山西呂梁黃土崩滑類型及發(fā)育規(guī)律*

黃強(qiáng)兵　康孝森　王啟耀　李　武

(①長(zhǎng)安大學(xué)地質(zhì)工程系　西安　710054) (②長(zhǎng)安大學(xué)西部礦產(chǎn)資源與地質(zhì)工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室　西安　710054) (③長(zhǎng)安大學(xué)建筑工程學(xué)院　西安　710054) (④山西省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)中心　太原　030000)

?

山西呂梁黃土崩滑類型及發(fā)育規(guī)律*

黃強(qiáng)兵①②康孝森①王啟耀③李武④

(①長(zhǎng)安大學(xué)地質(zhì)工程系西安710054) (②長(zhǎng)安大學(xué)西部礦產(chǎn)資源與地質(zhì)工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室西安710054) (③長(zhǎng)安大學(xué)建筑工程學(xué)院西安710054) (④山西省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)中心太原030000)

山西呂梁地區(qū)地質(zhì)環(huán)境脆弱，屬于晉西黃土高原崩塌、滑坡地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)區(qū)。黃土崩滑地質(zhì)災(zāi)害給當(dāng)?shù)卦斐闪司薮蠼?jīng)濟(jì)損失和重大人員傷亡。通過對(duì)呂梁地區(qū)地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查，結(jié)合原位測(cè)試與室內(nèi)試驗(yàn)，研究了呂梁地區(qū)黃土崩滑地質(zhì)災(zāi)害類型和發(fā)育規(guī)律。依據(jù)構(gòu)成邊坡的地層巖性與地質(zhì)結(jié)構(gòu)、滑動(dòng)面發(fā)育位置，將呂梁地區(qū)黃土滑坡類型劃分為：Q3單一黃土層內(nèi)滑動(dòng)和Q3-Q2-N2組合地層結(jié)構(gòu)層內(nèi)滑動(dòng)兩種類型； 按破壞模式將呂梁地區(qū)黃土崩塌類型劃分為：傾倒式、垮塌式和剝落式3種類型。調(diào)查還發(fā)現(xiàn)空間上黃土崩滑災(zāi)害主要發(fā)育在柳林縣、臨縣、石樓縣和中陽(yáng)縣4縣，且主要沿公路、鐵路等交通線路呈條帶狀分布； 時(shí)間上具有明顯的年周期變化規(guī)律，汛期(6～10月)高發(fā)，特別是主汛期(7～8月)。最后對(duì)Q3-Q2-N2組合地層結(jié)構(gòu)層內(nèi)滑坡發(fā)育機(jī)理進(jìn)行了初步探討，認(rèn)為呂梁地區(qū)人工開挖和降雨耦合作用是誘發(fā)呂梁地區(qū)黃土滑坡和崩塌的最主要因素。

呂梁地區(qū)黃土滑坡黃土崩塌類型發(fā)育規(guī)律

0　引　言

呂梁地區(qū)處于山西省中西部，西鄰黃河，東依汾河，呂梁山脈由北向南縱貫全境。區(qū)內(nèi)黃土崩塌、滑坡地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)，主要集中在柳林、離石、中陽(yáng)和石樓4縣，最大黃土滑坡體積為2.5×104m3，均屬于小于10×104m3小型滑坡，規(guī)模雖然不大，但是已造成了巨大的人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失。尤其是近年來，由于挖方修路、場(chǎng)地削坡、礦山開采等人類工程活動(dòng)加劇，造成黃土斜坡穩(wěn)定性降低，黃土崩滑地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)。據(jù)初步統(tǒng)計(jì)， 2008～2013年間，單次造成5人以上人員死亡的滑坡和崩塌7次，僅2008年6～8月發(fā)生的4次小型滑坡就造成35人死亡， 22間房屋被毀。2008年6月13日因磚廠取土發(fā)生的離石區(qū)西屬巴街道上安村滑坡，滑動(dòng)土方1.15×104m3，造成19人死亡，磚廠廠房被毀。2009年11月16日因坡腳開挖發(fā)生的中陽(yáng)縣張子山鄉(xiāng)張家咀村茅火梁崩塌，滑動(dòng)土方2.5×104m3，造成23人死亡和6間房屋被毀?？梢婞S土崩滑地質(zhì)災(zāi)害給呂梁地區(qū)社會(huì)經(jīng)濟(jì)和人民生命財(cái)產(chǎn)造成了重大危害。隨著呂梁地區(qū)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和工程建設(shè)規(guī)模不斷加大，呂梁地區(qū)黃土滑坡、崩塌地質(zhì)災(zāi)害愈發(fā)嚴(yán)重，以及大量存在的潛在不穩(wěn)定黃土邊坡，直接威脅著呂梁地區(qū)人民生命財(cái)產(chǎn)安全，并給呂梁市城市規(guī)劃、建設(shè)、交通等構(gòu)成嚴(yán)重威脅，成為目前呂梁市發(fā)展建設(shè)和防災(zāi)減災(zāi)亟待解決的問題。

但從目前研究情況來看，呂梁地區(qū)黃土崩滑災(zāi)害的研究程度較低。部分學(xué)者對(duì)山西的黃土地質(zhì)災(zāi)害進(jìn)行了思考。Bai et al.(2002)通過對(duì)山西潞城黃土研究，從微觀角度揭示了黃土災(zāi)害發(fā)生的內(nèi)因； 徐張建等(2007)認(rèn)為呂梁黃土滑坡分布具有群集性，呂梁山以西NS向分布的條狀群集有區(qū)域性地貌、地層結(jié)構(gòu)、水文地質(zhì)條件等致滑因素組合； 李萍等(2013)研究了呂梁山以西的黃土高邊坡坡高、坡度、穩(wěn)定性系數(shù)、參數(shù)變異系數(shù)與失效概率的關(guān)系； 董震等(2015)對(duì)山西忻州等地區(qū)的黃土災(zāi)害特性、主要災(zāi)害成因及治理原則進(jìn)行了論述。上述研究對(duì)呂梁地區(qū)黃土地質(zhì)災(zāi)害開展了一些初步的調(diào)查研究工作，但是并未針對(duì)這一地區(qū)黃土崩滑類型和規(guī)律進(jìn)行系統(tǒng)的分析研究。本文基于野外調(diào)查、原位試驗(yàn)和室內(nèi)試驗(yàn)，重點(diǎn)對(duì)山西呂梁地區(qū)31處典型黃土滑坡和崩塌地質(zhì)災(zāi)害進(jìn)行了分析，初步總結(jié)出了呂梁地區(qū)的黃土崩滑類型和時(shí)空分布規(guī)律，探討了區(qū)內(nèi)典型黃土滑坡類型的形成機(jī)制。

1　呂梁地區(qū)環(huán)境地質(zhì)概況

境內(nèi)呂梁山以西黃土覆蓋不僅廣，而且厚度大，最厚處可達(dá)150m，地形破碎，坡陡溝深，平地較少，是山西黃土高原地貌發(fā)育較為典型的山區(qū)。境內(nèi)發(fā)育的地層相對(duì)齊全，但泥盆系(D)到奧陶系上統(tǒng)(O3)及白堊系(K)缺失。地質(zhì)災(zāi)害影響范圍內(nèi)地層由老到新分別為： ①新近系(N2)下部是礫巖夾砂質(zhì)黏土，上部是含鈣質(zhì)結(jié)核的黏土，零星出露于中西部溝壑區(qū)； ②離石黃土(Q2)夾多層古土壤，結(jié)構(gòu)較密，透水性弱，較易隔水； ③馬蘭黃土(Q3)為淺黃色粉土，結(jié)構(gòu)松散，具多孔性和大孔隙，垂直節(jié)理發(fā)育，透水性較強(qiáng)，遇水易軟化崩解，具有濕陷性； 離石黃土(Q2)和馬蘭黃土(Q3)廣泛分布于山地、丘陵坡中上部； ④Q4粉土、粉質(zhì)黏土、砂礫石，分布于河床、河漫灘和階地。

根據(jù)地下水賦存條件和含水層巖性等，呂梁地區(qū)地下水大致可以劃分5類： ①松散巖類孔隙水，主要賦存于丘陵及河谷地帶； 全新統(tǒng)沖洪積砂卵礫石為主要含水層，厚度1～40m，單井涌水量140～604m3·d-1，水化學(xué)性質(zhì)為H-C型，礦化度為0.19～0.46g·L-1。 ②碎屑巖類裂隙水，主要分布在黃河沿岸的黃土溝壑區(qū)，砂巖為含水層，頁(yè)巖為隔水層； 該類水主要接受上部松散巖類孔隙水下滲補(bǔ)給，受地形切割強(qiáng)烈及采煤影響，該類水處于半疏干狀態(tài)，富水性普遍較弱。③碳酸鹽巖類裂隙巖溶水，主要分布在呂梁地區(qū)中南部山區(qū)，包括離石、中陽(yáng)、交口等地； 地下水的補(bǔ)給、運(yùn)移受地質(zhì)構(gòu)造及排泄基準(zhǔn)面控制，裸露區(qū)主要接受大氣降水入滲補(bǔ)給和側(cè)向徑流補(bǔ)給，埋藏區(qū)接受上覆地下水的下滲(或越流)補(bǔ)給和側(cè)向徑流補(bǔ)給。④變質(zhì)巖、巖漿巖類裂隙水，主要分布于中部呂梁山地一帶； 該類地下水主要接受大氣降水的滲入補(bǔ)給，富水性弱，隨季節(jié)變化明顯。

區(qū)內(nèi)新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)主要表現(xiàn)為全區(qū)的間歇性上升以及區(qū)內(nèi)的差異升降。山區(qū)發(fā)育“V”型谷，特別是呂梁山表現(xiàn)為山峰聳立，坡陡溝深，黃土區(qū)溝壑縱橫以及河谷區(qū)發(fā)育有Ⅰ～Ⅲ級(jí)階地。本區(qū)位于山西地震帶西部，地震活動(dòng)相對(duì)較弱，多小于5級(jí)，主要是受鄰區(qū)地震活動(dòng)影響。區(qū)內(nèi)多年平均降雨量為467～625mm，降雨季節(jié)很不均勻，夏季最多，占全年的60%，冬季最少，只有3%。

2　呂梁地區(qū)黃土滑坡類型

目前黃土滑坡類型的劃分主要是根據(jù)滑體的物質(zhì)組成、厚度、滑面位置、運(yùn)動(dòng)速度以及人類活動(dòng)影響來劃分的(喬平定等， 1990； 雷祥義， 1996； 鐵道部科學(xué)研究院西北分院， 1997； 吳瑋江等， 2002； 張茂省等， 2006； 李同錄等， 2007； 許領(lǐng)等， 2008)。本文結(jié)合野外調(diào)查和室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果，選取16處典型滑坡，依據(jù)構(gòu)成邊坡的地層巖性與地質(zhì)結(jié)構(gòu)、滑動(dòng)面發(fā)育位置，將呂梁地區(qū)黃土滑坡類型劃分為：Q3單一黃土層內(nèi)滑動(dòng)和Q3-Q2-N2組合地層結(jié)構(gòu)層內(nèi)滑動(dòng)兩種類型。Q3-Q2-N2組合地層結(jié)構(gòu)層內(nèi)滑動(dòng)型是呂梁地區(qū)分布最廣的黃土滑坡類型 (圖1)，占滑坡總數(shù)的62%。

圖1　呂梁地區(qū)滑坡類型比例Fig. 1　Percentage of different types of loess landslides

2.1Q3單一黃土層內(nèi)滑動(dòng)

該類型滑坡的原始邊坡主要由新黃土即馬蘭黃土(Q3)組成 (圖2a)，坡面垂直節(jié)理較發(fā)育，地層結(jié)構(gòu)單一，具有明顯濕陷性。主要分布于離石區(qū)蓮花池鄉(xiāng)和鳳陽(yáng)街、柳林縣成家莊鎮(zhèn)、臨縣劉家會(huì)鎮(zhèn)。大部分高度較小(20m左右)，個(gè)別達(dá)30～40m，如臨縣劉家會(huì)前柏村滑坡、離石區(qū)蓮花池鄉(xiāng)十里村西滑坡 (圖3)。這類型滑坡占研究區(qū)滑坡總數(shù)的38%(圖1)，規(guī)模相對(duì)較小，但分布范圍較廣。本文選取5處災(zāi)害點(diǎn)進(jìn)行討論。

圖2　呂梁黃土滑坡類型示意圖Fig. 2　Failure models of loess landslides a. Q3單一黃土層內(nèi)滑動(dòng)； b. Q3-Q2-N2組合地層結(jié)構(gòu)層內(nèi)滑動(dòng)

圖3　離石區(qū)蓮花池鄉(xiāng)十里村西滑坡Fig. 3　The loess landslide in the west of Shili Village， Lianhuachi Town， Lishi District

通過對(duì)離石區(qū)上安村滑坡等5處滑坡頂部的Q3黃土粒徑分析試驗(yàn)得出，呂梁地區(qū)的黃土顆粒細(xì)膩，大顆粒少，為粉質(zhì)黃土，顆粒直徑70%以上為0.05～0.01mm。同時(shí)，根據(jù)鉆孔取樣來看，在地表深度10m左右有一層含黏粒較多的粉質(zhì)黏土，構(gòu)成天然的隔水層。

取柳林棗林溝滑坡和中陽(yáng)茅火梁崩塌不同深度Q3馬蘭黃土，采用濾紙法測(cè)定基質(zhì)吸力。試驗(yàn)結(jié)果表明該區(qū)馬蘭黃土(Q3)基質(zhì)吸力對(duì)含水率的變化較為敏感，隨著含水率的增加基質(zhì)吸力顯著減小 (圖4)。吸水勢(shì)的力學(xué)效果是一種負(fù)孔隙水壓力效應(yīng)，使黃土具有很高的強(qiáng)度，這種強(qiáng)度隨著含水量(飽和度)的增高而降低(徐張建等， 2007)。一般地，當(dāng)含水量超過25%或土的飽和度大于65%時(shí)，由吸水勢(shì)產(chǎn)生的負(fù)孔隙水壓力效應(yīng)隨之降低，直至消失，這時(shí)，黃土的強(qiáng)度也會(huì)大大降低(Lin， 1997)。

圖4　呂梁黃土(Q3)不同深度土水特征曲線Fig. 4　Soil-water characteristic curves of loess(Q3)with different depths

由此可見，降雨和灌溉作用下，這一粉質(zhì)黏土層易飽和，從而降低了土體抗剪強(qiáng)度，容易發(fā)生剪切破壞，導(dǎo)致這類型滑坡的發(fā)生。

2.2Q3-Q2-N2組合地層結(jié)構(gòu)層內(nèi)滑動(dòng)

該類型滑坡的原始邊坡主要由Q3馬蘭黃土和Q2離石黃土組合而成 (圖2b)，頂部為3～20m的新黃土(Q3)，中部為老黃土(Q2)，底部為上新統(tǒng)紅黏土(N2)。

由于新、老黃土的物理力學(xué)性質(zhì)差異，原始邊坡頂部陷穴、沖溝發(fā)育，下部剝落嚴(yán)重，尤其古土壤層，常常發(fā)生大型滑坡崩塌地質(zhì)災(zāi)害現(xiàn)象。這類滑坡也是呂梁地區(qū)分布最廣的黃土滑坡類型，占研究區(qū)滑坡總數(shù)的62%(圖1)。本文選取柳林縣賈家垣鄉(xiāng)棗林溝滑坡、離石區(qū)西屬巴街道王家溝滑坡 (圖5)、離石區(qū)西屬巴街道上安村滑坡、中陽(yáng)縣金羅鎮(zhèn)堯峪滑坡等4處該類型災(zāi)害點(diǎn)進(jìn)行討論。

圖5　離石區(qū)西屬巴街道王家溝滑坡Fig. 5　The loess landslide in Wangjiagou Village， Xishuba Street， Lishi Districta. 滑坡全貌(鏡向55°)， b. 滑坡實(shí)測(cè)剖面；1. 滑體， 2. 馬蘭黃土， 3. 離石黃土， 4. 古土壤， 5. 紅黏土， 6. 滑動(dòng)面

柳林縣賈家垣鄉(xiāng)棗林溝滑坡由于坡腳開挖一排窯洞形成直立邊坡，滑坡發(fā)生前20天內(nèi)當(dāng)?shù)亟邓_(dá)到了82.8mm，雨水入滲誘發(fā)滑坡。離石區(qū)西屬巴上安村滑坡由于久興磚廠在坡腳數(shù)十年取土切坡，形成60°～70°的高陡邊坡和較大的臨空面，開挖和降雨作用下誘發(fā)滑坡。在柳林縣棗林溝滑坡、離石上安村滑坡等災(zāi)害點(diǎn)進(jìn)行了原位滲透試驗(yàn)和室內(nèi)滲透試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果(表1，表2)。

表1　原位滲透試驗(yàn)結(jié)果Table1　Results of in-situ permeability tests

試驗(yàn)地點(diǎn)編號(hào)試坑深度/cm內(nèi)環(huán)直徑/cm滲透系數(shù)/cm·s-1棗林溝滑坡ZL0013535.752.85E-03棗林溝滑坡ZL0023535.751.88E-03棗林溝滑坡ZL0034935.751.72E-03棗林溝滑坡ZL0034535.753.84E-03上安村滑坡S-014035.751.53E-03上安村滑坡S-024535.752.41E-03王家溝滑坡W-013535.755.81E-03茅火梁崩塌Zy0014535.758.53E-03茅火梁崩塌Zy0014735.752.63E-03

表2　室內(nèi)滲透試驗(yàn)結(jié)果Table2　Results of laboratory permeability tests

取樣位置方向取樣深度/m地層巖性滲透系數(shù)/cm·s-1棗林溝滑坡垂向1Q31.21E-04棗林溝滑坡垂向5Q31.90E-04棗林溝滑坡垂向10Q32.13E-05棗林溝滑坡橫向10Q31.95E-05上安村滑坡垂向40Q25.08E-06上安村滑坡橫向40Q24.13E-06茅火梁崩塌垂向1Q35.66E-05茅火梁崩塌垂向5Q34.23E-05茅火梁崩塌橫向5Q31.81E-05

在滑坡后緣Q3黃土中進(jìn)行的原位滲透試驗(yàn)結(jié)果表明所有滲透試驗(yàn)點(diǎn)滲透系數(shù)均較大 (表1)，主要原因是試驗(yàn)區(qū)坡體因坡腳開挖卸荷，導(dǎo)致裂隙、孔隙發(fā)育，土質(zhì)疏松，雨水和灌溉用水易于下滲。

在滑坡后緣鉆孔取樣進(jìn)行室內(nèi)滲透試驗(yàn)，試樣面積0.77cm2，試樣高度4cm。試驗(yàn)結(jié)果表明柳林縣賈家垣鄉(xiāng)棗林溝滑坡Q3馬蘭黃土滲透系數(shù)隨深度的增加減小，橫向滲透系數(shù)均比同位置垂直向滲透系數(shù)較低 (表2)。離石區(qū)西屬巴街道上安村滑坡中部的Q2土樣的滲透系數(shù)較低。室內(nèi)滲透試驗(yàn)的滲透系數(shù)k=4.13×10-6～1.90×10-4cm·s-1，變化幅度較大，主要與埋深有關(guān)，埋深越大，黃土的滲透性越低，這也反映了滑坡發(fā)育區(qū)淺表層黃土比較松散，節(jié)理裂隙發(fā)育，滲透系數(shù)較大，雨水易入滲誘發(fā)滑坡和崩塌。

3　呂梁地區(qū)黃土崩塌類型

調(diào)查典型黃土崩塌共15處，其中4處典型崩塌均造成巨大人員傷亡， 6處災(zāi)害點(diǎn)廣泛發(fā)育傾倒式和剝落式崩塌。本文在呂梁地區(qū)崩塌發(fā)育特征野外調(diào)查的基礎(chǔ)上，根據(jù)黃土邊坡變形失穩(wěn)力學(xué)特征，將呂梁地區(qū)黃土崩塌類型按破壞模式劃分為：傾倒式、垮塌式和剝落式3種類型 (圖6)。

圖6　呂梁地區(qū)黃土崩塌類型示意圖Fig. 6　Failure models of loess collapses in Lüliang areaa. 傾倒式； b. 剝落式； c. 垮塌式

3.1傾倒式崩塌

該類崩塌主要受黃土中垂直節(jié)理和裂隙等結(jié)構(gòu)面控制 (圖6a)，坡體被切割成大小不一的條柱狀，在降雨的作用下雨水通過節(jié)理和裂隙滲入坡體，土柱底部遇水軟化強(qiáng)度降低，發(fā)生以垂向?yàn)橹鞯娜渥?，一旦傾覆力大于抗傾覆力，土柱即沿這一軟弱層位發(fā)生傾倒破壞。這類崩塌多發(fā)育于陡傾的人工邊坡，占研究區(qū)崩塌總數(shù)的43%(圖7)，一般規(guī)模較小，不間斷有小型塊體崩落，但在強(qiáng)降雨作用下這類邊坡可能發(fā)生整體失穩(wěn)，如離石區(qū)濱河街道前瓦村不穩(wěn)定斜坡 (圖8)、離石區(qū)信義鎮(zhèn)崖窯灣村不穩(wěn)定斜坡和離石區(qū)田家會(huì)街道穆問村不穩(wěn)定斜坡。圖8 可見坡體被節(jié)理裂隙切割成柱狀，出現(xiàn)明顯破裂面，土柱向臨空面發(fā)生傾倒破壞，威脅到坡腳居民安全。

圖7　呂梁地區(qū)崩塌類型比例Fig. 7　Percentage of different types of loess collapses

圖8　離石區(qū)前瓦村不穩(wěn)定斜坡Fig. 8　The unstable slope in Qianwa Village， Lishi District

3.2剝落式崩塌

這類型崩塌受巖土性質(zhì)、降雨量、坡面形態(tài)影響較大 (圖6b)。呂梁地區(qū)具有明顯的大陸性氣候特征，春季干燥多風(fēng)降雨稀少，夏季炎熱雨量集中。坡體上部地層為Q3馬蘭黃土，在連陰雨和強(qiáng)降雨條件下，坡面飽水導(dǎo)致表層土體結(jié)構(gòu)破壞。在雨滴濺蝕和坡面徑流作用下土顆粒發(fā)生分離和運(yùn)移。

據(jù)調(diào)查，呂梁地區(qū)一些邊坡成坡一年半時(shí)間，其坡面上已形成深30cm、寬20cm的沖溝，如西茂線離石區(qū)西屬巴茂塌坪崩塌，降雨作用下坡面的整體性遭到破壞，主要是坡面在干濕循環(huán)和風(fēng)化作用下開裂后產(chǎn)生剝落引起的，這一現(xiàn)象在陽(yáng)坡更為突出，尤其在坡腳形成了反坡向的凹進(jìn)地形，從而導(dǎo)致坡體整體失穩(wěn) (圖9)，這一點(diǎn)值得注意。研究區(qū)較小，但受災(zāi)程度較大，統(tǒng)計(jì)的8處災(zāi)害點(diǎn)均直接威脅到附近居民的生命和財(cái)產(chǎn)安全。

圖9　離石區(qū)西屬巴茂塔坪崩塌Fig. 9　The collapse in Maotaping Village， Xishuba Street， Lishi District

3.3垮塌式崩塌

該類崩塌發(fā)育于坡度較大的黃土邊坡 (圖6c)，受工程開挖影響較大，在每年汛期降雨和冬春變化季節(jié)，坡體因降雨或冰雪消融自重增加，同時(shí)坡腳黃土物理力學(xué)指標(biāo)c、φ值減小，土體強(qiáng)度逐漸降低，坡腳土體首先發(fā)生變形破壞，坡體也沿著結(jié)構(gòu)面逐漸變形，加之呂梁地區(qū)黃土邊坡表部基本均是馬蘭黃土，節(jié)理裂隙較為發(fā)育，具濕陷性，水容易沿節(jié)理裂隙下滲，加劇坡體變形，坡體沿陡傾破裂面發(fā)生座落式剪切破壞。

圖10　中陽(yáng)縣張子山鄉(xiāng)張家咀村茅火梁崩塌(鏡向335°)Fig. 10　The collapse in Maohuoliang， Zhangjiaju Village， Zhangzishan Town， Zhongyang County

這種變形破壞模式主要發(fā)生在坡度較陡(45°以上)的黃土邊坡，占崩塌總數(shù)的19%(圖7)。例如中陽(yáng)縣張子山鄉(xiāng)張家咀村茅火梁崩塌 (圖10)，發(fā)生于2009年11月，造成6間房屋被毀， 23人死亡。崩塌體高50m，寬80m，體積約25000m3，平均厚度10m。該崩塌發(fā)生于雨雪天氣，與大氣降水和冰雪融水有關(guān)。在滑坡后緣Q3黃土中進(jìn)行原位滲透試驗(yàn)和室內(nèi)滲透試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明茅火梁崩塌的上部Q3馬蘭黃土滲透系數(shù)隨深度的增加滲透系數(shù)減小，橫向滲透系數(shù)均比同位置垂向滲透系數(shù)較低 (表1 和表2)。從地層上來看表層有11m左右的粉土，下面有3m左右的粉質(zhì)黏土，由于粉質(zhì)黏土較致密，含水量較高，形成了相對(duì)隔水層，在其上部形成飽和帶，土體的強(qiáng)度降低，從而引起崩塌。此外，居民窯洞開挖區(qū)也是這類崩塌易發(fā)區(qū)，窯洞開挖造成坡腳應(yīng)力集中，沿洞壁發(fā)生垮塌式崩塌。

4　呂梁地區(qū)黃土滑坡、崩塌發(fā)育規(guī)律

4.1空間分布規(guī)律

總體上來看，呂梁地區(qū)地質(zhì)災(zāi)害類型主要有滑坡、崩塌、泥石流、地面塌陷、地裂縫和不穩(wěn)定斜坡等6類，多分布于平川與山區(qū)的過渡帶，而黃土滑坡、崩塌災(zāi)害主要分布于黃河沿岸黃土丘陵溝壑區(qū)的柳林縣、臨縣、石樓縣和中間山地的離石區(qū)和中陽(yáng)縣，集中在Ⅱ區(qū)西部和I區(qū) (圖11)。

圖11　呂梁市多年平均降雨等值線及地貌分區(qū)Fig. 11　The contour of average rainfall of many years and geographic divisionⅠ.黃土丘陵溝壑區(qū)； Ⅱ.呂梁山地； Ⅲ.河流階地

滑坡、崩塌災(zāi)害分布呈條帶狀，主要沿公路、鐵路等交通線路附近分布較多。此外，工民建工程活動(dòng)強(qiáng)烈地區(qū)也較為發(fā)育，多由于城鎮(zhèn)建設(shè)中開挖削坡、平基修場(chǎng)蓋房，防護(hù)措施較差造成的。如離石區(qū)交口鎮(zhèn)賀家塔村滑坡，原坡體地質(zhì)結(jié)構(gòu)為新老黃土組合型， 1997年發(fā)生滑坡后坡體基本穩(wěn)定， 2010年4月坡腳開挖老滑坡復(fù)活，后緣錯(cuò)臺(tái)達(dá)1～1.5m。此外，黃土窯洞開挖區(qū)也是易發(fā)地段，削坡挖窯導(dǎo)致斜坡應(yīng)力狀態(tài)改變，坡體結(jié)構(gòu)破壞，特別是在強(qiáng)降雨天氣，易造成崩塌。

圖12　呂梁地區(qū)月平均降雨量與崩滑頻次之間的關(guān)系Fig. 12　The relationship between month average rainfall and frequency of occurrence of landslides and collapses

4.2時(shí)間分布規(guī)律

相關(guān)研究認(rèn)為黃土滑坡空間上多發(fā)生在降雨量高的區(qū)域，時(shí)間上多集中在雨季，并且大量黃土滑坡、崩塌相對(duì)降雨有滯后效應(yīng)(Lin， 1997； 張茂省等， 2006)。筆者根據(jù)當(dāng)?shù)貧庀筚Y料統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)呂梁地區(qū)的年降雨量季節(jié)分配極不均勻 (圖12)，季節(jié)變化非常明顯。多年月平均降雨量季節(jié)變化較大，夏季(6～8月份)降雨量最大，平均為293.0mm，集中了年平均降雨量的60%。

通過分析黃土滑坡和崩塌發(fā)生時(shí)間，發(fā)現(xiàn)呂梁地區(qū)黃土滑坡、崩塌地質(zhì)災(zāi)害具有明顯的年周期變化規(guī)律，每年的汛期(6～10月)為活動(dòng)高發(fā)期，特別是主汛期的7～8月，次數(shù)多，災(zāi)情重。

此外，從整個(gè)地區(qū)多年的降雨情況來看，崩塌和滑坡災(zāi)害點(diǎn)多分布于多年平均降雨量500～600mm的區(qū)域內(nèi) (圖11)。調(diào)查還發(fā)現(xiàn)在滑坡發(fā)生前，受災(zāi)區(qū)有不同程度的降雨。由此可以看出，呂梁地區(qū)滑坡和崩塌發(fā)生的頻次與時(shí)間有明顯的一致性，說明降雨是誘發(fā)滑坡和崩塌的主要因素之一。

5　Q3-Q2-N2組合地層結(jié)構(gòu)層內(nèi)滑坡機(jī)理探討

通過野外調(diào)查及上述分析，認(rèn)為降雨是導(dǎo)致災(zāi)害發(fā)生的主要誘發(fā)因素之外，人工開挖是造成呂梁地區(qū)黃土滑坡和崩塌的另外一個(gè)重要因素。Q3-Q2-N2組合地層結(jié)構(gòu)層內(nèi)滑坡是呂梁地區(qū)最典型的黃土滑坡類型，其變形破壞過程及機(jī)理大致如下：

5.1坡腳開挖致后緣拉裂破壞

呂梁地區(qū)黃土邊坡坡度一般較陡(40°～55°)，人工坡腳開挖導(dǎo)致形成高陡臨空面，坡體應(yīng)力重分布，在坡體頂部后緣和坡肩位置出現(xiàn)拉應(yīng)力，在坡體后緣形成拉張裂縫。

5.2降雨入滲致滑帶形成

呂梁地區(qū)黃土邊坡表部基本均是馬蘭黃土，節(jié)理裂隙較為發(fā)育，具濕陷性，這為地表水下滲提供了有利通道。雨水直接入滲的影響深度是有限的(吳瑋江等， 2006； Tu et al.，2009； 張茂省等， 2011)，故通過坡頂拉裂縫和垂直節(jié)理這一滲流優(yōu)勢(shì)通道，滲透到透水性差的紅黏土(N2上部)，使得Q2黃土底部形成飽水帶。這一層位土體軟化，處于壓剪應(yīng)力狀態(tài)，構(gòu)成潛在滑動(dòng)帶。已有研究證實(shí)滑帶土含水率明顯高于滑體(龍建輝等， 2007)，下滲的雨水降低了抗滑力。

區(qū)內(nèi)Q3-Q2-N2組合地層結(jié)構(gòu)層內(nèi)滑坡機(jī)理從非飽和土強(qiáng)度理論可以這樣解釋，一方面非飽和黃土的土顆粒構(gòu)成了特殊土骨架，雨水入滲使得這一結(jié)構(gòu)性逐漸遭到破壞。膠結(jié)物質(zhì)使得土顆粒接觸點(diǎn)處具有較強(qiáng)的聯(lián)結(jié)強(qiáng)度，在低含水量狀態(tài)下強(qiáng)度較高，當(dāng)含水量增大，這一強(qiáng)度逐漸降低(黨進(jìn)謙等， 2001)。

另一方面基質(zhì)吸力和有效應(yīng)力降低，導(dǎo)致抗剪強(qiáng)度大幅折減。根據(jù)非飽和土抗剪強(qiáng)度表達(dá)式：

(1)

式中， c′為基質(zhì)吸力為0時(shí)(飽和土)的有效黏聚力； (σ-ua)為靜法向應(yīng)力； (ua-uw)為基質(zhì)吸力； φb為抗剪強(qiáng)度隨基質(zhì)吸力而增加的坡度(Assouline el at., 1998)。

由前面圖4 水土特征曲線進(jìn)一步說明，含水率增加引起吸力(ua-uw)驟減，Q2黃土底部土體飽和后(σ-ua)逐漸減小，導(dǎo)致抗剪強(qiáng)度τ大幅折減。

5.3側(cè)向滑移致滑帶貫通

上部Q3馬蘭黃土和Q2離石黃土沿該軟弱帶產(chǎn)生面向臨空面的側(cè)向蠕動(dòng)、滑移，同時(shí)后緣拉張裂縫和節(jié)理裂隙不斷擴(kuò)張，進(jìn)一步促進(jìn)了地表水的灌入。大量灌入的地表水增大了下滑力：一方面增大滑體重量； 另一方面產(chǎn)生了向臨空面滲透力。坡體側(cè)向滑移，滑帶逐漸貫通，直至發(fā)生滑坡。

6　結(jié)　論

本文通過對(duì)呂梁地區(qū)地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查，結(jié)合原位試驗(yàn)和室內(nèi)試驗(yàn)，得出如下初步認(rèn)識(shí)：

(1)依據(jù)構(gòu)成邊坡的地層巖性、地質(zhì)結(jié)構(gòu)和滑面位置，呂梁地區(qū)黃土滑坡類型大致可分為Q3單一黃土層內(nèi)滑動(dòng)和Q3-Q2-N2組合地層結(jié)構(gòu)層內(nèi)滑動(dòng)兩種類型，其中以Q3-Q2-N2組合地層結(jié)構(gòu)層內(nèi)滑動(dòng)型為主； 根據(jù)坡體失穩(wěn)力學(xué)特征，呂梁地區(qū)黃土崩塌可劃分為傾倒式、垮塌式和剝落式3種模式。

(2)呂梁地區(qū)黃土崩塌、滑坡主要集中在柳林、離石、中陽(yáng)和石樓4縣，滑坡和崩塌災(zāi)害分布呈條帶狀分布，主要沿公路、鐵路等交通線路附近發(fā)育，而工民建工程活動(dòng)強(qiáng)烈地段也有一定規(guī)模的滑坡和崩塌發(fā)育，坡腳開挖和降雨是主要誘因。

(3)呂梁地區(qū)黃土滑坡、崩塌地質(zhì)災(zāi)害具有明顯的年周期變化規(guī)律，汛期(6～10月)高發(fā)，特別是主汛期的7～8月，次數(shù)多，災(zāi)情重，而且主要分布于多年平均降雨量為500～600mm的呂梁中西部黃土溝壑區(qū)域。

(4)呂梁地區(qū)Q3-Q2-N2組合地層結(jié)構(gòu)層內(nèi)滑坡機(jī)理大致可以概括為：坡腳開挖→后緣拉裂→降雨入滲→側(cè)向滑移致滑帶貫通→滑坡。

需要指出的是山西尤其是呂梁地區(qū)是黃土地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)區(qū)，研究程度相對(duì)較低，本文僅對(duì)該區(qū)開展了一些初步的調(diào)查、試驗(yàn)等基礎(chǔ)性工作。該地區(qū)黃土滑坡和崩塌的力學(xué)機(jī)制需要進(jìn)一步深入研究。

Assouline S，Tessier D. 1998. A conceptual model of the soil water retention curve[J]. Water Resources Research，34(2)： 223～231．Bai X H，Smart P. 2002. Engineering properties of Lucheng Loess in Shanxi[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering，24(4)： 515～518．

Dang J Q，Li J. 2001. The structural strength and shear strength of unsaturated loess[J]. Journal of Hydraulic Engineering，(7)： 79～83,90．

Dong Z，Ju Y W. 2015. Characteristics of geological disasters in Shanxi loess and governance[J]. Science Technology and Engineering，15(7)： 138～141，145．

Lei X Y. 1996. Study on the types of loess landslides caused by human activities in area of Guanzhong， Shaanxi[J]. Hydrogeology and Engineering Geology，23(3)： 36～39,42．

Lin Z G. 1997. Huaqing Palace， Xi′an city， China and landslide hazards[C]∥International Symposium on Natural Disaster Prediction and Mitigation. Kyoto， Japan：[s.n.]： 299～307．

Li T L，Long J H，Li X S. 2007. Types of loess landslides and methods for their movement forecast[J]. Journal of Engineering Geology， 15(4)：500～505．

Long J H，Li T L，Lei X F，et al. 2007. Study on physical properties of soil in sliding zone of loess landslip[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering，29(2)： 289～293.

Li P，Wang N，Gao D B， et al. 2013. An analysis on the reliability of the loess slopes in west Shanxi and Henan provinces[J]. Journal of Xi′an University of Architechure & Technology (Nateral Science Edition)，45(4)： 574～581．

Northwest Division of Academy of Ministry of Railways. 1997. Landslide prediction and control[M]. Beijing： People Railways Press．

Qiao P D，Li Z J. 1990. Engineering geology in loess area[M]. Beijing： China Waterpower Press．

Tu X B，Kwong A K L，Dai F C，et al. 2009. Field monitoring of rainfall infiltration in a loess slope and analysis of failure mechanism of rainfall-induced landslides[J]. Engineering Geology，105(1—2)： 134～150．

Wu W J，Wang N Q. 2002. Basic types and active features of loess landslide[J]. The Chinese Journal of Geological Hazard and Control，13(2)： 36～40.

Wu W J，Wang N Q. 2006. Landslide hazards in Gansu[M]. Lanzhou： Lanzhou University Press.

Xu Z J，Lin Z G，Zhang M S. 2007. Loess in China and loess landslides[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，26(7)： 1297～1312．

Xu L，Dai F C，Kwong A K L， et al. 2008. Types and characteristics of loess landslides at Heifangtai loess plateau， China[J]. Journal of Mountain Science，26(3)： 364～371．

Zhang M S，Li T L. 2011. Triggering factors and forming mechanism of loess landslides[J]. Journal of Engineering Geology，19(4)： 530～540.

黨進(jìn)謙，李靖. 2001. 非飽和黃土的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與抗剪強(qiáng)度[J]. 水利學(xué)報(bào)，(7)： 79～83，90．

董震，巨玉文. 2015. 山西黃土地質(zhì)災(zāi)害的特性及治理研究[J]. 科學(xué)技術(shù)與工程，15(7)： 138～141,145．

雷祥義. 1996. 陜西關(guān)中人為黃土滑坡類型的研究——人類活動(dòng)的黃土斜坡地質(zhì)環(huán)境負(fù)效應(yīng)問題[J]. 水文地質(zhì)工程地質(zhì)，23(3)： 36～39，42．

李同錄，龍建輝，李新生. 2007. 黃土滑坡發(fā)育類型及其空間預(yù)測(cè)方法[J]. 工程地質(zhì)學(xué)報(bào)，15(4)： 500～505．

龍建輝，李同錄，雷曉鋒，等. 2007. 黃土滑坡滑帶土的物理特性研究[J]. 巖土工程學(xué)報(bào)，29(2)： 289～293．

李萍，王寧，高德彬，等. 2013. 山西河南西部地區(qū)黃土高邊坡可靠度分析[J]. 西安建筑科技大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，45(4)： 574～581．

鐵道部科學(xué)研究院西北分院. 1997. 滑坡防治[M]. 北京：人民鐵道出版社．

喬平定，李增均. 1990. 黃土地區(qū)工程地質(zhì)[M]. 北京：水利電力出版社．

吳瑋江，王念秦. 2002. 黃土滑坡的基本類型與活動(dòng)特征[J]. 中國(guó)地質(zhì)災(zāi)害與防治學(xué)報(bào)，13(2)： 36～40．

吳瑋江，王念秦. 2006. 甘肅黃土滑坡[M]. 蘭州：蘭州大學(xué)出版社．

徐張建，林在貫，張茂省. 2007. 中國(guó)黃土與黃土滑坡[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，26(7)： 1297～1312．

許領(lǐng)，戴福初，鄺國(guó)麟，等. 2008. 黑方臺(tái)黃土滑坡類型與發(fā)育規(guī)律[J]. 山地學(xué)報(bào)，26(3)： 364～371．

張茂省，李同錄. 2011. 黃土滑坡誘發(fā)因素及其形成機(jī)理研究[J]. 工程地質(zhì)學(xué)報(bào)，19(4)： 530～540．

TYPES AND CHARACTERISTICS OF LOESS LANDSLIDES AND COLLAPSES IN LüLIANG AREA OF SHANXI PROVINCE

HUANG Qiangbing①②KANG Xiaosen①WANG Qiyao③LI Wu④

(①DepartmentofGeologicalEngineering，Chang′anUniversity，Xi′an710054) (②KeyLaboratoryofWesternChina’sMineralResourcesandGeologicalEngineering，MinistryofEducation，Chang′anUniversity，Xi′an710054) (③SchoolofCivilEngineering，Chang′anUniversity，Xi′an710054) (④ShanxiInstituteofGeo-EnvironmentMonitoring，Taiyuan030000)

Lüliang area is located in West Shanxi loess plateau where geological environment is rather fragile， geo-hazards occur continually and the loess landslides and collapses cause enormous casualties and heavy economic losses. This paper is based on field investigations and combined with in-situ and laboratory tests. It studies the types and characteristics of landslides and collapses in this area. According to the formation lithology， geological structure and the position of sliding plane， loess landslides in Lüliang area are divided into two basic types： Q3homogeneous loess landslide and Q3-Q2-N2landslide occurred in the composite structure of layers. Then the failure modes of loess collapses are classified as toppling， subsiding and stripping collapse. In the space， the loess landslides and collapses in Lüliang area are distributed in four counties(Liuling， Lishi， Zhongyang and Shilou) and developed in belts along the highways and railways. In time， loess landslides and collapses have an obvious annual variation law and occur in flood period(from June to October)，especially in the main flood season(from July to August).Finally， the mechanism of the Q3-Q2-N2landslide in the composite structure is discussed， which shows that manual excavation and rainfall infiltration are the two main induced factors．

Lüliang area， Loess landslide， Loess collapse， Types， Development laws

10.13544/j.cnki.jeg.2016.01.008

2015-08-05;

2015-12-04.

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41130753)，國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目(2014CB744702)資助.

黃強(qiáng)兵(1972-)，男，博士，教授，主要從事地質(zhì)工程與巖土工程方面的教學(xué)與研究工作. Email: dcdgx24@chd.edu.cn

U445.7

A