寧南山區(qū)黃土滑坡形成機(jī)理探討

張福忠

（寧夏回族自治區(qū)國(guó)土資源調(diào)查監(jiān)測(cè)院，寧夏 銀川 750004）

0 引言

寧南山區(qū)泛指寧夏南部黃土丘陵區(qū)，包括涇源、隆德、彭陽、西吉、同心、海原和原州七個(gè)縣（區(qū)），總面積22646.29km2，是西北地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育區(qū)之一，災(zāi)害類型以滑坡為主，已調(diào)查發(fā)現(xiàn)的679處滑坡中，有657處屬黃土滑坡。

滑坡主要分布于黃土丘陵區(qū)的黃土梁邊、黃土殘塬邊、河谷沖蝕岸邊及其支流或支溝中下游兩側(cè)，并多以對(duì)滑形式出現(xiàn)，具有群發(fā)性，其分布與河流溝谷的發(fā)育密切相關(guān)。

據(jù)調(diào)查，滑坡的發(fā)生在晚更新世末和全新世初期相對(duì)集中；地震活躍期、人類工程活動(dòng)強(qiáng)烈時(shí)期，滑坡發(fā)生相對(duì)集中；雨季滑坡發(fā)生相對(duì)集中。滑坡規(guī)模以大中型居多。

突發(fā)、群發(fā)的滑坡災(zāi)害嚴(yán)重制約了寧南山區(qū)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展，研究黃土滑坡的形成機(jī)理，有助于人類科學(xué)地制定防治規(guī)劃，有效避免和減少滑坡災(zāi)害損失。

1 滑坡形成的環(huán)境條件

1.1 地形地貌與氣象

寧南山區(qū)由北向南地形起伏較大，地貌類型包括黃土丘陵、紅層丘陵、土石質(zhì)中低山和河谷平原四種?；轮饕l(fā)育在黃土丘陵區(qū)。黃土丘陵主要由黃土塬、黃土殘塬和黃土梁峁構(gòu)成，塬面較平坦，有的微有傾斜，由于溝谷向塬侵蝕，塬邊多呈不規(guī)則，塬面和溝谷底部的相對(duì)高差較大，其間溝谷發(fā)育，呈“V”字型，溝谷的上游地帶，溝淺坡緩，溝頭三面環(huán)梁，中間為低平洼地，形成掌、坪、杖地貌；溝谷中下游切割深，溝底多切入基巖。

區(qū)內(nèi)降雨由北向南大體可分為三個(gè)區(qū)：同心—海原區(qū)，年平均降雨量一般小于400mm；原州、西吉、隆德區(qū)，年平均降雨量介于400～600mm之間；彭陽、涇源區(qū)，最大年平均降雨量可達(dá)700mm以上；受地勢(shì)影響，三區(qū)降水均以突發(fā)式局部區(qū)域降雨為主，雨量較集中，使其成為滑坡災(zāi)害發(fā)生的主要誘因之一。

1.2 地層巖性與地質(zhì)構(gòu)造

區(qū)內(nèi)出露地層以白堊系、新近系、第四系為主。其中第四系中晚更新統(tǒng)黃土廣泛分布于黃土丘陵上部和各大沖溝內(nèi)。結(jié)構(gòu)疏松，強(qiáng)度低，遇水軟化，節(jié)理裂隙發(fā)育等特性決定了黃土是區(qū)內(nèi)最主要的易滑地層。寧南黃土中粉粒及可容鹽含量高，遇水容易軟化、凝聚力迅速降低，使其具備產(chǎn)生滑移的內(nèi)在條件。

寧南山區(qū)構(gòu)造單元比較復(fù)雜，由東向西發(fā)育有三條深大斷裂、四條區(qū)域性大斷裂和十三個(gè)構(gòu)造區(qū)域。三條深大斷裂為阿色浪—車道斷裂、牛首山—羅山—固原深大斷裂和南西華山—六盤山大斷裂，以這三條斷裂為界由東向西還發(fā)育有煙筒山—窯山斷裂、衛(wèi)寧北山—清水河斷裂、香山—天景山北麓斷裂和月亮山—六盤山西緣大斷裂等四條區(qū)域性大斷裂；十三個(gè)構(gòu)造區(qū)域由東向西分別為陶樂 －靈武隆起、鹽池臺(tái)陷、青（龍山）—云（霧山）隆起、牛首山 －羅山斷隆、紅寺堡拗盆地、煙筒山斷隆、衛(wèi)寧－清水河斷陷盆地、香山－天景山斷隆、海原－興仁堡斷拗盆地、西華山斷隆、月亮山－六盤山斷隆、西吉斷陷盆地和三合隆起。這些斷裂及構(gòu)造區(qū)域?yàn)榛聻?zāi)害的發(fā)育提供了必要的地質(zhì)環(huán)境條件。

1.3 地震與人類工程活動(dòng)

寧南山區(qū)有南、西華山北麓—六盤山東麓大斷裂通過，是青藏高原東北邊緣地區(qū)最重要的一條第四紀(jì)左旋走滑斷層帶。具有規(guī)模大、下切深、使前期形成的深大斷層活化，延伸增長(zhǎng)、走滑規(guī)模大、總位移幅度大等特征。該斷裂切割古生代以來的所有地塊，近期活動(dòng)一直很強(qiáng)烈，因而地震頻率高，破壞性大，并有不同規(guī)模的地震生成。周邊各區(qū)縣的地震主要受此斷裂的影響，歷史上超過5級(jí)的地震共有30次，其中1920年12月16日，震中在海原縣園河的8.5級(jí)地震，烈度大、破壞性強(qiáng)、影響范圍廣，調(diào)查發(fā)現(xiàn)的老滑坡多由此次地震誘發(fā)產(chǎn)生。

黃土丘陵遭受地質(zhì)時(shí)期的長(zhǎng)期侵蝕，已形成坡度相對(duì)平緩的黃土梁或峁，尤其是全新世以來，氣候干旱少雨，谷坡經(jīng)過地質(zhì)歷史時(shí)期的各種侵蝕作用，應(yīng)力釋放和調(diào)整亦基本完成，斜坡一般處于穩(wěn)定或基本穩(wěn)定狀態(tài)。但日益加劇的人類工程活動(dòng)，如開荒造田、削坡、興修水利、礦業(yè)開發(fā)、公路建設(shè)等，打破了原有的平衡狀態(tài)，使斜坡易產(chǎn)生變形，在雨季發(fā)生滑坡災(zāi)害。

2 黃土邊坡的穩(wěn)定性

2.1 斜坡穩(wěn)定性與坡度

據(jù)調(diào)查資料統(tǒng)計(jì)：黃土滑坡多發(fā)生在坡度20°～60°之間。根據(jù)調(diào)查所獲寧南黃土的物理力學(xué)參數(shù)，分別采用Janbu法及有限元分析對(duì)10°～60°邊坡進(jìn)行分析計(jì)算，其結(jié)果如表1：

表1 不同坡度的斜坡穩(wěn)定性系數(shù)Table1 Theslopestabilityfactorofdifferentgradients

計(jì)算參數(shù)為：坡高70m；容重16kN/m3；凝聚力40kPa；內(nèi)摩擦角 27°；彈模 89000kPa；泊松比 0.35；阻尼比0.15。（直線坡型，未考慮地震及降雨影響）

由表1不難發(fā)現(xiàn)，黃土邊坡穩(wěn)定性隨坡度的增大近線性減小。小于20°一般不會(huì)失穩(wěn)，在50°時(shí)處于臨界狀態(tài)，大于60°時(shí)坡體失穩(wěn)。有限元模擬結(jié)果辨明：從坡度40°開始，在坡面出現(xiàn)明顯的剪應(yīng)力集中，坡度從50°開始斜坡坡面出現(xiàn)拉張區(qū)，60°時(shí)在坡頂出現(xiàn)拉張區(qū)，可印證實(shí)際狀況，破壞以崩塌形式為主。

2.2 斜坡穩(wěn)定性與坡型

坡形對(duì)黃土邊坡的穩(wěn)定性影響主要表現(xiàn)在極限平衡狀態(tài)下。為此，以坡高70m、坡度50°的臨界坡度作為演算雛形，通過變換不同坡形，計(jì)算其斜坡穩(wěn)定系數(shù)，其結(jié)果如表2。

表2 不同坡型的斜坡穩(wěn)定性系數(shù)Table2 Theslopestabilityfactorofdifferenttypes

結(jié)果表明：直線型邊坡穩(wěn)定性最好，凹形坡次之，而凸形坡穩(wěn)定性最差。

2.3 斜坡穩(wěn)定性與降雨入滲

降雨入滲使一定深度范圍內(nèi)的黃土土體容重增大，強(qiáng)度降低。降雨入滲的深度則取決于黃土體裂隙的發(fā)育程度。寧南山區(qū)由于地處活動(dòng)性構(gòu)造帶，加之歷史上多次遭受地震，黃土體裂隙比較發(fā)育。因此，降雨入滲成為誘發(fā)黃土滑坡的重要的因素之一。

前述坡體參數(shù)（高70m，坡度50°），模擬降雨條件下斜坡的穩(wěn)定狀態(tài)，其穩(wěn)定系數(shù)僅為0.917，表明降雨入滲對(duì)邊坡的穩(wěn)定性影響很大。

2.4 斜坡穩(wěn)定性與坡腳開挖

人類工程活動(dòng)常表現(xiàn)為在斜坡坡腳處取土平整建筑場(chǎng)地或于坡體中下部開挖建窯，按照前述坡體參數(shù)，分別計(jì)算坡腳取土和挖土建窯兩種情況，獲取其穩(wěn)定系數(shù)如表3。

表3 坡腳取土與挖空斜坡穩(wěn)定性系數(shù)Table3 Theslopestabilityfactorofthe slopetoediggingandhollowing

有限元模擬顯示，在坡腳開挖的部位，發(fā)生剪應(yīng)力的集中；中下部挖窯剪應(yīng)力在開挖窯洞的部位集中、拉張區(qū)發(fā)生在開挖窯洞的上方；中下部開挖窯洞之后，坡體水平方向位移量增大。計(jì)算及分析結(jié)果表明：在極限平衡狀態(tài)，人類工程對(duì)黃土斜坡的擾動(dòng)，勢(shì)必誘發(fā)滑坡的發(fā)生。

2.5 斜坡穩(wěn)定性與坡頂載荷

坡頂加載超重后也容易引起滑坡。故模擬在坡頂堆載2m厚的土體，容重16kN/m3，計(jì)算結(jié)果表明：坡頂加載使坡體穩(wěn)定性降低（表4），而坡體內(nèi)部應(yīng)力變化不明顯。

表4 坡頂加載條件下斜坡穩(wěn)定性系數(shù)Table4 Theslopestabilityfactorunderthe conditionofthetopoftheslope’sloading

3 寧南黃土滑坡的特性

3.1空間分布特性

黃土滑坡主要分布于黃土丘陵區(qū)的河谷沖蝕岸邊及其支流或支溝中下游兩側(cè)，并多以對(duì)滑形式出現(xiàn)，具有群發(fā)性。這種分布特點(diǎn)與河流及溝谷的發(fā)育期有關(guān)。一般在溝谷形成早期，以垂直侵蝕作用為主，溝谷兩側(cè)崩塌、滑塌頻發(fā)；當(dāng)河流進(jìn)入以側(cè)蝕為主的階段，風(fēng)化、卸載作用強(qiáng)烈，處于河流侵蝕岸的斜坡易發(fā)生滑坡、崩塌；在河流發(fā)育成型階段，自然條件下坡體總體較穩(wěn)定，在風(fēng)化和卸載作用下，多形成剝落和局部不穩(wěn)定。成型河谷區(qū)地形平坦開闊，往往也是人類工程活動(dòng)的密集區(qū)，由此誘發(fā)滑坡發(fā)生。

3.2 滑坡結(jié)構(gòu)特性

寧南山區(qū)滑體多由黃土狀土組成，滑體或?yàn)閱我获R蘭黃土，或由馬蘭黃土、離石黃土和午城黃土混合構(gòu)成?；w在滑動(dòng)時(shí)松動(dòng)解體，穩(wěn)定后在重力作用下，又重新壓密固結(jié)。在鉆孔內(nèi)和沖溝中，可見固結(jié)混雜的土體。僅在滑坡前緣，出現(xiàn)下部基巖風(fēng)化殼被錯(cuò)動(dòng)，可見土石混雜體。多數(shù)滑坡體中地下水貧乏，在滑坡前緣一般亦無地下水溢出。

滑面主要為黃土與新近系泥巖或白堊系砂巖（泥、頁巖）接觸層面，即沿巖土接觸面滑動(dòng)；也有一定數(shù)量的滑坡并未沿巖土接觸面滑動(dòng)，而是向下錯(cuò)斷黃土滑動(dòng)；滑帶埋藏于滑體之下，幾乎未見露頭；滑坡前緣侵蝕斷面上可見滑床土體部分多呈強(qiáng)烈擠壓狀，土體結(jié)構(gòu)致密，具明顯的擠壓紋理，甚至可見厚數(shù)十厘米至數(shù)米的擠壓帶。因震湖而聞名中外的西吉地震滑坡，也大多沿下伏新近系泥巖面滑動(dòng)。

3.3 滑坡變形破壞特性

根據(jù)寧南山區(qū)滑坡的成因機(jī)制不同，可將其劃分為重力卸荷型牽引式滑坡和地震破壞推移式滑坡二類，前者以彭陽境內(nèi)滑坡為代表，后者以西吉境內(nèi)滑坡為典型。

3.3.1 重力卸荷型滑坡

黃土邊坡當(dāng)坡腳遭受流水侵蝕或人工開挖斬坡，引起坡面土體內(nèi)部應(yīng)力的重新調(diào)整，在重力作用下，坡頂及坡面開始出現(xiàn)卸荷拉張裂隙或追蹤土體原有的豎向節(jié)理、裂隙進(jìn)行應(yīng)力釋放。土體一旦產(chǎn)生裂隙，降雨及融雪就可輕易地灌入裂隙之中，在冰凍、溶蝕交替作用下，裂隙逐漸向縱深發(fā)展、寬度也逐步增加；裂隙規(guī)模的不斷擴(kuò)大使冰凍、溶蝕交替作用更強(qiáng)烈；另一方面，滲入土體內(nèi)部的雨雪溶蝕土體顆粒，使其凝聚力急劇降低，當(dāng)突破坡體平衡極限，在重力作用下，坡面土體沿土體內(nèi)裂隙及應(yīng)力集中帶剪切追蹤，最終貫穿滑面，產(chǎn)生滑坡。

當(dāng)黃土體下伏為新近系泥巖層，且泥巖層面為順坡向（順向邊坡結(jié)構(gòu)），土體縱向裂隙貫穿至巖土接觸面后，入滲雨雪溶蝕巖土接觸帶，逐漸可沿黃土與泥巖接觸面溢出，形成軟弱面而使坡體滑動(dòng)，形成較大規(guī)模的滑坡。

3.3.2 地震破壞型滑坡

地震破壞型滑坡的規(guī)模與震級(jí)大小呈正相關(guān)性：震級(jí)大、烈度高，易形成大規(guī)模、高速遠(yuǎn)程滑坡；反之，則形成較小規(guī)模的崩塌、錯(cuò)落或滑坡。強(qiáng)震滑坡具有以下主要特性：

①分布廣，8級(jí)以上地震，影響范圍可達(dá)280km；②密度大，強(qiáng)震區(qū)滑坡面積可達(dá)45％以上；③規(guī)模大，長(zhǎng)達(dá)8km，寬達(dá)3km，面積達(dá)17km2；④滑速高、滑距大，滑動(dòng)過程猶如瀑布飛瀉，滑距1～3km，最大可達(dá)5km；⑤滑床坡度小，大型黃土地震滑坡的滑床坡度常小于15°最小的僅有3°。

1920年海原地震，西吉縣西南山體大面積破壞，可謂“山崩地裂”，猶如2008年的汶川地震。西吉境內(nèi)的滑坡大部分形成于本次地震。強(qiáng)震使得黃土體結(jié)構(gòu)松散、裂隙發(fā)育，土體與下伏泥巖接觸帶出現(xiàn)液化，整個(gè)邊坡的力學(xué)強(qiáng)度大大降低，出現(xiàn)不同規(guī)模的滑坡群體。受地層巖性的控制，這些滑坡多沿新近系泥巖面滑動(dòng)，滑距很大。因此，在地貌上表現(xiàn)出“坡緩溝深”的特征。

地震滑坡的滑體往往很長(zhǎng)，后期逢集中降雨或連陰雨，降雨沿土體裂隙入滲其間。一來降低土體凝聚力，二則增加土體容重。在重力作用下，推動(dòng)下部坡體沿泥巖層面繼續(xù)緩慢滑動(dòng)，因而滑體中后部經(jīng)常出現(xiàn)寬窄不一、延伸長(zhǎng)度不等的裂縫。規(guī)模也不像重力卸荷型黃土滑坡那樣有規(guī)律，其大小差異極大；滑坡后緣壁較陡，一般60°～80°；滑體中前部因滑帶土震動(dòng)液化失去抗滑能力而表現(xiàn)為滑面平直光滑；下伏的新近系泥巖構(gòu)成隔水層，地下水以泉的形式沿黃土與泥巖接觸面溢出。

4 寧南黃土滑坡形成機(jī)理

4.1 重力卸荷型黃土滑坡

黃土邊坡由于受到坡腳侵蝕或開挖，在重力作用下，其位移出現(xiàn)在壓縮及臨空兩個(gè)方向，造成最小主應(yīng)力變小。一旦該位移足夠大，近水平向的最小主應(yīng)力出現(xiàn)負(fù)值，坡頂將出現(xiàn)拉張裂縫。在降雨、融雪及冰凍的交替作用下，裂縫將不斷地向坡體深部發(fā)展。

單一性的黃土斜坡，在高傾角壓剪應(yīng)力的作用下，出現(xiàn)相應(yīng)的微應(yīng)變狀態(tài)。當(dāng)其與坡體某一顯微裂隙方向一致時(shí)，發(fā)生局部的應(yīng)力集中。一旦集中應(yīng)力超過該處土體的極限強(qiáng)度，就會(huì)發(fā)生破壞，而且該處土體損失的抗力將傳遞附加于其周圍最大剪應(yīng)力方向的黃土體上，引起該方向的應(yīng)力集中，土體破壞。進(jìn)而這種過程循環(huán)進(jìn)行，最終導(dǎo)致沿該方向的破壞帶（滑動(dòng)面）的形成。

對(duì)于由新、老黃土組成的斜坡，上部馬蘭黃土中拉張裂縫向下楔入發(fā)展、中部離石黃土中剪切漸進(jìn)破壞區(qū)擴(kuò)展、下部午城黃土在坡腳處應(yīng)力集中引起的坡趾破壞區(qū)向后上方延伸，導(dǎo)致三個(gè)破壞區(qū)之間的未破壞區(qū)愈來愈小，最終當(dāng)未破壞區(qū)消失時(shí)，斜坡整體失穩(wěn)滑動(dòng)。

4.2 地震破壞型黃土滑坡

地震作用下黃土斜坡失穩(wěn)的主要機(jī)理，可歸結(jié)為黃土震陷、黃土震動(dòng)液化或二者的組合：

4.2.1 黃土震陷型機(jī)理

黃土震陷是指非飽和、低濕度的黃土在地震荷載作用下產(chǎn)生的突發(fā)性殘余變形現(xiàn)象，在宏觀上表現(xiàn)為黃土場(chǎng)地的突然性附加沉陷。在丘陵區(qū)的斜坡地段則可能引起斜坡失穩(wěn)。寧南黃土具有大孔性架空孔隙結(jié)構(gòu)（［1］張振中等，1999），在強(qiáng)地震力的作用下有可能使土粒間原本較弱的膠結(jié)力喪失，土顆粒落入大孔隙中，使土結(jié)構(gòu)產(chǎn)生崩潰性的破壞，土顆粒重新排列，從而使土體產(chǎn)生較大的殘余變形，即發(fā)生震陷。

4.2.2 黃土震動(dòng)液化型機(jī)理

液化是指土層由于含水量較高，在地震震動(dòng)和水的共同作用下導(dǎo)致土體中孔隙水壓力增大，有效應(yīng)力減小，從而導(dǎo)致土體抗剪強(qiáng)度降低，引起的邊坡失穩(wěn)或滑動(dòng)現(xiàn)象。在地震力作用下，黃土體土顆粒進(jìn)行了重新排列，使一些孔隙被土顆粒所充填，黃土產(chǎn)生了較大的殘余應(yīng)變，表現(xiàn)出較低的抗剪性及較大的流動(dòng)性，導(dǎo)致土體產(chǎn)生大面積的下陷或者發(fā)生流動(dòng)，在宏觀上則形成土體滑移、產(chǎn)生泥流或大面積沉陷。

5 結(jié)論

通過對(duì)寧南黃土丘陵區(qū)邊坡穩(wěn)定性模擬計(jì)算、黃土滑坡特性分析及其形成機(jī)理探討研究，得出如下主要結(jié)論：

（1）黃土丘陵區(qū)自然穩(wěn)定邊坡的坡度應(yīng)控制在50°以內(nèi)，以≤45°為宜。

（2）人類工程活動(dòng)對(duì)黃土邊坡的擾動(dòng)，包括坡腳開挖、坡頂載荷、坡面取土等，均會(huì)影響并降低邊坡的穩(wěn)定性。應(yīng)盡量避免對(duì)黃土斜坡的擾動(dòng)。

（3）降雨入滲是誘發(fā)黃土滑坡的主要因素之一，在黃土體支零破碎的地震高烈度區(qū)尤為突出。因此，降雨或持續(xù)性降雨期間應(yīng)加強(qiáng)災(zāi)害巡查。

（4）黃土梁邊、黃土殘塬邊、河谷沖蝕岸邊及支溝兩側(cè)均為滑坡易發(fā)生地段，應(yīng)盡量避免規(guī)劃布設(shè)工程，無法避讓的工程則應(yīng)輔以防護(hù)。

（5）黃土堆積厚度大、下伏泥巖為順向邊坡結(jié)構(gòu)的地段應(yīng)為潛在滑坡災(zāi)害重點(diǎn)防護(hù)段。

（6）在地震高烈度區(qū)及活動(dòng)性斷裂帶影響范圍，除了注意防范已經(jīng)查明的滑坡之外，更要注意那些坡高、土厚、土體完整性差的斜坡體。

［1］張振中.黃土地震災(zāi)害預(yù)測(cè)［M］.北京：地震出版社，1999.ZHANGZhenzhong.Forecastofearthquakehazardinloess［M］.Beijing：EarthqukePublishCompany，1999.