(1.成都理工大学 地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室，四川 成都 610059； 2.国网四川省电力公司经济技术研究院(成都城电电力工程设计有限公司)，四川 成都 610041)
摘要：汶茂公路地处我国地质灾害高易发区，是汶川地震发生后重要的 “生命通道”。 为深入探究该类区域崩滑灾害的发育规律，并据此对公路选线和设计提供依据，通过对灾害最新遥感解译、现场调查和资料搜集，运用ArcGIS平台，分析了汶茂公路走廊带的地表坡度、坡向、工程地质岩组、断层、水系、道路影响共6个环境因子与地质灾害之间的关系。结果表明：① 研究区共计崩塌258个，滑坡127个，其在30°～60°的坡度范围内分布最广，E、W、SW、NW坡向范围内坡体稳定性较差，灾害频发。② 地层及岩性在宏观上对灾害发生起着控制作用。③ 距断层越远，其受到的影响越小。④ 走廊带内崩滑灾害受区域水系的控制。⑤ 距道路400 m的范围内灾害点密度最大，在道路修建时，应重点考虑边坡、路基的的影响因素。
关 键 词：崩塌； 滑坡； 地震; ArcGIS平台； 山区公路； 公路走廊； 汶川； 茂县
我国西部地区山高坡陡、沟谷纵横，复杂的地质条件及频发的地质灾害给这些地区的公路造成极大的威胁，如崩塌、滑坡、泥石流等地质灾害造成公路损毁，交通堵塞的情况时有发生。尤其遇地震灾害后，灾区道路系统遭到损毁，极大地阻碍了抢险救援和灾后重建。譬如，1973年，四川炉霍县雅德发生7.6级地震，川藏公路有17处遭到严重的损毁[1]；1979～1987年，川藏公路遭受多次崩塌、滑坡灾害的破坏，受严重影响路段长达373.5 km，全线每年交通中断达173 d，其交通运行情况极为恶劣[2]；在1996年云南元磨高速公路建成之前的设计及施工中，由于对滑坡的危害认知不足，导致施工中出现大量的滑坡灾害，沿线滑坡治理工程费用高达6亿多元[3]；2008年汶川地震和2010年玉树地震的发生直接诱发了大量的崩塌、滑坡等灾害，使得各城镇、村庄以及各种交通设施、重要水利水电设施受到了极为严重的破坏，损失惨重[4]。
本文选择位于青藏高原与川西北盆地过渡带的汶川-茂县G213部分道路及相邻主要道路作为研究对象。通过高精度遥感解译及现场调查对震后公路走廊地带地质灾害进行统计研究，借助ArcGIS平台分析环境因子与灾害空间分布的关系[7-8]，为地震多发山区的公路工程的防灾减灾提供设计依据。
走廊带地处青藏高原东南边缘的高山峡谷区，其走廊带范围：东经103°28′～103°52′，北纬30°06′～31°43′，整条走廊长约82 km，面积约348 km2。区内陆貌以中、低山地貌为主，区内海拔最高3 187 m，最低处为岷江，海拔923 m，相对高差达2 264 m，如图1所示。
研究区地层从黄水河群到第四系，除石炭系、二叠系和奥陶系外均有出露，地层岩性以花岗岩、闪长岩、千枚岩、灰岩等为主。研究区内山高坡陡、河谷深切、河流密布，以岷江为主干，沿江分支众多，水系分布成典型的“树枝状”，其自北向南依次流经茂县、汶川。同时，区内陆质构造复杂，茂县-汶川深断裂及其分支九顶山断裂[9]，均为龙门山后山断裂。茂县-汶川深断裂带北起茂县，南经汶川、陇东延伸至泸定。走廊带内为该深断裂带北东端，沿牟托～十里铺复背斜北侧一支走向约北东40 °。而其分支九顶山断裂沿汶川岷江水系文镇沟的支沟没足沟进入九顶山脊，沿其南侧光明乡石板沟尾入土门河，沿河西南谷坡中部与河平行延伸进入北川。走向北东40°～50°，全长约56 km。
图1 走廊带高程分布
2.1 基础地质数据
本次研究采用SPOT5卫星影像，在ENVI5.0平台上，对走廊带影像进行正射校正、图像融合等。通过1∶50 000数字地形图生成DEM，再使用Imagine to Imagine在1∶50 000地形图上选择50～100个均匀分布的控制点进行配准，使校正精度误差小于等于5个像素。再通过校正后的DEM提取公路走廊内坡度、坡向及水系等数据。从而对数字化地形图进行断层、工程地质岩组的提取。
2.2 崩塌、滑坡解译数据
建立一个解译标志是遥感解译的重点之一。解译标志可以根据影像上的植被覆盖、斑驳落石等地物进行解译，从而确定灾害类型。通过收集资料和现场调查的结合，对已知灾害在遥感影像上建立遥感解译标志，继而对走廊带进行详细的解译。
(1) 滑坡解译。滑坡是斜坡变形现象中最复杂的一种，自然界中斜坡形态各异，经过长期变形的斜坡，往往是多种现象的综合体。经过现场调查验证，滑坡的解译主要是对其形态(圈椅状、双沟同源等)、色调、阴影、纹理(植被覆盖率不同)进行辨识[10]，见图2。
(2) 崩塌解译。崩塌一般发生在由节理裂隙发育的坚硬岩石组成的陡峭山坡和峡谷陡岸上。由于走廊带多为深切河谷，因此在影像上发现河流两岸及陡峭山崖中，有大量灰白色的块状图斑，且有大量落石清晰可见(图3)。最终，解译、统计的崩塌灾害共258个，滑坡灾害共127个。再通过Global mapper将KML文件转换为Shapefile文件，并通过ArcGIS计算灾害面域的几何中心，转换为点的形式，方便下一步的计算统计。
图2 圈椅状滑坡
图3 典型崩塌影像
3.1 与地表坡度关系
根据所选择的区域，通过ArcGIS对DEM进行地表坡度提取，并将坡度按照15°的等间距分为<15°、15°～30°、30°～45°、45°～60°、>60°五级，得到灾害点数量与坡度关系图(见图4)。
图4 灾害点与坡度关系
从灾害数量与坡度关系来看，灾害总体呈现近似正态分布，灾害集中分布在30°～60°区间，其灾害点密度高达2.37个/km2，占灾害总量的59.2%。从图4可看出：滑坡集中发育在15°～45°的范围内，原因主要是15°～45°的坡面，岩质和土质共存，相较缓坡而言，其易碎性更大，因此容易发生滑坡。当坡度大于30°时，破坏方式逐渐由滑坡转变为崩塌，即崩塌集中发生在30°～60°的范围内，一般该范围内岩体较为破碎且具有较好的临空面，所以崩塌灾害尤为发育。坡度大于60°时，坡面基本为岩体，其整体性较好，则不易发生灾害。而小于15°的范围内灾害点数量亦较多，其主要原因是在该范围内，有较多的人类工程扰动，影响了岩体的稳定性，地震后发生了较多的灾害。所以在道路选线设计时，应该尽量绕避灾害密集发生的坡度范围，从而提高线路的安全性。
3.2 与地表坡向关系
根据所选择的区域，通过ArcGIS对DEM进行地表坡向提取，以正北方向为0°，将坡向划分为8个范围区间：N(0°～22.5°，337.5°～360°)、NE(22.5°～67.5°)、E(67.5°～112.5°)、SE(112.5°～157.5°)、S(157.5°～202.5°)、SW(202.5°～247.5°)、W(247.5°～292.5°)、NW(292.5°～337.5°)。得到灾害点数量与坡向关系图(图5)。结果表明：① E、W坡向上，灾害数量较多。由于太阳辐射强度不同，该类位于山体的阴面，受日照的时间相对较少，影响了植被发育、水份蒸发量、坡面侵蚀等诸多要素，导致岩体易风化、更为松散破碎，影响斜坡岩土体物理力学特征及稳定性。② 该走廊位大部分区域位于汶茂断层的上盘，而汶茂断层为一逆冲兼右行走滑断层，由SW向NE逆冲运动，其地震烈度区以断裂带为中心呈椭圆分布。有研究表明，地震动分量在垂直于断层方向大于平行于断层方向，且沿断层走向，东北方向的等震线间距明显大于西南方向的等震线间距；沿垂直断层走向，西北方向的等震线间距大于东南方向的等震线间距[11]。因此，其E、W坡向受到地震影响范围更广，公路修造时，其方向尽可能垂直于E、W向斜坡，快速通过。
图5 灾害点与坡向关系
3.3 与工程地质岩组的关系
研究区内陆层、岩性出露众多，根据岩土体类型、性质、结构及其构造特征划分工程地质岩组。其岩组划分方案如表1。分析灾害点与工程地质岩组关系(图6、图7)。
表1 走廊带岩(土)体工程地质类型及其岩组
工程地质岩组涉及地层 主要岩性①松散岩类Q黏土、砂卵石、砂砾石等②碎屑岩类半坚硬岩岩组Zbdn、Dyl2灰岩、千枚岩、白云岩、页岩等③变质岩类半坚硬岩岩组Smx5、Smx4、Smx3、Smx2、Smx1,Pthn3,∈千枚岩、灰岩、砂岩等④岩浆岩类坚硬喷出岩岩组Pthn1石墨片岩、石英岩等⑤岩浆岩类坚硬侵入岩岩组γ42、δ32、γO42花岗岩、闪长岩等
图6 灾害点与工程地质岩组关系
图7 工程地质岩组
从走廊带内不同工程地质岩组类型中的灾害数量统计来看，松散岩类岩组面积虽小,但灾害密度高达1.48个/km2。此外，岩浆岩类坚硬喷出岩岩组灾害密度最高，为1.71个/km2。
结果表明，走廊带内岩性变化大，岩组空间变化复杂，以变质岩类半坚硬岩岩组、岩浆岩类坚硬侵入岩岩组分布最为广泛，其中变质岩类半坚硬岩岩组区内以千枚岩、片岩等岩石组成，此类岩石易风化、抗剪强度较低，在外营力作用下，极容易发生崩滑灾害。比较而言，崩塌更容易发生在由花岗岩、闪长岩等较坚硬岩石的岩浆岩类坚硬侵入岩岩组中，其崩塌灾害高达124个，占总灾害比例的32.4%。因此工程地质岩组是地质灾害的分布的重要控制因素。
3.4 与断层的关系
经多位学者研究发现：在强震作用下，发震断层瞬间大幅度错动对滑坡的影响尤为突出，约80%的大型滑坡集中分布于发震断层两侧5 km的范围内，距离断层越远，滑坡分布的数量越少[12]。玉树地震中滑坡主要分布在以断层为中心线，左右2 km范围内[13]。因此，断层对崩滑灾害的控制效应极为显著。根据走廊带的大小及所收集资料，以断层为中心线，选择左右400 m的间距划分缓冲区，分成5个区间：0～400 m,400～800 m,800～1200 m,1200～1600 m,1600～2000 m。可得灾害点与断层关系(图8)。
有学者认为，逆断层的上盘效应在近场地震动特性中非常重要，其地震动明显大于下盘[14-15]。图8表明：上盘灾害总数为260个，下盘灾害个数为104个，上盘灾害点数量明显多于下盘，符合上盘效应这一特点。同时，随着距断层距离的增加，灾害数量逐渐降低。距断层400 m的范围内，灾害点总数高达154个，占灾害总数的40%。距断层1 600～2 000 m，灾害点仅19个，占总数的4.9%。同时，灾害点密度在400～800 m的范围内出现峰值，是受到两条断层综合影响所致。
图8 灾害点与断层关系
3.5 与水系的关系
河流两岸往往会有大型的崩滑灾害发生。无论在历史上，还是近代崩滑灾害的发生，都与水系的关系密不可分[16]。本文根据DEM利用水文分析工具提取地表水流径流模型的水流方向，经填洼处理后，再提取汇流累积量、水流长度、河流网络，得到走廊带内河流及支沟，再对走廊带内河流及支沟进行多环缓冲区统计分析(图9)。图9表明：灾害点在距离水系200 m范围内，分布最为密集。这一范围内崩塌灾害166个，滑坡灾害71个，共计237个，占灾害总量的61.6%。
图9 灾害点与水系关系
同时，该范围的灾害点密度高达2.14个/km2。造成的原因是，在汶茂龙门山地区，水系附近最为常见的是深切峡谷地带，具有非常好的临空面，易引发崩塌；有良好的滑动空间，易引发滑坡灾害。
3.6 与道路的关系
在道路建设中难免会进行削坡、坡顶加载等人类工程活动。然而，这些工程活动干扰了原有的地形地貌，破坏了岩土体的整体性，破坏了原有的自然结构。
调查发现。研究区多处灾害与道路开挖坡脚及削坡有关，出现大量的滑坡、崩塌，对道路造成严重的威胁。典型的如沙窝子高边坡滑塌(图10)。
图10 沙窝子高边坡全貌
沙窝子高边坡距汶川县城3 km，在汶川地震遭到局部破坏后，其原有的防护结构被破坏，坡体内岩体松动，接连发生多处滑坡、崩塌，对道路造成多次严重破坏[17]。
根据搜集的资料及灾害点分布与道路距离大小，对道路进行多环缓冲区统计分析。将道路与灾害点按照400 m的间距划分成5个区间：0～400 m,400～800 m,800～1 200 m,1 200～1 600 m,1 600～2 000 m，得到灾害点与道路的关系(图11)。
图11表明：在距离道路400 m的范围内，灾害数量最多，密度最大。其中崩塌灾害140个，滑坡灾害95个，共计235个，占灾害总量的61%，灾害点密度高达2.17个/km2。其主要原因是：道路工程活动，破坏岩体结构，导致灾害易发；道路一般位于河谷地带，由前述灾害与水系的关系可知，河谷地带灾害频发。因此，道路的修建可能诱发灾害，其规划和施工应引起足够的重视。
图11 灾害点与道路关系
(1) 在道路选线设计时，应尽量避开坡度在30°～60°的范围。
(2) E、W、NW、SW向阴坡相比于阳坡，坡面稳定性差，是灾害的高发带。
(3) 道路选线时，应尽量避开古老的地层、岩性较软弱(千枚岩、片麻岩等)、岩性坚硬但临空面发育的工程地质岩组区。
(4) 距断层越近，受到的能量冲击越大，易于灾害的发生。应尽量避免把道路修建在断层或近断层处。
(5) 由于近水系区域临空面发育良好，河流冲蚀坡脚的作用强烈，尤其是本文研究区水系往往位于深切峡谷地带，导致水系200 m的范围内灾害高发。
(6) 距公路400 m的范围内，灾害点密度高达2.17个/km2。因此，在公路修建设计时，应该加强路基、边坡的防护等，以降低灾害的威胁。
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(编辑：赵凤超)
LI Huimin1, REN Guangming1, LI Yuanliang1, FAN Rongquan2, LI Chang1
(1. State Key Laboratory of Geohazard Prevention and Geoenvironment Protection, Chengdu University of Technology, Chengdu 610059, China.；2. State Grid Sichuan Economic Research Institute (Chengdu Chengdian Electric Power Engineering Design Co. Ltd), Chengdu 610041, China)
Abstract: Wenchuan-Maoxian road, located in a China′s high-incidence area of geological disasters, which is an important life passage after the Wenchuan earthquake. In order to deeper explore the development laws of landslides and rockfalls in this kindsuch of area, and accordingly to provide basis for highway route selection and design. According to the most recent remote sensing interpretation , filed disaster site investigation and data collection, we analyzed the relationship between geological hazards and six environmental factors using the ArcGIS platform, including slope grade, slope direction, engineering geological rock group, faults, water system and road. The results show that: ① there are 258 rockfalls and 127 landslides in the study area, which are most distributed in the slope grade of 30°-60°. The slopes are lack of stability in the directions of East, West, Southwest, and Northwest, so the disasters frequently occur. ② The strata and lithology play important roles in controlling the occurrence of disasters. ③ The farther away from the fault, the less influences. ④ The landslide and rockfall disasters in the corridor are controlled by the regional water system. ⑤ The density of disaster points is the largest within the range of 400 metres away from the road, so the influential factors of slope and subgrade should be mainly considered in the construction of road.
Key words: rockfall; landslide; earthquake; ArcGIS platform; mountain road; highway corridor; Wenchuan; Maoxian
中图法分类号：P642.2
文献标志码： A
DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2017.19.013
收稿日期：2017-04-25
基金项目：国家电网公司科技项目(资助)(SGSCIYOOJHJS2016000)
作者简介：李惠民，男，硕士研究生，主要从事地质灾害及岩土体稳定性方面的研究。E-mail:546842543@qq.com
文章编号：1001-4179(2017)19-0066-05
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