晉西黃土崩塌類型及其變形-破壞機制

劉知 安明曉 楊文府 劉小松 李喜安

摘 要：晉西黃土高原溝壑縱橫的地貌形態(tài)使得黃土崩塌災害頻發(fā)，加之因其縱向貫穿砂黃土帶、典型黃土帶和黏黃土帶，黃土崩塌類型齊全，為黃土崩塌成因及分類理論研究提供了便利條件?；诖送ㄟ^開展大量野外調查研究，提出了晉西黃土崩塌的“主控因素分類” 和“變形-破壞方式分類”，并探索了滑落式黃土崩塌與黃土滑坡的界定條件。結果表明：晉西黃土崩塌按主控因素可分為凍融破壞、構造應力誘導、降雨誘發(fā)、灌溉誘發(fā)、工程擾動、植物根劈、復合型等7種類型，按變形-破壞方式可分為被動（拉裂）傾倒式、主動（推擠）傾倒式、下挫式、墜落式、被動（拉裂）滑落式、主動（剪切）滑落式、剝落式等7種類型；將變形黃土體重心的垂直移動距離大于其水平位移距離2倍以上且其致災模式以“擊毀+掩埋”為主，“沖毀”為輔的認定為滑落式崩塌。以上研究結果不僅可用于指導晉西黃土高原崩塌災害防治規(guī)劃工作實踐，亦可為黃土崩塌理論研究提供可以借鑒的理論基礎。

關鍵詞：黃土崩塌；主控因素；變形-破壞；分類研究

中圖分類號：P 642.21

文獻標志碼：

A

文章編號：1672-9315（2023）06-1176

-10

DOI：10.13800/j.cnki.xakjdxxb.2023.0616開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

Types of loess collapse and its deformation-failure

mechanism in western Shanxi Province

LIU Zhi1，2，AN Mingxiao3，YANG Wenfu2，4，LIU Xiaosong1，2，LI Xian3

（1.

Coal Geological Geophysical Exploration Surveying and Mapping Institute of Shanxi Province，Jinzhong 030600，China；

2.Key Laboratory of Investigation，Monitoring and Protection of Natural Resources in Mining Cities，

Ministry of Natural Resources，Jinzhong 030600，China；

3.School of Geological Engineering and Geomatics，Changan University，Xian 710054，China；

4.Shanxi Key Laboratory of Resources，Environment and Disaster Monitoring，Jinzhong 030600，China）

Abstract：

The vertical and horizontal landform of the Loess Plateau in western Shanxi Province has led to frequent occurrence of loess collapse disasters.In addition，due to its

longitudinal penetration through the sand loess zone，typical loess zone，and clay loess zone，the types of loess collapse are complete，providing convenient conditions for the study of the causes and classification theory of loess collapse.Based on this，the “classification of main control factors” and “classification of deformation-failure modes” of loess collapse in western Shanxi were put forward through a large number of field investigations，and the boundary conditions of sliding loess collapse and loess landslide were explored.The results indicate that the loess collapse in western Shanxi Province can be divided into seven types according to the main control factors：freeze-thaw failure，tectonic stress induction，rainfall induction，irrigation induction，engineering disturbance，plant root splitting，and composite type.According to the deformation-failure mode，the loess collapse in western Shanxi Province can be divided into seven types：passive（tensile fracture）toppling collapse，active（push）toppling collapse，plunge collapse，fall collapse，passive（tensile fracture）pull-down collapse，active（shear）slide collapse，and spalling collapse.If the vertical movement distance of the center of gravity of the deformed loess body is more than twice its horizontal displacement distance，and its disaster causing mode is mainly “destruction+burial”，supplemented by “erosion”，then it is considered as a sliding collapse.The above research results can not only be used to guide the practice of prevention and control planning for collapse disasters in the Loess Plateau of western Shanxi Province，but also provide a theoretical basis for reference for the theoretical research of loess collapse.

Key words：loess collapse；main controlling factor；deformation-failure；classified research

0 引 言黃土是在干旱和半干旱氣候中形成的特殊第四紀沉積物［1］，具有濕陷性、水敏性、垂直節(jié)理發(fā)育等特性［2］，正是由于黃土的這些特性，使得黃土高原地區(qū)地質災害頻發(fā)。中國黃土覆蓋面積約為64萬km2，約占中國陸地面積的6.6%，然而據統(tǒng)計，中國黃土高原地區(qū)在冊地質災害隱患點3.9萬處，占全國33萬余處在冊地質災害隱患點的12%［3］，是中國地質災害發(fā)育的重災區(qū)。黃土高原地區(qū)的地質災害類型主要為滑坡、崩塌、泥石流以及地面塌陷，其中95%以上為滑坡崩塌［3］。山西省晉西黃土高原地區(qū)內高低起伏的黃土地貌、廣泛發(fā)育的溝谷、強烈的內外動力地質作用，以及愈來愈頻繁的區(qū)內人類活動等多方面的共同作用，使得該區(qū)成為了各類黃土地質災害的典型多發(fā)地，其中黃土斜崩塌是最為常見、致災最為嚴重的一種地質災害。關于黃土崩塌分類，國內外學者對其進行了眾多研究。目前對于黃土崩塌類型的劃分依據主要有崩塌的發(fā)展模式［4］、土體的受力方式［5］、變形破壞特征［6］、破壞模式［7］、驅動機制［8］、公路邊坡類型［9］、剝落的發(fā)育特征與成因［10］、崩塌規(guī)模［11-12］、起始運動方式［13］等。不同的劃分依據對于黃土崩塌劃分結果不盡相同，張茂省等按黃土崩塌的破壞機制將黃土崩塌分為拉裂-墜落式崩塌、拉裂-傾倒式崩塌、拉裂-下挫式崩塌和拉裂-滑移式崩塌4種［6］；彭軍等對陜北地區(qū)典型黃土崩塌災害進行了總結分析，并按破壞形式將其分為剝落式崩塌、崩落式崩塌、臺階式崩塌、傾倒式崩塌、滑移式崩塌、冒落式崩塌6種模式類型［14］；葉萬軍

等依據多年的研究成果將陜北黃土斜坡崩塌分為楔形體崩塌、傾倒型崩塌、拉裂-滑移式崩塌3類［8，15-16］；李玉姝等通過對山西吉縣的黃土崩塌地質災害進行總結分析，不僅將其按成因模式歸納為坡面飽和剝落型崩塌、凍融崩塌型、植物根劈崩塌型、節(jié)理切割崩塌型、危巖（土）體失穩(wěn)崩塌型、坡體剪切破壞崩滑型等6種崩塌模式；還進一步按黃土崩塌的變形破壞機制將吉縣地區(qū)黃土崩塌分為淺表層卸荷風化帶崩塌、結構面控制的黃土塊體崩塌和黃土層內剪切破壞引起的滑移式崩塌三類模式［17］；史彩霞等也通過收集相關資料，將山西省鄉(xiāng)寧縣的崩塌地質災害模式分為傾倒+毀壞模式、崩落+毀傷模式兩種模式。這些已有研究成果對黃土崩塌災害的防治起到了有效的指導作用［18］。正確的分類和命名是科學研究的基礎，但縱觀目前關于黃土崩塌研究方面的文獻，仍然還存在類型不全、不同類型之間界定模糊、命名缺乏明確的規(guī)則等問題。加之由于地域的差別而存在孕災環(huán)境等諸多方面的顯著差異，直接套用部分區(qū)域得出的尚有一定局限性的成因模式來解釋黃土斜坡崩塌災害的形成機理，很大程度上并不一定能夠滿足其他區(qū)域黃土崩塌災害各方面工作的需要。這些問題對黃土崩塌災害防治的工程實踐造成了不少困擾，因此對黃土崩塌進行全面系統(tǒng)分類命名，同時厘清不同類型黃土崩塌的變形破壞機制，具有十分重要的現(xiàn)實意義。不同研究區(qū)域具有不同的氣候條件、不同的孕災背景。目前對于黃土崩塌的研究區(qū)域主要集中于陜北黃土高原地區(qū)、甘肅天水北山地區(qū)以及山西省的部分縣域［18-20］。選擇一個典型的研究區(qū)域不僅有利于對黃土崩塌進行全面系統(tǒng)研究，還能進一步完善黃土斜坡崩塌類型的系統(tǒng)性理論研究。晉西黃土分布區(qū)緯度跨度大的地理分布特點決定了其沿縱向貫穿砂黃土、典型黃土和黏黃土的土性分帶，使得該區(qū)域黃土崩塌類型齊全，這為全面系統(tǒng)地對黃土崩塌研究提供了極佳的天然條件。鑒于此，首先在對晉西黃土高原全面詳細野外調查的基礎上，主要從黃土崩塌的主控因素和黃土崩塌的變形-破壞方式兩方面，全面總結了晉西黃土崩塌的類型，并建議了黃土崩塌的命名規(guī)則，進而通過典型黃土崩塌災害案例的剖析，厘清了不同黃土崩塌的變形破壞機制，其成果為黃土崩塌災害的理論研究以及黃土崩塌地質災害的科學防治提供了重要的理論基礎。

1 研究區(qū)概況研究區(qū)位于黃河東岸呂梁山西側，北起河曲縣，南至鄉(xiāng)寧縣，呈南北向條帶狀分布，西以黃河為界，與陜北黃土高原區(qū)為鄰，東以離石大斷裂為

界，具體包括興縣、臨縣、方山、離石、柳林、中陽、石樓、永和等13個縣，面積為2.2×104 km2（圖1）。

據不完全統(tǒng)計，目前晉西黃土高原在冊的地質災害及地質災害隱患點共2 089個，黃土崩塌及其隱患點的數(shù)量為1 663，約占總災害點的79.6%（圖2），其嚴重威脅著人民的生命財產安全。值得注意的是，由于晉西黃土高原緯度跨度較大的地理特點，使得其縱向貫穿砂黃土帶、典型黃土帶和黏黃土帶，因此黃土崩塌類型十分齊全，特別適于籍此開展黃土崩塌的理論研究。

晉西黃土高原屬暖溫帶大陸性季風氣候，一年四季分明，春季干旱風大升溫較快，夏季短暫炎熱多雨，秋季陰雨連綿，冬季漫長寒冷少雪。其大部分地區(qū)均屬于季凍區(qū)，月平均氣溫約在零下4～9 ℃，極端氣溫可達零下20 ℃左右。區(qū)域中降雨主要集中于7月至9月，這也是地質災害的頻發(fā)期。加之該區(qū)作為山西主要的能源開發(fā)地，人類工程建設的規(guī)模和數(shù)量均十分巨大，使得土地、坡體遭到大面積破壞，從而進一步加劇了地質災害的產生。山西省除少數(shù)地方基巖裸露外，大部分地方覆蓋著10～30 m厚的黃土，而晉西黃土一般覆蓋厚度20～30 m，最厚可達100～150 m，黃土崩塌地質災害頻發(fā)。

2 晉西黃土崩塌主控因素分類不同的孕災地質條件下的崩塌地質災害有不同的成災模式，亦會產生不同規(guī)模的破壞，而孕災地質條件的作用結果直接反映于崩塌體的主控因素上，因此分析查清崩塌體的主控因素有利于對崩塌展開科學的防治工作。基于三維遙感影像結合實地走訪調查資料對晉西黃土斜坡崩塌的實際情況進行了詳細調查分析，在此基礎上將黃土斜坡崩塌按其主要成因亦即其主控因素可以劃分為7種類型，具體見表1。

3 晉西黃土崩塌變形-破壞方式分類及其變形-破壞機制

對黃土崩塌進行主控因素分類有助于在較大的區(qū)域范圍內借助遙感影像、地質資料等對崩塌進行初步的分析和判斷。然而想要準確的研判某一特定崩塌所處的穩(wěn)定狀態(tài)及其破壞時對周圍環(huán)境的影響程度必須要借助實地的走訪調查資料對其進行進一步探究，因此對黃土崩塌開展變形-破壞方式分類及其變形-破壞機制分析便成為了提高防災減災效率必須開展的工作。

3.1 黃土崩塌變形-破壞方式分類按崩塌的變形-破壞方式進行劃分的方法，其優(yōu)點在于能夠直觀反映崩塌體的變形破壞特征及其應力機制。地質災害的變形破壞特征是野外調查與遙感監(jiān)測的第一手資料，其反映了崩塌體目前的穩(wěn)定狀態(tài)及崩塌體的基本影響范圍與規(guī)模，有助于地質工作者與群測群防責任人對于災害的狀況進行初步判斷從而在第一時間規(guī)避損失，這對崩塌災害的預測預報意義重大，這亦對黃土崩塌災害的工程防治具有十分重要的指導意義。文中根據晉西黃土斜坡崩塌典型實例，將黃土斜坡崩塌按崩塌體變形破壞特征可以劃分為5大類，7個亞類，具體見表2。

3.2 黃土崩塌變形-破壞機制分析針對表2的黃土崩塌變形-破壞方式類型，結合眾多學者對黃土分布區(qū)崩塌災害典型案例的研究結論，對不同類型的變形-破壞機制進行分析，結果如下。

3.2.1 傾倒式崩塌1）被動（拉裂）傾倒式崩塌。傾倒式崩塌是一種十分普遍的黃土崩塌類型，圖3（b）為典型的被動（拉裂）傾倒式崩塌［21］，該崩塌主要破壞原因便是，陡傾的坡體受到劇烈的風化作用后產生向內的小型凹腔，后坡體在其自重狀態(tài)下被破壞，該處崩塌體因坡體十分破碎，所以時刻都有規(guī)模較小的崩塌產生。被動（拉裂）傾倒式崩塌災害模式形成演化過程一般為：節(jié)理發(fā)育的陡傾黃土斜坡的臨空土體在內外動力地質作用及重力卸荷作用下影響下坡頂與坡肩部位出現(xiàn)了張性卸荷裂隙，臨空土體下部在差異風化或差異侵蝕作用［20］下向坡體內溯源后退，坡體局部產生“凹腔”，變形黃土體

支點向坡內移動，

最終重力在傾覆力方向的分量超過抗傾覆力分量，

臨空土體平衡被打破，土體失

穩(wěn)朝臨空方向傾倒形成黃土崩塌地質災害，其致災模式以“墜落+撞擊+掩埋”式（圖3（a））損毀為主。

此類崩塌是特殊地形條件下以重力作用為主導因素、兼有多種地質營力綜合作用的結果，其變形失穩(wěn)過程是由漸進性局部破壞到最終整體發(fā)生突變的過程，多發(fā)生在坡體較陡且遭受一定風化作用的邊坡上。

2）主動（推擠）傾倒式崩塌。區(qū)別于被動傾倒式崩塌，特殊地形條件下以重力與多種地質營力作用綜合作用還可形成一種主動（推擠）傾倒式崩塌。如圖4（b）所示崩塌體失穩(wěn)的主要原因是降雨后水分進入平臺邊緣的拉張裂隙，該裂隙的孔隙水壓力增大致使不穩(wěn)定塊體失穩(wěn)破壞［15］，傾倒崩塌體堆積離坡腳最遠距離為0.73 m。初始驅動力的不同導致了其與被動傾倒式崩塌變形破壞機制的不同。主動（推擠）傾倒式崩塌形成演化過程一般為：節(jié)理發(fā)育的陡峭山坡因后緣有堆載或坡肩附近的裂隙系統(tǒng)在降雨入滲過程中會產生向臨空面的推擠力，在此推擠力作用下垂直裂隙及臨空面的不利組合很快被貫通，隨著上面過程的進行不穩(wěn)定塊體的重心逐漸向外移動［20］，最終崩塌體發(fā)生傾倒式崩塌破壞，其致災模式以“墜落+撞擊+掩埋”式（圖4（a））損毀為主。

3.2.2 下挫式崩塌下挫式崩塌是近直立黃土邊坡不穩(wěn)定土體因各種地質營力作用使得其重心靠后而產生的下挫塌落破壞，一般發(fā)生在后緣垂直節(jié)理裂隙發(fā)育且前緣土體懸空的坡體。圖5（b）是一典型的下挫式黃土斜坡崩塌［22］，該崩塌致使一戶村民居住的兩間平房后墻被砸塌，一家四口人被掩埋。其主要形成原因為切坡建房后使得邊坡應力重分布，后在多年風化侵蝕作用下上部部分土體逐漸臨空，隨著降雨及凍融等外力因素的長期影響，最終產生破壞。

下挫式崩塌災害模式形成演化過程一般為：近直立黃土邊坡因坡腳開挖與風化侵蝕剝落的綜合作用形成“凹腔”，造成邊坡前緣土體懸空，又因卸荷作用或強降雨入滲作用后緣垂直裂隙擴展，并逐漸貫通，而后邊坡上不穩(wěn)定土體重心靠后產生下挫塌落，最終在坡腳碎裂堆積形成黃土堆，其致災模式以“剝落+掩埋+撞擊”式（圖5（a））損毀為主。

3.2.3 墜落式崩塌墜落式崩塌多由上部土體失去支撐在自身重力作用下坍塌所引起的，所以其一般發(fā)生在具有懸空土體且內部節(jié)理發(fā)育的坡體。圖6（b）就為一典型的墜落式黃土崩塌［23］，坡高6～10 m，上覆黃土的厚度為1.0 m，下伏砂礫巖。坡體臨空寬度為0.8～1.1 m不等，截止到實際調查時間該崩塌隱患點仍處于差異性風化剝蝕的階段。墜落式崩塌災害模式形成演化過程一般為：上覆黃土，下伏砂質泥巖等易風化的逆向坡，因差異風化侵蝕或工程活動等作用的影響，導致坡體下部出現(xiàn)了風化凹腔且上部土體懸空。而后在重力與降雨共同作用下懸空的土體沿著黃土內部節(jié)理裂隙拉裂擴張。長期的降雨等外力作用使得裂隙向下發(fā)展貫通，后土體發(fā)生墜落，墜落的土體在坡腳破裂解體形成黃土堆，其致災模式以“塌落+撞擊+掩埋”式（圖6（a））損毀為主。

3.2.4 剝落式崩塌剝落型崩塌的發(fā)生多由連續(xù)降雨造成土體飽和所引起，所以其一般多發(fā)生在連續(xù)降雨的天氣，常發(fā)生在黃土斜坡的坡頂及坡面陡緩接觸帶的下緣，通常為垂直節(jié)理裂隙、風化節(jié)理裂隙較為發(fā)育的地帶，且在坡面橫向上表現(xiàn)為不連續(xù)性，破壞厚度一般不大。圖7（b）就是典型的黃土斜坡剝落式崩塌。該崩塌產生的原因便是坡體上節(jié)理裂隙發(fā)育，崩塌產生的主要原因便是多天連續(xù)降雨使得結構面充水降低了土體強度所致。剝落型崩塌災害形成演化過程一般為：坡頂及緩坡面土體受降水下滲影響使得土體逐漸飽和，而后土體重力增大且其抗力逐漸下降，坡體沿風化裂隙、原生節(jié)理裂隙組成的破壞面發(fā)生破壞。成災模式以“剝落+撞擊＋掩埋”式（圖7（a））損毀為主。

3.2.5 滑落式崩塌崩塌和滑坡是目前被廣泛認可的兩種最主要的斜坡破壞形式，在對斜坡破壞的研究過程中有學者提出了一種新的破壞類型，即帶滑面的崩塌［24］。此類災害在工程活動中一般將其定義為滑落式崩塌，滑落式崩塌不同于典型滑坡，其兼有滑動與坐落的特點，即具有“滑”和“崩塌”兩種機制以及“先滑后塌”或“先塌后滑”的變形破壞過程。盡管黃土滑落式崩塌的規(guī)模一般小于典型滑坡，但由于其頻頻發(fā)生，且黃土滑塌災害的突發(fā)性極強，往往沒有像一般滑坡那樣明顯的前期征兆，因此其產生的危害和損失卻十分巨大。并且在實際黃土工程活動中對于黃土斜坡的滑落式崩塌和滑坡一直存在著難以界定的問題，這也就導致了災害的識別不準確，防范不及時的問題。因此對于滑落式崩塌和滑坡進行界定的問題便亟待解決，在此以實際調查工作為基礎，按照其運動特征和致災模式建議以以下原則對其進行界定：①在實際工程活動中，當不穩(wěn)定地質體重心的垂直移動距是水平移動距離的兩倍以上時，此時初步認為此類災害屬于滑落式崩塌，其余類似災害為滑坡。②滑落式崩塌的致災模式主要以“擊毀+掩埋”為主，“沖毀”為輔?；碌闹聻哪Ｊ街饕浴皼_毀+掩埋”為主，“擊毀”為輔。而滑落式崩塌又按其變形破壞特征劃分為被動（拉裂）滑落式崩塌和主動（剪切）滑落式崩塌。

1）被動（拉裂）滑落式崩塌。被動（拉裂）滑落式崩塌的典型特點一方面是崩塌體后緣存在切割較深的拉張裂隙，另一方面為崩塌體前緣則存在相應的剪出口，高陡且垂直節(jié)理發(fā)育的邊坡較易發(fā)生此類崩塌。圖8（b）便是此類黃土斜坡崩塌的一個典型案例［25］。此崩塌體長度約為220 m，寬度約為15～30 m，高度大約有80 m，體積約為60萬m3，是一大型崩塌，該崩塌導致了20余人死亡，吉縣到鄉(xiāng)寧的一段道路完全中斷，造成了極大的生命財產損失。該崩塌產生的原因主要是前期修路切坡后坡體下部抗力降低，加之后續(xù)各種地質營力作用使得坡體后緣裂縫發(fā)育，最終在降雨作用下坡體失穩(wěn)破壞。被動（拉裂）滑落式崩塌災害模式形成演化過程一般為：坡頂及坡肩附近垂直節(jié)理、裂隙發(fā)育的黃土斜坡，在降雨、人類工程活動等因素影響下坡體自重增大、后緣裂隙加深加大且剪切應力集中，而后因各種長期內外地質營力作用坡體軟弱滑動面貫通破壞，最終坡體發(fā)生滑落式破壞，其致災模式以“滑塌+掩埋”式（圖8（a））損毀為主。

2）主動（剪切）滑落式崩塌。主動（剪切）滑落式崩塌一般是因為人工大面積開挖高陡黃土斜坡的坡腳，打破了黃土斜坡原有的自然力學平衡，致使坡體上部拉應力增大，下部剪應力增大，最終土體被剪斷而發(fā)生剪切破壞型崩塌［26］。圖9（b）為一典型黃土斜坡主動（剪切）滑落式崩塌［22］。該崩塌導致了16人死亡，13間房屋被摧毀，6部車輛被砸壞，其主要破壞因素便是人類工程活動切坡導致的坡體應力重分布。

主動（剪切）滑落式崩塌災害模式形成演化過程一般為：黃土高陡斜坡在大面積削切坡腳，坡體自然應力平衡被打破，隨后坡體應力開始重新分布過程。坡體中下部的剪應力會逐漸增大，中上部拉應力逐漸增高。隨著變形破壞進行各部位土體進入彈性變形階段，中上部土體開始拉伸變形，中下部土體開始壓縮變形。慢慢地土體的拉伸及壓縮變形均達到自身極限，坡體各部位土體進入了塑性變形階段，斜坡頂部一定范圍內逐步出現(xiàn)了張拉裂縫，斜坡中下部坡面逐漸出現(xiàn)剪切裂縫。最終潛在滑移面最終被貫完全通，坡體失穩(wěn)形成了剪切-滑移式崩塌地質災害，其致災模式以“塌落+掩埋”式（圖9（a））損毀為主。

4 結 論

1）提出了晉西黃土高原黃土崩塌主控因素分類（分為凍融破壞型、構造應力型、降雨誘發(fā)型、灌溉誘發(fā)型、工程擾動型、植物根劈型、復合型等7類）和變形-破壞方式分類（分為被動（拉裂）傾倒式、主動（推擠）傾倒式、下挫式、墜落式、剝落式、被動（拉裂）滑落式、主動（剪切）滑落式等7個類型）。

2）依據眾多學者對黃土分布區(qū)崩塌災害典型案例的研究結論結合實際的走訪調查資料建立了被動（拉裂）傾倒式、主動（推擠）傾倒式、下挫式、墜落式、剝落式、被動（拉裂）滑落式、主動（剪切）滑落式等7個類型的詳細形成演化過程并按其各自的破壞特征提出了掩埋、撞擊、墜落、塌落、剝落等多種方式正確組合的致災模式。

3）提出了滑落式黃土崩塌與黃土滑坡的界定方法，即將變形黃土體重心的垂直移動距離大于其水平位移距離兩倍以上，且其致災模式以“擊毀+掩埋”為主，“沖毀”為輔的認定為滑落式崩塌，否則將其認定為黃土滑坡。

參考文獻（References）：

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（責任編輯：劉潔）