溯源侵蝕引發(fā)的拉裂-傾倒型黃土崩塌形成機(jī)制

成玉祥，張卜平，唐亞明

（1.長安大學(xué)地質(zhì)工程與測繪學(xué)院，陜西 西安 710054；2.西部礦產(chǎn)資源與地質(zhì)工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710054；3.中國地質(zhì)調(diào)查局西安地質(zhì)調(diào)查中心，陜西 西安 710054）

0 引言

我國陜北黃土丘陵地區(qū)地貌類型復(fù)雜，梁峁遍布，地形坡度大。該地區(qū)地表披覆的砂黃土粒間聯(lián)結(jié)弱，土體結(jié)構(gòu)松散，物理力學(xué)性質(zhì)差，對水異常敏感[1]。加之該地區(qū)年降雨量雖少但是多集中在雨季，且多以暴雨形式出現(xiàn)，造成黃土丘陵區(qū)水力侵蝕異常強(qiáng)烈。而溝頭溯源侵蝕又為侵蝕速度最快的侵蝕作用[2]。在長期溯源侵蝕作用下，完整的坡面不斷被切割變得溝壑縱橫，往往伴隨著各類地質(zhì)災(zāi)害[3?4]。黃土崩塌即為溯源侵蝕過程中發(fā)生的主要地質(zhì)災(zāi)害類別之一，嚴(yán)重威脅區(qū)內(nèi)人民群眾的財產(chǎn)及人身安全[5]。因此，研究溯源侵蝕引發(fā)黃土崩塌的發(fā)育特征和成因機(jī)理對黃土高原地區(qū)防災(zāi)減災(zāi)具有重要的科學(xué)和社會價值。

多位學(xué)者從影響因素、基本特征、溝頭崩塌形成機(jī)理等方面對溝頭溯源侵蝕作用進(jìn)行了研究。陳紹宇等[6]認(rèn)為溯源侵蝕的影響因素有降雨、地形、巖土性質(zhì)、土地利用。車小力[7]調(diào)查發(fā)現(xiàn)活動黃土溝頭處擁有跌水陡坎，溝壁垂直陡峭、多裂縫，溝頭底部下切、溝壁掏空嚴(yán)重，溝底有明顯的水流痕跡和較新的崩塌沉積物，溝頭附近多陷穴。史倩華等[8]通過試驗(yàn)分析了董志塬溝頭溯源侵蝕的演化過程，認(rèn)為孔隙水壓力的升高是造成溯源侵蝕崩塌的重要原因?？梢婞S土地區(qū)溝頭溯源侵蝕研究還停留在定性的基本特征總結(jié)和影響因素分析層面，未能充分考慮溯源侵蝕作用的災(zāi)害效應(yīng)，因此亟需進(jìn)行災(zāi)害力學(xué)成因機(jī)制分析研究。而在黃土崩塌形成機(jī)制方面也鮮有學(xué)者考慮到地表徑流的沖刷作用[9?11]，因此也未能揭示溯源侵蝕過程中水力重力耦合驅(qū)動力作用下崩塌災(zāi)害形成機(jī)制[12?14]。而云南元謀干熱河谷地區(qū)溯源侵蝕作用的災(zāi)害效應(yīng)研究較為深入，充分考慮了地表徑流的沖刷作用，揭示了水力侵蝕重力侵蝕耦合驅(qū)動力作用下溝頭失穩(wěn)機(jī)制，這對黃土地區(qū)溝頭溯源侵蝕致塌機(jī)制具有重要的借鑒意義[15?18]。

綜上所述，黃土溯源侵蝕過程的影響因素眾多，形成機(jī)制復(fù)雜。由于溝頭溯源侵蝕作用是重力侵蝕與水力侵蝕復(fù)合驅(qū)動的結(jié)果，因此溯源侵蝕引發(fā)崩塌的成災(zāi)機(jī)理比常見崩塌更為復(fù)雜，而現(xiàn)有研究成果較少涉及到此類崩塌的形成機(jī)制、穩(wěn)定性評價研究。本文以野外地質(zhì)調(diào)查為基礎(chǔ)，通過總結(jié)溯源侵蝕引發(fā)黃土崩塌災(zāi)害的基本特征和發(fā)育規(guī)律，揭示溯源侵蝕引發(fā)黃土崩塌的形成機(jī)制，探討了影響該類崩塌穩(wěn)定性的主要影響因素，研究成果可為揭示水致黃土崩塌災(zāi)害成因機(jī)理和黃土崩塌災(zāi)害防治提供理論參考。

1 研究區(qū)崩塌災(zāi)害發(fā)育特征

研究區(qū)位于陜西省榆林市東南部綏德、吳堡兩縣（圖1）。屬于中溫帶亞干旱區(qū)，為大陸性季風(fēng)氣候。區(qū)內(nèi)降水量年內(nèi)分配極不均勻，主要集中在7、8、9三個月，且多以暴雨形式為主。三個月的多年平均降水量為268.3 mm，占全年降水量的61%。區(qū)內(nèi)北部和西部屬黃土梁峁區(qū)，東部和南部黃河沿岸黃土丘陵區(qū)，中部多為南北走向的黃土梁狀殘塬地，梁峁起伏、支離破碎，溝壑密度3.03～5.00 km/km2。區(qū)內(nèi)廣泛分布第四系松散堆積層，厚度在2～90 m，按形成時代和成因，主要包括馬蘭黃土（Q3）和離石黃土（Q2）。松散的黃土、破碎的地形和集中的降雨為該地區(qū)地質(zhì)災(zāi)害的形成創(chuàng)造了條件。

圖1 研究區(qū)崩塌災(zāi)害分布簡圖Fig.1 Distribution diagram of loess falls in the study area

研究區(qū)內(nèi)現(xiàn)場調(diào)查共發(fā)現(xiàn)127處崩塌災(zāi)害，其中由溯源侵蝕引發(fā)的典型黃土崩塌災(zāi)害共16處，占總數(shù)的12.6%。溯源侵蝕引發(fā)黃土崩塌基本特征如表1所示。

表1 溯源侵蝕引發(fā)典型黃土崩塌基本特征表Table 1 Basic characteristics of typical loess falls caused by headward erosion

總體來看，溯源侵蝕引發(fā)黃土崩塌數(shù)量不多，但是規(guī)模較大；主要分布在黃土殘塬邊緣及黃土沖溝的溝頭部位；崩塌的巖土體主要為Q3黃土和Q2黃土，且以Q3黃土為主。從已經(jīng)發(fā)生崩塌的崩塌體特征來看，該類型崩塌最顯著的特點(diǎn)是崩塌體整體以坡腳為支點(diǎn)，向臨空方向發(fā)生旋轉(zhuǎn)性傾倒（圖2）。有些崩塌體甚至保持了基本的完整性。崩塌后壁粗糙陡直，擦痕不發(fā)育，具有拉張破壞的基本特征（圖3），后壁上部具有明顯的流水痕跡，坡頂分布有走向與坡沿近平行的拉張裂縫（圖2，圖4）。從崩塌周圍尚未發(fā)生破壞的崩塌來看，坡頂溝壁垂直節(jié)理裂隙發(fā)育，并伴有落水洞。坡腳大多受溝道水流的侵蝕作用，坡腳陡立，甚至出現(xiàn)反傾的侵蝕凹槽。坡腳的土體受水的浸潤作用，含水量較高。

圖2 崩塌后緣拉張裂縫Fig.2 Tension fractures at the edge of loess falls

圖3 崩塌后壁Fig.3 Back wall of loess falls

圖4 典型拉裂-傾倒型黃土崩塌剖面示意圖Fig.4 The cross-section diagram of the typical fracturing-topping and loess soil

由此可見，水力侵蝕改造了斜坡的形態(tài)，進(jìn)而影響了坡體內(nèi)的應(yīng)力分布狀態(tài)。重力作用為崩塌的破壞提供了主要的源動力。拉裂傾倒型崩塌是地表水力侵蝕和重力共同作用下形成的。另外短時強(qiáng)降雨形成的孔隙水壓力也是不容忽視的影響因素，由此可見，該類型崩塌形成機(jī)制復(fù)雜。

2 拉裂-傾倒型崩塌形成機(jī)制

天然黃土斜坡在其漫長的形成過程中，形成典型的“V”字型溝谷，坡體內(nèi)的應(yīng)力分布與坡體強(qiáng)度達(dá)到平衡狀態(tài)，谷坡和溝頭能夠保證基本穩(wěn)定見圖5（a）。

在黃土梁峁區(qū)，黃土溝頭是地表水流侵蝕作用最為強(qiáng)烈的地段，一方面是由于溝頭地形的突變，為地表水流的加速提供了條件。另一方面，黃土梁峁的集水作用，尤其是居民點(diǎn)建設(shè)、公路建設(shè)使得集水作用更加明顯。如遇暴雨在溝頭形成了極端的地表徑流。高流速、大流量的水流在溝頭形成了典型的貼壁流和跌水流，對坡腳產(chǎn)生強(qiáng)烈侵蝕使得坡度變陡。對谷底產(chǎn)生強(qiáng)烈的下蝕作用導(dǎo)致溝頭增高見圖5（b）。地形改變引發(fā)坡體內(nèi)應(yīng)力狀態(tài)的改變。坡高增大，坡度變陡，坡頂?shù)膸r土體向臨空方向移動，坡頂拉應(yīng)力區(qū)范圍增大、量值增高（①區(qū)），如果拉應(yīng)力超過抗拉強(qiáng)度，地表出現(xiàn)拉張裂縫。坡腳主要受坡體重力作用，為剪應(yīng)力分布區(qū)（②區(qū)）。坡腳和谷底為強(qiáng)烈水力侵蝕區(qū)（③區(qū)）。

圖5 拉裂-傾倒型崩塌演化過程Fig.5 The evolution process of the fracturing-topping and loess soil

隨著侵蝕時間的增長，溝頭地形逐漸會變?yōu)榻绷?，貼壁流的侵蝕作用逐漸減弱，跌水流的侵蝕作用逐漸增強(qiáng)，坡腳和谷底為強(qiáng)烈水力侵蝕區(qū)逐漸擴(kuò)大，跌水流在坡腳的濺蝕作用往往形成凹槽。導(dǎo)致拉應(yīng)力分布區(qū)范圍逐漸擴(kuò)大，拉張裂縫逐漸增大，加深。剪應(yīng)力分布區(qū)范圍逐漸縮小，由于反傾地形，使得剪應(yīng)力分布區(qū)的應(yīng)力狀態(tài)有壓剪狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槔魻顟B(tài)見圖5（c）。

當(dāng)?shù)乇硭那治g發(fā)展到一定程度，坡頂?shù)睦瓘埩芽p向下延伸到一定深度。如果崩塌體的重心位于坡腳凹槽的內(nèi)側(cè)時，崩塌體尚能保持基本穩(wěn)定。如果崩塌體的重心位于坡腳凹槽的外側(cè)時，再加上后緣裂隙中地表水的灌入形成孔隙水壓力的水平壓力，將導(dǎo)致崩塌體沿著坡腳凹槽為中心，發(fā)生傾倒破壞。

綜上所述，該類型崩塌的發(fā)生是地表水侵蝕和重力作用下，坡體內(nèi)拉應(yīng)力、剪應(yīng)力分布區(qū)和強(qiáng)烈水力侵蝕區(qū)三個區(qū)發(fā)生了轉(zhuǎn)化，經(jīng)歷了斜坡應(yīng)力重新分布、拉張應(yīng)力的增大與范圍擴(kuò)大，剪應(yīng)力狀態(tài)改變與范圍集中、坡頂拉張與孔隙水壓力耦合作用下的崩塌體傾倒破壞三個階段。

3 控制和影響拉裂-傾倒型黃土崩塌穩(wěn)定性的主要因素

學(xué)界對于拉裂-傾倒型崩塌穩(wěn)定性評價研究成果相當(dāng)豐富[19?23]。根據(jù)溯源侵蝕引發(fā)拉裂-傾倒型黃土崩塌的具體特征及“三區(qū)三階段”演化特征，借鑒前人研究成果，此類崩塌穩(wěn)定性可采用力矩法進(jìn)行粗略評價。根據(jù)該類崩塌的具體特征，建立圖6所示的拉裂-傾倒型崩塌物理模型圖。

圖6 拉裂-傾倒型崩塌物理模型圖Fig.6 Physical model diagram of the fracturing-topping and loess soil

如圖6所示，取單位寬度坡體進(jìn)行穩(wěn)定分析。坡頂拉張裂隙深度為D，坡腳掏蝕凹槽高度為h，深度為B，懸空體拉裂隙未貫通處長度為L，懸空體受重力W和靜水壓力P作用，土的天然密度為 ρ，土的黏聚力為c，水的密度為ρw。此時，懸空體所受傾覆力為：

抗傾覆力為土體的水平抗拉力C：

設(shè)懸空土體繞O點(diǎn)發(fā)生傾覆，則傾覆力矩為：

抗傾覆力矩為：

由（4）、（5）和（6）式可得拉裂傾倒型崩塌穩(wěn)定性系數(shù)：

根據(jù)（7）式，當(dāng)崩塌體唯一確定時，影響其穩(wěn)定性的主要因素有：溝頭土體的黏聚力c和土的天然密度ρ。研究表明，土體的天然重度 γ又與土的天然含水量w和干重度γd存在下列關(guān)系[24]：

由式（7）、（8）可以看出，溯源侵蝕引發(fā)拉裂-傾倒型黃土崩塌的穩(wěn)定性受三大類因素影響和控制：其一為溝頭的幾何特征，包括溝頭高度、拉張裂縫的深度及其與坡沿的距離、侵蝕凹槽的深度和高度；其二為溝頭土體的含水率；其三為拉張裂隙中的靜水壓力。顯然，隨著溝頭土體含水率的上升，穩(wěn)定性降低；坡頂拉張裂縫深度越大，積水越深、侵蝕凹槽高度越高，深度越深，溝頭越易失穩(wěn)。

4 結(jié)論

（1）黃土溝頭溯源侵蝕作用是引發(fā)拉裂-傾倒型崩塌災(zāi)害的主要驅(qū)動力。該類型崩塌主要分布在黃土殘塬邊緣及黃土沖溝的溝頭部位，數(shù)量不多，但是規(guī)模較大，潛在危險性大。

（2）溯源侵蝕引發(fā)的拉裂-傾倒型崩塌的形成，主要是由于斜坡在地表水侵蝕和重力作用下，坡體內(nèi)拉應(yīng)力分布區(qū)、剪應(yīng)力分布區(qū)和強(qiáng)烈水力侵蝕區(qū)三個區(qū)發(fā)生了轉(zhuǎn)化。經(jīng)歷了斜坡應(yīng)力重新分布、拉張應(yīng)力的增大與范圍擴(kuò)大，剪應(yīng)力狀態(tài)改變與范圍集中、坡頂拉張與孔隙水壓力耦合作用下的崩塌體傾倒破壞三個階段。

（3）控制和影響拉裂-傾倒型黃土崩塌穩(wěn)定性的因素包括：斜坡幾何特征、土體物理力學(xué)參數(shù)及拉張裂隙中的靜水壓力。隨著土體含水率的上升，坡頂拉張裂縫深度加深，侵蝕凹槽深度加深，崩塌穩(wěn)定性逐漸降低。