李雨株 李 杰

(1.中兵勘察設(shè)計研究院有限公司，北京 100053；2.北京市勘察設(shè)計研究院有限公司，北京 100038)

0 引言

山西省吉縣地質(zhì)災(zāi)害主要是黃土崩塌及滑坡，受特殊地質(zhì)環(huán)境條件控制，吉縣縣域內(nèi)黃土殘塬及黃土沖溝發(fā)育，黃土殘塬前沿及黃土沖溝兩側(cè)的黃土斜坡受降水切割剝蝕均呈陡立狀，高陡的黃土斜坡為黃土崩塌、黃土滑坡地質(zhì)災(zāi)害的形成創(chuàng)造了條件。沿黃土沖溝走向，常?？梢娪山涤?、凍融、地表徑流侵蝕坡腳等自然因素誘發(fā)形成的黃土崩塌、滑坡等不良地質(zhì)現(xiàn)象[1-4]。

吉縣地處黃土高原，溝壑縱橫、地形復(fù)雜，是山西地質(zhì)災(zāi)害較為嚴(yán)重的地區(qū)之一。通過地質(zhì)災(zāi)害詳細(xì)調(diào)查工作，目前查出已發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害38處，多為黃土崩塌；查明地質(zhì)災(zāi)害隱患點241處。

吉縣黃土崩塌從崩塌體形成到崩塌發(fā)生，是一個局部蠕變—大部漸進性破壞—突變失穩(wěn)的過程，該過程具有隱蔽性和突發(fā)性強、預(yù)測困難的特點，對其進行分析研究，探索其演變和發(fā)災(zāi)模式，對防災(zāi)減災(zāi)工作具有積極的參考意義[5-7]。

1 吉縣區(qū)域地質(zhì)及氣候概況

吉縣屬暖溫帶半干旱氣候，四季分明，夏季炎熱、冬季寒冷、春季溫暖、秋季涼爽；縣域晝夜溫差較大，降水隨空間、季節(jié)、年際變化而變化也是吉縣的氣候特點。據(jù)吉縣氣象局中心站1985年1月16日至2015年12月30日的統(tǒng)計資料，年平均氣溫10 ℃，縣境東、西溫差在5 ℃左右，年內(nèi)以1月份最冷，月均氣溫-4.2～6.4 ℃，極端最低氣溫-21.3 ℃(2002年12月26日)。七月均溫19.5～24.5 ℃，極端最高氣溫39.8 ℃(2002年7月10日)。一般在每年11月開始封凍，翌年3月上旬開始解凍，標(biāo)準(zhǔn)凍深0.82 m。

縣域總體表現(xiàn)為一向NWW緩傾的單斜構(gòu)造，自南東向北西，地層出露依次變新。區(qū)內(nèi)除東部及西北部基巖山區(qū)外各處均有大面積第四系上更新統(tǒng)、中更新統(tǒng)、下更新統(tǒng)黃土分布。

人類工程活動主要為削坡腳、修路建房等，降水和人類工程活動成為觸發(fā)地質(zhì)災(zāi)害的重要因素。

2 吉縣區(qū)域黃土崩塌類型

受陡峻的黃土斜坡地貌和松散的地層結(jié)構(gòu)等地質(zhì)環(huán)境條件控制，同時受強烈的人類工程活動影響，吉縣黃土覆蓋區(qū)的黃土崩塌地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)，2005年以來，黃土區(qū)發(fā)生的黃土崩塌地質(zhì)災(zāi)害數(shù)量占全縣地質(zhì)災(zāi)害總數(shù)的90%以上，綜合分析已發(fā)生黃土崩塌地質(zhì)災(zāi)害的主控因素，可將其歸納為坡面飽和剝落型、凍融崩塌型、植物根劈崩塌型、節(jié)理切割崩塌型、危巖(土)體失穩(wěn)崩塌型、坡體剪切破壞崩滑型等模式[8]。各類型如圖1—圖6所示。

圖1 坡面飽和剝落型

圖2 凍融崩塌型

圖3 植物根劈崩塌型

圖4 節(jié)理切割崩塌型

圖5 危巖(土)體失穩(wěn)崩塌型

圖6 坡體剪切破壞崩滑型

3 黃土崩塌野外主要判別方法

(1)地形地貌

地形是黃土崩塌地質(zhì)災(zāi)害形成的基礎(chǔ)條件。區(qū)內(nèi)丘陵、溝壑地貌廣泛，地形破碎，構(gòu)成了崩塌形成的地形地貌條件。

(2)地層

土質(zhì)崩塌土體主要是第四系中、上更新統(tǒng)(Q2、Q3)黃土，這與區(qū)內(nèi)中、上更新統(tǒng)的地層結(jié)構(gòu)、顆粒成分及力學(xué)性質(zhì)等特征有密切關(guān)系。巖性特殊的中、上更新統(tǒng)黃土是土質(zhì)崩塌發(fā)生的必備條件，野外判別時應(yīng)注意地層的識別劃分，必要時使用采樣分析等手段。

(3)自然水

區(qū)內(nèi)中更新統(tǒng)黃土呈盔狀覆于基巖之上，厚度大，為60～100 m。上更新統(tǒng)黃土呈斗篷狀披覆在塬梁峁的表面，厚度小，在許多地區(qū)甚至缺失。中更新統(tǒng)黃土類粉質(zhì)黏土夾古土壤條帶及鈣質(zhì)結(jié)核層，土中黏粒含量較高，黃土中易溶鹽對黃土顆粒也具有膠結(jié)作用，但這種膠結(jié)作用是有條件的：當(dāng)黃土中含水量很低時，它有膠結(jié)作用；當(dāng)黃土中的含水量較高時，它便以離子狀態(tài)存在而不具膠結(jié)作用，黏聚力及抗剪強度降低，在黃土埋藏深度稍大、濕度稍高一些時，不具有膠結(jié)作用。在飽水或潮解時，其黏聚力及抗剪強度降低，坡體易失穩(wěn)發(fā)生崩滑。野外判別應(yīng)著重調(diào)查土體與自然水的作用關(guān)系。

(4)人類工程活動

在崖壁開挖窯洞時，坡面土體在干燥的過程中土體收縮易產(chǎn)生垂直劈理，其后所形成的黃土柱底部的黃土，在上覆垂直土層自重壓力下破壞易引起窯面、窯頂塌落。除此之外，還有植物根劈作用產(chǎn)生的垂直劈理，將土體切割成垂直土體與母體分離，在降水及自重力作用下垂直土體發(fā)生塌落。野外判別要重點針對人類工程活動引起的崩塌隱患進行調(diào)查。

圖7-圖10為吉縣野外調(diào)查的各類型黃土崩塌照片。

圖7 吉縣孫家溝凍融引發(fā)黃土崩塌

圖8 吉縣李家溝切坡建房引發(fā)黃土崩塌

圖9 吉縣水洞溝切坡建房引發(fā)黃土崩塌

圖10 吉縣勞模溝切坡建房引發(fā)黃土崩塌

4 各類黃土崩塌的發(fā)生過程分析

4.1 坡面飽和剝落型

坡面飽和剝落崩塌模式易發(fā)時間主要在汛期，常發(fā)生在黃土不穩(wěn)定斜坡的坡頂及坡面陡緩接觸帶的下緣，持續(xù)的大氣降水下滲后，造成表層黃土體含水率逐漸達到飽和狀態(tài)，由于黃土體具有很強的水敏性特征，土體飽和后抗剪能力急劇下降，土體抵抗自身重力作用的抗力逐步下降，抗力降至接近或低于重力形成的下滑力后，飽和土體會有可能失穩(wěn)向臨空方向崩落，其發(fā)展的過程為：

坡頂及緩坡面土體接受降水下滲→土體逐漸飽和→土體重力增大而抗力逐漸下降→土體抗剪力與重力形成的下滑力處于平衡狀態(tài)→平衡狀態(tài)被打破→飽和土層之下被拉斷→土體失穩(wěn)并脫離母體形成黃土崩滑地質(zhì)災(zāi)害。

4.2 凍融崩塌型

黃土坡面一定深度內(nèi)的土體每年要經(jīng)歷一次季節(jié)凍融循環(huán)過程，在凍結(jié)時，淺層溫度低于內(nèi)部溫度，土體深部水分會向淺部遷移并在淺部與土粒一同凍結(jié)，凍結(jié)產(chǎn)生的凍脹力會破壞土體顆粒之間的黏聚力。春季氣溫回升時，凍土層內(nèi)冰晶融化，凍結(jié)力消失，由于土粒間黏聚力被降低，使得土體抗剪強度下降，土體結(jié)構(gòu)會進一步向疏松狀態(tài)發(fā)展。累年的反復(fù)凍結(jié)與消融，土體結(jié)構(gòu)損傷會累積加重，達到一定次數(shù)后，臨空的凍融土體會失穩(wěn)發(fā)生崩塌地質(zhì)災(zāi)害。

根據(jù)崩塌體與母坡間的破壞面形式，可將其分為兩個亞類，一類是沿凍層與非凍層交界面產(chǎn)生剝落破壞，另一類是沿凸突土體底部凍結(jié)力突然消融消失，抵抗不住上方土體重力而形成一相對薄弱部位，薄弱部位土體被壓折斷而發(fā)生傾倒破壞。兩亞類都遵循凍融致使抗剪力降低，在重力作用下使崩塌體失穩(wěn)的規(guī)律，其過程為：

黃土坡面淺層土體→反復(fù)凍脹與消融→土體結(jié)構(gòu)逐步破壞，抗剪力逐漸下降→土體重力與土體抗剪力+凍結(jié)力合力處于平衡狀態(tài)→凍結(jié)力消融平衡被打破→凍與非凍層間拉斷(凸突土體下部薄弱處折斷)→崩塌體失穩(wěn)并脫離母體形成黃土崩塌地質(zhì)災(zāi)害。

4.3 植物根劈崩塌型

發(fā)生在坡頂邊緣及陡峻坡面的灌木或喬木發(fā)育處，植物根系的根劈作用破壞力表現(xiàn)在兩個方面：一是根系下伸和加粗破壞了臨空土體與母坡間的黏聚力并產(chǎn)生向臨空方向的推力；二是季風(fēng)吹動樹冠搖擺致使根系對土體產(chǎn)生向臨空方向的推力。根劈型黃土崩塌的發(fā)生，是土體間抗剪力與其自身重力的平衡被打破的過程。具體發(fā)展過程如下：

黃土坡頂緣及坡面陡峻處→喬灌木生長發(fā)育→根系呈線狀排列并將臨空土體與母坡逐漸分割→根系逐步增長加粗，使兩側(cè)土體間結(jié)合力逐漸下降→土體抗剪力與土體重力+根系生長推力+季風(fēng)間接推力的合力處于平衡狀態(tài) →土體的平衡被打破→根系兩側(cè)土體被拉斷→外側(cè)土體失穩(wěn)并朝臨空方向傾倒而形成黃土崩塌地質(zhì)災(zāi)害。

另外，高陡黃土邊坡頂部的輸電線路的電桿也會產(chǎn)生與植物根劈作用相似的效果，當(dāng)電桿埋設(shè)位置距離坡頂邊緣過近時，電桿及電線在季風(fēng)作用下強烈搖擺，電桿地埋部分也會產(chǎn)生向臨空方向的推力，久而久之，外側(cè)臨空土體有可能發(fā)生黃土崩塌，2012年柏山寺鄉(xiāng)發(fā)生的“5·26”黃土崩塌就有電桿影響因素。

4.4 節(jié)理切割崩塌型

黃土構(gòu)造節(jié)理是區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場的產(chǎn)物，構(gòu)造節(jié)理會切穿各時代的黃土層，成為黃土體的軟弱結(jié)構(gòu)面。黃土構(gòu)造節(jié)理形成的軟弱結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀與黃土斜坡的臨空面呈不利組合時，有發(fā)生節(jié)理切割型黃土崩塌地質(zhì)災(zāi)害可能。就已發(fā)生的節(jié)理切割型黃土崩塌歸納分析，可分為兩類不利組合形式，一類是單一節(jié)理面與臨空面近乎平行且節(jié)理面傾角小于臨空面傾角，一類是一組X節(jié)理面與臨空面正交。前者的崩塌體呈層狀，后者的崩塌體呈楔形體。兩類形式中，內(nèi)在控制因素均為黃土構(gòu)造節(jié)理形成的軟弱結(jié)構(gòu)面，外在因素為外動力作用，如自然侵蝕、地震、人類經(jīng)濟活動造成的地面振動等?？傊S土構(gòu)造節(jié)理為節(jié)理切割型黃土崩塌的形成創(chuàng)造了內(nèi)在條件，一旦在外界的動力作用觸發(fā)下打破結(jié)構(gòu)面間的力學(xué)平衡，便形成黃土崩塌地質(zhì)災(zāi)害。其演變過程為：

構(gòu)造節(jié)理發(fā)育的陡峻黃土邊坡→節(jié)理面與臨空面呈不利組合→節(jié)理面抗剪力大于被切割土體重力形成的下滑力→節(jié)理面的抗剪力逐漸下降并向軟弱結(jié)構(gòu)面轉(zhuǎn)化→結(jié)構(gòu)面抗剪力與土體重力形成下滑力處于平衡狀態(tài)→外動力地質(zhì)作用或人類經(jīng)濟活動影響→土體的平衡被打破 →結(jié)構(gòu)面兩側(cè)被拉斷或剪斷→土體失穩(wěn)朝臨空方向崩滑或墜落形成黃土崩塌地質(zhì)災(zāi)害。

4.5 危巖(土)失穩(wěn)崩塌型

自然形成或人為削坡形成的黃土高陡邊坡常發(fā)育有陡峻及凸突土體，該部分土體長期暴露在外，受到各種外部營力的作用，使坡形進一步向直立及負(fù)坡形發(fā)展，最終在重力作用下失穩(wěn)產(chǎn)生崩塌現(xiàn)象。危巖(土)體重力失穩(wěn)是長期地殼運動和地質(zhì)作用的一種結(jié)果，其變形失穩(wěn)是一個從局部蠕變到大部漸進性破壞最終發(fā)生突變的過程：

節(jié)理不發(fā)育的陡峻黃土邊坡→凸突土體暴露坡面外→長期遭受暴曬、降水、風(fēng)蝕、凍融等外動力地質(zhì)作用影響→凸突土體下側(cè)局部抗力逐漸下降→為保持平衡凸突土體重力逐漸產(chǎn)生對后壁的拉力→下部支撐力及后壁拉力的合力大于土體重力→受外動力地質(zhì)作用進一步影響,下側(cè)局部抗力進一步下降→凸突土體與后壁間出現(xiàn)張性卸荷裂隙→外動力地質(zhì)作用或人類經(jīng)濟活動影響→凸突土體的平衡被打破→凸突土體與后壁間被拉斷→土體失穩(wěn)朝臨空方向傾倒形成黃土崩塌地質(zhì)災(zāi)害。

4.6 坡體剪切破壞崩塌型

(1)局部剪切破壞崩塌型

黃土斜坡的天然應(yīng)力場以自重應(yīng)力為主，經(jīng)地質(zhì)歷史時期的內(nèi)外地質(zhì)作用，斜坡的自重應(yīng)力與黃土坡體抗剪力已達應(yīng)力自然平衡，人工削坡及改變坡面形態(tài)會破壞其自然應(yīng)力平衡，尤其是削切坡面的幾何斷面不合理，會導(dǎo)致坡體局部剪應(yīng)力集中，在較高剪力作用下，容易形成局部剪切破壞型黃土崩塌，過程為：

自然黃土斜坡→人工削坡改變原始坡面形態(tài)破壞坡體自然應(yīng)力平衡→新坡體在重力作用下應(yīng)力重新分布→新坡體幾何斷面不合理區(qū)的上部拉應(yīng)力逐漸增大，下部剪應(yīng)力逐漸集中→上下部土體開始彈性變形，以保持應(yīng)變所需抗拉及抗剪力→上部土體拉伸至極限，出現(xiàn)拉裂縫→下部土體壓縮至極限，出現(xiàn)剪裂縫→外動力地質(zhì)作用或人類經(jīng)濟活動進一步影響→幾何斷面不合理區(qū)土體平衡被打破→上部土體后緣徹底拉斷，下部土體全部剪斷→幾何斷面不合理土體失穩(wěn)朝臨空方向崩滑形成黃土崩塌地質(zhì)災(zāi)害。

(2)整體剪切破壞崩塌型

人工大面積開挖高陡黃土斜坡的坡腳，會打破黃土斜坡原有的自然力學(xué)平衡，致使高陡斜坡被動地重新建構(gòu)新的力學(xué)平衡體系，力學(xué)平衡重新構(gòu)建過程，是坡體重力與坡土體彈性變形應(yīng)力的重新分布過程，應(yīng)變隨著時空變化，直到建立新的平衡為止。若應(yīng)變隨著時空變化，坡體達不到建立新的應(yīng)力平衡條件，即會整體失穩(wěn)形成黃土崩滑。其過程為：

自然黃土高陡斜坡→大面積削切坡腳破壞了斜坡底部的抗力→由于坡底抗力消失，坡體自然應(yīng)力平衡被打破→坡體應(yīng)力開始重新分布過程→為補充消失的底部抗力，坡體中下部的剪應(yīng)力逐漸增大，中上部拉應(yīng)力逐漸增高→為提供應(yīng)變所需抗拉及抗剪力坡體，各部位土體進入彈性變形階段→中上部土體開始拉伸變形，以提供坡體應(yīng)力平衡所需的拉力→中下部土體開始壓縮變形，以提供坡體應(yīng)力平衡所需的抗剪力→土體的拉伸及壓縮變形均達到自身極限，尚滿足不了坡體應(yīng)力平衡所需的抗拉力及抗剪力→坡體各部位土體進入塑性變形階段→斜坡頂部一定范圍內(nèi)逐步出現(xiàn)張拉裂縫→斜坡中下部坡面逐漸出現(xiàn)剪裂縫→外動力地質(zhì)作用或人類經(jīng)濟活動進一步影響→坡體整體平衡被打破→坡頂后緣徹底拉斷，坡體下部土體全部剪斷→整個坡體失穩(wěn)朝臨空方向崩滑形成黃土崩塌地質(zhì)災(zāi)害。

5 各類黃土崩塌的易發(fā)期、誘發(fā)因素及臨災(zāi)征兆

黃土崩塌的隱蔽性和突發(fā)性特點，是由黃土的彈塑性、脆弱性、水敏性等工程性質(zhì)所決定，黃土坡自然應(yīng)力平衡被打破后，其會利用黃土的彈性和塑性應(yīng)變性能進行調(diào)整，當(dāng)達到彈性和塑性極限時會立即崩潰，即使不崩潰而達到新的平衡，在運營期間，若出現(xiàn)足夠能量的外動力作用激發(fā)，也可能發(fā)生崩塌。黃土遇水后抗剪力急劇下降使得坡體應(yīng)力平衡打破，也是造成崩塌突發(fā)的內(nèi)在因素。各類黃土崩塌模式的易發(fā)期、誘發(fā)因素及臨災(zāi)征兆分析如表1所示。

表1 各類黃土崩塌模式的易發(fā)期、誘發(fā)因素及臨災(zāi)征兆分析表

6 結(jié)論

通過對吉縣已發(fā)生的黃土崩塌地質(zhì)災(zāi)害的綜合分析，可將其歸納為坡面飽和剝落型、凍融崩塌型、植物根劈崩塌型、節(jié)理切割崩塌型、危巖(土)體失穩(wěn)崩塌型、坡體剪切破壞崩滑型等6種模式，這6種黃土崩塌模式均有發(fā)災(zāi)快和前兆不明顯的共同特征，但是這6種黃土崩塌模式的易發(fā)期、誘發(fā)因素和臨災(zāi)征兆均不相同。通過對這6種黃土崩塌模式的研究，可以指導(dǎo)防災(zāi)負(fù)責(zé)人、監(jiān)測人員以及受災(zāi)群眾認(rèn)識黃土崩塌地質(zhì)災(zāi)害。通過群測群防體系的落實、明確各隱患點監(jiān)測及觀察部位、加強易發(fā)期監(jiān)測力度、實施易發(fā)期內(nèi)危險區(qū)的住戶臨時避險、限制在地質(zhì)災(zāi)害危險區(qū)進行工程活動等綜合方法和措施，最大程度減少黃土崩塌造成的危害和損失。