陕北黄土窑洞灾害分类及成因分析研究

游志浪，王朝阳，白健忠，崔雪婷，任 秀

(西安科技大学地质与环境学院，陕西西安710054)

陕北黄土窑洞灾害分类及成因分析研究

游志浪*，王朝阳，白健忠，崔雪婷，任 秀

(西安科技大学地质与环境学院，陕西西安710054)

黄土窑洞是中国独具特色的地下工程，研究其现状及灾害问题具有重大的工程意义及现实意义。以陕北大量的野外调查为基础，经后期的深入研究，归纳出黄土窑洞的灾害类型，并且分析探讨其内在原因，对陕北黄土窑洞的修建有很大的现实指导意义。

陕北；黄土窑洞；地质灾害

黄土窑洞是指在黄土高原地区修筑的中国北方特有民居建筑，其历史悠久，现今仍然对当地百姓的生活发挥不可或缺的作用。随着人民生活水平的提高及思想认识的改变，现在陕北地区已经存在大量的黄土窑洞闲置，以致窑洞的倒塌，无人修缮。另一方面黄土窑洞还有很大的居住量，这些处在黄土高原的偏远地区，百姓经济条件差，加之箍窑费用大，又具有强烈的恋窑情节，现今还居住在黄土窑洞中[1]。时至今日，黄土高原地区约有200多个（市），其中有3000～4000万人还居住生活在各种形式的窑洞中[2]。

黄土高原地区土地资源紧张，黄土窑洞是依黄土的地势而建，利用了自然地理条件，其减少建筑用地，缓解耕地荒的问题。作为黄土窑洞的天然建筑材料的黄土，其自身力学强度高，稳定性好。据资料介绍[3]，久居黄土窑洞的居民患病机率较少。

黄土窑洞虽具有很多其他建筑所没有的优点，但其存在的缺陷也显而易见，黄土窑洞其常年阴暗，通风系统差，阴雨天潮湿。更为严重的，黄土窑洞的灾害频发，据延安市国土资源局的统计资料，延安地区2001～2005年间，窑洞灾害就导致73人死亡，10人受伤。在笔者调查的清涧区域，不久前就由于降雨塌窑造成人员伤亡。

1 黄土窑洞的灾害类型

黄土窑洞的天然建筑材料是黄土，黄土虽说其自身的力学性质良好，但黄土本身还处于一种暴露状态，此种天然的地质环境会使其本身的性质发生改变，产生灾害也是必然，故对黄土窑洞的灾害进行简单的分类是极其必要，对窑洞居住人民规避、防治黄土窑洞灾害也有现实指导意义。笔者在对陕西清涧等地区野外调查考察中，结合查阅相关文献[4]，对黄土窑洞灾害类型进行分类。

1.1 黄土窑洞坍塌

黄土窑洞坍塌是黄土窑洞中最为严重的破坏形式，其严重时会威胁窑洞居住人的生命财产安全。黄土窑洞的坍塌一般来说可分为2种类型：一种是渐进型，其破坏是缓慢的、渐进的，其首先是黄土窑洞的局部坍塌（见图1），随着时间的发展与外界条件的影响，最终发展为整体性坍塌；一种是突发型，此种黄土窑洞的上覆土层比较薄，在降雨等因素下直接从窑顶发生坍塌，或者由于黄土窑洞周围存在滑坡，由于滑坡的运动发生整体性的坍塌（见图2）。一般来说渐进型的黄土窑洞的坍塌是可控的、可以监测的，在发生局部坍塌的时候就要及时的修缮，阻止窑洞发生进一步破坏。突发型往往是伴随着恶劣的地质环境如强降雨、滑坡，其很难预报与监测，危险性极大。

笔者经野外调查与查阅前人研究的文献资料，渐进型黄土窑洞坍塌首先都是发生在窑脸与窑顶、洞内部位，综合原因分析，其主要是由于降雨等外在条件及黄土窑洞发育节理、存在古土壤层等内在因素给造成的。

图1 黄土窑洞局部坍塌

图2 黄土窑洞整体性坍塌

1.2 裂缝、窑内渗水

裂缝是黄土窑洞中重要的破坏类型，其产生原因可归结为2个方面：一方面是由于在开挖窑洞时未充分考虑到窑洞的布局及开挖的随意性而产生的初始裂缝，另一方面，在建成窑洞后由于黄土中的应力的重分布、黄土的强度下降、地震冻融作用等因素影响而产生的，黄土中的节理亦是产生裂缝的重要原因。在雨季，雨水会沿着黄土中产生的裂缝及节理而下渗，窑洞内部的拱圈部位往往会产生潮湿的现象。见图3。

图3 黄土窑洞的裂缝

1.3 窑洞冒顶

窑洞冒顶是指在开挖过程中没有科学的理论指导或者在后期的使用中由于各种外部因素的影响使窑洞顶部发生应力集中达到黄土的抗剪强度，发生黄土脱落，使得窑洞上部拱圈发生变形破坏的现象，从而影响窑洞的稳定性和安全性，甚至引发窑洞坍塌破坏。见图4。

图4 窑洞冒顶

黄土窑洞的灾害类型有很多，以上只是几种典型的灾害类型，笔者结合前人研究的资料及野外实地调查而总结得到。

2 黄土窑洞灾害原因分析

黄土窑洞灾害频发，造成窑洞灾害的原因有很多，黄土窑洞是依附在黄土高原地势上的复杂的地质体，其发生灾害的影响因素不是单一的，其是多个因素耦合的结果。作为一个复杂的地质体，对于黄土窑洞的灾害形成机理尚难形成较深刻的认识，但是就黄土窑洞的出现的灾害类型，能出一些基本的影响因素下进行分析研究，基于此，笔者结合室内试验及有关文献对有限的因素进行详细深入的分析，以期对黄土地区的窑洞的灾害防治起到积极引导作用。

2.1 降雨

黄土窑洞本身具有很强的稳定性，降雨是触发黄土窑洞灾害的最主要的原因。其一，从黄土自身的结构来说，黄土本身就疏松多孔，降雨的入渗，会破坏黄土自身结构的稳定性及完整性。其二，黄土具有很强的湿陷性，这是黄土明显的特点，降雨会使其更加明显，进一步影响其整体的稳定性。其三，黄土发育明显垂直节理，这一特点会使降雨入渗十分充分，这样黄土中的软弱面会进一步的扩展，产生类似“雪崩”的效果。另外，降雨会诱发黄土窑洞上覆的黄土产生滑坡、泥石流、崩塌等地质灾害发生，这些地质灾害的发生产生的外力必然会影响黄土窑洞其安全与稳定性。降雨对黄土窑洞的破坏的触发作用是显然的，经现场取样模拟降水实验可知，雨的入渗会改变黄土的物理性质及力学性质，如含水率、抗剪强度等发生明显变化。进而会改变黄土原来的应力分布，同时降雨还会加剧黄土中的裂隙扩张，加速对窑洞的破坏。

2.2 节理

黄土中发育的极其复杂的黄土节理也成为黄土窑洞灾害发生的十分重要的因素。黄土要的选址一般都在比较致密的离石黄土层，查阅前人资料和实地考察，本身离石黄土在开挖前其土质比较均一，节理发育也不是很多，但由于开挖后，其应力场就发生了改变，发生明显的应力集中，或者产生卸荷作用，这样一来就使原来节理不发育的地区产生许多节理，黄土开挖后，受外界因素的影响如降雨、滑坡、人为等因素，黄土的节理有进一步发展与延伸，进一步威胁窑洞的稳定性。节理会使整个黄土土体的整体的抗剪强度减小，随时间的推移或者外界条件的作用下，节理会贯通成软弱结构面，在上覆黄土的自重应力下会产生黄土沿软弱结构面发生滑动，滑坡的产生对黄土窑洞的安全是极其不利的。另一方面，黄土节理的产生为雨水的下降提供了入渗通道，水亦会直接间接的影响黄土窑洞的稳定性。黄土节理会使其整体结构发生改变，整体的受力情况也会改变，这样极其不利于黄土窑洞的安全性。

2.3 黄土中古土壤

窑洞型黄土崩塌多发育于厚层离石黄土中，部分为黄土+古土壤地层[5]。黄土中的古土壤从单纯工程地质强度的角度来分析，其稳定性必然没有黄土的好，而且明显存在软化趋势。就黄土的承载力来说，若是黄土中存在古土壤层的话，其承载力必定会下降，若是在黄土窑洞的窑腿位置的下部存在古土壤层，显而易见，该部分的承载能力会下降很多，并且由于是古土壤其内部是湿润的，导致了该部分的黄土与相邻的黄土间的摩擦也就下降了，水平推力减少了，进而对黄土窑洞的该结构的稳定性产生极大的不稳定因素。就隔水的角度来说，黄土中的古土壤虽然强度不高，但其却具有良好的隔水能力，故若黄土中的古土壤位于黄土窑洞的上覆黄土中，其隔水能力会很好地阻隔降水的下渗，反而减少了水对黄土窑洞的稳定性[6]。

2.4 边坡形态

据笔者的实地考察可知，黄土窑洞大多数是依靠着黄土地势而修建的，由于窑洞为了方便开挖一般都要对坡体进行削坡工作，这样大大降低了坡体原有的稳定性，同时窑洞的开挖，使得坡体原来的节理、裂隙进一步扩大[4]，坡体的结构性和整体性受到破坏，这样一来在窑洞的附近甚至于在其上覆的黄土中会发育危险的滑坡或者其他边坡形态。这些边坡形态会产生潜在滑坡崩塌，只要外界的条件允许的话，如大雨，一旦产生了这样地质灾害，会大大地降低窑洞的稳定性，产生整体性的坍塌。

2.5 冻融作用

黄土窑洞主要分布地区是典型的季节性冻土区，于春冬交替的时期会发生冻融作用。冻融作用会严重影响黄土窑洞的稳定性，其一，冻融作用会直接影响黄土窑洞建造材料黄土的一些微结构，反复的冻融作用会使黄土的抗剪强度下降，黄土的强度降低，在外力或人为因素的影响下，黄土窑洞就发生局部的破坏甚至是整体的倒塌。其二，在冬季的黄土发生了冻结，该冻结会使窑洞的局部部位发生应力集中，产生一些微小的裂缝，在春季的黄土又融化，这样进一步将使裂缝扩大，融化产生的水又会沿着裂缝下渗，扩大裂隙，软化黄土，形成一个破坏循环。其三，黄土中发育大量的节理裂隙，冬季水的冻结、冻胀作用会使节理裂隙的体积进一步扩大，黄土会因为冻胀作用而产生侧向的变形与破坏。

2.6 地震

黄土窑洞的建造凝聚了百姓智慧，其在窑洞的选址、建造、维护方面有相当多的经验，但却缺乏地震方面的考虑。陕北黄土窑洞所处的地位虽然无大的地震带通过，但由于人类工程活动的影响如大量的采煤所引起的陷落地震，在陕北地区存在许多的地震的分布，其定会影响到黄土窑洞的安全使用及稳定性。

地震对黄土窑洞的影响主要有以下几点：其一，黄土在地震的作用下自身的工程地质性质会发生改变。一方面，当地震的强度达到一定值时，黄土会发生震陷，会产生较大的变形，影响窑洞的稳定性。另一方面，一些含水率较高的黄土，其在地震作用下，自身的承载力急剧下降并伴随着大量的变形，黄土窑洞也随之破坏。其二，黄土窑洞在地震力的作用下会使其结构失稳破坏。在地震的作用下，窑洞原有的应力场发生重分布，在窑顶等部位发生应力集中，达到该部位黄土的抗剪强度，发生剪切破坏，产生局部变形甚至直接给破坏坍塌。地震的窑洞的破坏可从垂直窑洞轴线及平行于轴线方向采用拟静力法进行分析[7]。

2.7 其他

黄土窑洞作为一个相对比较复杂的地质体，不可能把所有的因数都给考虑进去，这里面存有实实在在的地质因素，当然也有许多人为的因素，这些因素都会影响黄土窑洞的安全性。

3 结语

本文通过野外实地调查与室内研究,归纳出了陕北黄土窑洞病害类型,并着重分析了影响黄土窑洞病害的因素,明确窑洞病害类型及初步成因，能为以后黄土窑洞的风险性的定量预报提供巨大的依据，使其有理可依，有利于采取相应的防病害措施，这对保护窑洞居民的生命财产安全是有现实意义的,也有利于黄土窑洞这一传统民居建筑形式的保护和推广。对黄土窑洞病害发生机理的理论分析需要进一步进行。

[1]刘小军,王铁行,于瑞艳.黄土地区窑洞的历史、现状及对未来发展的建议［J］.工业建筑，2007(S1).

[2]廖红建，赵树德，高小育，等.西部黄土高原窑洞民居发展中的环境工程问题［J］.西安交通大学学报：社会科学版，2000，20(3)：7-10.

[3]郭冰庐.窑洞风俗文化[M].西安:西安地图出版社,2004.

[4]刘小军,王铁行,韩永强,赵彦峰.黄土窑洞病害调查及分析［J］.地下空间与工程学报，2007，3(6).

[5]孟龙.黄土窑洞灾害形成机理数值模拟研究[D].长安大学地质工程系，2011.

[6]赵景波,黄春长,岳应利.中国黄土中的风化壳研究[J].沉积学报,2001,19(1).

[7]陈国兴，张克绪，谢君斐.黄土崖窑洞抗震性能研究［J］.哈尔滨建筑工程学院学报,1995,28(1).

P642.2

A

1004-5716(2015)11-0011-04

2015-06-07

2015-06-16

西安科技大学校级科研培育基金（2014011），大学生创新创业训练计划（201410704013）。

游志浪（1994-），男（汉族），江西临川人，西安科技大学地质与环境学院在读本科生，研究方向：地质灾害治理。