陜北地區(qū)黃土崩塌破壞模式分類及防控對策研究

彭 軍，李翔宇，閆蕊鑫，馬小莉

(1.榆林學(xué)院建筑工程系，陜西 榆林 719000;2.榆林市城鄉(xiāng)規(guī)劃設(shè)計院，陜西榆林 719000;3.西安科技大學(xué)建筑與土木工程學(xué)院，西安 710054;4.長安大學(xué)地質(zhì)工程與測繪學(xué)院，西安 710054)

1 研究背景

根據(jù)國家“十二五”發(fā)展綱要規(guī)劃，陜北地區(qū)作為國家級能源基地的戰(zhàn)略地位愈加突出，相應(yīng)的人類工程活動趨于頻繁。而陜北黃土高原地區(qū)本為地質(zhì)生態(tài)脆弱區(qū)，溝壑星羅棋布，廣泛發(fā)育高陡黃土邊坡，受人類活動影響，導(dǎo)致該區(qū)域黃土崩塌地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)，且陜北新近第四紀黃土普遍存在節(jié)理發(fā)育顯著、初期變形不明顯，前兆缺乏，一旦發(fā)生災(zāi)害，常造成非常嚴重的人員傷亡和財產(chǎn)損失。據(jù)不完全統(tǒng)計［1－2］，陜北地區(qū)(延安、榆林地區(qū))存在多達800余處黃土高邊坡地質(zhì)災(zāi)害點。因此，展開陜北地區(qū)黃土崩塌破壞模式及對應(yīng)防控對策系統(tǒng)研究具有重要現(xiàn)實意義。

陜北地區(qū)屬于我國黃土高原中心地帶，系在中生代基巖石地層基礎(chǔ)上，風(fēng)積搬運覆蓋厚層新生代黃土，并受黃土沉積年代及區(qū)域氣候影響，侵蝕、風(fēng)化現(xiàn)象嚴重，形成了典型黃土地貌:梁、峁、溝、塬等，伴隨侵蝕、風(fēng)化的深入，出現(xiàn)了典型的黃土地質(zhì)災(zāi)害，即黃土崩塌［3］。黃土崩塌主要分布在陜北黃土溝壑區(qū)的支溝邊緣、殘塬邊坡、黃土塬前緣及人工形成的高陡邊坡地帶，具有陡、高、碎等特點，對陜北地區(qū)國民生產(chǎn)造成較大安全隱患。

關(guān)于陜北黃土崩塌破壞形式研究，國內(nèi)研究人員進行了一系列歸納，如王根龍等［4］將黃土崩塌歸納為拉裂—墜落式、拉裂—傾倒式、拉裂—下挫式和拉裂—滑移式等4種破壞機制;葉萬軍等［5］考慮黃土淺層剝落破壞類型，將其分為片狀剝落、層狀剝落、碎塊狀剝落、魚鱗狀剝落和混合狀剝落5種;范麗曉等［6］根據(jù)榆林S302(榆佳公路)沿線調(diào)查結(jié)果，將黃土邊坡崩塌的破壞類型分為自然型崩塌、人為-自然復(fù)合型崩塌及人為型崩塌3類;趙法鎖等［7］以吳起縣為例，將黃土崩塌分為傾倒式、錯落式、垮塌式和剝落式4類，分析各自破壞形態(tài);相關(guān)研究成果不一一概述。

因陜北黃土崩塌地質(zhì)災(zāi)害頻繁發(fā)生，需要針對性處置方案，國內(nèi)研究人員根據(jù)多年黃土崩塌處置經(jīng)驗，得到一些好的處理方案。如雷祥義等［8］提出預(yù)防工作與工程防治并重思路，要求做好群眾災(zāi)害意識宣傳，并對安全隱患點技術(shù)工程治理;秦志堅等［9］針對黃土邊坡災(zāi)害，提出坡面排水系統(tǒng)、土工格室內(nèi)噴播植草等處理建議;此外，隨著新材料、新工藝出現(xiàn)，一些新的黃土崩塌防治方案被提出，如單志杰［10］經(jīng)過試驗驗證，指出EN－1離子固化劑在加固黃土邊坡崩塌的良好效果;吳九江等［11］將廣泛應(yīng)用于基坑工程的土釘－預(yù)加固樁復(fù)合支護技術(shù)引入黃土邊坡防護，取得了較好的治理效果;此外，還有一些綠色生態(tài)防護的最新研究成果報道等［12－13］。

以上研究對陜北黃土崩塌災(zāi)害認識、防治具有較好的指導(dǎo)價值，但以上研究多針對具體工程對象展開，而對黃土崩塌破壞模式、破壞機制、防控對策系統(tǒng)化總結(jié)研究較少。本文基于陜北黃土崩塌發(fā)育特征，通過對大量典型黃土崩塌災(zāi)害綜合分析，提煉出較為系統(tǒng)的陜北黃土崩塌破壞模式及破壞驅(qū)動機制，并根據(jù)破壞發(fā)生部位的不同，綜合歸納得到6種黃土崩塌破壞形態(tài)及4種內(nèi)在力學(xué)驅(qū)動型式;同時，基于以上成果，通過廣泛歸納，總結(jié)出各自對應(yīng)的有效防控對策，本研究將對陜北地區(qū)黃土崩塌破壞認知、防控方案確定具有較好參考意義。

2 陜北黃土崩塌災(zāi)害發(fā)育特征

2.1 陜北黃土崩塌災(zāi)害地理區(qū)劃

陜北地區(qū)包括延安、榆林2地，下轄2區(qū)、23縣(市)，總面積達9.25萬 km2，占國土面積約 1%，該區(qū)域?qū)儆邳S土高原中心地帶［14］。受黃土梁、峁、溝、塬等地貌侵蝕、風(fēng)化差異影響，該區(qū)域黃土崩塌災(zāi)害分布不均，按照其災(zāi)害嚴重程度可分為:高易發(fā)區(qū)、中易發(fā)區(qū)及低易發(fā)區(qū);其中高易發(fā)區(qū)約占陜北地區(qū)總面積的15%;中易發(fā)區(qū)約占25%，崩塌災(zāi)害發(fā)育廣泛，詳見圖1。

圖1 陜北黃土崩塌災(zāi)害地理區(qū)劃Fig.1 Geographical regionalization of loess collapses in the Northern Shaanxi region

按照易發(fā)區(qū)的地理區(qū)劃來分，陜北地區(qū)可分為9大黃土崩塌災(zāi)害易發(fā)區(qū):① 神木—府谷黃土崩塌(沉陷)易發(fā)區(qū);②榆林—橫山黃土崩塌(沉陷)易發(fā)區(qū);③綏德—子洲黃土崩塌(滑坡)易發(fā)區(qū);④吳堡—佳縣黃土崩塌易發(fā)區(qū);⑤吳起—志丹黃土崩塌(滑坡)易發(fā)區(qū);⑥子長—清澗—延長黃土崩塌(滑坡、泥石流)易發(fā)區(qū);⑦甘泉—黃陵—洛川黃土崩塌易發(fā)區(qū);⑧宜川黃土崩塌(滑塌)易發(fā)區(qū);⑨黃龍黃土崩塌(滑塌)易發(fā)區(qū)。

2.2 陜北黃土崩塌災(zāi)害發(fā)育狀況

以上9大黃土崩塌易發(fā)區(qū)區(qū)劃，根據(jù)其黃土地貌、黃土特性、風(fēng)化侵蝕等差異，其呈現(xiàn)的黃土崩塌災(zāi)害也有所差異，詳細概況見表1和圖2。

①至②區(qū)為以黃土峁為主的梁峁地帶，坡度較陡，黃土為中砂黃土，成層性顯著，孔隙率大，黏著性不佳，風(fēng)力風(fēng)化顯著，易揚塵;該區(qū)域易發(fā)生崩塌、沉陷地質(zhì)災(zāi)害，如2008年發(fā)生于神木縣的呂祖洞崩塌災(zāi)害。

③至⑥區(qū)為黃土梁、溝為主的梁峁地帶，坡度陡，黃土為細粒砂黃土，直立性好，垂直型裂隙發(fā)育，局部呈濕陷性，沖刷侵蝕顯著;該區(qū)域易發(fā)生崩塌、滑坡、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害;如2014年7—9月延安地區(qū)普遍發(fā)生的黃土崩塌災(zāi)害，均有降雨沖刷作用參與。

表1 黃土崩塌易發(fā)區(qū)災(zāi)害數(shù)量及規(guī)模統(tǒng)計(截止2014年12月)Table 1 Statistics of the amount and scale of disasters in areas prone to loess collapse(till Dec.2014)

圖2 黃土崩塌易發(fā)區(qū)典型地質(zhì)剖面圖Fig.2 Typical geological profile of areas prone to loess collapse

⑦至⑨區(qū)為黃土塬、溝為主的塬梁地帶，坡頂平緩，溝壑深切，黃土為典型中新世細粒黃土，膠結(jié)性相對較好，局部出現(xiàn)密集鈣質(zhì)結(jié)核層，表面沖刷侵蝕顯著;該區(qū)域易發(fā)生黃土邊坡表面剝落、局部崩塌等地質(zhì)災(zāi)害，往往崩塌深度不大。如2014年10月發(fā)生于甘泉縣的山體表層滑塌，滑塌厚度僅為1～2 m，但造成19人死亡嚴重事故。

圖3 不同破壞形態(tài)崩塌示意圖Fig.3 Schematic diagram of failure modes of loess collapse

3 陜北黃土崩塌災(zāi)害破壞模式歸納

基于陜北黃土崩塌災(zāi)害地理區(qū)劃及各自發(fā)育表述，可看出:不同的地質(zhì)環(huán)境條件孕育了不同的黃土崩塌破壞模式，其與該區(qū)域黃土發(fā)育特性、氣象水文條件、區(qū)域地質(zhì)地貌密切相關(guān)。本文從破壞形態(tài)、破壞力學(xué)驅(qū)動機制及破壞工程部位出發(fā)，對陜北黃土崩塌災(zāi)害破壞模式進行系統(tǒng)歸納。

3.1 陜北黃土崩塌破壞形態(tài)分類

表2 不同破壞形態(tài)的崩塌災(zāi)害分類Table 2 Classification of failure modes of loess collapse

通過廣泛搜集典型黃土崩塌災(zāi)害工程資料，結(jié)合其破壞形態(tài)外在表現(xiàn)，可詳細歸納為剝落式、崩落式、臺階式、傾倒式、滑移式、冒落式6種，具體描述見表2和圖3。

(1)剝落式崩塌:多發(fā)生于新近堆積黃土或Q3黃土中，主要受到外營力(鹽類、凍融、沖刷、擾動等)作用影響，呈現(xiàn)坡體表面侵蝕破壞，深度一般不大。

(2)崩落式崩塌:多發(fā)生于上軟下硬黃土層組合中，且上覆黃土多懸空，孔隙率大、垂直裂隙發(fā)育，易在水力沖刷、重力作用下發(fā)生墜落破壞。

(3)臺階式崩塌:多發(fā)生于具有一定硬度的Q3黃土中，坡體往往較陡，坡頂垂直裂隙發(fā)育，但傾向臨空面的結(jié)構(gòu)面發(fā)育不明顯，在附近工程擾動作用下，易發(fā)生沿垂直節(jié)理的成層性破壞，進而形成臺階式崩塌。

(4)傾倒式崩塌:多發(fā)生于上軟下硬黃土層組合中，坡頂普遍存在垂直節(jié)理、柱狀節(jié)理，其區(qū)別于崩落式崩塌在于上覆黃土未懸空;受傾覆作用下影響，崩塌體發(fā)生拉裂－傾倒破壞。

(5)滑移式崩塌:多發(fā)生于新近堆積黃土或Q3黃土中，該類崩塌在陜北地區(qū)發(fā)育較多，黃土內(nèi)部結(jié)構(gòu)松散，易在降雨、人工擾動作用下，沿傾向坡面方向的軟弱結(jié)構(gòu)面發(fā)生滑移破壞。

(6)冒落式崩塌:多發(fā)生于新近堆積黃土或Q3黃土，在掘進窯洞過程或后期擾動，易引起黃土邊坡內(nèi)部失穩(wěn)，進而沿窯洞洞頂發(fā)生冒落崩塌，引起窯洞整體破壞，俗稱“塌窯”。

依據(jù)以上分析，對目前野外調(diào)查資料進行詳細整理，按照物質(zhì)組成、崩塌體積、破壞形態(tài)對陜北地區(qū)黃土崩塌發(fā)生災(zāi)害進行分類統(tǒng)計，詳細結(jié)果如表3。

表3 陜北不同類型黃土崩塌災(zāi)害數(shù)量百分比統(tǒng)計Table 3 Statistics of the percentage of different classifications of loess collapse

3.2 陜北黃土崩塌破壞驅(qū)動機制分類

結(jié)合以上黃土崩塌災(zāi)害破壞形態(tài)分類，從控制因素出發(fā)，探究其內(nèi)部破壞驅(qū)動機制，將其分為:應(yīng)力型驅(qū)動、節(jié)理型驅(qū)動、擾動型驅(qū)動、混合型驅(qū)動4種，詳述如下。

(1)應(yīng)力型驅(qū)動:該類破壞驅(qū)動機制在于應(yīng)力作用起控制因素，如在重力、外營力作用下的破壞現(xiàn)象;該類破壞對發(fā)生于自身穩(wěn)定性較差的新近堆積黃土或Q3黃土中，以上破壞形態(tài)中的滑移式崩塌，屬于該類破壞機制。

(2)節(jié)理型驅(qū)動:陜北黃土的重要特性在于內(nèi)部構(gòu)造節(jié)理發(fā)育顯著。廣泛發(fā)育的垂直構(gòu)造節(jié)理與黃土崩塌災(zāi)害發(fā)生密切相關(guān)，并成為黃土崩塌發(fā)生的一種重要驅(qū)動機制。構(gòu)造節(jié)理作為區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場的產(chǎn)物，切穿各時期的黃土層，構(gòu)成黃土體的軟弱結(jié)構(gòu)面，且黃土內(nèi)部節(jié)理的力學(xué)性質(zhì)與黃土形成時代、埋藏深度和土質(zhì)有關(guān)。如上發(fā)生的崩落式、臺階式、傾倒式崩塌，均屬于節(jié)理型破壞機制。

(3)擾動型驅(qū)動:人類工程活動趨多，如人工開挖削坡，導(dǎo)致對原本穩(wěn)定性較差的黃土邊坡擾動作用顯著，進而引起黃土崩塌災(zāi)害;此外，降水擾動作用在黃土崩塌災(zāi)害發(fā)生過程中也扮演著重要角色;該類機制一般伴隨以上2種驅(qū)動機制發(fā)生，目前陜北黃土崩塌災(zāi)害多由該類因素驅(qū)動發(fā)生，如上歸納剝落式、冒落式崩塌多屬于該類破壞機制。

(4)混合型驅(qū)動:黃土崩塌災(zāi)害的發(fā)生一般應(yīng)為多種復(fù)合力學(xué)作用產(chǎn)生結(jié)果，如傾倒式崩塌多伴隨降水沖刷作用發(fā)生;剝落式崩塌多經(jīng)過風(fēng)化作用而后擾動發(fā)生等。故以上各類崩塌發(fā)生多為綜合作用產(chǎn)物。

總體而言，黃土崩塌災(zāi)害的發(fā)生是內(nèi)、外因綜合作用產(chǎn)生的，其中內(nèi)因主要包括邊坡土體本身較差力學(xué)性質(zhì)(如重度、黏聚力、摩擦角、彈性模量和泊松比等)、黃土本身廣泛存在的垂直節(jié)理;外因主要包括降雨沖刷入滲、凍融侵蝕、鹽分侵蝕、人類工程擾動、后期運營超負荷等。

4 陜北黃土崩塌災(zāi)害防控對策研究

根據(jù)以上黃土崩塌災(zāi)害破壞形態(tài)及驅(qū)動機制分類可知，黃土崩塌發(fā)生是一種多因素復(fù)雜作用的產(chǎn)物，不同的地形、環(huán)境、地質(zhì)條件造就不同的災(zāi)害形態(tài)，相對應(yīng)的防治措施也應(yīng)存在較大差異，不同的防護工程措施具有其特定的適用范圍或最佳效果，故現(xiàn)對黃土崩塌常用防治措施方案進行評價。

目前，針對黃土崩塌采用“預(yù)防為主、防治結(jié)合”的防護措施，常用的防治措施主要包括:①改變坡體幾何形態(tài);②坡體表面加固;③坡體內(nèi)部加強;④增加支擋結(jié)構(gòu);⑤增強截、排水系統(tǒng)。

常用防治措施各自存在一定的優(yōu)劣性，需要根據(jù)具體的工程對象，結(jié)合其具體地形地貌、地質(zhì)環(huán)境、災(zāi)害發(fā)育特征及狀況，綜合選擇適宜防治手段。一般而言，推薦采用幾種防治手段結(jié)合的綜合措施，方可達到最佳工程治理效果。

對黃土崩塌常用防治措施方案評價可知，每種防控方法均存在其最佳適用范圍，為更好歸納陜北黃土崩塌災(zāi)害治理手段，結(jié)合以上陜北黃土崩塌災(zāi)害外在形態(tài)和破壞驅(qū)動機制分類，從發(fā)生部位、破壞形態(tài)、破壞過程典型特點、破壞驅(qū)動機制出發(fā)，歸納針對性黃土崩塌災(zāi)害防控對策，見表4。

5 結(jié)論

(1)結(jié)合陜北黃土地質(zhì)發(fā)育特征，將陜北黃土崩塌災(zāi)害進行地理區(qū)劃，共分為9大黃土崩塌災(zāi)害易發(fā)區(qū)，并將易發(fā)區(qū)歸納為3類災(zāi)害發(fā)育特征，依據(jù)區(qū)劃結(jié)果，對各地理區(qū)劃內(nèi)的黃土崩塌進行詳細數(shù)量及規(guī)模統(tǒng)計。

(2)按照陜北黃土崩塌破壞形態(tài)外在表現(xiàn)，將其分為剝落式、崩落式、臺階式、傾倒式、滑移式、冒落式6種，并探討了其各自的巖土特性、地形地貌、地質(zhì)條件、破壞形態(tài)及力學(xué)機制，并對從物質(zhì)組成、發(fā)生規(guī)模及破壞形態(tài)進行了全面統(tǒng)計。

(3)從陜北黃土崩塌內(nèi)在控制因素出發(fā)，探究對陜北黃土崩塌內(nèi)部破壞驅(qū)動機制進行分析，將其分為應(yīng)力型驅(qū)動、節(jié)理型驅(qū)動、擾動型驅(qū)動、混合型驅(qū)動4種，并闡述了各自對應(yīng)的內(nèi)在力學(xué)作用過程。

(4)對黃土崩塌常用防治措施方案進行綜合評價，結(jié)合陜北黃土崩塌災(zāi)害外在形態(tài)和破壞驅(qū)動機制分類特征，歸納、提出針對性黃土崩塌災(zāi)害防控對策，研究成果可為陜北地區(qū)具體防控措施選擇提供參考。

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