黃佳銘，劉羊，樓康明，譚建輝，陳凌偉

(1.廣州市城市規(guī)劃勘測設計研究院，廣東 廣州 510060； 2.廣東省城市感知與監(jiān)測預警企業(yè)重點實驗室，廣東 廣州 510060)

1 引 言

花崗巖因球狀風化作用形成的微風化-中風化似球狀堅硬塊體通常被稱為孤石[1，2]，根據其埋藏情況可分為兩種，一種是裸露于地表或局部埋入殘坡積土層中的坡面孤石，另一種是埋藏于全-強風化巖或殘積土中的地下孤石[3]。孤石在我國沿海一帶分布較為廣泛，特別是廣東、福建地區(qū)[4]，地下孤石具有分布不規(guī)律性和不可視性，它的存在對基坑開挖、隧道掘進等重大地下工程建設產生較大的影響，眾多學者對其開展了持續(xù)性研究工作[5～7]，也取得了較為豐富的研究成果。針對坡面孤石的形成和分布特征，國內外學者開展了一系列研究工作，國內很多學者認為花崗巖孤石的形成是物理風化和化學風化共同作用的結果[8，9]，國外很多學者則認為形成花崗巖孤石的主要因素有巖石體積變化、巖石裂縫、卸荷及外部應力因素[10～14]；劉治軍等[4]指出花崗巖地區(qū)坡面孤石通常呈集群或線狀分布，亦有少量孤石成孤立零星分布；王平等[1]將坡面孤石分為原生孤石和滾石，原生孤石常以單體形式成群或線狀分布，滾石則多以堆疊形式存在于溝谷或山腳；王浩等[7]闡述了花崗巖孤石的發(fā)育特征，指出了其在工程建設中可能引發(fā)的地質問題。

廣州市花崗巖廣泛分布，其中孤石非常發(fā)育，近年來，因城市建設和極端強降雨的作用，坡面孤石崩塌災害頻繁發(fā)生，嚴重威脅了廣州市的經濟發(fā)展和城市安全。本文以廣州市黃埔區(qū)為例，基于充足的野外調查成果，采用信息量模型[15～19]結合ArcGIS的空間分析功能，對黃埔區(qū)的坡面孤石發(fā)育程度進行分區(qū)評價，并對評價結果進行檢驗，為研究區(qū)坡面孤石崩塌災害的防治工作提供理論依據和技術支撐。

2 研究區(qū)概況

黃埔區(qū)位于廣州市中部核心位置，珠江三角洲北緣，行政區(qū)域總面積約 484 km2，占廣州市總面積的6.51%。區(qū)內中北大部丘陵山地區(qū)域主要出露三疊系、侏羅系、白堊系地層，巖性從石英閃長巖到花崗巖，以二長花崗巖為主，微風化花崗巖天然抗壓強度強度大，屬較硬～堅硬巖類，在丘陵山地區(qū)域巖石風化強烈，殘坡積層較厚，地表和殘坡積層中因風化不均勻易發(fā)育花崗巖球中風化體。北部鎮(zhèn)龍一帶出露前震旦系云開巖組地層，巖性以片麻巖為主，微風化片麻巖天然扛壓強度較大，屬較硬巖類，個別達到堅硬。南部區(qū)域局部出露古近系地層，巖性以砂礫巖、砂巖、粉細砂巖為主，微風化砂巖天然抗壓強度一般，屬較軟巖，層理較發(fā)育，其中粉細砂巖、泥巖易風化崩解。

3 坡面孤石發(fā)育特征

本次調查發(fā)現研究區(qū)坡面孤石共計1 765處，巖性均為花崗巖，中等風化-微風化，基座大多由殘積土和不同風化程度的風化巖組成，形狀多樣，埋深和尺寸不一。

3.1 坡面孤石及其基座巖土特征

研究區(qū)坡面孤石主要表現為中微風化，花崗巖球狀風化由外至內進行，無結構面時風化難以在孤石內部進行，因而，坡面孤石風化程度以微風化為主，中等風化巖次之，強風化花崗巖多呈半巖半土狀，難以形成孤石，中等風化孤石共399處，占孤石總數的22.61%，微風化孤石共 1 366處，占孤石總數的77.39%。孤石基座組成可分為殘積土和風化巖兩類，在原位風化或經搬運后孤石大概率會坐落于殘積土之上，少部分坐落于基巖之上，基座為殘積土的坡面孤石共 1 324處，占孤石總數的75.14%，基座為風化巖的坡面孤石共441處，占孤石總數的24.86%。

3.2 坡面孤石規(guī)模特征

研究區(qū)坡面孤石體積大多不超過 50 m3，根據《廣東省地質災害特征認定和分級標準》中崩塌地質災害規(guī)模等級劃分標準，結合不同尺寸孤石可能造成的危害程度，將其規(guī)模劃分為大、中、小和微型四個等級，建立規(guī)模等級劃分標準表，并依據標準表對研究區(qū)坡面孤石規(guī)模等級進行統(tǒng)計分析(表1)。

表1 坡面孤石規(guī)模等級劃分標準

從坡面孤石的體積來看，中型孤石數量最多，共678處，占坡面孤石總數的38.41%，微型和小型孤石次之，分別為543處和385處，占坡面孤石總數分別為30.76%和21.81%，大型孤石最少，共159處，占坡面孤石總數的9.01%。從坡面孤石的形狀來看，條塊狀孤石數量最多，共840處，占孤石總數的47.59%，橢球體孤石次之，共514處，占孤石總數的29.12%，不規(guī)則和球體孤石較少，分別為255處和156處，占比分別為14.45%和8.84%。從坡面孤石的埋深來看，淺埋孤石(出露介于50%～85%)的數量最多，共 1 565處，占孤石總數的88.67%，深埋孤石(出露小于50%)和無埋深孤石(出露大于85%)數量均較小，分別為47處和153處，占比分別為2.66%和8.67%。

4 坡面孤石分布規(guī)律

從整體來看，研究區(qū)坡面孤石的分布具有明顯的區(qū)域性，集中分布在聯和街、蘿崗街和云埔街，分別為561處、458處和370處，分別占坡面孤石總數的31.78%、25.95%和20.96%，長嶺街、永和街和穗東街次之，分別為160處、104處和104處，占比分別為9.07%、5.89%和5.89%，其他鎮(zhèn)街零星分布或無分布。坡面孤石主要發(fā)育于以花崗巖山地區(qū)域，研究區(qū)南部以三角洲平原為主，坡面孤石數量很少；中部地區(qū)基巖主要為花崗巖，地貌以丘陵、臺地為主，區(qū)域內聯和街、蘿崗街、云埔街、長嶺街、永和街等街道坡面孤石很發(fā)育；北部地區(qū)基巖主要為花崗巖和變質巖，地貌類型以丘陵為主，但區(qū)域內花崗巖成分及年代不易形成孤石，使得研究區(qū)北部較少出現坡面孤石。

從局部來看，坡面孤石的分布表現出三個特征：一是坡面孤石密集區(qū)，孤石往往成群分布，表現出明顯的群體分布特征；二是坡面孤石密度較小區(qū)域，由雨水沖刷、人類活動等因素影響，導致其分布呈現出線狀或帶狀分布特征；三是坡面孤石被外力搬運至此，僅零星分布，坡面孤石以點狀形式存在。研究區(qū)坡面孤石的分布以群體分布為主，點狀分布次之，線狀或帶狀分布較少出現。坡面孤石分布特征如圖1所示。

圖1 坡面孤石分布特征

5 發(fā)育程度評價

坡面孤石發(fā)育程度是指在一定自然條件和人類活動影響下，坡面孤石形成的難易程度，是通過孤石形成以及出露于坡面的諸多影響因素進行綜合分析，確定坡面孤石在研究區(qū)內的形成概率、分布密度等，評價坡面孤石的發(fā)育程度，坡面孤石形成及出露于坡面受諸多因素影響，因而，坡面孤石發(fā)育程度是多因子綜合評價的結果。

5.1 評價模型

根據坡面孤石發(fā)育特征及發(fā)育程度評價內容，綜合考慮選取信息量模型開展研究區(qū)坡面孤石發(fā)育程度評價。孤石的形成及出露于坡面受多個因素的共同影響，信息量模型反映了一定地質環(huán)境條件下最易形成坡面孤石及其細分區(qū)間的組合，通過特定評價單元內某種因素作用下坡面孤石形成的概率與區(qū)域坡面孤石調查成果相比較實現的，對應某種因素特定狀態(tài)下的坡面孤石發(fā)育的信息量公式可表示為：

式中：IAj-B—對應因素A、j狀態(tài)(或區(qū)間)下坡面孤石發(fā)育的信息量；

Nj—對應因素A、j狀態(tài)(或區(qū)間)下坡面孤石分布的單元格；

N—研究區(qū)已知有坡面孤石分布的單元格；

Sj—對應因素A、j狀態(tài)(或區(qū)間)分布的單元格；

S—工作區(qū)單元總數。

當IAj-B>0時，反映了對應因素A在j狀態(tài)(或區(qū)間)下坡面孤石發(fā)育的信息量較大，坡面孤石形成的可能性較大，或者說利于坡面孤石發(fā)育；當IAj-B<0時，說明對應因素A在j狀態(tài)(或區(qū)間)下坡面孤石發(fā)育的信息量較小，坡面孤石形成的可能性較小，或者說不利于坡面孤石發(fā)育；當IAj-B=0時，表明對應因素A在j狀態(tài)(或區(qū)間)下不提供坡面孤石形成與否的任何信息，即因素A在j狀態(tài)(或區(qū)間)可以剔除，排除其作為坡面孤石發(fā)育的預測因子。

由于每個評價單元受多個因素的綜合影響，各因素又存在若干狀態(tài)，各因素組合情況下坡面孤石發(fā)育的總信息量可用下式確定：

式中：I—對應特定單元坡面孤石發(fā)育的總信息量，代表坡面孤石發(fā)育的可能性，可作為坡面孤石發(fā)育程度指數；

Ii—對應特定單元、特定因素第i狀態(tài)(或區(qū)間)條件下坡面孤石發(fā)育的信息量；

Ni—對應特定因素第i狀態(tài)(或區(qū)間)條件下分布有坡面孤石的單元數；

Si—對應特定因素第i狀態(tài)(或區(qū)間)的單元總數；

N—調查區(qū)分布有坡面孤石的單元總數；

S—調查區(qū)單元總數。

5.2 單元劃分

調查發(fā)現，出露型坡面孤石僅發(fā)育于未經開發(fā)的山地范圍內，平原和建成區(qū)均未發(fā)現有坡面孤石，為評價的簡便性和準確性，研究區(qū)坡面孤石發(fā)育程度評價僅考慮山地范圍，依據《地質災害風險調查評價技術要求(1∶5萬)》，綜合考慮孤石的分布規(guī)律和發(fā)育特征，將黃埔區(qū)建成區(qū)和平原以外的區(qū)域劃分成 10 m×10 m的評價網格單元，共計 2 737 623個網格單元。

5.3 評價因子

坡面孤石是指獨立于母巖存在于斜坡之上的單個花崗巖孤石，發(fā)育程度定義為地質環(huán)境條件對坡面孤石形成及出露于坡面的影響程度，基巖成因類型及時代是能否形成孤石的必要條件，經風化剝蝕或重力搬運形成的孤石以埋藏型為主，能否出露受諸多因素的影響，包括所處地形坡度、坡向、坡面曲率、高程、斷裂距離、植被覆蓋率等，綜合考慮將巖性、坡度、坡向、坡面曲率、高程、斷裂距離、植被覆蓋率等共計7個因素作為評價因子。

(1)巖性因子

孤石指花崗巖因差異風化而形成的球狀風化物，花崗巖或經變質作用的花崗巖是孤石形成的必要條件，但不同成分、不同年代的花崗巖形成孤石的難易程度不盡相同，根據工作區(qū)基巖地質圖將區(qū)內基巖按照成因、年代、組成等進行分類，基巖類型可劃分為志留紀片麻狀花崗巖(S)、元古界云開巖群(Pt1)、元古代片麻雜巖(Pt2)、第三系沉積巖(R)、晚三疊細中?；◢弾r(T1)、晚三疊中細?；◢弾r(T2)、中侏羅世中粗?；◢弾r(J1)、晚侏羅世細?；◢弾r(J2)和白堊世花崗巖(K)。

(2)坡度因子

孤石形成后能否出露于坡面或能否存在于坡面極大程度受所處地形坡度的影響，坡度越大，表層土體的剝蝕越容易，孤石越容易出露于坡面，但當坡度過大時，孤石出露于坡面后容易失穩(wěn)滾落或滑落，難以存在于坡面，因而，坡面孤石的形成很大程度受坡度控制。根據工作區(qū)地形起伏程度，將工作區(qū)的坡度劃分為 ≤5°、5°～15°、15°～25°、25°～35°和>35°共五個等級。

(3)坡向因子

坡向定義為坡面法線在水平面上的投影方向，坡向對山地生態(tài)有較大的作用，它能夠規(guī)律地反映基本的地形特征，坡向對日照、太陽輻射和降雨沖刷等有較大影響，一般而言太陽輻射南向坡多于北向坡、東向坡多于西向坡，太陽輻射間接影響植被的生長發(fā)育，對山體表層土體的剝蝕速度有很大影響。研究區(qū)坡向可劃分為平地(-1)、北向(0°～22.5°和337.5°～360°)、北東向(22.5°～67.5°)、東向(67.5°～112.5°)、南東向(112.5°～157.5°)、南向(157.5°～202.5°)、南西向(202.5°～247.5°)、西向(247.5°～292.5°)、北西向(292.5°～337.5°)共九個級別。

(4)坡面曲率因子

斜坡表面一定扭曲變化程度定量化的度量因子即為地形曲率，垂直和水平方向上的分量分別稱為平面曲率和剖面曲率，剖面曲率是對斜坡坡度沿最大坡降方向地面高程變化率的度量，調查分析表明剖面曲率對坡面孤石的發(fā)育程度有著重要的影響，剖面曲率一方面影響著坡面土體剝蝕沖刷的速率，另一方面極大地影響著坡面孤石的穩(wěn)定性，根據研究區(qū)斜坡形態(tài)特征，將邊坡曲率劃分為≤-5、-5～-1.5、-1.5～1.5、1.5～5和>5共五個等級。

(5)高程因子

高程的變化是影響坡面孤石發(fā)育的重要因素之一，一方面，高程影響著區(qū)內的降雨量、氣溫、植被以及巖層風化程度，另一方面，高程的變化影響著人類活動強度，地質環(huán)境條件破壞程度會對坡面孤石的發(fā)育產生影響，因而高程對坡面孤石發(fā)育程度起到一定的控制作用。由于研究區(qū)高程普遍不大，可將工作區(qū)高程劃分為 <20 m、20 m～50 m、50 m～100 m、100 m～150 m、150 m～200 m和>200 m六個等級。

(6)斷裂距離因子

地質構造對區(qū)域地形地貌的塑造起著一定的控制作用，對巖體節(jié)理裂隙的發(fā)育程度有著重要影響，不同構造單元對孤石發(fā)育的難易程度、規(guī)模等具有一定影響。研究區(qū)地質構造主要體現為斷裂的影響，斷裂對坡面孤石發(fā)育的影響主要表現在斷裂帶及其附近一定范圍內的巖土體結構遭到破壞，降低巖體完整性，加速巖體風化剝蝕。根據斷裂的延伸性、規(guī)模和類型等地質特征分析其影響范圍，采用距斷裂距離來分析其對坡面孤石發(fā)育程度的影響。研究區(qū)坡面孤石距斷裂的距離可劃分為 <100 m、100 m～300 m、300 m～500 m和>500 m四個級別。

(7)植被覆蓋率

植被對表層土體風化剝蝕具有很大的影響，其根系可以提高土體抗剪強度，起到固土護坡的作用，葉片蒸騰作用可以促進地下水的排泄，因而，一般而言植被越茂盛的斜坡表層土體的剝蝕速度越慢。植被指數是一種利用衛(wèi)星探測數據的線性或非線性組合來反映植被的存在、數量、質量、狀態(tài)及時空分布特點的指數，用歸一化植被指數(NDVI)表征工作區(qū)植被覆蓋程度，根據研究區(qū)植被發(fā)育特征，將NDVI劃分為≤0、0～0.1、0.1～0.2、0.2～0.3、0.3～0.4和>0.4共六個等級。

5.4 發(fā)育程度評價

從研究區(qū)內各行政區(qū)實際出發(fā)選擇合適的評價因子，并對其進行相應的因子分級，為保證所選取的評價因子之間相互獨立，采用ArcGIS的空間分析功能，對選取的因子進行獨立性檢驗，通過計算相關系數R來衡量各指標之間的相關程度，R的取值范圍為[-1，1]，|R|越接近1，則表示兩兩指標相關性越高，相關程度分級如表2所示。根據相關性計算結果，確定評價因子，采用信息量法計算信息量值，運用自然斷點法結合研究區(qū)坡面孤石調查成果，劃分坡面孤石發(fā)育程度分區(qū)，研究區(qū)可劃分為坡面孤石強發(fā)育區(qū)、中等發(fā)育區(qū)、弱發(fā)育區(qū)和不發(fā)育區(qū)。

表2 |R|表征相關程度表

通過ArcGIS軟件提取各評價因子圖層的屬性數據，運用空間分析工具計算得到各評價因子之間的相關性矩陣如表3所示。

表3 評價因子相關性矩陣

根據表2所示的|R|表征相關程度表，結合表3計算得到的各評價因子相關性矩陣表，本次選取的7個評價因子兩兩相關性系數絕對值均小于0.4，即任意兩評價因子之間均屬低度相關性，因而，可將初步選取的7個因子全部作為本次坡面孤石發(fā)育程度的評價因子。

根據研究區(qū)坡面孤石調查統(tǒng)計結果，按照信息量法計算坡面孤石發(fā)育程度各評價因子的信息量，各評價因子對應的信息量計算結果如表4所示。

表4 各級評價因子信息量統(tǒng)計表

從各評價因子的信息量統(tǒng)計結果可以看出各評價因子在孤石易發(fā)性程度評價中的權重大小。①坡度因子信息量統(tǒng)計結果顯示，隨著坡度的增加，坡面孤石發(fā)育程度信息量先增大后減小，僅在15°～35°區(qū)間內表現為正值，表明坡度在此區(qū)間易于坡面孤石形成和存在于坡面，其他坡度均不利于形成坡面孤石；②從坡向因子信息量統(tǒng)計結果可以看出，平地調查未發(fā)現孤石，表明平地不利于坡面孤石的形成，其余8個坡向對應的信息量均在0左右浮動，僅南東向、南向和南西向為正，說明南向坡有利于坡面孤石發(fā)育；③從高程因子的信息量統(tǒng)計結果可以看出，高程小于 50 m和大于 150 m時信息量均為負，介于 50 m～150 m時信息量為正，說明高程在 50 m～150 m之間有利于坡面孤石的形成；④曲率因子的信息量值浮動較小，且曲率絕對值過大或過小時，信息量值偏小，說明曲率對坡面孤石的形成影響不大，且直線形坡和大曲率坡均不利于坡面孤石的形成；⑤NDVI表示植被發(fā)育程度，其值越大表示植被越發(fā)育，建成區(qū)以外植被裸露區(qū)域極小，調查未發(fā)現坡面孤石，故信息量很小，隨著NDVI的增大，植被因子信息量先增大后減小，且僅在0.2～0.4之間時信息量為正，說明植被較茂盛時最有利于坡面孤石形成，植被裸露和植被茂盛區(qū)均不利于坡面孤石的形成；⑥斷裂距離因子的信息量整體較小，說明其對坡面孤石形成的影響較小，但從其變化趨勢來看，隨著斷裂距離的增加，信息量逐漸增大，說明斷裂對基巖的作用不利于坡面孤石的形成；⑦巖性因子的信息量浮動較大，說明基巖巖性是坡面孤石形成的決定性因素，調查僅在晚三疊和中侏羅發(fā)現坡面孤石，說明該時代花崗巖最有利于坡面孤石的形成，其他成因類型和形成時代的基巖均不利于形成坡面孤石。

6 發(fā)育程度分區(qū)

基于各評價因子信息量統(tǒng)計結果，利用ArcGIS的空間分析功能將7個評價因子圖層的數據進行空間疊加分析，得到每個評價單元的總信息量，用該信息量值表征各單元格的坡面孤石發(fā)育程度指數，信息量頻率分布如圖2所示，運用自然斷點法并結合研究區(qū)坡面孤石發(fā)育特征及分布規(guī)律，將研究區(qū)劃分為坡面孤石強發(fā)育區(qū)、中等發(fā)育區(qū)、低發(fā)育區(qū)和不發(fā)育區(qū)(表5)，并生成研究區(qū)坡面孤石發(fā)育程度分區(qū)圖。

圖2 坡面孤石信息量頻率分布圖

表5 坡面孤石發(fā)育程度劃分表

根據表5所示坡面孤石發(fā)育程度劃分標準，可將研究區(qū)劃分為坡面孤石強發(fā)育區(qū)、中等發(fā)育區(qū)、弱發(fā)育區(qū)和不發(fā)育區(qū)，其中，強發(fā)育區(qū)包括兩個亞區(qū)(A1、A2)，地貌類型以丘陵為主，面積共 58.40 km2，主要分布在聯和街西部天鹿湖森林公園一帶，長嶺、聯和、蘿崗、永和交界處暹崗山-耙田山-香雪公園一帶，大沙、文沖、云埔交界的大田山一帶，紅山、穗東、云埔交界的龍頭山森林公園-丹水坑風景區(qū)一帶；中等發(fā)育區(qū)包括兩個亞區(qū)(B1、B2)，地貌類型以丘陵和山間谷地為主，面積 100.07 km2，主要分布在廣汕公路-永順大道以北的聯和東部、長嶺北部、永和北部、新龍南部丘陵區(qū)，聯和南部、大沙北部猛虎山-將軍地一帶、大沙南部丘陵區(qū)；弱發(fā)育區(qū)包括四個亞區(qū)(C1、C2、C3和C4)，地貌類型包括丘陵、臺地、山間谷地和三角洲平原，面積共 113.58 km2，主要分布在新龍北部、九佛和龍湖街丘陵、臺地區(qū)，聯和街西北部天鹿湖森林公園一帶，南部云埔街、南崗街、穗東街、紅山街、黃埔街、魚珠街和長洲街的丘陵和剝蝕殘丘也有零星分布；不發(fā)育區(qū)包括兩個亞區(qū)(D1和D2)，地貌類型以丘陵、山間谷地和三角洲平原為主，面積共 212.12 km2，主要分布在黃埔區(qū)北部九佛街、龍湖街和新龍鎮(zhèn)的建成區(qū)，南部建成區(qū)和三角洲平原區(qū)。

將研究區(qū)坡面孤石分布情況與坡面孤石發(fā)育程度分區(qū)圖進行疊加(圖3)可知，坡面孤石發(fā)育程度與實際調查中坡面孤石的分布具有高度一致性，充分證明了坡面孤石發(fā)育程度評價的準確性。

圖3 坡面孤石發(fā)育程度分區(qū)圖

7 結 論

(1)坡面孤石是花崗巖球狀風化產物，主要分布于以花崗巖為基巖的山地丘陵區(qū)，研究區(qū)坡面孤石以中小微型、淺埋、微風化為主要發(fā)育特征，分布特征主要表現為集群分布、線狀分布和點狀分布。

(2)基于ArcGIS工具和信息量模型，選取7個影響坡面孤石發(fā)育的主要因子，對黃埔區(qū)進行坡面孤石發(fā)育程度評價。計算各因子對坡面孤石發(fā)育的信息量，通過各因子信息量的空間疊加，結合坡孤石在研究區(qū)的分布特征，將研究區(qū)劃分為坡面孤石強發(fā)育區(qū)、中等發(fā)育區(qū)、弱發(fā)育區(qū)和不發(fā)育區(qū)4類。將坡面孤石發(fā)育程度分區(qū)與調查樣本分布進行對比分析，結果表明，坡面孤石發(fā)育程度分區(qū)具有較高的準確性。

(3)通過各因子信息量計算結果可知，對坡面孤石發(fā)育程度影響較大的因素為基巖巖性、地形坡度、坡向和高程，晚三疊和中侏羅的花崗巖有利于坡面孤石的形成，50 m～150 m高程范圍內坡度介于15°～35°的南向坡有利于坡面孤石的發(fā)育。

(4)隨著坡面孤石發(fā)育程度等級的提升，面積占比逐漸減小，研究區(qū)坡面孤石強發(fā)育區(qū)面積共 58.40 km2，占研究區(qū)總面積的12.00%；中等發(fā)育區(qū)面積共 100.07 km2，占比為20.56%；弱發(fā)育區(qū)面積共 113.58 km2，占比為23.34%；不發(fā)育區(qū)面積共 214.58 km2，占比為44.10%。