyang-Shangnan vanadium mining area

3 斜坡灾害发育分布规律

本文主要研究了地质灾害发育分布与斜坡结构的对应关系。斜坡结构通过斜坡类型、地形坡度、地层倾角、结构面组合与岩性控制着各类地质灾害的分布(黄润秋等,2008毕晓玲等,2011孟庆华等,2011方琼等,2012)。

3.1 灾害分布与斜坡类型的关系

斜坡类型是崩滑地质灾害的主要控制因素之一,其中,顺向坡是岩质斜坡中稳定性最差、最易变形破坏的斜坡类型(柴波等,2009)。基于野外实地调查,对斜坡地质灾害分布与坡形进行统计分析,结果见表 2图 1。可见顺向坡明显更易于发生崩滑灾害,在调查发现的29处崩滑灾害中有22处发生于此类斜坡,占灾害总数的75.86%;有6处发育于横向坡中,占灾害总数的20.69%;只有1处发育于逆向坡,仅占灾害总数的3.45%。

表 2 斜坡灾害分布与坡形的关系 Table 2 The relationship between hazards distribution and slope types

图 1 灾害分布与斜坡类型的对应关系 Fig. 1 The relationship between hazards distribution and slope types

3.2 灾害分布与地形坡度的关系

研究表明,斜坡的地形坡度是影响滑坡发育的重要因素之一(乔建平等,2004郭芳芳等,2008),对滑坡发育具有较高的敏感性(许建聪等,2007)。研究区地形起伏较大,“V”型谷较发育,灾害主要分布在沟谷的两侧,呈带状分布。将斜坡灾害分布与坡度进行统计分析,结果见表 3图 2。可见,绝大部分斜坡灾害都分布在地形坡度为30°~50°的范围内,其数量占总数的72.42%。

表 3 灾害分布与地形坡度的关系 Table 3 The relationship between hazards distribution and topographic slope

图 2 灾害分布与地形坡度的对应关系 Fig. 2 The relationship between hazards distribution and topographic slope

3.3 灾害分布与岩层倾角的关系

山阳—商南钒矿开采区地形起伏大,地势险恶,高山深谷错综复杂,这不仅在很大程度上决定了滑坡、崩塌等地质灾害的倾角,也是斜坡体岩层倾角的主要控制因素。通过对研究区崩滑地质灾害分布与岩层倾角进行统计,得到灾害分布与岩层倾角的对应关系(表 4图 3)。可见68.97%的灾害分布在岩层倾角为40°~60°之间的斜坡中。

表 4 斜坡灾害分布与地层倾角的关系 Table 4 The relationship between slope hazards distribution and strata dip angles

图 3 灾害分布与岩层倾角的对应关系 Fig. 3 The relationship between hazards distribution and strata dip angles

3.4 灾害分布与结构面组合的关系

结构面的存在成为岩体失稳破坏的主要因素,结构面组合夹角的不同严重影响着岩质边坡的稳定性(梁力丹等,2013)。山阳—商南钒矿开采区岩质边坡结构面极其发育。通过对研究区崩滑地质灾害分布与坡体结构面组合进行统计,得到灾害分布与结构面组合的对应关系(表 5图 4图 5)。可见75%的灾害分布在结构面夹角为70°~90°之间,即结构面组合近乎正交的斜坡中。从图 5图 6可看出,研究区岩层优势倾向为NNE,节理优势倾向为SEE,灾害主崩滑方向为NW—NEE,主崩滑方向与地层优势倾向是一致的。

表 5 灾害分布与结构面夹角的关系 Table 5 The relationship between hazards distribution and structural angles

图 4 灾害分布与结构面组合的对应关系 Fig. 4 The relationship between hazards distribution and structural angles

图 5 结构面夹角玫瑰图 Fig. 5 Rose diagram of structural angles

图 6 主滑方向玫瑰图 Fig. 6 Rose diagram of main sliding direction

3.5 灾害分布与岩性的关系

研究区地层倒转,震旦系白云岩覆盖于寒武系硅质岩之上,出露地层岩性主要有白云岩、硅质岩、黏土岩等,将灾害点分布与地层岩性进行统计分析(表 6)可见,灾害主要发育在白云岩和硅质岩中,其中白云岩中主要发育的是崩塌,硅质岩中则以滑坡居多。实际调查表明,白云岩地层中通常发生崩塌灾害,而硅质岩或白云岩与黏土岩互层斜坡中通常发生滑坡,矿渣堆积较多且沟道纵坡降较陡的沟谷多发育矿渣型泥石流。

表 6 斜坡灾害分布与地层岩性的关系 Table 6 The relationship between slope hazards distribution and lithology

4 地质灾害早期识别
4.1 遥感解译识别方法

解译识别前借助Terra builder、Terra explorer软件对研究区DEM和遥感影像进行合成,以对研究区的地形进行三维解读,对后续的解译打下基础,同时我们利用2014期和2016期遥感影像进行了对比来进行辅助解译,达到对遥感识别的优化,且解译标志的变化可以和滑坡发展到发生联系起来认识他们之间的相互关系。本次解译首先构建GIS数据库,对地形、影像及地质等数据进行统一管理。然后,基于GIS的空间分析和三维数字场景创建模块,建立二维解译和三维影像解译识别平台;最后,根据滑坡的地形及影像解译标志,进行人机交互式综合解译,确定滑坡及其特征要素,计算滑坡的面积、坡度、前后缘高程等信息;选取部分解译点进行现场验证,修正解译结果并入库。

4.2 初步解译识别成果及灾点特征信息读取

本次重点解译区域为矿山周围,共解译了31个灾害点,针对解译出的滑坡对象,结合地质图、地形图及坡度坡向等数据对解译滑坡进行特征信息提取,主要内容包括以下方面:

(1) 滑坡边界:滑坡后缘壁的位置及壁面上残留的纹带特征;滑坡两侧界线的位置与形状;前缘出露位置、形态、临空界面特征及剪出情况。

(2) 形态和规模:滑体平面形状、滑体长度、宽度、面积等。

(3) 滑坡分解及主滑动方向的确定:主要通过地形及细部纹理特征,确定滑坡体的不同部位或其内小滑体,滑坡及其分解小滑体的主滑方向垂直于等高线,指向低一级等高线方向。

(4) 稳定性判译:主要是依赖于“工程地质法”的原理,通过地貌分析定性确定滑坡的变形阶段及其稳定性。

提取信息表如表 7所示,本次野外共调查29个灾害点,对室内遥感解译的19个点进行了现场验证,经验证,有16个点为灾害点,包括滑坡隐患点和老滑坡点,解译准确率为84.2%。

表 7 遥感解译点特征信息提取 Table 7 Feature information extraction of remote sensing interpretation points

4.3 遥感识别标志

针对此次对研究区最初遥感解译结果的野外验证,我们优化和总结了遥感识别的基本标志如下(针对Google Earth遥感影像):

(1) 色:老滑坡体三维影像上色调较周围暗,影像上住宅为灰白色规则形状(图 7图 8),应注意与灾害点加以区别。近期发生的小型滑坡体,以浅色调为主,零星分布淡绿色,对于稍大的滑坡,呈浅色或有明显阴影,与周围地形及植被形成明显的差异(图 9图 10)。

图 7 老滑坡三维影像 Fig. 7 3D image of old landslide

图 8 老滑坡三维影像 Fig. 8 3D image of old landslide

图 9 新滑坡三维影像 Fig. 9 3D image of new landslide

图 10 新滑坡三维影像 Fig. 10 3D image of new landslide

(2) 形:老滑坡体三维影像上具有圈椅状后壁,坡度较陡,近乎直立,两侧边界处具有明显的陡壁;侧壁和后壁常形成弯曲环抱的沟谷,即双沟同源;滑坡体坡度较缓,沿滑动方向常有一至几级平台;前缘常呈弧形鼓出,河道或道路弯曲,与周围地形差异明显;前缘与河谷或阶地接触处多形成陡坎(图 7图 8)。近期发生的小型滑坡体上土体裸露,松散,上覆植被分布不均匀,前缘弧形凸出,前方多为河流或公路,常导致河流受阻、河道弯曲或变窄、道路被掩埋或中断等(图 9图 10)。

(3) 纹:老滑坡体三维影像上纹理不是很明显,缓坡地带多为居民住宅或农田,影像上住宅为灰白色规则形状,农田具淡绿色规则条纹状纹理特征(图 7图 8)。近期发生的小型滑坡体上覆植被分布不均匀,具有顺坡向的纵向不规则条纹(图 9图 10)。

(4) 貌:滑坡主要发育在河谷岸坡及道路两侧陡坡地带,坡度15°~40°的区域,老滑坡体地形等高线整体后缘紧密,中部稀疏,前缘紧密;两侧等高线向地形较高处凸出;前缘等高线向河流一侧凸出,呈舌状。一般老滑坡体,受人为扰动较小时,可以通过地形等高线进行初步解译识别。

4.4 斜坡灾害识别方法

基于前述研究分析及野外实际调查情况,从遥感解译、地质特征与野外识别3个方面总结了矿区隐蔽性地质灾害的识别标志(表 8),以期为采矿企业及矿区人民的防灾减灾工作提供参考。

表 8 秦岭矿产资源开采区斜坡灾害识别标志 Table 8 Identification marks of slope geohazards in the Qinling mining area

5 结论

基于上述研究,对山阳—商南钒矿开采区斜坡灾害的发育分布规律及识别研究得到如下结论:

(1) 基于遥感解译和野外实地调研,获得研究区地质灾害点及隐患点35个。

(2) 斜坡地质灾害主崩滑方向为NW—NEE,主要分布在顺向坡、岩层倾角40°~60°和坡度30°~50°的斜坡中,近乎正交的结构面组合对崩滑灾害的发育具有显著的放大效应。白云岩地层中通常发生崩塌灾害,而硅质岩或白云岩与黏土岩互层斜坡中通常发生滑坡,矿渣堆积较多且沟道纵坡降较陡的沟谷多发育矿渣型泥石流。

(3) 灾害的早期遥感标志、地质特征及野外识别方法可为矿区的防灾减灾工作提供参考。

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