宁南山区黄土滑坡形成机理探讨

张福忠

（宁夏回族自治区国土资源调查监测院，宁夏 银川 750004）

0 引言

宁南山区泛指宁夏南部黄土丘陵区，包括泾源、隆德、彭阳、西吉、同心、海原和原州七个县（区），总面积22646.29km2，是西北地质灾害发育区之一，灾害类型以滑坡为主，已调查发现的679处滑坡中，有657处属黄土滑坡。

滑坡主要分布于黄土丘陵区的黄土梁边、黄土残塬边、河谷冲蚀岸边及其支流或支沟中下游两侧，并多以对滑形式出现，具有群发性，其分布与河流沟谷的发育密切相关。

据调查，滑坡的发生在晚更新世末和全新世初期相对集中；地震活跃期、人类工程活动强烈时期，滑坡发生相对集中；雨季滑坡发生相对集中。滑坡规模以大中型居多。

突发、群发的滑坡灾害严重制约了宁南山区的经济发展，研究黄土滑坡的形成机理，有助于人类科学地制定防治规划，有效避免和减少滑坡灾害损失。

1 滑坡形成的环境条件

1.1 地形地貌与气象

宁南山区由北向南地形起伏较大，地貌类型包括黄土丘陵、红层丘陵、土石质中低山和河谷平原四种。滑坡主要发育在黄土丘陵区。黄土丘陵主要由黄土塬、黄土残塬和黄土梁峁构成，塬面较平坦，有的微有倾斜，由于沟谷向塬侵蚀，塬边多呈不规则，塬面和沟谷底部的相对高差较大，其间沟谷发育，呈“V”字型，沟谷的上游地带，沟浅坡缓，沟头三面环梁，中间为低平洼地，形成掌、坪、杖地貌；沟谷中下游切割深，沟底多切入基岩。

区内降雨由北向南大体可分为三个区：同心—海原区，年平均降雨量一般小于400mm；原州、西吉、隆德区，年平均降雨量介于400～600mm之间；彭阳、泾源区，最大年平均降雨量可达700mm以上；受地势影响，三区降水均以突发式局部区域降雨为主，雨量较集中，使其成为滑坡灾害发生的主要诱因之一。

1.2 地层岩性与地质构造

区内出露地层以白垩系、新近系、第四系为主。其中第四系中晚更新统黄土广泛分布于黄土丘陵上部和各大冲沟内。结构疏松，强度低，遇水软化，节理裂隙发育等特性决定了黄土是区内最主要的易滑地层。宁南黄土中粉粒及可容盐含量高，遇水容易软化、凝聚力迅速降低，使其具备产生滑移的内在条件。

宁南山区构造单元比较复杂，由东向西发育有三条深大断裂、四条区域性大断裂和十三个构造区域。三条深大断裂为阿色浪—车道断裂、牛首山—罗山—固原深大断裂和南西华山—六盘山大断裂，以这三条断裂为界由东向西还发育有烟筒山—窑山断裂、卫宁北山—清水河断裂、香山—天景山北麓断裂和月亮山—六盘山西缘大断裂等四条区域性大断裂；十三个构造区域由东向西分别为陶乐 －灵武隆起、盐池台陷、青（龙山）—云（雾山）隆起、牛首山 －罗山断隆、红寺堡拗盆地、烟筒山断隆、卫宁－清水河断陷盆地、香山－天景山断隆、海原－兴仁堡断拗盆地、西华山断隆、月亮山－六盘山断隆、西吉断陷盆地和三合隆起。这些断裂及构造区域为滑坡灾害的发育提供了必要的地质环境条件。

1.3 地震与人类工程活动

宁南山区有南、西华山北麓—六盘山东麓大断裂通过，是青藏高原东北边缘地区最重要的一条第四纪左旋走滑断层带。具有规模大、下切深、使前期形成的深大断层活化，延伸增长、走滑规模大、总位移幅度大等特征。该断裂切割古生代以来的所有地块，近期活动一直很强烈，因而地震频率高，破坏性大，并有不同规模的地震生成。周边各区县的地震主要受此断裂的影响，历史上超过5级的地震共有30次，其中1920年12月16日，震中在海原县园河的8.5级地震，烈度大、破坏性强、影响范围广，调查发现的老滑坡多由此次地震诱发产生。

黄土丘陵遭受地质时期的长期侵蚀，已形成坡度相对平缓的黄土梁或峁，尤其是全新世以来，气候干旱少雨，谷坡经过地质历史时期的各种侵蚀作用，应力释放和调整亦基本完成，斜坡一般处于稳定或基本稳定状态。但日益加剧的人类工程活动，如开荒造田、削坡、兴修水利、矿业开发、公路建设等，打破了原有的平衡状态，使斜坡易产生变形，在雨季发生滑坡灾害。

2 黄土边坡的稳定性

2.1 斜坡稳定性与坡度

据调查资料统计：黄土滑坡多发生在坡度20°～60°之间。根据调查所获宁南黄土的物理力学参数，分别采用Janbu法及有限元分析对10°～60°边坡进行分析计算，其结果如表1：

表1 不同坡度的斜坡稳定性系数Table1 Theslopestabilityfactorofdifferentgradients

计算参数为：坡高70m；容重16kN/m3；凝聚力40kPa；内摩擦角 27°；弹模 89000kPa；泊松比 0.35；阻尼比0.15。（直线坡型，未考虑地震及降雨影响）

由表1不难发现，黄土边坡稳定性随坡度的增大近线性减小。小于20°一般不会失稳，在50°时处于临界状态，大于60°时坡体失稳。有限元模拟结果辨明：从坡度40°开始，在坡面出现明显的剪应力集中，坡度从50°开始斜坡坡面出现拉张区，60°时在坡顶出现拉张区，可印证实际状况，破坏以崩塌形式为主。

2.2 斜坡稳定性与坡型

坡形对黄土边坡的稳定性影响主要表现在极限平衡状态下。为此，以坡高70m、坡度50°的临界坡度作为演算雏形，通过变换不同坡形，计算其斜坡稳定系数，其结果如表2。

表2 不同坡型的斜坡稳定性系数Table2 Theslopestabilityfactorofdifferenttypes

结果表明：直线型边坡稳定性最好，凹形坡次之，而凸形坡稳定性最差。

2.3 斜坡稳定性与降雨入渗

降雨入渗使一定深度范围内的黄土土体容重增大，强度降低。降雨入渗的深度则取决于黄土体裂隙的发育程度。宁南山区由于地处活动性构造带，加之历史上多次遭受地震，黄土体裂隙比较发育。因此，降雨入渗成为诱发黄土滑坡的重要的因素之一。

前述坡体参数（高70m，坡度50°），模拟降雨条件下斜坡的稳定状态，其稳定系数仅为0.917，表明降雨入渗对边坡的稳定性影响很大。

2.4 斜坡稳定性与坡脚开挖

人类工程活动常表现为在斜坡坡脚处取土平整建筑场地或于坡体中下部开挖建窑，按照前述坡体参数，分别计算坡脚取土和挖土建窑两种情况，获取其稳定系数如表3。

表3 坡脚取土与挖空斜坡稳定性系数Table3 Theslopestabilityfactorofthe slopetoediggingandhollowing

有限元模拟显示，在坡脚开挖的部位，发生剪应力的集中；中下部挖窑剪应力在开挖窑洞的部位集中、拉张区发生在开挖窑洞的上方；中下部开挖窑洞之后，坡体水平方向位移量增大。计算及分析结果表明：在极限平衡状态，人类工程对黄土斜坡的扰动，势必诱发滑坡的发生。

2.5 斜坡稳定性与坡顶载荷

坡顶加载超重后也容易引起滑坡。故模拟在坡顶堆载2m厚的土体，容重16kN/m3，计算结果表明：坡顶加载使坡体稳定性降低（表4），而坡体内部应力变化不明显。

表4 坡顶加载条件下斜坡稳定性系数Table4 Theslopestabilityfactorunderthe conditionofthetopoftheslope’sloading

3 宁南黄土滑坡的特性

3.1空间分布特性

黄土滑坡主要分布于黄土丘陵区的河谷冲蚀岸边及其支流或支沟中下游两侧，并多以对滑形式出现，具有群发性。这种分布特点与河流及沟谷的发育期有关。一般在沟谷形成早期，以垂直侵蚀作用为主，沟谷两侧崩塌、滑塌频发；当河流进入以侧蚀为主的阶段，风化、卸载作用强烈，处于河流侵蚀岸的斜坡易发生滑坡、崩塌；在河流发育成型阶段，自然条件下坡体总体较稳定，在风化和卸载作用下，多形成剥落和局部不稳定。成型河谷区地形平坦开阔，往往也是人类工程活动的密集区，由此诱发滑坡发生。

3.2 滑坡结构特性

宁南山区滑体多由黄土状土组成，滑体或为单一马兰黄土，或由马兰黄土、离石黄土和午城黄土混合构成。滑体在滑动时松动解体，稳定后在重力作用下，又重新压密固结。在钻孔内和冲沟中，可见固结混杂的土体。仅在滑坡前缘，出现下部基岩风化壳被错动，可见土石混杂体。多数滑坡体中地下水贫乏，在滑坡前缘一般亦无地下水溢出。

滑面主要为黄土与新近系泥岩或白垩系砂岩（泥、页岩）接触层面，即沿岩土接触面滑动；也有一定数量的滑坡并未沿岩土接触面滑动，而是向下错断黄土滑动；滑带埋藏于滑体之下，几乎未见露头；滑坡前缘侵蚀断面上可见滑床土体部分多呈强烈挤压状，土体结构致密，具明显的挤压纹理，甚至可见厚数十厘米至数米的挤压带。因震湖而闻名中外的西吉地震滑坡，也大多沿下伏新近系泥岩面滑动。

3.3 滑坡变形破坏特性

根据宁南山区滑坡的成因机制不同，可将其划分为重力卸荷型牵引式滑坡和地震破坏推移式滑坡二类，前者以彭阳境内滑坡为代表，后者以西吉境内滑坡为典型。

3.3.1 重力卸荷型滑坡

黄土边坡当坡脚遭受流水侵蚀或人工开挖斩坡，引起坡面土体内部应力的重新调整，在重力作用下，坡顶及坡面开始出现卸荷拉张裂隙或追踪土体原有的竖向节理、裂隙进行应力释放。土体一旦产生裂隙，降雨及融雪就可轻易地灌入裂隙之中，在冰冻、溶蚀交替作用下，裂隙逐渐向纵深发展、宽度也逐步增加；裂隙规模的不断扩大使冰冻、溶蚀交替作用更强烈；另一方面，渗入土体内部的雨雪溶蚀土体颗粒，使其凝聚力急剧降低，当突破坡体平衡极限，在重力作用下，坡面土体沿土体内裂隙及应力集中带剪切追踪，最终贯穿滑面，产生滑坡。

当黄土体下伏为新近系泥岩层，且泥岩层面为顺坡向（顺向边坡结构），土体纵向裂隙贯穿至岩土接触面后，入渗雨雪溶蚀岩土接触带，逐渐可沿黄土与泥岩接触面溢出，形成软弱面而使坡体滑动，形成较大规模的滑坡。

3.3.2 地震破坏型滑坡

地震破坏型滑坡的规模与震级大小呈正相关性：震级大、烈度高，易形成大规模、高速远程滑坡；反之，则形成较小规模的崩塌、错落或滑坡。强震滑坡具有以下主要特性：

①分布广，8级以上地震，影响范围可达280km；②密度大，强震区滑坡面积可达45％以上；③规模大，长达8km，宽达3km，面积达17km2；④滑速高、滑距大，滑动过程犹如瀑布飞泻，滑距1～3km，最大可达5km；⑤滑床坡度小，大型黄土地震滑坡的滑床坡度常小于15°最小的仅有3°。

1920年海原地震，西吉县西南山体大面积破坏，可谓“山崩地裂”，犹如2008年的汶川地震。西吉境内的滑坡大部分形成于本次地震。强震使得黄土体结构松散、裂隙发育，土体与下伏泥岩接触带出现液化，整个边坡的力学强度大大降低，出现不同规模的滑坡群体。受地层岩性的控制，这些滑坡多沿新近系泥岩面滑动，滑距很大。因此，在地貌上表现出“坡缓沟深”的特征。

地震滑坡的滑体往往很长，后期逢集中降雨或连阴雨，降雨沿土体裂隙入渗其间。一来降低土体凝聚力，二则增加土体容重。在重力作用下，推动下部坡体沿泥岩层面继续缓慢滑动，因而滑体中后部经常出现宽窄不一、延伸长度不等的裂缝。规模也不像重力卸荷型黄土滑坡那样有规律，其大小差异极大；滑坡后缘壁较陡，一般60°～80°；滑体中前部因滑带土震动液化失去抗滑能力而表现为滑面平直光滑；下伏的新近系泥岩构成隔水层，地下水以泉的形式沿黄土与泥岩接触面溢出。

4 宁南黄土滑坡形成机理

4.1 重力卸荷型黄土滑坡

黄土边坡由于受到坡脚侵蚀或开挖，在重力作用下，其位移出现在压缩及临空两个方向，造成最小主应力变小。一旦该位移足够大，近水平向的最小主应力出现负值，坡顶将出现拉张裂缝。在降雨、融雪及冰冻的交替作用下，裂缝将不断地向坡体深部发展。

单一性的黄土斜坡，在高倾角压剪应力的作用下，出现相应的微应变状态。当其与坡体某一显微裂隙方向一致时，发生局部的应力集中。一旦集中应力超过该处土体的极限强度，就会发生破坏，而且该处土体损失的抗力将传递附加于其周围最大剪应力方向的黄土体上，引起该方向的应力集中，土体破坏。进而这种过程循环进行，最终导致沿该方向的破坏带（滑动面）的形成。

对于由新、老黄土组成的斜坡，上部马兰黄土中拉张裂缝向下楔入发展、中部离石黄土中剪切渐进破坏区扩展、下部午城黄土在坡脚处应力集中引起的坡趾破坏区向后上方延伸，导致三个破坏区之间的未破坏区愈来愈小，最终当未破坏区消失时，斜坡整体失稳滑动。

4.2 地震破坏型黄土滑坡

地震作用下黄土斜坡失稳的主要机理，可归结为黄土震陷、黄土震动液化或二者的组合：

4.2.1 黄土震陷型机理

黄土震陷是指非饱和、低湿度的黄土在地震荷载作用下产生的突发性残余变形现象，在宏观上表现为黄土场地的突然性附加沉陷。在丘陵区的斜坡地段则可能引起斜坡失稳。宁南黄土具有大孔性架空孔隙结构（［1］张振中等，1999），在强地震力的作用下有可能使土粒间原本较弱的胶结力丧失，土颗粒落入大孔隙中，使土结构产生崩溃性的破坏，土颗粒重新排列，从而使土体产生较大的残余变形，即发生震陷。

4.2.2 黄土震动液化型机理

液化是指土层由于含水量较高，在地震震动和水的共同作用下导致土体中孔隙水压力增大，有效应力减小，从而导致土体抗剪强度降低，引起的边坡失稳或滑动现象。在地震力作用下，黄土体土颗粒进行了重新排列，使一些孔隙被土颗粒所充填，黄土产生了较大的残余应变，表现出较低的抗剪性及较大的流动性，导致土体产生大面积的下陷或者发生流动，在宏观上则形成土体滑移、产生泥流或大面积沉陷。

5 结论

通过对宁南黄土丘陵区边坡稳定性模拟计算、黄土滑坡特性分析及其形成机理探讨研究，得出如下主要结论：

（1）黄土丘陵区自然稳定边坡的坡度应控制在50°以内，以≤45°为宜。

（2）人类工程活动对黄土边坡的扰动，包括坡脚开挖、坡顶载荷、坡面取土等，均会影响并降低边坡的稳定性。应尽量避免对黄土斜坡的扰动。

（3）降雨入渗是诱发黄土滑坡的主要因素之一，在黄土体支零破碎的地震高烈度区尤为突出。因此，降雨或持续性降雨期间应加强灾害巡查。

（4）黄土梁边、黄土残塬边、河谷冲蚀岸边及支沟两侧均为滑坡易发生地段，应尽量避免规划布设工程，无法避让的工程则应辅以防护。

（5）黄土堆积厚度大、下伏泥岩为顺向边坡结构的地段应为潜在滑坡灾害重点防护段。

（6）在地震高烈度区及活动性断裂带影响范围，除了注意防范已经查明的滑坡之外，更要注意那些坡高、土厚、土体完整性差的斜坡体。

［1］张振中.黄土地震灾害预测［M］.北京：地震出版社，1999.ZHANGZhenzhong.Forecastofearthquakehazardinloess［M］.Beijing：EarthqukePublishCompany，1999.