隴東黃土塬區(qū)地裂縫災害形成機理分析

張彥林，李愛軍，付東林

（1.甘肅省地質(zhì)調(diào)查院，甘肅蘭州 730000；2.甘肅省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測院，甘肅蘭州 730050）

0 引言

近幾年來，在隴東董志塬東南部的寧縣和盛、太昌、新莊等鄉(xiāng)鎮(zhèn)，發(fā)生了多次規(guī)模較大的黃土地裂縫災害（圖1），造成了嚴重的經(jīng)濟損失?，F(xiàn)場調(diào)查表明，黃土地裂縫災害實際上是在黃土構(gòu)造節(jié)理的基礎(chǔ)上，黃土潛蝕災害的一種表現(xiàn)形式，其主要分布在塬面具有一定坡度的黃土塬區(qū)邊緣地帶。隨著新農(nóng)村建設和小城鎮(zhèn)建設工程的推進，地裂縫災害有日益加重的趨勢，且已成為制約當?shù)厣鐣?jīng)濟和諧發(fā)展和影響人民安居樂業(yè)的重要因素之一。為了避免和減輕地裂縫災害給人民生命財產(chǎn)造成的損失，促進人與自然和諧發(fā)展，把黃土塬區(qū)地裂縫災害作為重點問題進行研究具有重要意義。

1 黃土塬區(qū)地裂縫災害特點

1.1 災害現(xiàn)狀

1.1.1 2004年新莊鎮(zhèn)地裂縫災害

2004年8月10日1時40分左右，新莊鎮(zhèn)降特大暴雨，持續(xù)時間長達1h，導致該地發(fā)生嚴重的地裂縫災害。裂縫共計 17處，最長約 850m，累計長達6280m，寬度0.2～0.3m，深度一般在5m以上，最深達25m，主要分布于鄖家、嘴頭趙、頡家、馬家、丁任及白店等6個村，同時引發(fā)崩塌、滑坡災害3處，共毀壞房屋294間，窯洞412孔，約10hm2農(nóng)作物、300余m村莊道路不同程度遭到破壞，威脅1181戶、6150人的正常生產(chǎn)生活，直接經(jīng)濟損失達500多萬元。

圖1 董志塬東南部主要地裂縫分布圖Fig.1 Distribution of the main ground fissures in southeastern Dongzhiyuan

1.1.2 2006年和盛鎮(zhèn)地裂縫災害

2006年7月12日下午18時左右，暴雨引發(fā)和盛鎮(zhèn)惠家、閣老、三任、吳家四個村莊發(fā)生地裂縫災害，單縫最長 350m，裂縫累計總長 2210m，寬 0.5-3.0m，深1-4m，累計受災6戶共30人，造成的直接財產(chǎn)損失約10萬元。

1.1.3 2006年新莊鎮(zhèn)地裂縫災害

2006年7月21日早晨7時左右，暴雨引發(fā)新莊鎮(zhèn)下肖村發(fā)生地裂縫災害，裂縫長500m，寬0.1～20m，深1～20m，導致村間道路阻斷，80戶450人供電、供水中斷，危及5戶24人居住安全，13.3hm2農(nóng)田無法耕種，財產(chǎn)損失約17萬元。

1.2 地裂縫災害的基本特點

經(jīng)現(xiàn)場調(diào)查分析，黃土地裂縫形成具有以下特點：

（1）地裂縫災害都是在特大暴雨期間形成，如2004年8月10日發(fā)生在新莊鎮(zhèn)的地裂縫，當時僅一小時降雨量就達84.9mm；2006年7月12日和盛鎮(zhèn)發(fā)生地裂縫災害時，雷電交加，大雨傾盆，持續(xù)時間長達一小時以上，在調(diào)查時，當?shù)厝罕娬J為是地震引發(fā)地裂縫災害，原因是當時出現(xiàn)打雷閃電現(xiàn)象，其實地震部門并沒有監(jiān)測到地震現(xiàn)象，這從一個側(cè)面反映了當時為大暴雨。

（2）地裂縫主要集中分布于董志塬東南部邊緣區(qū)，該區(qū)塬面總體向東南方向傾斜，地面坡降約10‰～30‰，這一形態(tài)特征與地表幾乎水平的董志塬中北部地區(qū)不同。在整個隴東盆地，僅董志塬東南部邊緣區(qū)的和盛-新莊一帶地裂縫災害嚴重，其它各面積較小的黃土塬區(qū)也零星發(fā)生過地裂縫現(xiàn)象，但規(guī)模均很小，也沒有如此集中出現(xiàn)過。

（3）地裂縫一般長200～400m，起點一般位于塬區(qū)中心地帶，末端在塬區(qū)邊緣的沖溝溝腦或沖溝兩岸斜坡地帶，且主要以潛蝕洞的形式出現(xiàn)。地裂縫走向以SN、EW、NNE、NEE向為主，一般與塬邊斜交，在地表呈線型展布，鋸齒狀延伸，裂縫一般時隱時現(xiàn)，在地表呈串珠狀分布。

（4）地裂縫深度小于25m，一般在起點端深度小，末端深度大；地表裂縫規(guī)模小的深度小，地表裂縫規(guī)模大的深度大。地裂縫均發(fā)育于馬蘭黃土中，即最深達到離石黃土的頂面。

2 黃土塬區(qū)地裂縫災害形成的構(gòu)造基礎(chǔ)

黃土體中存在大量的結(jié)構(gòu)面，主要有構(gòu)造地裂縫、構(gòu)造節(jié)理、卸荷裂隙、風化裂隙和原生節(jié)理等。卸荷裂隙、風化裂隙和原生節(jié)理的結(jié)構(gòu)面規(guī)模一般較小，其分布受形成條件制約存在局限性，不具備區(qū)域性和系統(tǒng)性特征，三者是影響黃土邊坡穩(wěn)定性的構(gòu)造因素，但對線型發(fā)育的地裂縫不起控制作用。構(gòu)造地裂縫是汾渭盆地地裂縫的主要成因類型，是地裂縫中破壞最為嚴重的一種，其規(guī)模一般較大，延伸遠，方向性單一，錯距明顯，裂縫帶寬度數(shù)米至數(shù)十米［1］，具有緩變特征，而從前述地裂縫的形成特點上看出，隴東黃土塬區(qū)地裂縫不屬于此種類型。除此之外，黃土構(gòu)造節(jié)理是地裂縫形成的另一個重要控制因素。

黃土構(gòu)造節(jié)理是構(gòu)造應力作用下在黃土體中形成的破裂面，按力學性質(zhì)可分為扭裂面、張裂面、張扭面、壓扭面和擠壓面，其中以扭裂面最為典型。構(gòu)造節(jié)理還具區(qū)域性特征，在同一區(qū)域內(nèi)位錯同步，系統(tǒng)性明顯，是區(qū)域構(gòu)造應力場的反映［2］。黃土構(gòu)造節(jié)理是分割黃土成塊體的結(jié)構(gòu)面，是黃土中地下水的運移通道和儲存場所，同時又是水力侵蝕的優(yōu)勢面，是孕育地質(zhì)災害的控制和分離面，是應力侵蝕、溝谷侵蝕的構(gòu)造基礎(chǔ)［1］。

2006年11～12月，作者在董志塬東南部的寧縣和盛-新莊一帶共實測地裂縫11條，根據(jù)地裂縫走向繪制的玫瑰花如圖2所示。從中看出，在11條地裂縫中，優(yōu)勢走向有四個，分別為 350°～360°、20°～30°、50°～60°和 80°～90°，另外兩條分別為 320°和345°，如果分別以 350°～360°與 50°～60°、20°～30°與80°～90°作為共軛裂縫配套的話，則可得到主壓應力方向為30°和60°，這與前人通過節(jié)理統(tǒng)計和溝谷系統(tǒng)分析得到的主應力方向基本一致［3］，即隴東主壓應力呈NNE向，并自北而南呈逆時針扭轉(zhuǎn)，至南部呈NEE向。因此可以得出結(jié)論，該區(qū)地裂縫就是在區(qū)域黃土構(gòu)造節(jié)理的基礎(chǔ)發(fā)展而成的，是黃土構(gòu)造節(jié)理在地表的再破裂效應。黃土構(gòu)造節(jié)理是隴東黃土塬區(qū)地裂縫的構(gòu)造基礎(chǔ)。

3 地裂縫災害形成的影響因素

野外調(diào)查和分析表明，地裂縫災害的形成受氣象水文條件、地形條件和黃土本身的物質(zhì)組成、結(jié)構(gòu)性質(zhì)制約，是在構(gòu)造節(jié)理的基礎(chǔ)上，黃土進一步潛蝕的結(jié)果，是黃土塬區(qū)邊緣地帶特有的地質(zhì)災害現(xiàn)象。

3.1 強降雨是地裂縫災害形成的氣象條件

調(diào)查表明，地裂縫災害都形成在強降雨期間，這說明強降雨是黃土塬區(qū)地裂縫災害形成的基本條件，這與大多數(shù)地質(zhì)災害受降水條件控制的機理相一致。一方面降雨直接入滲，增加了黃土層中的地下水含量，另一方面強降雨才有可能在塬面形成地表水流，為地表水在有利的位置進入地下，引發(fā)黃土濕陷及潛蝕現(xiàn)象創(chuàng)造了基礎(chǔ)條件。

圖2 地裂縫走向玫瑰花圖Fig.2 Strike rose diagram of the ground fissures

3.2 地表形態(tài)是形成地裂縫災害的地形條件

董志塬位于隴東盆地中部，是在白堊系盆地中由黃土堆積而成，為東、南、西三面受馬蓮河、涇河、蒲河侵蝕深切夾峙而成的黃土塬（圖1）。塬邊沖溝發(fā)育，塬區(qū)的侵蝕基準面為上述三河流。在表面平緩的塬區(qū)，降水到了地表就地入滲進入黃土層，以垂向運動為主，到達黃土潛水面轉(zhuǎn)為水平運動，向周邊河谷排泄。在表面傾斜的塬區(qū)，強降雨期間降水到了地表來不及入滲，產(chǎn)生徑流，易于形成地表集中水流，在地形低凹地段入滲進入黃土層，由于水流集中，并受垂向入滲速率慢的影響，地下水流沿黃土層中的構(gòu)造節(jié)理面產(chǎn)生水平向運動，向塬邊溝谷方向徑流，易于潛蝕作用的進行。調(diào)查結(jié)果表明，發(fā)生地裂縫災害的區(qū)域主要集中分布于董志塬東南部邊緣區(qū)的寧縣和盛-新莊一帶，塬面坡度10‰～30‰。

3.3 地面硬化易于地表徑流的形成是地裂縫災害形成的重要影響因素

20世紀80年代以前，董志塬區(qū)居民主要分散居住在塬區(qū)邊緣窯洞中，80年代中期開始了第一輪大規(guī)模的上塬集中定居工程，大部分居民遷到塬面上修房建院，聚集成連片村莊居住。近幾年來，隨著小城鎮(zhèn)建設和新農(nóng)村建設工程的實施，又開展了新一輪的集中上塬定居工程，同時農(nóng)村的基礎(chǔ)設施條件不斷改善，村間道路、街巷、院落的面積在擴大，與之對應的是地面硬化的比例在提高，這些地段降雨不易入滲，只能形成地表集中水流，匯聚到塬面的低凹地段入滲，從而導致黃土濕陷及潛蝕的發(fā)生，進一步演化成地裂縫災害。

3.4 黃土的濕陷性引發(fā)潛蝕是地裂縫災害形成的主要控制因素

黃土地裂縫是黃土潛蝕的一種表現(xiàn)形式，其主要由黃土的濕陷性所決定。

天然狀態(tài)下，由于黃土疏松多孔，深部開啟縫向上分散消失而未傳至地表，或被表層人工擾動土層覆蓋而未顯示出來。當?shù)乇硭疂B入尤其是雨水沖刷流入地下后，不斷產(chǎn)生潛蝕作用，使土體在水力作用下不斷沿構(gòu)造節(jié)理走向擴展勾通，從而形成地裂縫［1］。

黃土的濕陷性主要由黃土的特殊結(jié)構(gòu)決定，包括黃土的骨架顆粒成分、形態(tài)、排列方式、孔隙特征、膠結(jié)物種類以及膠結(jié)程度。組成黃土顆粒的成份主要是單個的粉粒和由粘膠微細碎屑膠結(jié)成的集粒，這些單個的顆粒和集粒一般是顆粒間點接觸，但也有少數(shù)的面膠結(jié)接觸方式。黃土中的孔隙包括根洞、蟲孔、裂隙之類的大孔隙，骨架顆粒相互支架構(gòu)成的中孔隙，以及粘粒間的小孔隙，以及集粒內(nèi)的微孔隙。黃土中顆粒的膠結(jié)一般為碳酸鈣，石膏為集粒內(nèi)部的膠結(jié)物。土體在浸水濕陷后，集粒粘結(jié)物的軟化、溶解及顆粒之間連接的軟化、破壞，使之削弱了土顆粒連接的總強度，使黃土顆粒分散化，并在土中剪應力的作用下，滑落到土體中的大、中孔隙內(nèi)，使土體結(jié)構(gòu)急速崩潰，造成濕陷［4］。

不同時代黃土的抗崩解性（濕陷性）是不同的，各時代黃土的抗崩解性的關(guān)系為：午城黃土＞離石黃土＞馬蘭黃土，這種差異主要是由于黃土的物質(zhì)差異、結(jié)構(gòu)差異而引起［5］，其決定了地裂縫主要發(fā)育于馬蘭黃土中。

4 黃土塬區(qū)地裂縫的形成模式

黃土塬區(qū)地裂縫的形成模式可歸結(jié)為：大氣降雨到達地表，來不及入滲形成地表徑流，在有利的地形條件下集中入滲，形成濕陷穴或其它濕陷坑；從濕陷坑、穴源源不斷進入黃土層中的集中水流沿黃土中的構(gòu)造節(jié)理縫作水平向運動，并對黃土產(chǎn)生潛蝕作用，形成溶蝕水流通道；水流通道在地下水流的沖涮溶蝕作用下繼續(xù)擴大發(fā)展，形成地下溶蝕管道，既而上部土體失去支撐，塌陷形成地裂縫。

黃土地裂縫進一步發(fā)展，將演化為沿塬邊溝谷腦部延伸的淺蝕沖溝，進而向深部發(fā)展，形成黃土溝谷地貌。從這個意義上說，黃土地裂縫是黃土侵蝕現(xiàn)象的必然結(jié)果。

從上述形成機理分析可以看出，黃土塬區(qū)地裂縫是自然與社會因素綜合作用的結(jié)果，其自然屬性表現(xiàn)為地裂縫是一種自然演化的結(jié)果，它是在構(gòu)造節(jié)理的基礎(chǔ)上黃土濕陷及潛蝕作用發(fā)展的必然趨勢；另一方面，人類的工程活動促進了這種作用的進程，在較原始狀態(tài)下，大氣降雨到達地面，絕大部分垂向入滲，補給地下潛水，由于均勻入滲的降雨，不易形成濕陷坑、穴等地貌，也不利于沿著構(gòu)造節(jié)理產(chǎn)生水平向運動，不易產(chǎn)生潛蝕作用，隨著塬面工程建設的不斷加劇，地面硬化的比例在迅速提高，地面匯流的強度在加大，為集中地表水流入滲產(chǎn)生潛蝕提供了條件。

5 結(jié)論

通過以上分析，可以得出這樣一些認識：

（1）隴東黃土塬區(qū)地裂縫災害主要分布于傾斜的黃土塬區(qū)邊緣地帶，僅發(fā)育于馬蘭黃土中。

（2）地裂縫是在區(qū)域黃土構(gòu)造節(jié)理的基礎(chǔ)上發(fā)展而成，是黃土構(gòu)造節(jié)理在地表的再破裂效應。黃土構(gòu)造節(jié)理是隴東黃土塬區(qū)地裂縫的構(gòu)造基礎(chǔ)。

（3）黃土塬區(qū)地裂縫災害的形成由降雨強度、塬面坡度、地表徑流條件和黃土本身的濕陷特性所決定。

（4）黃土塬區(qū)地裂縫是黃土潛蝕災害的一種表現(xiàn)形式，是黃土塬區(qū)邊緣地帶特有的地質(zhì)災害現(xiàn)象，是黃土塬區(qū)邊緣溝谷發(fā)展的雛形，是自然與社會雙重作用的結(jié)果。

［1］盧全中，彭建兵.黃土體結(jié)構(gòu)面的發(fā)育特征及其災害效應［J］.西安科技大學學報，2006，26（4）：446-450.

［2］王景明，倪玉蘭，孫建中.黃土構(gòu)造節(jié)理研究及其應用［J］.工程地質(zhì)學報，1994，2（4）：31-42.

［3］徐黎明，周立發(fā)，張義楷，等.鄂爾多斯盆地構(gòu)造應力場特征及其構(gòu)造背景［J］.大地構(gòu)造與成礦學，2006，30（4）：455-462.

［4］蔣希雁，陸培毅.黃土濕陷機理和影響因素分析［J］.河北建筑工程學院學報，2004，22（1）：25-27.

［5］唐小明，李長安，黃長生，等.蘭州西部地區(qū)的黃土潛蝕作用［J］.甘肅地質(zhì)學報，1999，8（1）：72-77.