論黃土地質(zhì)災(zāi)害鏈（一）

馬鵬輝，彭建兵

（1.西部礦產(chǎn)資源與地質(zhì)環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710054；2.長(zhǎng)安大學(xué)地質(zhì)工程與測(cè)繪學(xué)院，陜西 西安 710054；3.陜西省黃河科學(xué)研究院，陜西 西安 710054）

引言

地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生不是獨(dú)立的，許多災(zāi)害發(fā)生過(guò)程中常會(huì)伴有其他災(zāi)害形成，從而形成災(zāi)害鏈［1］。災(zāi)害鏈?zhǔn)腔谖锢韺W(xué)提出來(lái)的，廣義上可分為偶排鏈、因果鏈、互斥鏈、同源鏈，具有準(zhǔn)周期性、連鎖性、疊加性等特征［1-3］。災(zāi)害鏈中的災(zāi)害都在相互傳遞能量，周?chē)沫h(huán)境和鏈生過(guò)程決定了破壞效應(yīng)。災(zāi)害鏈的鏈生過(guò)程不同，其鏈生形式也表現(xiàn)不同［4-6］。崩-滑-災(zāi)、崩-滑-湖-災(zāi)、崩-滑-流-災(zāi)為災(zāi)害鏈的主要形式，強(qiáng)降雨在其中起到了重要控制作用，激發(fā)滑坡、泥石流、堰塞湖的形成和演化［7-8］。汶川地震誘發(fā)了大量的次生災(zāi)害鏈，帶來(lái)的災(zāi)害鏈效應(yīng)是近十年來(lái)地質(zhì)災(zāi)害鏈研究的主要對(duì)象［9-12］。然而在我國(guó)黃土高原地區(qū)，黃土地質(zhì)災(zāi)害鏈也普遍存在，某種災(zāi)害發(fā)生后，進(jìn)而會(huì)引發(fā)其他類(lèi)型災(zāi)害相繼或滯后發(fā)生，黃土濕陷、洞穴、崩塌、滑坡等地質(zhì)災(zāi)害在黃土地區(qū)互相轉(zhuǎn)化，協(xié)同發(fā)生，在空間和時(shí)間上形成復(fù)雜的黃土地質(zhì)災(zāi)害鏈。黃土地質(zhì)災(zāi)害鏈屬于近年來(lái)新提出的一個(gè)科學(xué)命題，是極具挑戰(zhàn)性的前沿課題，相關(guān)研究甚少［13-14］。

黃土高原是“西部大開(kāi)發(fā)”、“一帶一路”等國(guó)家重大戰(zhàn)略的實(shí)施區(qū)。隨著水電工程、高速鐵路、高速公路、油氣管線等線性工程在黃土高原縱橫，蘭州治溝造地、延安平山造城、慶陽(yáng)固溝保塬等重大工程建設(shè)持續(xù)進(jìn)行（圖1），為黃土高原區(qū)域提供了眾多的發(fā)展機(jī)遇，同時(shí)也帶來(lái)了眾多前所未有的災(zāi)變威脅（圖2）［14-15］。在這些重大工程建設(shè)背景下，黃土地質(zhì)災(zāi)害以單體災(zāi)害的存在形式越來(lái)越少，常呈鏈?zhǔn)叫螒B(tài)演化，表現(xiàn)出多樣性、隨機(jī)性、差異性。例如，1983 年發(fā)生的灑勒山滑坡造成237 人死亡，滑坡發(fā)生區(qū)域相對(duì)高差超300 m，滑體越過(guò)那勒寺河，擁堵河流，推向?qū)γ媛┣熬?，形成了滑?泥流-堰塞湖災(zāi)害鏈［16-17］；由于管道滲漏，2006 年陜西省華縣大明樓鎮(zhèn)發(fā)生了坡體崩滑，瞬間轉(zhuǎn)化為泥流，引發(fā)了滑坡-泥流災(zāi)害鏈，造成94 間房屋倒塌12 人死亡［18-19］；受持續(xù)的強(qiáng)降雨影響，2013 年7 月21 日晚天水市大溝村南部溝道內(nèi)發(fā)生滑坡，滑體在行徑過(guò)程中席卷的溝谷兩側(cè)崩塌體，規(guī)模不斷放大，加上雨水作用轉(zhuǎn)化為泥流，形成滑坡-泥流災(zāi)害鏈，掩埋道路并摧毀村莊內(nèi)10 余戶房屋［20-22］（圖3）?？梢?jiàn)大多數(shù)黃土災(zāi)害的發(fā)生，都會(huì)對(duì)其周?chē)h(huán)境產(chǎn)生影響，進(jìn)而為其他災(zāi)害的發(fā)生提供一定條件，導(dǎo)致災(zāi)害滯后或相繼發(fā)生，形成復(fù)雜的黃土地質(zhì)災(zāi)害鏈。所以加深對(duì)黃土地質(zhì)災(zāi)害鏈的孕災(zāi)模式、類(lèi)型及形成特征的理解認(rèn)識(shí)顯得十分迫切。

圖1 黃土高原重大工程分布Fig.1 The distribution of major projects on the Loess Plateau

圖2 黃土高原主要地質(zhì)災(zāi)害分布Fig.2 The distribution of main geological disasters on the Loess Plateau

圖3 典型黃土災(zāi)害鏈點(diǎn)Fig.3 Typical loess disaster chain

雖然多年來(lái)，不同學(xué)科領(lǐng)域的專(zhuān)家學(xué)者都曾開(kāi)展過(guò)相關(guān)的黃土災(zāi)害研究工作，但是主要關(guān)注單類(lèi)型災(zāi)害的啟動(dòng)和運(yùn)動(dòng)過(guò)程，相對(duì)比較單一、零散，缺乏系統(tǒng)性和關(guān)聯(lián)性，難以滿足黃土高原地區(qū)全面防災(zāi)減災(zāi)的需要［13-14］。因此，開(kāi)展黃土地質(zhì)災(zāi)害鏈系統(tǒng)性研究已經(jīng)刻不容緩。文中擬凝練和梳理黃土地質(zhì)災(zāi)害鏈的基本特性，闡明黃土地質(zhì)災(zāi)害鏈的演化模式，歸納黃土地質(zhì)災(zāi)害鏈的發(fā)育規(guī)律和鏈生模式，初步建立黃土地質(zhì)災(zāi)害鏈的科學(xué)體系。希望為完善黃土地質(zhì)災(zāi)害鏈的成生演化理論提供科學(xué)參考。

1 黃土地質(zhì)災(zāi)害鏈分類(lèi)及演化模式

1.1 黃土地質(zhì)災(zāi)害鏈分類(lèi)

目前黃土地區(qū)黃土地質(zhì)災(zāi)害主要有7 種：黃土濕陷、塌陷、地面沉降、地裂縫、崩塌、滑坡、泥流。這些災(zāi)害互相協(xié)同發(fā)展導(dǎo)致黃土地質(zhì)災(zāi)害鏈內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜、演化過(guò)程變化多樣，難以準(zhǔn)確的掌握黃土地質(zhì)災(zāi)害鏈的啟動(dòng)和演化規(guī)律。探尋這種不可逆的動(dòng)態(tài)演化過(guò)程的前提是要厘清災(zāi)害鏈的基本類(lèi)型。綜合考量災(zāi)害鏈本身具有的屬性，結(jié)合黃土地質(zhì)災(zāi)害鏈的啟動(dòng)演化模式、空間分布關(guān)系、災(zāi)種轉(zhuǎn)化因果，分別從成因、因果關(guān)系以及災(zāi)變機(jī)制3個(gè)方面對(duì)黃土地質(zhì)災(zāi)害鏈進(jìn)行分類(lèi)（表1）。

表1 基本類(lèi)型Table 1 Basic types

從成因上黃土地質(zhì)災(zāi)害鏈可以分為外動(dòng)力黃土地質(zhì)災(zāi)害鏈、內(nèi)動(dòng)力黃土地質(zhì)災(zāi)害鏈、人為黃土地質(zhì)災(zāi)害鏈、復(fù)雜動(dòng)力黃土地質(zhì)災(zāi)害鏈。

外動(dòng)力黃土地質(zhì)災(zāi)害鏈：由天然外動(dòng)力地質(zhì)作用所誘發(fā)的一系列黃土災(zāi)害構(gòu)成的災(zāi)害鏈，稱(chēng)為外動(dòng)力黃土地質(zhì)災(zāi)害鏈，這些外動(dòng)力包括灌溉、降雨、凍融等［17-18］。

內(nèi)動(dòng)力黃土地質(zhì)災(zāi)害鏈：由內(nèi)動(dòng)力地質(zhì)作用誘發(fā)的一系列黃土災(zāi)害構(gòu)成的地質(zhì)災(zāi)害鏈，稱(chēng)為內(nèi)動(dòng)力黃土地質(zhì)災(zāi)害鏈。例如，鄂爾多斯板塊與華北板塊、華南板塊的長(zhǎng)期拉張，導(dǎo)致汾渭地塹持續(xù)沉陷，地面沉降、地裂縫、滑坡等災(zāi)害頻繁發(fā)生，形成了汾渭地塹斷裂災(zāi)害鏈帶［23］。內(nèi)動(dòng)力黃土地質(zhì)災(zāi)害鏈一般是強(qiáng)震引起的，或者分布在活動(dòng)斷裂帶上，影響范圍廣、危害大。

人為黃土地質(zhì)災(zāi)害鏈：由人類(lèi)活動(dòng)營(yíng)力誘發(fā)的一系列黃土災(zāi)害構(gòu)成的災(zāi)害鏈，稱(chēng)為人為黃土地質(zhì)災(zāi)害鏈。

復(fù)合型黃土地質(zhì)災(zāi)害鏈：由內(nèi)、外動(dòng)力地質(zhì)作用以及人類(lèi)活動(dòng)營(yíng)力耦合作用誘發(fā)的一系列災(zāi)害鏈稱(chēng)為復(fù)合型黃土地質(zhì)災(zāi)害鏈。

從因果關(guān)系上復(fù)合型黃土地質(zhì)災(zāi)害鏈可以分為派生黃土地質(zhì)災(zāi)害鏈、伴生黃土地質(zhì)災(zāi)害鏈。

派生黃土地質(zhì)災(zāi)害鏈：指一種黃土災(zāi)害發(fā)生后，引起另一種或者多種黃土災(zāi)害的發(fā)生，前后災(zāi)種有因果關(guān)系，有明顯的主災(zāi)和次災(zāi)之分，所以派生黃土地質(zhì)災(zāi)害鏈也可以稱(chēng)為因果黃土地質(zhì)災(zāi)害鏈。例如，甘肅黑方臺(tái)茂石溝災(zāi)害鏈，前期的滑坡影響了坡體的滲流場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)，導(dǎo)致后幾次小規(guī)?；掳l(fā)生，滑坡堆積體阻塞河流形成堰塞壩，這些壩體最長(zhǎng)有保持了8個(gè)月之久［24-26］（圖4）。這種災(zāi)害鏈特點(diǎn)是：前一災(zāi)種是后面災(zāi)種的誘發(fā)條件或者是其本身形成的物源轉(zhuǎn)化為另一災(zāi)害，鏈中的災(zāi)害環(huán)環(huán)相扣，而且這些災(zāi)害可能滯后發(fā)生也可能相繼發(fā)生。

圖4 甘肅黑方臺(tái)茂石溝災(zāi)害鏈演化過(guò)程［25］Fig.4 The evolution process of the geohazards chain in Maoshigou，Heifangtai Platform，Gansu

伴生黃土地質(zhì)災(zāi)害鏈：由同一因素誘發(fā)的一系列地質(zhì)災(zāi)害相繼發(fā)生，這些單體災(zāi)害本身上沒(méi)有必然聯(lián)系，呈現(xiàn)時(shí)空平行分布這些災(zāi)害本身之間沒(méi)有相關(guān)的因果聯(lián)系，但是誘發(fā)因素是一致的。比如：1920年海原大地震，誘發(fā)了大量滑坡、堰塞湖等災(zāi)害。僅烈度Ⅸ～Ⅺ度以上區(qū)就發(fā)生黃土滑坡1 000 余處，堰塞湖40處［27］，這些災(zāi)害平行展布構(gòu)成了海原斷裂上的伴生黃土地質(zhì)災(zāi)害鏈。一般情況下這種災(zāi)害鏈破壞性強(qiáng)、影響范圍廣。

從災(zāi)變機(jī)制上黃土地質(zhì)災(zāi)害鏈可以分為震源型黃土地質(zhì)災(zāi)害鏈、水源型黃土地質(zhì)災(zāi)害鏈、力-水源型黃土地質(zhì)災(zāi)害鏈。

震源型黃土地質(zhì)災(zāi)害鏈：由地震作用驅(qū)動(dòng)下所形成的黃土地質(zhì)災(zāi)害鏈。

水源型黃土地質(zhì)災(zāi)害鏈：由水作用驅(qū)動(dòng)下所形成的黃土地質(zhì)災(zāi)害鏈。

力-水源型黃土地質(zhì)災(zāi)害鏈：由力和水作用驅(qū)動(dòng)下所形成的黃土地質(zhì)災(zāi)害鏈。

1.2 黃土地質(zhì)災(zāi)害鏈的演化模式

從災(zāi)變過(guò)程來(lái)分析黃土地質(zhì)災(zāi)害鏈，其鏈生演化過(guò)程可以概化為孕災(zāi)、激發(fā)、成災(zāi)以及衰退四個(gè)階段（圖5）。經(jīng)過(guò)上百萬(wàn)年的堆積沉積，強(qiáng)烈的內(nèi)、外動(dòng)力作用導(dǎo)致黃土高原梁、塬、岇上及溝谷兩側(cè)大量的不穩(wěn)定邊坡出現(xiàn)，形成了大范圍的陡峭地形［23-24］。這為黃土災(zāi)害的發(fā)生創(chuàng)造了很好的孕災(zāi)環(huán)境，這一階段屬于災(zāi)害鏈的孕災(zāi)階段。從大量的工程實(shí)例來(lái)看，人類(lèi)活動(dòng)、水動(dòng)力（本文將灌溉歸入水動(dòng)力）、地震是當(dāng)前黃土災(zāi)害鏈最主要的驅(qū)動(dòng)力。在這些動(dòng)力單一或耦合作用下，周?chē)h(huán)境的動(dòng)態(tài)平衡被打破，坡體結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，界面變得松動(dòng)，坡體的應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生調(diào)整，土體的力學(xué)行為特性發(fā)生變化，這一階段屬于災(zāi)害鏈的激發(fā)階段。隨著動(dòng)力作用的加強(qiáng)，黃土濕陷、滑坡、泥流等災(zāi)害相繼或滯后發(fā)生，常見(jiàn)的7種地質(zhì)災(zāi)害呈現(xiàn)著相互滲透鏈生關(guān)系，形成了復(fù)雜的黃土地質(zhì)災(zāi)害鏈，這些災(zāi)害鏈可以是單災(zāi)種的也可能是多災(zāi)種的，這一階段屬于災(zāi)害鏈的成災(zāi)階段。災(zāi)變后，由于災(zāi)害鏈給周?chē)鷳B(tài)和環(huán)境帶來(lái)的巨大影響，需要開(kāi)展相關(guān)的工程措施以達(dá)到周?chē)刭|(zhì)環(huán)境的平衡狀態(tài)，這一階段屬于災(zāi)害鏈的衰退階段。

圖5 災(zāi)害鏈的演化模式Fig.5 The evolution mode of the geohazards chain

1.3 常見(jiàn)的黃土地質(zhì)災(zāi)害鏈的演化模式

從災(zāi)變機(jī)制上黃土地質(zhì)災(zāi)害鏈可以分為水源型、震源型、力-水源型3種類(lèi)型，本節(jié)根據(jù)這種分類(lèi)方式總結(jié)這3類(lèi)災(zāi)害鏈最常見(jiàn)的演化模式。

（1）水源型黃土地質(zhì)災(zāi)害鏈的演化模式

水動(dòng)力是此類(lèi)災(zāi)害鏈的驅(qū)動(dòng)條件。天然黃土結(jié)構(gòu)性很強(qiáng)，具有好的直立性，然而由于黃土水敏性很強(qiáng)，黃土在增濕過(guò)程中強(qiáng)度驟降嚴(yán)重，所以90%以上的黃土災(zāi)害與水有關(guān)［25-26］。降雨和灌溉是黃土高原最常見(jiàn)的水動(dòng)力。這種黃土災(zāi)害鏈的演化模式如圖6所示。由于黃土特有的結(jié)構(gòu)特性，灌溉或降雨條件下，水流必然會(huì)潛蝕土體內(nèi)部，引起內(nèi)部濕陷的加劇，導(dǎo)致地表局部出現(xiàn)明顯的地面沉降，進(jìn)而地表會(huì)出現(xiàn)地裂縫；裂縫在地表以及土體內(nèi)部進(jìn)一步擴(kuò)張，最終誘發(fā)黃土崩塌或滑坡。如果在水源充足的條件下，崩塌滑坡體會(huì)作為黃土泥流物源形成泥流。

圖6 水源型黃土地質(zhì)災(zāi)害鏈典型演化模式Fig.6 Typical evolution mode of loess geohazards chain induced by water

（2）力-水源型黃土地質(zhì)災(zāi)害鏈的演化模式

力與水動(dòng)力的耦合作用是此類(lèi)災(zāi)害鏈的驅(qū)動(dòng)條件。常見(jiàn)的力源為人類(lèi)活動(dòng)（不包括灌溉），水動(dòng)力主要是降雨或灌溉，人類(lèi)活動(dòng)和水動(dòng)力耦合的黃土災(zāi)害鏈結(jié)構(gòu)可以表示為：在人類(lèi)活動(dòng)的作用下，坡體上的界面擴(kuò)張，引發(fā)坡頂開(kāi)裂，坡體穩(wěn)定性降低，再加上水動(dòng)力的作用，坡體最終變形失穩(wěn)形成崩塌或滑坡。如果在水源充足的條件下，崩塌滑坡體會(huì)作為黃土泥流物源形成泥流（圖7）。

圖7 力-水源型黃土地質(zhì)災(zāi)害鏈演化模式Fig.7 Typical evolution mode of loess geohazards chain induced by water and force

（3）震源型黃土地質(zhì)災(zāi)害鏈演化模式

地震作用是此類(lèi)災(zāi)害鏈的驅(qū)動(dòng)力。地震是一種小概率極端事件，對(duì)此種災(zāi)害鏈人類(lèi)尚無(wú)較好的對(duì)策，但是這種災(zāi)害鏈?zhǔn)怯绊懥ψ畲?、最具有破壞性的。因?yàn)榈卣鹚尫诺哪芰坎皇瞧渌α靠梢员葦M的，地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生往往是瞬間的，地震觸發(fā)后，山崩地裂，導(dǎo)致大量崩塌滑坡發(fā)生，如果水源比較充足，就會(huì)進(jìn)一步形成黃土泥流，泥流沖刷溝道，構(gòu)成完整的災(zāi)害鏈結(jié)構(gòu)（圖8）。

圖8 震源型黃土地質(zhì)災(zāi)害鏈典型演化模式Fig.8 Typical evolution mode of loess geohazards chain induced by earthquake

2 黃土地質(zhì)災(zāi)害鏈的主要特征

2.1 復(fù)雜多變性

黃土地質(zhì)災(zāi)害鏈形成原因及演化過(guò)程的多變性，導(dǎo)致其災(zāi)變效應(yīng)具有具有更強(qiáng)的破壞性和更廣的影響范圍。其復(fù)雜多變性主要體現(xiàn)在以下4個(gè)方面：

首先，黃土地質(zhì)災(zāi)害鏈的復(fù)雜多變性體現(xiàn)在激發(fā)因素多樣化。既有內(nèi)、外動(dòng)力的驅(qū)動(dòng)，也有人類(lèi)營(yíng)力的疊加，形成一因一災(zāi)、一因多災(zāi)、多因一災(zāi)、甚至多因多災(zāi)，即使災(zāi)害鏈演化模式中的環(huán)數(shù)相同，導(dǎo)致的災(zāi)變效應(yīng)也不同的現(xiàn)象。比如同是三環(huán)災(zāi)害鏈，由于不同區(qū)域的自然環(huán)境系統(tǒng)的不同，其災(zāi)變效應(yīng)存在著巨大的差異性。在成災(zāi)階段，單一因素或多種因素引發(fā)災(zāi)害鏈的持續(xù)發(fā)展，或是前后災(zāi)害互為因果鏈生演化過(guò)程與這些因素?zé)o關(guān)，或是前置災(zāi)害和人類(lèi)活動(dòng)、水動(dòng)力等疊加影響后續(xù)災(zāi)害。這些激發(fā)因素的互融派生導(dǎo)致了災(zāi)害鏈的內(nèi)在的復(fù)雜性。

其次，災(zāi)害鏈的復(fù)雜性還體現(xiàn)在災(zāi)種之間的轉(zhuǎn)化臨界狀態(tài)模糊，主要體現(xiàn)在災(zāi)種之間本身定義的不確定性，比如黃土滑坡與泥流的區(qū)別，當(dāng)堆積體土水比重達(dá)到多少？還是堆積體的容重達(dá)到多少？還是阻塞系數(shù)達(dá)到多少？稱(chēng)為黃土泥流而非黃土滑坡。多數(shù)情況下災(zāi)害鏈中黃土滑坡與泥流是并行的，一部分轉(zhuǎn)化為黃土泥流，一部分滑坡堆積體再啟動(dòng)為滑坡，這種臨界狀態(tài)該如何劃定，都是災(zāi)害鏈中模糊點(diǎn)。

另外，災(zāi)害鏈的復(fù)雜性還體現(xiàn)在前后災(zāi)種的轉(zhuǎn)化臨界條件難以確定，比如在水源性黃土地質(zhì)災(zāi)害鏈的轉(zhuǎn)化過(guò)程中，水動(dòng)力是主因，然而眾多次要因子也會(huì)參與其中，使得臨界條件難以確定。原因可以歸為以下3 個(gè)方面：（1）土體特性（粒徑分布、力學(xué)特征、含水量等）在水的入滲過(guò)程中是連續(xù)變化的，目前還沒(méi)有先進(jìn)的技術(shù)實(shí)現(xiàn)土體這些特性的連續(xù)監(jiān)測(cè)，獲取其動(dòng)態(tài)演化過(guò)程；（2）區(qū)域環(huán)境、地形地貌、災(zāi)變因素多樣，導(dǎo)致災(zāi)害鏈中災(zāi)種之間轉(zhuǎn)化的隨機(jī)性大增；（3）對(duì)于發(fā)生于山區(qū)溝谷中黃土地質(zhì)災(zāi)害鏈，由于溝道形態(tài)變化大，匯流過(guò)程中隨機(jī)性太強(qiáng)，黃土滑坡向泥流轉(zhuǎn)化的模式千差萬(wàn)別，松散物質(zhì)的補(bǔ)給位置和時(shí)間各不相同，最終影響到整個(gè)匯流過(guò)程，進(jìn)而影響災(zāi)害鏈的規(guī)模和致災(zāi)范圍。

2.2 水作用明顯

水既是黃土本身的三相之一，也是黃土地質(zhì)災(zāi)害鏈的最重要驅(qū)動(dòng)力，在黃土地質(zhì)災(zāi)害鏈中發(fā)揮的作用不言而遇。天然狀態(tài)下的黃土一般呈堅(jiān)硬或硬塑狀態(tài)，具有較強(qiáng)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，當(dāng)遇水增濕后，黃土的微結(jié)構(gòu)、強(qiáng)度以及滲透性等特性會(huì)發(fā)生一系列變化，礦物成分之間發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，內(nèi)部細(xì)顆粒不斷運(yùn)移，致使土體強(qiáng)度衰減，形成細(xì)觀裂隙甚至裂縫，從而演化為地面沉降、崩滑等地質(zhì)災(zāi)害。在崩滑發(fā)生后，水動(dòng)力又是快速促成黃土泥流的驅(qū)動(dòng)力，所以水是黃土災(zāi)害鏈過(guò)程中土體狀態(tài)從固態(tài)到準(zhǔn)流態(tài)最關(guān)鍵的動(dòng)力。地質(zhì)環(huán)境條件影響著災(zāi)害鏈的孕災(zāi)條件，黃土本身固有的性質(zhì)影響著災(zāi)害的啟動(dòng)機(jī)制，但是水-土相互作用過(guò)程影響著災(zāi)害鏈的鏈生演化機(jī)制和規(guī)模。

2.3 周期性和時(shí)效性

災(zāi)害鏈演化模式的多樣性和復(fù)雜性導(dǎo)致其鏈生演化過(guò)程具有周期性和時(shí)效性。孕災(zāi)階段需要能量的積累，當(dāng)能量積累到臨界值后，首環(huán)災(zāi)害率先啟動(dòng)，這是一個(gè)漫長(zhǎng)的漸變的過(guò)程。在成災(zāi)階段，災(zāi)害鏈的轉(zhuǎn)化過(guò)程也會(huì)分漸變和突變兩種情況。隨著工程治理，局部環(huán)境達(dá)到平衡，進(jìn)入衰退階段，標(biāo)志著災(zāi)害鏈的一個(gè)循環(huán)過(guò)程結(jié)束，而且這種災(zāi)害鏈循環(huán)過(guò)程往往具有周期性。比如：崩-滑-流在夏秋兩季發(fā)生的頻次接近全年發(fā)生頻次的90%，這與我國(guó)的降水期非常吻合［27］（圖9（a））。另外，災(zāi)害鏈具有時(shí)效性的特點(diǎn)，不同的地質(zhì)環(huán)境系統(tǒng)可能會(huì)帶來(lái)單災(zāi)種的之間的轉(zhuǎn)化或多災(zāi)種轉(zhuǎn)化，這種轉(zhuǎn)化有突變的也有漸變的，存在著明顯的時(shí)效性。比如：青?，敹嗟卣鹚查g形成了大量地裂縫-地面塌陷等鏈生災(zāi)害，而涇陽(yáng)南塬的裂縫-地面塌陷都具有時(shí)間的先后順序［14，29］（圖9（b））。黃土地質(zhì)災(zāi)害鏈的周期性和時(shí)效性是大自然自我平衡的調(diào)整體現(xiàn)（圖9）。

圖9 黃土災(zāi)害鏈時(shí)效性和周期性示意圖Fig.9 The periodicity and timeliness of the loess geohazards chain

2.4 放大效應(yīng)與衰減效應(yīng)

在災(zāi)害鏈的鏈生演化過(guò)程中，運(yùn)移速度和規(guī)模上存在著放大效應(yīng)或衰減效應(yīng)。放大效應(yīng)是指災(zāi)變發(fā)展過(guò)程中，物源的勢(shì)能釋放轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，災(zāi)害的運(yùn)動(dòng)速度逐漸增大，同時(shí)在其運(yùn)動(dòng)過(guò)程中會(huì)有溝谷兩側(cè)或?yàn)?zāi)害基底的物源不斷的加入，其規(guī)模也必然逐漸增大（圖10（a））。這里以灑勒山滑坡災(zāi)害鏈為例介紹這種效應(yīng)，1983 年3 月7 日約5 000 km3的土體從從高差300 m 的灑勒山山頂滑下并越過(guò)那勒寺河，與河床發(fā)生強(qiáng)烈的碰撞，導(dǎo)致河床物質(zhì)發(fā)生液化，滑體迅速轉(zhuǎn)化為泥流，滑動(dòng)距離達(dá)1 700 余米，在形成泥流后，峰值速度達(dá)到約15 m/s，堆積面積達(dá)1.5 km2［18，30］，無(wú)論是速度還是規(guī)模上都存在著明顯的放大效應(yīng)。

衰減效應(yīng)則指在災(zāi)害鏈的鏈生演化過(guò)程中，災(zāi)害的運(yùn)動(dòng)速度和規(guī)模逐漸減?。▓D10（a））。例如，2015年陜西涇陽(yáng)南塬廟店村附近發(fā)生一起高速遠(yuǎn)程黃土滑坡，3個(gè)月內(nèi)同一位置前后滑動(dòng)4次，第一次的滑動(dòng)的發(fā)生導(dǎo)致坡體的剪應(yīng)力增加，坡體的滲流場(chǎng)向坡面方向移動(dòng)，土體狀態(tài)更靠近臨界狀態(tài)，而后導(dǎo)致后期的幾次滑動(dòng)發(fā)生，最終形成了黃土滑坡-滑坡單體災(zāi)種因果黃土地質(zhì)災(zāi)害鏈。4 次滑動(dòng)體積分別為3.8×105m3、10×104m3、25×103m3、9.8×103m3。整體上，4 次滑動(dòng)的體積在逐漸減小，規(guī)模上存在著明顯的衰減效應(yīng)［23］（圖10（b））。

圖10 放大效應(yīng)和衰減效應(yīng)Fig.10 Amplification effect and attenuation effect

在黃土地質(zhì)災(zāi)害鏈的鏈生演化過(guò)程中，放大效應(yīng)和衰減效應(yīng)與其演化模式有著密切關(guān)系。不同的演化模式下的土體狀態(tài)不同，而土體的狀態(tài)變化是土體微觀結(jié)構(gòu)重排與破壞的一種外在表現(xiàn)。因此放大效應(yīng)多發(fā)生于黃土滑坡→黃土泥流災(zāi)害鏈中，衰減效應(yīng)則多發(fā)生于演化模式為黃土滑坡→黃土滑坡單體災(zāi)種的災(zāi)害鏈中。

3 黃土界面與水源型黃土地質(zhì)災(zāi)害鏈的互饋過(guò)程

黃土界面是災(zāi)害鏈啟動(dòng)和演化過(guò)程的主要控制因素。黃土界面的類(lèi)型有多種，按照規(guī)模大小可以將黃土界面分為：微觀界面、細(xì)觀界面、宏觀界面、巨觀界面。微觀黃土界面指肉眼不可見(jiàn)、分割土顆粒的不連續(xù)面；細(xì)觀界面是指肉眼可見(jiàn)，發(fā)育雜亂無(wú)章、規(guī)模短小、分割土體的不連續(xù)面；宏觀界面是指宏觀上分割塊體的不連續(xù)面，比如斷層、節(jié)理、層面等。巨觀界面是指分割黃土高原地貌的不連續(xù)面，比如地層帶、構(gòu)造帶、斷裂帶等（圖11）。黃土界面隔開(kāi)了其兩側(cè)的物質(zhì)，影響著黃土的力學(xué)行為和坡體形態(tài)。從宏觀表現(xiàn)形式來(lái)看，黃土地質(zhì)災(zāi)害就是黃土臨災(zāi)體脫離邊坡母體而引發(fā)的破壞現(xiàn)象，所以，黃土界面的變化過(guò)程與災(zāi)害鏈的鏈生演化過(guò)程密切相關(guān)。在災(zāi)害鏈演化過(guò)程中黃土界面的發(fā)展過(guò)程體現(xiàn)在以下4個(gè)方面（圖12）。

圖11 黃土界面類(lèi)型Fig.11 The types of loess interface

首先是區(qū)域界面對(duì)黃土地貌的控制作用。強(qiáng)烈的地質(zhì)作用導(dǎo)致黃土區(qū)域界面不斷的分離，分隔黃土地貌，形成大量的梁、塬、岇及溝谷等黃土地貌單元。這為災(zāi)害鏈的發(fā)生創(chuàng)造了孕災(zāi)環(huán)境。其次是黃土微觀界面對(duì)土顆粒的控制作用。黃土是典型的三相體，土顆粒形成的架空結(jié)構(gòu)，水和氣兩相填充于孔隙之間形成鑲嵌結(jié)構(gòu)和膠結(jié)結(jié)構(gòu)。這些微觀界面導(dǎo)致黃土結(jié)構(gòu)特殊，天然狀態(tài)下?lián)碛袠O強(qiáng)的結(jié)構(gòu)應(yīng)力；同時(shí)也是黃土各向異性的根本原因［31-32］。黃土顆粒中富含伊利石、蒙脫石、高嶺石等高水敏化學(xué)礦物，在水作用下，顆粒開(kāi)始收縮、重新排列。隨著水土作用加強(qiáng)，微觀界面開(kāi)始擴(kuò)張、解體，土體微觀結(jié)構(gòu)完全破壞。

而后是細(xì)觀界面對(duì)土體控制作用。微觀界面松動(dòng)引起土體微結(jié)構(gòu)重組的過(guò)程實(shí)質(zhì)是水-土作用的微觀表現(xiàn)。隨著微觀界面解體，部分區(qū)域土體抗剪強(qiáng)度喪失，此時(shí)細(xì)觀界面開(kāi)始松動(dòng)、擴(kuò)張，局部土體發(fā)生軟化甚至液化。而后細(xì)觀界面解體，土體內(nèi)部結(jié)構(gòu)重新調(diào)整，出現(xiàn)局部塌陷。

最后是宏觀界面對(duì)邊坡的控制作用。宏觀界面在黃土入滲過(guò)程中充當(dāng)著優(yōu)勢(shì)通道的作用，隨著地表徑流的持續(xù)補(bǔ)給，地表土體在浸水后，宏觀表現(xiàn)為地面沉降。同時(shí)由于水-土相互作用加劇，土體的抗剪強(qiáng)度開(kāi)始降低，在臨近坡邊的宏觀界面（裂縫）開(kāi)始松動(dòng)擴(kuò)張，進(jìn)而發(fā)生破壞，在坡體前緣形成淺層滑塌。然后，伴隨著水的持續(xù)入滲，宏觀界面被不斷沖刷，開(kāi)始松動(dòng)、擴(kuò)張。而宏觀界面的擴(kuò)張又加劇水的入滲量。水與宏觀界面如此互饋?lái)憫?yīng)，直到宏觀界面徹底分解誘發(fā)黃土塌陷、滑坡等一系列黃土災(zāi)害，形成災(zāi)害鏈。

總之，巨觀界面控制地貌演化的過(guò)程發(fā)生在災(zāi)害鏈的孕災(zāi)階段。而微觀界面控制顆粒分布、細(xì)觀界面控制土體狀態(tài)、宏觀界面控制坡體結(jié)構(gòu)這3個(gè)過(guò)程發(fā)生在災(zāi)害鏈的激發(fā)和成災(zāi)階段（圖12）。

圖12 黃土界面與災(zāi)害鏈的互饋過(guò)程Fig.12 The interaction process of loess interface and geohazards chain

黃土界面控制著土體與外面物質(zhì)的能量交換。從質(zhì)量和能量守恒上來(lái)看，在老界面的擴(kuò)張、分離、解體過(guò)程中，隨著老界面的消亡，必然有新界面的產(chǎn)生，然后新界面進(jìn)入新一輪的擴(kuò)張、分離、解體循環(huán)中（圖13）。在水源型黃土地質(zhì)災(zāi)害鏈的演化過(guò)程中，這些循環(huán)過(guò)程在微觀界面、細(xì)觀界面、宏觀界面的發(fā)展演化過(guò)程中都有體現(xiàn)。微觀、細(xì)觀、宏觀界面的這種分解而后再生然后再分解的循環(huán)一直參與了水源型黃土地質(zhì)災(zāi)害鏈整個(gè)激發(fā)和成災(zāi)階段（圖14，圖15）。需要指出的是，如果最后災(zāi)種是黃土泥流的災(zāi)害鏈，土體已近流水狀態(tài)，所以在最后環(huán)節(jié)中，黃土界面的這種解體再生的循環(huán)過(guò)程一般是不存在的，隨著災(zāi)體含水量增高，界面一直處于逐漸解體、進(jìn)而消亡的狀態(tài)，最后靠著母質(zhì)粘滯性高速流動(dòng)。

圖13 黃土界面發(fā)展過(guò)程Fig.13 The development process of loess interface

圖14 浸泡試驗(yàn)后馬蘭黃土微觀結(jié)構(gòu)變化Fig.14 The microstructure changes of Malan loess after immersion test

圖15 某滑坡后壁黃土界面演化過(guò)程Fig.15 The evolution process of loess interface at the scarp of a landslide

4 水源型黃土地質(zhì)災(zāi)害鏈中土體狀態(tài)變化過(guò)程

黃土屬于三相體，是不連續(xù)介質(zhì)。但在通常的宏觀研究中我們都是把自然地貌的黃土層當(dāng)做連續(xù)介質(zhì)來(lái)處理。根據(jù)上文對(duì)水源型黃土地質(zhì)災(zāi)害鏈的演化模式分析，其最后災(zāi)種通常是黃土泥流。所以從災(zāi)種外在宏觀表現(xiàn)來(lái)看，水源型黃土地質(zhì)災(zāi)害鏈就是天然黃土邊坡連續(xù)發(fā)展到黃土泥流的過(guò)程。在這個(gè)鏈生過(guò)程中，中間環(huán)節(jié)可能涉及到黃土濕陷、地面沉降、塌陷、崩塌及滑坡等災(zāi)害，土體也從近似固態(tài)的穩(wěn)定狀態(tài)發(fā)展到了近似液體的流動(dòng)狀態(tài)。所以水源型黃土地質(zhì)災(zāi)害鏈實(shí)質(zhì)就是黃土濕陷、地面沉降、塌陷、崩塌及滑坡等災(zāi)害逐步轉(zhuǎn)化，同時(shí)土體狀態(tài)從連續(xù)介質(zhì)近似固態(tài)狀發(fā)展到固液兩向近似液態(tài)狀的同源災(zāi)害鏈。結(jié)合其演化模式的特點(diǎn)，從土體狀態(tài)的變化狀態(tài)出發(fā)，其演化過(guò)程可以概括為連續(xù)固體、變形體、破裂體、散體、流體五種宏觀土體狀態(tài)的變化過(guò)程。其中，連續(xù)固體指自然地貌下的土體原始形態(tài)，此狀態(tài)下黃土界面也發(fā)育，但處于緊閉未松動(dòng)狀態(tài)；變形體指水沿黃土界面下滲，松動(dòng)了界面，到黃土塌陷發(fā)生前的土體架空狀態(tài)；破裂體指黃土界面開(kāi)裂后，坡體發(fā)生整體變形但黃土結(jié)構(gòu)體還未分離斜坡母體的土體分離狀態(tài)；散體指黃土結(jié)構(gòu)體徹底脫離斜坡母體到形成黃土崩滑的土體潰散狀態(tài)；流體指崩滑或松散堆積物轉(zhuǎn)化成泥流時(shí)的土體流動(dòng)狀態(tài)（圖16）。

圖16 水源型黃土地質(zhì)災(zāi)害鏈的五種土體狀態(tài)Fig.16 Five kinds of soil state in the loess geohazards chain induced by water

根據(jù)這個(gè)劃分方式，水源型黃土地質(zhì)災(zāi)害鏈的鏈生演化機(jī)制研究實(shí)質(zhì)是連續(xù)固體→變形體轉(zhuǎn)化演變機(jī)理、變形體→破裂體轉(zhuǎn)化演變機(jī)理、破裂體→散體轉(zhuǎn)化演變機(jī)理、散體→流體轉(zhuǎn)化演變機(jī)理。在這四個(gè)轉(zhuǎn)化過(guò)程中，涉及到的黃土災(zāi)種有黃土濕陷、地面沉降、地裂縫、塌陷、崩塌、滑坡、泥流。在連續(xù)固體→變形體轉(zhuǎn)化過(guò)程中涉及到的災(zāi)種主要是黃土濕陷、地面沉降，所以此過(guò)程主要討論的是土體的變形機(jī)理。在變形體→破裂體轉(zhuǎn)化過(guò)程中涉及到的災(zāi)種主要是黃土地裂縫、塌陷，所以主要討論的是坡體的破碎機(jī)理。在破裂體→散體轉(zhuǎn)化過(guò)程中涉及到的災(zāi)種黃土崩塌、滑坡，所以此過(guò)程主要討論的是黃土坡體的滑移及結(jié)構(gòu)體的潰散機(jī)理。散體→流體轉(zhuǎn)化過(guò)程中涉及到的災(zāi)種主要是黃土泥流，所以此過(guò)程主要討論的是黃土體的流動(dòng)機(jī)理。

5 結(jié)論

黃土災(zāi)害呈鏈?zhǔn)桨l(fā)展，表現(xiàn)出隨機(jī)性，差異性，多樣性。文中系統(tǒng)性的定義了黃土地質(zhì)災(zāi)害鏈，總結(jié)了各災(zāi)種之間的因果互饋關(guān)系以及演化特征，并且分析了黃土界面與水源型黃土地質(zhì)災(zāi)害鏈的互饋過(guò)程以及土體狀態(tài)變化過(guò)程，可以為細(xì)化黃土地質(zhì)災(zāi)害鏈的斷鏈措施以及防災(zāi)減災(zāi)工作提供相關(guān)技術(shù)支撐。主要得出以下結(jié)論：

（1）分別從成因、因果關(guān)系、災(zāi)變機(jī)制上對(duì)黃土地質(zhì)災(zāi)害鏈進(jìn)行了分類(lèi)：從成因上可以分為內(nèi)動(dòng)力黃土地質(zhì)災(zāi)害鏈、外動(dòng)力黃土地質(zhì)災(zāi)害鏈、人為黃土地質(zhì)災(zāi)害鏈、復(fù)雜動(dòng)力黃土地質(zhì)災(zāi)害鏈；從因果關(guān)系上可以分為伴生黃土地質(zhì)災(zāi)害鏈，派生黃土地質(zhì)災(zāi)害鏈；從災(zāi)變機(jī)制上可以分為水源型黃土地質(zhì)災(zāi)害鏈，力-水源型黃土地質(zhì)災(zāi)害鏈、震源型黃土地質(zhì)災(zāi)害鏈。

（2）基于黃土地質(zhì)災(zāi)害鏈的演化特征，總結(jié)了黃土地質(zhì)災(zāi)害鏈有4大主要特征：1）復(fù)雜變化性；2）水作用明顯；3）時(shí)效性和周期性；4）放大效應(yīng)和衰減效應(yīng)。

（3）黃土界面是災(zāi)害鏈啟動(dòng)和演化過(guò)程的主要控制因素，黃土界面不斷分解而后再生然后再分解的循環(huán)一直參與了水源型黃土地質(zhì)災(zāi)害鏈整個(gè)演化過(guò)程。巨觀界面控制地貌演化的過(guò)程發(fā)生在災(zāi)害鏈的孕災(zāi)階段。微觀界面控制顆粒分布、細(xì)觀界面控制土體狀態(tài)、宏觀界面控制坡體結(jié)構(gòu)這3個(gè)過(guò)程發(fā)生在災(zāi)害鏈的激發(fā)和成災(zāi)階段。

（4）水源型黃土地質(zhì)災(zāi)害鏈就是天然黃土邊坡連續(xù)發(fā)展到黃土泥流的過(guò)程，土體也從近似固態(tài)的穩(wěn)定狀態(tài)發(fā)展到了近似液體的流動(dòng)狀態(tài)。從土體狀態(tài)的變化狀態(tài)出發(fā)，其演化過(guò)程可以概括為連續(xù)固體、變形體、破裂體、散體、流體5種宏觀土體狀態(tài)的變化過(guò)程。