山西典型黃土崩塌破壞模式及其早期辨識

劉向御12

(1.中國冶金地質(zhì)總局三局，太原 030002； 2.山西中晉冶金地質(zhì)環(huán)境科技有限公司，太原 030002)

1 研究背景

黃河中游地區(qū)是我國黃土的主要分布地區(qū)，黃土面積約27.56 km2，占我國黃土總面積的43%[1-2]。山西是我國黃土的典型分布地區(qū)，黃土主要沉積分布于晉西、晉東、晉西北及晉西南等4個(gè)小區(qū)[3]。近年來，晉西地區(qū)黃土地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)，逐漸成為山西地質(zhì)災(zāi)害防治的熱點(diǎn)地區(qū)。本次的研究區(qū)位于臨汾市隰縣，屬于晉西黃土地區(qū)，該地黃土覆蓋面積廣，黃土厚度大，是山西黃土的典型代表。

隨著工農(nóng)業(yè)、道路交通等建設(shè)工程的加快實(shí)施，隰縣黃土地質(zhì)環(huán)境的特殊性和脆弱性逐漸暴露出來，黃土崩塌逐漸成為本區(qū)主要的地質(zhì)災(zāi)害類型，全縣黃土崩塌占地質(zhì)災(zāi)害總數(shù)的93.15%。

國內(nèi)對黃土崩塌的研究主要集中于黃土崩塌的發(fā)育特征和防治措施、黃土崩塌的誘災(zāi)因素和破壞模式、崩塌的形成機(jī)理及穩(wěn)定性判別3個(gè)方面。辛存林等[4]對天水市北部黃土崩塌的物質(zhì)基礎(chǔ)、力學(xué)性質(zhì)、自然因素和人為因素等方面進(jìn)行了分析研究；劉飛等[5]采用貢獻(xiàn)率法分析了不同黃土崩塌類型與黃土崩塌的相關(guān)性，認(rèn)為工程開挖是黃土崩塌的主要原因；彭軍等[6]對陜北地區(qū)黃土崩塌破壞模式進(jìn)行了總結(jié)和分類，提出了初步的防控對策；王根龍等[7]以陜北黃土崩塌為研究對象，闡述了其形成條件和破壞模式，對不穩(wěn)定黃土斜坡發(fā)展為崩塌的變形破壞過程進(jìn)行了分析研究；劉超[8]用反演方法對黃土高邊坡的抗剪強(qiáng)度參數(shù)進(jìn)行了研究，繪制了不同坡高系列的穩(wěn)定系數(shù)和失效概率圖譜，可以對邊坡的穩(wěn)定系數(shù)和坡型參數(shù)的可靠度進(jìn)行初判；葉萬軍等[9-10]建立了陜北黃土拉裂-滑移式崩塌的尖點(diǎn)突變模型和傾倒型崩塌體的運(yùn)動學(xué)方程，探討了以上2種黃土崩塌的形成機(jī)制；朱興華等[11]探討了黃土地質(zhì)災(zāi)害的鏈生效應(yīng)，闡述了黃土災(zāi)害鏈的風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)及斷鏈措施方面的研究的重要性；彭建兵等[12]從黃土地質(zhì)災(zāi)害的整體視角，分析了黃土地質(zhì)災(zāi)害研究的關(guān)鍵問題，把建立黃土重大災(zāi)害超前判識、預(yù)警預(yù)報(bào)與風(fēng)險(xiǎn)控制的理論及技術(shù)方法體系作為黃土地質(zhì)災(zāi)害研究的重要落腳點(diǎn)。

從地域上看，陜、甘、寧地區(qū)的黃土崩塌研究程度較高，尤以陜北黃土崩塌研究最為突出。山西黃土崩塌的研究主要集中在其類型、分布特征及規(guī)律等方面，如黃強(qiáng)兵等[13]對山西呂梁黃土崩滑類型及發(fā)育規(guī)律進(jìn)行了總結(jié)研究，認(rèn)為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。董震等[14]通過對山西3個(gè)地區(qū)的調(diào)查資料進(jìn)行匯總分析，提出了相應(yīng)的崩塌工程治理措施。

綜上可見，關(guān)于山西黃土崩塌及其破壞模式的總結(jié)和研究較少?，F(xiàn)有的對黃土崩塌的臨災(zāi)判別也多基于崩塌發(fā)生的臨界點(diǎn)，尚未從黃土崩塌的演化規(guī)律及早期辨識思路上進(jìn)行研究。

本文旨在通過總結(jié)山西典型黃土崩塌破壞模式，提取早期辨識量化指標(biāo)，以綜合性危險(xiǎn)性指數(shù)法對崩塌的危險(xiǎn)性進(jìn)行半定量分析，并對應(yīng)相應(yīng)的應(yīng)急防治措施，為黃土崩塌的早期識別提供借鑒經(jīng)驗(yàn)，充實(shí)基層地質(zhì)災(zāi)害防治技術(shù)體系。

2 研究區(qū)概況

本次研究區(qū)位于晉西呂梁山南麓，黃土殘塬溝壑縱橫，屬于區(qū)域大地構(gòu)造單元的河?xùn)|鄂爾多斯盆地邊緣，呂梁背斜的西翼。全區(qū)80%地域被黃土覆蓋，黃土厚度大，黃土地層齊全。特殊的自然地理環(huán)境和地質(zhì)構(gòu)造背景，導(dǎo)致該地區(qū)存在或者發(fā)育獨(dú)特的環(huán)境地質(zhì)問題,主要包括生態(tài)環(huán)境脆弱、水資源缺乏、水土流失、黃土濕陷、地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育等，其中黃土崩塌是本區(qū)的主要地質(zhì)災(zāi)害類型。

3 黃土崩塌典型特征

3.1 Q2層內(nèi)崩塌

3.1.1 Q2粉質(zhì)黏土

該類斜坡由第四紀(jì)黃土地層構(gòu)成，主體為中更新世黃土，坡頂出露3～6 m的Q3m粉土，其穩(wěn)定性與Q2l粉質(zhì)黏土本身的工程地質(zhì)性質(zhì)密切相關(guān)。在巖性方面，該層黃土節(jié)理裂隙發(fā)育，抗拉強(qiáng)度低，極易形成卸荷裂隙。該層黃土在降雨和樹木根系作用下，自身的節(jié)理裂隙會不斷發(fā)展擴(kuò)大，易于形成軟弱結(jié)構(gòu)面，從而引發(fā)崩塌，如圖1所示。

圖1 Q2粉質(zhì)黏土層內(nèi)崩塌及裂縫Fig.1 Collapse and crack of Q2 silty clay layer

3.1.2 Q2粉質(zhì)黏土+古土壤層

該類斜坡主體為中更新世黃土，主要分布于研究區(qū)一級、二級支流的中上游沿岸。該型斜坡穩(wěn)定性主要與古土壤層的工程地質(zhì)性質(zhì)密切相關(guān)。古土壤層的發(fā)育產(chǎn)狀一般順坡向或近水平，相對上層土體結(jié)構(gòu)致密，黏性強(qiáng)，為相對隔水層，變形部位一般在古土壤層上界面。圖2為此類崩塌典型案例。

圖2 Q2粉質(zhì)黏土+古土壤層崩塌Fig.2 Collapse of the contact surface of the Q2 silty clay layer and the paleosol layer

3.2 Q2/N2接觸面崩塌

該類斜坡坡體上部為Q2粉質(zhì)黏土+古土壤層，坡腳為N2紅黏土。該型斜坡穩(wěn)定性與黃土層的土體結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。該斜坡上部為Q2粉質(zhì)黏土層，節(jié)理裂隙發(fā)育，且多分布近于水平的古土壤層；斜坡下部為N2紅黏土層。與上部Q2粉質(zhì)黏土相比，N2紅黏土層粘性較強(qiáng)，水滲透性能弱，為相對隔水層，易在土體接觸面部位形成軟弱結(jié)構(gòu)面，從而形成崩塌。現(xiàn)狀條件下，該類斜坡變形破壞主要集中于坡體中上部，Q2粉質(zhì)黏土層內(nèi)垂直節(jié)理發(fā)育的特征是主要致災(zāi)因素。圖3為該類型斜坡的典型照片。

圖3 Q3+Q2+N2多層土體斜坡Fig.3 Q3+Q2+N2 multi-layer soil slope

3.3 N2黏土層頂部礫巖崩塌

該類斜坡變形部位集中于斜坡中上部，如圖4所示。坡體上部一般Q2粉質(zhì)黏土厚度較大，坡腳為N2紅黏土，Q2粉質(zhì)黏土與N2紅黏土接觸部位為礫巖層，主要分布于研究區(qū)大型溝谷及支溝中。圖4所示為發(fā)生于本區(qū)S328省道西側(cè)的1處崩塌。該型斜坡的不穩(wěn)定性主要集中于礫巖層及其上部的Q2粉質(zhì)黏土層。坡腳處N2紅黏土在雨水浸潤和風(fēng)干、風(fēng)移作用下，逐步向坡腳處傾瀉，致使礫巖層下部與黏土接觸部位出現(xiàn)臨空面，加之礫巖層自身裂隙發(fā)育，在不穩(wěn)定應(yīng)力作用下，逐步由節(jié)理發(fā)展變形為裂縫，發(fā)生崩塌。

圖4 N2黏土層頂部礫巖層崩塌Fig.4 Collapse of the conglomerate layer at the top of the N2 clay layer

3.4 Q2/T2接觸面崩塌

此類斜坡上部為黃土，下部為基巖，黃土層主要分布Q2粉質(zhì)黏土，基巖主要為T2砂巖及泥巖，多發(fā)育于研究區(qū)主要的交通干道沿線，巖性組合情況如圖5所示。

圖5 土巖結(jié)合斜坡Fig.5 Soil and rock combined slope

該類斜坡的不穩(wěn)定因素集中在巖、土體在工程地質(zhì)性質(zhì)上的差別。該類斜坡易形成崩塌的部位主要有：

①Q(mào)2l粉質(zhì)黏土自身的節(jié)理裂隙發(fā)育，在外力作用下，極易形成裂縫，從而形成崩塌。

②Q2l粉質(zhì)黏土與T2巖層的接觸面，相對土層，砂巖、泥巖層為相對的隔水層，孔隙水(泉水)易在基巖面上相對富集，形成飽水帶，使得黃土力學(xué)強(qiáng)度不斷下降，失穩(wěn)引發(fā)崩塌。

圖6 典型黃土崩塌破環(huán)模式Fig.6 Typical failure modes of loess collapse

4 黃土崩塌主要破壞模型及控制因素

以本區(qū)黃土崩塌的平均坡比為基本坡型，黃土巖性組合為主要參考對象，進(jìn)行黃土崩塌破壞方式的歸納，可分為4種類型，分別為：單層土體斜坡、雙層土體斜坡、多層土體斜坡、土巖結(jié)合斜坡，具體破壞模型如圖6所示。在此基礎(chǔ)上，崩塌的延伸破壞接觸面可進(jìn)一步歸為5類，分別為：①Q(mào)3/Q2界面；②Q2層內(nèi)古土壤層上部；③Q2/Q1界面；④Q2/N2界面；⑤Q2/T2界面。黃土崩塌的演化發(fā)展與破壞，應(yīng)著重考慮破壞內(nèi)動力作用因素和外動力因素2個(gè)方面。

4.1 破壞內(nèi)動力因素

4.1.1 黃土濕陷性

黃土濕陷主要集中于斜坡頂部Q3粉土層，該層黃土具大孔隙,植物根系發(fā)育，且黃土厚度不大，具自重濕陷性，多形成濕陷碟等微地貌。濕陷使坡頂?shù)匦伟l(fā)生改變，極易相對匯集降水，逐步演化為雨水下滲通道,與下層垂直節(jié)理發(fā)育的Q2層黃土綜合作用，逐步演化為崩塌。

4.1.2 黃土垂直節(jié)理發(fā)育

中更新世黃土(Q2)，為黃色-淡棕黃色粉質(zhì)黏土，垂直節(jié)理發(fā)育，比較致密，大塊狀，層理不顯，具大孔隙，其中央有間距密集的2層棕紅色古土壤層和12層稍顯紅色的埋藏風(fēng)化層。

垂直節(jié)理發(fā)育是本層黃土的重要特征，也是誘發(fā)崩塌災(zāi)害的主要致災(zāi)因素。

4.1.3 滲透系數(shù)差異

滲透性差異反映在Q2黃土層中古土壤上界面、Q2/Q1界面、Q2/N2界面、Q2黃土與基巖界面4個(gè)接觸面。據(jù)經(jīng)驗(yàn)值，Q3黃土滲透系數(shù)約在10-5～10-4cm/s之間[1]，Q2、Q1、N2的滲透性依次減小，一般相差1～2個(gè)數(shù)量級。在地下水量突然加大、頻率加快的情況下，滲透系數(shù)的延遲效應(yīng)顯現(xiàn)，巖土接觸界面局部會逐漸形成軟弱結(jié)構(gòu)面，累積形成崩塌界面。這一點(diǎn)與“連陰雨”容易致災(zāi)的論點(diǎn)如出一轍。

4.2 破壞外動力作用

4.2.1 削坡作業(yè)

本區(qū)的削坡作業(yè)主要集中在房屋(窯洞)建設(shè)、平山造地、公路及鐵路等建設(shè)中。窯洞是研究區(qū)人居建筑的主體，多分布于城鄉(xiāng)結(jié)合部和邊遠(yuǎn)的山區(qū)，削坡建窯(房)改變了斜坡的應(yīng)力平衡，降低了坡體的穩(wěn)定性，引發(fā)較多的滑移式崩塌和錯(cuò)斷式崩塌。平山造地工程主要集中在人煙稀少的黃土塬區(qū)，增加了建設(shè)中、建設(shè)后遭受崩塌的可能。公路削坡產(chǎn)生了較多的不穩(wěn)定斜坡，特別是在一些沿線靠近村莊的地段，增大了崩塌的威脅范圍。

4.2.2 農(nóng)耕活動

研究區(qū)耕地集約，在一些黃土斜坡或者黃土塬面上廣泛開展梨果種植，坡頂農(nóng)耕活動強(qiáng)度及范圍不斷加強(qiáng)。農(nóng)耕活動人為改變了坡頂土壤結(jié)構(gòu)和地形條件，變排水為聚水，加大了大氣降水的垂直入滲量，在黃土塬臨近溝谷切割地帶增加了發(fā)生崩塌的可能。

4.2.3 植物根劈

在一些植被茂密區(qū)，或者在一些公路、鐵路沿線分布有多年生植物，根系粗壯、延伸較深。這些林木在公路、鐵路沿線累積生長，常年與黃土節(jié)理裂隙綜合作用，累積使斜坡頂部或坡面的穩(wěn)定性降低，引發(fā)崩塌。

4.2.4 降 雨

降雨是引發(fā)崩塌的主要外力因素，降雨的強(qiáng)度及持續(xù)時(shí)間將直接影響土體中水的滲入量和滲入率[15]。降雨及雨水沿坡體垂直入滲，改變了土體的內(nèi)部顆粒結(jié)構(gòu)，使得土體強(qiáng)度下降，節(jié)理、裂隙溝通發(fā)育形成導(dǎo)水通道，裂縫寬度及延伸深度不斷變大，直至斜坡卸荷導(dǎo)致崩塌。

4.3 變形破壞特征

4.3.1 裂縫發(fā)育特征

裂縫發(fā)育的規(guī)模及數(shù)量是崩塌的重要表征，可分為拉張裂縫和剪切裂縫。研究區(qū)以滑移式崩塌為主，裂縫產(chǎn)狀多與斜坡坡向一致，土體接觸面受原始沉積地貌控制明顯，一般溝谷地帶土體接觸面均為順坡向。

4.3.2 垂直節(jié)理

垂直節(jié)理是Q2黃土的重要特性，其變形破環(huán)特征主要表現(xiàn)為3個(gè)方面：①不同產(chǎn)狀節(jié)理之間可以形成交錯(cuò)節(jié)理，加大斜坡卸荷力場，特別是在地基開挖、削坡取土過程中引起黃土的卸荷回彈和應(yīng)力重分布，使得各種新節(jié)理在坡體和周圍土體中普遍發(fā)育；②垂直節(jié)理可以加大水分的入滲作用[16]，加大了斜坡的不穩(wěn)定因素，加大了發(fā)生崩塌的可能性；③與根系共同作用發(fā)育為空洞和裂縫，加速坡體的失穩(wěn)。

4.3.3 剝墜落

斜坡變形為崩塌是逐步演化形成的，多由小崩塌事件不斷演化而來，剝墜落土體的頻率及墜落土塊的粒徑變化情況是判斷崩塌穩(wěn)定性及崩塌臨災(zāi)時(shí)間的重要表征，如2014年山西吉縣柏浪溝黃土崩塌在臨災(zāi)前曾發(fā)生多次剝墜落，在之后的第3天發(fā)生了崩塌。

4.3.4 滲水(泉)出露

研究區(qū)泉水出露較多，相應(yīng)斜坡是崩塌監(jiān)測的重點(diǎn)部位。對應(yīng)4.1.3節(jié)中所述黃土層滲透系數(shù)的差異，古土壤層、Q2/Q1、Q2/N2、Q2/T2等界面因透水系數(shù)的差別常形成泉水滲出，滲水量及其持續(xù)時(shí)間將直接影響斜坡的穩(wěn)定性，是崩塌監(jiān)測的重要特征要素。

5 危險(xiǎn)性識別因子提取

5.1 辨識因子提取

綜合分析黃土崩塌發(fā)育特征，提取5大類15種指標(biāo)量化為辨識因子，分別為：變形跡象W1(坡體裂縫、垂直節(jié)理、剝墜落、滲水、黃土濕陷、建筑變形)；斜坡結(jié)構(gòu)W2(巖性組合、接觸面產(chǎn)狀)；人類工程活動W3(削坡建窯、排水效果、農(nóng)墾影響)；坡體形態(tài)W4(坡高、坡度、坡型)；其它因素W5(植物根劈)。

5.2 穩(wěn)定性量化判別

5.2.1 量化模型

本次崩塌穩(wěn)定性定量分析采用“地質(zhì)災(zāi)害綜合指數(shù)法”，即對辨識因子的觀測分值與相應(yīng)的權(quán)重相乘所得的積進(jìn)行求和，用和值的大小判定崩塌危險(xiǎn)性的大小。計(jì)算公式為

W=∑WijRij。

式中：W為崩塌危險(xiǎn)性綜合指數(shù)；Wij為崩塌相應(yīng)的辨識因子；Rij為辨識因子危險(xiǎn)性分析權(quán)重；i為影響因素編號；j為相應(yīng)影響因素辨識因子編號。

5.2.2 量化過程

辨識因子分4個(gè)檔次，分別賦以10，7，4，1分[17]，依據(jù)辨識因子的重要性程度，分別規(guī)定一定的權(quán)重，權(quán)重由“專家打分法”確定，即由5位參與實(shí)地調(diào)查的項(xiàng)目組成員，從主觀經(jīng)驗(yàn)提煉出每個(gè)辨識因子對黃土崩塌的貢獻(xiàn)程度而確定權(quán)重的方法。最終的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)采用去掉最大值和最小值，其余取平均值的方法對權(quán)重進(jìn)行計(jì)算。量化計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)如表1所示。

5.3 量化評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)、識別及應(yīng)對措施

總結(jié)研究區(qū)所處評分結(jié)果與穩(wěn)定性的對應(yīng)情況，得出表2的評分判別標(biāo)準(zhǔn)，危險(xiǎn)性按1，3，6的分值節(jié)點(diǎn)，分為4個(gè)區(qū)段，分別對應(yīng)危險(xiǎn)性高、中、較低、低4個(gè)等級。

危險(xiǎn)性識別后，對應(yīng)表3進(jìn)行相應(yīng)應(yīng)急防治措施。

表1 崩塌危險(xiǎn)性評價(jià)量化標(biāo)準(zhǔn)Table 1 Quantitative criteria for collapse risk assessment

注:辨識因子評分采取就大不就小的原則進(jìn)行。

表2 危險(xiǎn)性評分等級Table 2 Rating of risk score

表3 崩塌辨識對應(yīng)的應(yīng)急措施Table 3 Emergency measures corresponding to collapse identification results

變形跡象(W1)對崩塌穩(wěn)定性的貢獻(xiàn)率最大，是判斷崩塌危險(xiǎn)性和穩(wěn)定性最直接的特征。當(dāng)W1的評分結(jié)果滿足表4中判定級別“危險(xiǎn)性高”時(shí)，可直接介入地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警預(yù)報(bào)措施，進(jìn)行應(yīng)急處置。

表4 變形跡象優(yōu)先穩(wěn)定性判別評分等級Table 4 Rating of identification of priority signs of deformation

6 結(jié) 論

(1)按巖土體結(jié)構(gòu)組合劃分，黃土崩塌的破壞模式可總結(jié)為單層土體層內(nèi)、雙層土體、多層土體及土巖結(jié)合4種類型。按地層接觸關(guān)系，主要包含Q3/Q2、Q2/古土壤層、Q2/Q1、Q2/N2、Q2/T2共5個(gè)典型破壞接觸面。

(2)依據(jù)黃土崩塌主要破壞模式及破壞接觸面，提取辨識因子，按綜合指數(shù)法進(jìn)行量化分析，進(jìn)行黃土崩塌的危險(xiǎn)性現(xiàn)狀辨識，危險(xiǎn)性辨識分為4個(gè)等級，對應(yīng)危險(xiǎn)性等級辨識結(jié)果，采取對應(yīng)的應(yīng)急防治措施。

(3)突出變形跡象對崩塌穩(wěn)定性判別的貢獻(xiàn)率，提出優(yōu)先判定標(biāo)準(zhǔn)，快速判斷黃土崩塌穩(wěn)定性，快速應(yīng)急處置。

(4)以隰縣黃土為山西黃土的典型代表，為黃土崩塌危險(xiǎn)性判別提出具體的量化評價(jià)指標(biāo)，不斷加深對黃土崩塌的演化規(guī)律研究，為其它黃土地區(qū)地質(zhì)災(zāi)害防治提供借鑒。

(5)本方法簡單，易于實(shí)施，適合于一線群測群防人員快速掌握和操作，是野外監(jiān)測和快速判別黃土崩塌危險(xiǎn)性及穩(wěn)定性的有力補(bǔ)充。