以张台铁路为例谈线状工程地质灾害成因

朱慈广 何晓磊

(1.山西省地质工程勘察院，山西 太原 030024； 2.山西省国土资源学校，山西 晋中 030620)

以张台铁路为例谈线状工程地质灾害成因

朱慈广1何晓磊2

(1.山西省地质工程勘察院，山西 太原 030024； 2.山西省国土资源学校，山西 晋中 030620)

通过野外调查和室内资料整理，概述了张台铁路沿线的地质环境背景和地质灾害类型与特征，利用工程地质测绘、经验类比以及统计学的方法和手段，对张台沿线的各种地质灾害的成因进行了分析，结果表明，灾害的发生受地形地貌、岩性结构、水及人类工程活动的共同影响。

铁路，线状工程，地质灾害，成因

研究区内，乡宁煤田是河东煤田的重要组成部分，是我国三大优质主焦煤基地之一，是冶金工业急需的优质强粘结主焦煤，张礼至台头地方铁路的修建对煤炭的外运具有非常重要的意义，而对张台地方铁路沿线地质灾害的研究也意义重大。此外，张台铁路沿线的地质灾害还对周围居住的居民的生命财产造成了严重的威胁。为此，论文在对铁路沿线的各种地质灾害进行地质调查与详尽分析的基础上，利用工程地质测绘、历史经验类比和统计学的方法与手段，分析了沿线各种地质灾害的成因。这些研究不仅为防灾减灾和灾害治理提供参考，还为相关类型的地质灾害形成机理分析提供理论参考。

1 工程概况

张台铁路即张礼至台头地方铁路。张台线位于山西省中南部临汾，总体呈东西向展布，地理坐标介于N35°56′25″～36°04′28″和E111°6′15″～111°29′20″之间[1]。研究区地处临汾市的尧都区、襄汾县和乡宁县境内。线路自南同蒲铁路张礼车站北端接轨引出，向西跨汾河，经浪泉、梁段、光华至台头，线路全长61.236 km,见图1。

研究区地处中纬度的内陆黄土高原，属典型暖温带大陆性半干旱气候，四季分明，春季干旱多风，夏季炎热多雨，秋季凉爽易涝，冬季寒冷少雪。多年(1951年～2001年)平均降水量487 mm～546.6 mm。研究区按照成因及形态可分为侵蚀堆积河谷阶地区、山前冲洪积倾斜平原区、构造剥蚀低山～低中山区、山间河谷区四个地貌单元。

研究区地层主要出露奥陶、石炭及第四系地层。奥陶系主要出露奥陶系下统(O1)和奥陶系中统(O2)，而奥陶系中统(O2)表现为下马家沟组(O2x)和上马家沟组(O2S)。岩性以白云岩、白云质灰岩、白云质泥岩、钙质页岩和泥灰岩为主。石炭系在研究区主要出露中统本溪组(C2b)和上统太原组(C3t)。岩性主要为铝土岩、耐火粘土岩、粘土质页岩、砂岩、碳质页岩夹煤层、泥岩、煤线，此外有山西式铁矿分布。第四系在拟建线路沿线分布较广，可分为上更新统(Q3)及全新统(Q4)。岩性多以砂土、粘土、砾石层为主，可见钙质结核出露。

研究区位于祁连山吕梁山山前东翼和新构造体系的复合部位，东西横跨临汾断陷盆地和吕梁山单斜两个构造单元。研究区主要断层构造为：F1(罗云山—龙祠断层)，F2(石灰窑断层)，F3(台头东断层)。本区新构造活动强烈，形迹明显，如图2所示。

研究区所处临汾盆地位于山西断陷带西侧，地震活动强度很大，频率较高，震源浅。破坏性地震多为主震余震型，小震多属震群型或单个突发型，震源深度在剖面上多呈层状，多数地震的震源在14 km～20 km之间。

根据研究区含水介质特征、地下水赋存条件以及水理性质，张台铁路沿线地下水类型可分为：松散岩类孔隙水、碎屑岩类裂隙水、碳酸盐岩类裂隙岩溶水三种。

研究区内的尧都区煤层现尚未被开采；襄汾、乡宁两县下伏无煤层储存。铁路沿线的三个小型采石场(襄汾县薛村附近)，开采活动微弱。其他人类工程活动主要为修路，多沿沟依坡而建，存在不同程度的开挖、削坡等情况，在边坡处理不当的情况下，易产生滑坡、崩塌等地质灾害。

2 地质灾害类型与特征

拟建地方铁路穿越侵蚀堆积河谷阶地区、冲洪积倾斜平原区、构造剥蚀低山～低中山区、山间河谷区四个地貌单元。

研究区现状条件下地质灾害为滑坡、崩塌及潜在崩塌、泥石流，集中发育于构造剥蚀低山～低中山区。沿线下伏煤层没有被开采或没有煤层储存，没有采空区及采空形成的采空塌陷、地裂缝地质灾害。

野外调查发现崩塌计4处，潜在崩塌18处、滑坡1处，泥石流支沟3条。地质灾害的分布受地形地貌、岩土体性质、结构构造、地质构造发育程度等控制，其发生与降水(特别是丰水年暴雨、连续降雨)和人类工程活动、地下水活动等因素密切相关。故地质灾害具有条带状、群发性、突发性、继发性以及周期性等特征[2-6]。

研究区现状条件下各类地质灾害点从规模上多以小型、中型为主(见表1)；稳定性为不稳定。

表1 常见地质灾害灾变等级分级表 104 m3

3 地质灾害成因

该研究区发育的地质灾害主要是滑坡、崩塌、泥石流、岩溶塌陷和地面沉降，对其成因[7- 9]现分述如下。

3.1 滑坡

1)发育特征。

本次调查在拟建地方铁路沿线建设用地研究区内发现1处滑坡H1。H1滑坡分布于拟建地方铁路CK57+950北220 m、后高家河村西北、襄台公路、豁都峪河北的山坡上，与拟建铁路隔河相望，见图3。

H1滑坡属基岩滑坡，滑坡体岩性为中奥陶(O2)中厚层灰岩、薄板状泥灰岩。按照结构分类为切层滑坡，岩层走向N65°，倾向N155°,倾角5°。山坡坡向N190°。滑动面的倾角约70°，大于岩层倾角。滑坡体呈台阶状，前缘陡立高度3.3 m，并有水渗出。后缘陡壁、有拉张裂缝，高度13 m左右，呈圈椅状地形；滑坡高20 m，长93 m,厚4.2 m,为浅层滑坡。体积7 812 m3，为小型滑坡。该滑坡始发于1998年5月。

2)形成机制分析。

a.地形地貌：地形地貌是滑坡形成的主要条件。H1滑坡发育在斜坡地段，公路修筑时开挖坡脚形成陡峭边坡，滑动前坡度80°左右，现状条件下坡度70°左右，前缘临空；两侧冲发育沟使坡体凸出，增大临空面的同时减小侧向阻力。山高坡陡沟深，雨季沟谷流水侵蚀切割坡脚，增大了坡体下部的临空面，导致坡体内应力重新分布，坡体下部支撑力减小，易在重力作用下形成滑坡。

b.岩性特征：H1滑坡为岩质滑坡，岩性为灰岩、泥灰岩，风化强烈，裂隙发育，为降水提供入渗通道和储存空间。泥灰岩、灰岩在雨水作用下容易溶蚀，进一步使裂隙贯通发展成为滑移面，形成滑坡。

c.水的作用：水是诱发滑坡最活跃的因素。包括大气降水入渗、地表水的下渗和冲蚀(特别是洪水冲蚀)、地下水的渗透作用等。降水入渗能浸润接触面(滑面)，减小抗剪阻力；地表水的侧蚀和下蚀造成坡体前缘、侧缘临空；地下水对灰岩的长期溶蚀，均对滑坡的发生起重要作用。特别是雨季连续降水或暴雨的情况下，H1滑坡发生的可能性更大。

d.人类工程活动影响，山前开挖边坡修筑公路，使山坡斜坡变陡、前缘临空，为坡体失稳创造了地形条件。

3)稳定性分析。

经定性分析认为，H1滑坡目前处于不稳定状态。其原因为斜坡前缘较陡，坡度70°左右，临空高差大，且有水渗出。后缘陡壁、有拉张裂缝。经计算，该滑坡目前稳定性较差。

3.2 崩塌及潜在崩塌

1)发育特征。

拟建地方铁路有2/3线在构造剥蚀低山～低中山区沿山坡中下部布设。该区边坡岩性主要为灰岩、泥灰岩、白云岩，部分粘土、亚粘土。灰岩、白云岩、泥灰岩抗溶蚀能力差，裸露的坡体表层为一层厚度3 m～4 m的风化壳。井头至佛儿崖(C12K19+500～C12K30+500)受F1断层影响、东宽水—台头(C12K39+500～CK58+100)受次级小断层及F2断层影响，风化程度强烈,岩石破碎，裂隙密集，风化层厚约4 m。佛儿崖—东宽水(C12K30+500～C12K39+500)风化程度中等,岩石较破碎，风化层厚约3 m。且线路穿越的沟谷多为“V”形谷，由于洪水的冲刷，边坡坡度较陡，稳定程度较差，崩塌及潜在崩塌较发育，见图4。

野外调查中，研究区发现有22个段陡立边坡，其中有4处崩塌，18处潜在崩塌，主要与线路斜交或直交。4处崩塌全部为小型；18处潜在崩塌中，5处小型，13处中型。

2)形成机制分析。

a.地形地貌：陡坡地貌是崩塌发生的必备条件。沿线陡立边坡一般坡度60°～82°，前缘一般为沟谷，有水流掏蚀坡脚或人工切坡，有利于崩塌形成。

b.结构构造：构造使该区岩石节理裂隙发育，将完整岩土体分割成柱状、棱角状、块体，降低岩体间结合力，岩层倾向与斜坡倾向一致或相近，尤其是该区岩层倾角小于斜坡坡角，为易滑组合，增加了边坡失稳的可能性。

c.岩性特征：垂直节理发育的黄土及软硬相间的灰岩、泥灰岩、白云岩由于差异风化，在岸坡地段软弱泥灰岩风化强烈往往形成岩腔，其上较坚硬灰岩在重力作用下易于失稳。

d.降水入渗：降水是崩塌主要诱因之一。一方面冲刷岩体，另一方面大量入渗，在增大岩土体重量的同时对结构面起到润滑作用，降低其结合力，易导致崩塌发生。

e.长期风化冻融等作用：包括风化、冻融和植物根劈作用等，使岩土体分裂、破碎，在地形有利地段易发生散落、掉块，特别是垂直节理发育的黄土体受热胀冷缩作用，在春季解冻期极易发生崩塌。

3)稳定性分析。

通过对各崩塌的发育特征和形成机制、诱发因素等的分析及稳定性验算，目前研究区22个陡立边坡全部处于不稳定状态。

3.3 泥石流

拟建地方铁路沿线主要穿过汾河，沿豁都峪河两大河流。调查发现，汾河、豁都峪河河谷宽阔(见图5，图6)，河谷内主要岩性为砂、砾石、亚砂土类，尚未发生大的泥石流灾害。

拟建铁路沿线小型支沟众多。其中，有3条支沟为小型泥石流沟谷。分布于襄汾薛村、景村及黄崖村西沟谷中，该段处于构造剥蚀低山～中低山地貌。这些支沟沟域内，边坡出露主要岩性为奥陶系灰岩、白云岩，沟口山坡上覆盖薄层第四系上更新新统亚粘土、亚砂土；沟域内林地面积为65%～75%；现场调查这些支沟沟口处，分布有堆积物，为第四系全新统砾石、砂、亚砂土，但这些堆积物规模较小，约150 m3～270 m3，表明这些沟谷历史上发生过规模较小的泥石流。

研究区泥石流为沟谷型泥石流，按规模划分为小型，从物质组成看为水石流。泥石流发生的内在因素为岩性差异及差异风化，而诱发因素为降雨，尤其是夏秋季节高强度持续的降水。

3.4 岩溶塌陷

研究区地表分布奥陶系中统上马家沟组(O2S)中厚层状灰岩。据调查，沿线尤其是C12K2+500～C12K4+700段，小型岩溶发育，岩溶类型主要为溶洞、溶孔、溶隙等，直径可达0.5 m～3 m，岩溶内无充填物，连通性较好，洞身沿节理、裂隙发育，是地下水沿裂隙下渗溶蚀及地表水侵蚀联合作用的结果，发育程度为小～中等。发育位置多在地表及侧壁陡坎处。地表岩溶塌陷不明显，未见大的岩溶塌陷坑。据钻孔揭露，深埋区灰岩裂隙溶隙均不发育。泥灰岩岩层中未见异常，表明该地段除局部地段岩溶发育外，整体上岩溶不甚发育。

研究区岩溶塌陷的发育主要受岩体结构影响，灰岩内发育的孔隙、裂隙以及节理等等地下水通道是该种地质灾害发育的主要原因。

3.5 地面沉降

研究区地面沉降与新构造运动和地下水位下降相关。本区新构造运动使得临汾盆地的整体沉降速率达到0.4 mm/年。但临汾市中心年地面沉降速率却为10 mm/年，远大于盆地整体沉降速率。临汾市地面沉降主要由浅层地下水位下降引起。

临汾市地面沉降中心位于临汾市区中心，1978年～2002年累计最大沉降量为24 cm，年沉降速率为10 mm/年。临汾市区中心为地下水降落漏斗中心，1978年～2002年累计最大80 m，年沉降速率为3.3 m/年。地面沉降量与地下水位下降在时间上和空间上都存在着明显的对应关系，地下水水位下降是导致地面沉降必然的结果，地面沉降是引起地面变形的主要因素。

线路附近尧庙乡大韩村1996年地下水位开始下降，并与临汾地下水降落漏斗连接起来，成为临汾地下水降落漏斗边缘。该处有一第四系松散层孔隙水井，井深110 m，1996年～2007年总下降8 m。

按照降落漏斗中心的地面沉降量与地下水降深对应关系计算，大韩村年沉降速率为2.2 mm/年，多年地面沉降总量2.4 cm。向西、东方向，无水源地，地下水位逐渐变浅，地面沉降也相应减小，到神刘村、郡里减少为零。

4 结语

1)研究区地质灾害的类型主要为滑坡、崩塌、泥石流、岩溶塌陷以及地面沉降等五类。

2)滑坡灾害的发生受地形地貌、岩性结构、水及人类工程活动的共同影响，其中水是最活跃的因素；崩塌及潜在崩塌灾害的发生是地形地貌、结构构造、岩性特征、水、风化冻融等因素共同作用的结果，其中结构构造和风化冻融的影响较大；泥石流规模较小，其发生是岩性差异和差异风化，以及水的诱发的共同作用；岩溶塌陷发生的主要因素是地下水通道的发育，比如裂隙和孔隙；地面沉降是区域新构造运动的垂直升降和人类抽采地下水的结果。

3)本文在论述张台沿线地质灾害发生原因时，主要从宏观入手，缺少微观角度的探讨，这是下一步的研究方向。

[1] 朱慈广，王东桃，张文华.张礼至台头地方铁路工程地质灾害危险性评估报告[R].太原：山西省地质工程勘察院，2009.

[2] 何晓磊.西安市灞河左岸滑坡形成机理研究——以成东坡滑坡为例[D].武汉：中国地质大学硕士学位论文，2014.

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[9] 辛 鹏.陕西宝鸡市渭河北岸大型黄土滑坡形成机理与危险性评估[D].武汉：中国地质科学院博士学位论文,2013.

The cause of geological disasters in linear engineering with example of Zhang-Tai railway

ZHU Ci-guang1HE Xiao-lei2

(1.Geological Engineering Investigation Institute of Shanxi Province, Taiyuan 030024, China;2.Shanxi School of Land and Resources, Jinzhong 030620， China)

Through field investigation and indoor data compilation, author overviewed the environmental geology background, the type and characteristics of geological hazards along the Zhang-Tai railway, and performed an analysis of the cause of geological disasters in linear engineering. Which using a combination methods of engineering geological mapping, experience analogy, and statistics. The results showed that the occurrence of disasters was affected by topography, rock structures, water and human engineering activities.

railway, line engineering, geological disasters, causes

1009-6825(2014)31-0098-03

2014-08-28

朱慈广(1961- )，男，工程师； 何晓磊(1986- )，男，讲师

P694

A