陜北黃土窯洞災(zāi)害分類及成因分析研究

游志浪，王朝陽，白健忠，崔雪婷，任 秀

(西安科技大學(xué)地質(zhì)與環(huán)境學(xué)院，陜西西安710054)

陜北黃土窯洞災(zāi)害分類及成因分析研究

游志浪*，王朝陽，白健忠，崔雪婷，任 秀

(西安科技大學(xué)地質(zhì)與環(huán)境學(xué)院，陜西西安710054)

黃土窯洞是中國獨(dú)具特色的地下工程，研究其現(xiàn)狀及災(zāi)害問題具有重大的工程意義及現(xiàn)實(shí)意義。以陜北大量的野外調(diào)查為基礎(chǔ)，經(jīng)后期的深入研究，歸納出黃土窯洞的災(zāi)害類型，并且分析探討其內(nèi)在原因，對陜北黃土窯洞的修建有很大的現(xiàn)實(shí)指導(dǎo)意義。

陜北；黃土窯洞；地質(zhì)災(zāi)害

黃土窯洞是指在黃土高原地區(qū)修筑的中國北方特有民居建筑，其歷史悠久，現(xiàn)今仍然對當(dāng)?shù)匕傩盏纳畎l(fā)揮不可或缺的作用。隨著人民生活水平的提高及思想認(rèn)識的改變，現(xiàn)在陜北地區(qū)已經(jīng)存在大量的黃土窯洞閑置，以致窯洞的倒塌，無人修繕。另一方面黃土窯洞還有很大的居住量，這些處在黃土高原的偏遠(yuǎn)地區(qū)，百姓經(jīng)濟(jì)條件差，加之箍窯費(fèi)用大，又具有強(qiáng)烈的戀窯情節(jié)，現(xiàn)今還居住在黃土窯洞中[1]。時至今日，黃土高原地區(qū)約有200多個（市），其中有3000～4000萬人還居住生活在各種形式的窯洞中[2]。

黃土高原地區(qū)土地資源緊張，黃土窯洞是依黃土的地勢而建，利用了自然地理?xiàng)l件，其減少建筑用地，緩解耕地荒的問題。作為黃土窯洞的天然建筑材料的黃土，其自身力學(xué)強(qiáng)度高，穩(wěn)定性好。據(jù)資料介紹[3]，久居黃土窯洞的居民患病機(jī)率較少。

黃土窯洞雖具有很多其他建筑所沒有的優(yōu)點(diǎn)，但其存在的缺陷也顯而易見，黃土窯洞其常年陰暗，通風(fēng)系統(tǒng)差，陰雨天潮濕。更為嚴(yán)重的，黃土窯洞的災(zāi)害頻發(fā)，據(jù)延安市國土資源局的統(tǒng)計(jì)資料，延安地區(qū)2001～2005年間，窯洞災(zāi)害就導(dǎo)致73人死亡，10人受傷。在筆者調(diào)查的清澗區(qū)域，不久前就由于降雨塌窯造成人員傷亡。

1 黃土窯洞的災(zāi)害類型

黃土窯洞的天然建筑材料是黃土，黃土雖說其自身的力學(xué)性質(zhì)良好，但黃土本身還處于一種暴露狀態(tài)，此種天然的地質(zhì)環(huán)境會使其本身的性質(zhì)發(fā)生改變，產(chǎn)生災(zāi)害也是必然，故對黃土窯洞的災(zāi)害進(jìn)行簡單的分類是極其必要，對窯洞居住人民規(guī)避、防治黃土窯洞災(zāi)害也有現(xiàn)實(shí)指導(dǎo)意義。筆者在對陜西清澗等地區(qū)野外調(diào)查考察中，結(jié)合查閱相關(guān)文獻(xiàn)[4]，對黃土窯洞災(zāi)害類型進(jìn)行分類。

1.1 黃土窯洞坍塌

黃土窯洞坍塌是黃土窯洞中最為嚴(yán)重的破壞形式，其嚴(yán)重時會威脅窯洞居住人的生命財(cái)產(chǎn)安全。黃土窯洞的坍塌一般來說可分為2種類型：一種是漸進(jìn)型，其破壞是緩慢的、漸進(jìn)的，其首先是黃土窯洞的局部坍塌（見圖1），隨著時間的發(fā)展與外界條件的影響，最終發(fā)展為整體性坍塌；一種是突發(fā)型，此種黃土窯洞的上覆土層比較薄，在降雨等因素下直接從窯頂發(fā)生坍塌，或者由于黃土窯洞周圍存在滑坡，由于滑坡的運(yùn)動發(fā)生整體性的坍塌（見圖2）。一般來說漸進(jìn)型的黃土窯洞的坍塌是可控的、可以監(jiān)測的，在發(fā)生局部坍塌的時候就要及時的修繕，阻止窯洞發(fā)生進(jìn)一步破壞。突發(fā)型往往是伴隨著惡劣的地質(zhì)環(huán)境如強(qiáng)降雨、滑坡，其很難預(yù)報(bào)與監(jiān)測，危險(xiǎn)性極大。

筆者經(jīng)野外調(diào)查與查閱前人研究的文獻(xiàn)資料，漸進(jìn)型黃土窯洞坍塌首先都是發(fā)生在窯臉與窯頂、洞內(nèi)部位，綜合原因分析，其主要是由于降雨等外在條件及黃土窯洞發(fā)育節(jié)理、存在古土壤層等內(nèi)在因素給造成的。

圖1 黃土窯洞局部坍塌

圖2 黃土窯洞整體性坍塌

1.2 裂縫、窯內(nèi)滲水

裂縫是黃土窯洞中重要的破壞類型，其產(chǎn)生原因可歸結(jié)為2個方面：一方面是由于在開挖窯洞時未充分考慮到窯洞的布局及開挖的隨意性而產(chǎn)生的初始裂縫，另一方面，在建成窯洞后由于黃土中的應(yīng)力的重分布、黃土的強(qiáng)度下降、地震凍融作用等因素影響而產(chǎn)生的，黃土中的節(jié)理亦是產(chǎn)生裂縫的重要原因。在雨季，雨水會沿著黃土中產(chǎn)生的裂縫及節(jié)理而下滲，窯洞內(nèi)部的拱圈部位往往會產(chǎn)生潮濕的現(xiàn)象。見圖3。

圖3 黃土窯洞的裂縫

1.3 窯洞冒頂

窯洞冒頂是指在開挖過程中沒有科學(xué)的理論指導(dǎo)或者在后期的使用中由于各種外部因素的影響使窯洞頂部發(fā)生應(yīng)力集中達(dá)到黃土的抗剪強(qiáng)度，發(fā)生黃土脫落，使得窯洞上部拱圈發(fā)生變形破壞的現(xiàn)象，從而影響窯洞的穩(wěn)定性和安全性，甚至引發(fā)窯洞坍塌破壞。見圖4。

圖4 窯洞冒頂

黃土窯洞的災(zāi)害類型有很多，以上只是幾種典型的災(zāi)害類型，筆者結(jié)合前人研究的資料及野外實(shí)地調(diào)查而總結(jié)得到。

2 黃土窯洞災(zāi)害原因分析

黃土窯洞災(zāi)害頻發(fā)，造成窯洞災(zāi)害的原因有很多，黃土窯洞是依附在黃土高原地勢上的復(fù)雜的地質(zhì)體，其發(fā)生災(zāi)害的影響因素不是單一的，其是多個因素耦合的結(jié)果。作為一個復(fù)雜的地質(zhì)體，對于黃土窯洞的災(zāi)害形成機(jī)理尚難形成較深刻的認(rèn)識，但是就黃土窯洞的出現(xiàn)的災(zāi)害類型，能出一些基本的影響因素下進(jìn)行分析研究，基于此，筆者結(jié)合室內(nèi)試驗(yàn)及有關(guān)文獻(xiàn)對有限的因素進(jìn)行詳細(xì)深入的分析，以期對黃土地區(qū)的窯洞的災(zāi)害防治起到積極引導(dǎo)作用。

2.1 降雨

黃土窯洞本身具有很強(qiáng)的穩(wěn)定性，降雨是觸發(fā)黃土窯洞災(zāi)害的最主要的原因。其一，從黃土自身的結(jié)構(gòu)來說，黃土本身就疏松多孔，降雨的入滲，會破壞黃土自身結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性及完整性。其二，黃土具有很強(qiáng)的濕陷性，這是黃土明顯的特點(diǎn)，降雨會使其更加明顯，進(jìn)一步影響其整體的穩(wěn)定性。其三，黃土發(fā)育明顯垂直節(jié)理，這一特點(diǎn)會使降雨入滲十分充分，這樣黃土中的軟弱面會進(jìn)一步的擴(kuò)展，產(chǎn)生類似“雪崩”的效果。另外，降雨會誘發(fā)黃土窯洞上覆的黃土產(chǎn)生滑坡、泥石流、崩塌等地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生，這些地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生產(chǎn)生的外力必然會影響黃土窯洞其安全與穩(wěn)定性。降雨對黃土窯洞的破壞的觸發(fā)作用是顯然的，經(jīng)現(xiàn)場取樣模擬降水實(shí)驗(yàn)可知，雨的入滲會改變黃土的物理性質(zhì)及力學(xué)性質(zhì)，如含水率、抗剪強(qiáng)度等發(fā)生明顯變化。進(jìn)而會改變黃土原來的應(yīng)力分布，同時降雨還會加劇黃土中的裂隙擴(kuò)張，加速對窯洞的破壞。

2.2 節(jié)理

黃土中發(fā)育的極其復(fù)雜的黃土節(jié)理也成為黃土窯洞災(zāi)害發(fā)生的十分重要的因素。黃土要的選址一般都在比較致密的離石黃土層，查閱前人資料和實(shí)地考察，本身離石黃土在開挖前其土質(zhì)比較均一，節(jié)理發(fā)育也不是很多，但由于開挖后，其應(yīng)力場就發(fā)生了改變，發(fā)生明顯的應(yīng)力集中，或者產(chǎn)生卸荷作用，這樣一來就使原來節(jié)理不發(fā)育的地區(qū)產(chǎn)生許多節(jié)理，黃土開挖后，受外界因素的影響如降雨、滑坡、人為等因素，黃土的節(jié)理有進(jìn)一步發(fā)展與延伸，進(jìn)一步威脅窯洞的穩(wěn)定性。節(jié)理會使整個黃土土體的整體的抗剪強(qiáng)度減小，隨時間的推移或者外界條件的作用下，節(jié)理會貫通成軟弱結(jié)構(gòu)面，在上覆黃土的自重應(yīng)力下會產(chǎn)生黃土沿軟弱結(jié)構(gòu)面發(fā)生滑動，滑坡的產(chǎn)生對黃土窯洞的安全是極其不利的。另一方面，黃土節(jié)理的產(chǎn)生為雨水的下降提供了入滲通道，水亦會直接間接的影響黃土窯洞的穩(wěn)定性。黃土節(jié)理會使其整體結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，整體的受力情況也會改變，這樣極其不利于黃土窯洞的安全性。

2.3 黃土中古土壤

窯洞型黃土崩塌多發(fā)育于厚層離石黃土中，部分為黃土+古土壤地層[5]。黃土中的古土壤從單純工程地質(zhì)強(qiáng)度的角度來分析，其穩(wěn)定性必然沒有黃土的好，而且明顯存在軟化趨勢。就黃土的承載力來說，若是黃土中存在古土壤層的話，其承載力必定會下降，若是在黃土窯洞的窯腿位置的下部存在古土壤層，顯而易見，該部分的承載能力會下降很多，并且由于是古土壤其內(nèi)部是濕潤的，導(dǎo)致了該部分的黃土與相鄰的黃土間的摩擦也就下降了，水平推力減少了，進(jìn)而對黃土窯洞的該結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性產(chǎn)生極大的不穩(wěn)定因素。就隔水的角度來說，黃土中的古土壤雖然強(qiáng)度不高，但其卻具有良好的隔水能力，故若黃土中的古土壤位于黃土窯洞的上覆黃土中，其隔水能力會很好地阻隔降水的下滲，反而減少了水對黃土窯洞的穩(wěn)定性[6]。

2.4 邊坡形態(tài)

據(jù)筆者的實(shí)地考察可知，黃土窯洞大多數(shù)是依靠著黃土地勢而修建的，由于窯洞為了方便開挖一般都要對坡體進(jìn)行削坡工作，這樣大大降低了坡體原有的穩(wěn)定性，同時窯洞的開挖，使得坡體原來的節(jié)理、裂隙進(jìn)一步擴(kuò)大[4]，坡體的結(jié)構(gòu)性和整體性受到破壞，這樣一來在窯洞的附近甚至于在其上覆的黃土中會發(fā)育危險(xiǎn)的滑坡或者其他邊坡形態(tài)。這些邊坡形態(tài)會產(chǎn)生潛在滑坡崩塌，只要外界的條件允許的話，如大雨，一旦產(chǎn)生了這樣地質(zhì)災(zāi)害，會大大地降低窯洞的穩(wěn)定性，產(chǎn)生整體性的坍塌。

2.5 凍融作用

黃土窯洞主要分布地區(qū)是典型的季節(jié)性凍土區(qū)，于春冬交替的時期會發(fā)生凍融作用。凍融作用會嚴(yán)重影響黃土窯洞的穩(wěn)定性，其一，凍融作用會直接影響黃土窯洞建造材料黃土的一些微結(jié)構(gòu)，反復(fù)的凍融作用會使黃土的抗剪強(qiáng)度下降，黃土的強(qiáng)度降低，在外力或人為因素的影響下，黃土窯洞就發(fā)生局部的破壞甚至是整體的倒塌。其二，在冬季的黃土發(fā)生了凍結(jié)，該凍結(jié)會使窯洞的局部部位發(fā)生應(yīng)力集中，產(chǎn)生一些微小的裂縫，在春季的黃土又融化，這樣進(jìn)一步將使裂縫擴(kuò)大，融化產(chǎn)生的水又會沿著裂縫下滲，擴(kuò)大裂隙，軟化黃土，形成一個破壞循環(huán)。其三，黃土中發(fā)育大量的節(jié)理裂隙，冬季水的凍結(jié)、凍脹作用會使節(jié)理裂隙的體積進(jìn)一步擴(kuò)大，黃土?xí)驗(yàn)閮雒涀饔枚a(chǎn)生側(cè)向的變形與破壞。

2.6 地震

黃土窯洞的建造凝聚了百姓智慧，其在窯洞的選址、建造、維護(hù)方面有相當(dāng)多的經(jīng)驗(yàn)，但卻缺乏地震方面的考慮。陜北黃土窯洞所處的地位雖然無大的地震帶通過，但由于人類工程活動的影響如大量的采煤所引起的陷落地震，在陜北地區(qū)存在許多的地震的分布，其定會影響到黃土窯洞的安全使用及穩(wěn)定性。

地震對黃土窯洞的影響主要有以下幾點(diǎn)：其一，黃土在地震的作用下自身的工程地質(zhì)性質(zhì)會發(fā)生改變。一方面，當(dāng)?shù)卣鸬膹?qiáng)度達(dá)到一定值時，黃土?xí)l(fā)生震陷，會產(chǎn)生較大的變形，影響窯洞的穩(wěn)定性。另一方面，一些含水率較高的黃土，其在地震作用下，自身的承載力急劇下降并伴隨著大量的變形，黃土窯洞也隨之破壞。其二，黃土窯洞在地震力的作用下會使其結(jié)構(gòu)失穩(wěn)破壞。在地震的作用下，窯洞原有的應(yīng)力場發(fā)生重分布，在窯頂?shù)炔课话l(fā)生應(yīng)力集中，達(dá)到該部位黃土的抗剪強(qiáng)度，發(fā)生剪切破壞，產(chǎn)生局部變形甚至直接給破壞坍塌。地震的窯洞的破壞可從垂直窯洞軸線及平行于軸線方向采用擬靜力法進(jìn)行分析[7]。

2.7 其他

黃土窯洞作為一個相對比較復(fù)雜的地質(zhì)體，不可能把所有的因數(shù)都給考慮進(jìn)去，這里面存有實(shí)實(shí)在在的地質(zhì)因素，當(dāng)然也有許多人為的因素，這些因素都會影響黃土窯洞的安全性。

3 結(jié)語

本文通過野外實(shí)地調(diào)查與室內(nèi)研究,歸納出了陜北黃土窯洞病害類型,并著重分析了影響黃土窯洞病害的因素,明確窯洞病害類型及初步成因，能為以后黃土窯洞的風(fēng)險(xiǎn)性的定量預(yù)報(bào)提供巨大的依據(jù)，使其有理可依，有利于采取相應(yīng)的防病害措施，這對保護(hù)窯洞居民的生命財(cái)產(chǎn)安全是有現(xiàn)實(shí)意義的,也有利于黃土窯洞這一傳統(tǒng)民居建筑形式的保護(hù)和推廣。對黃土窯洞病害發(fā)生機(jī)理的理論分析需要進(jìn)一步進(jìn)行。

[1]劉小軍,王鐵行,于瑞艷.黃土地區(qū)窯洞的歷史、現(xiàn)狀及對未來發(fā)展的建議［J］.工業(yè)建筑，2007(S1).

[2]廖紅建，趙樹德，高小育，等.西部黃土高原窯洞民居發(fā)展中的環(huán)境工程問題［J］.西安交通大學(xué)學(xué)報(bào)：社會科學(xué)版，2000，20(3)：7-10.

[3]郭冰廬.窯洞風(fēng)俗文化[M].西安:西安地圖出版社,2004.

[4]劉小軍,王鐵行,韓永強(qiáng),趙彥峰.黃土窯洞病害調(diào)查及分析［J］.地下空間與工程學(xué)報(bào)，2007，3(6).

[5]孟龍.黃土窯洞災(zāi)害形成機(jī)理數(shù)值模擬研究[D].長安大學(xué)地質(zhì)工程系，2011.

[6]趙景波,黃春長,岳應(yīng)利.中國黃土中的風(fēng)化殼研究[J].沉積學(xué)報(bào),2001,19(1).

[7]陳國興，張克緒，謝君斐.黃土崖窯洞抗震性能研究［J］.哈爾濱建筑工程學(xué)院學(xué)報(bào),1995,28(1).

P642.2

A

1004-5716(2015)11-0011-04

2015-06-07

2015-06-16

西安科技大學(xué)校級科研培育基金（2014011），大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃（201410704013）。

游志浪（1994-），男（漢族），江西臨川人，西安科技大學(xué)地質(zhì)與環(huán)境學(xué)院在讀本科生，研究方向：地質(zhì)災(zāi)害治理。