黄土高原区地质环境特征及灾害发育类型分析——以甘肃省环县为例

郭　瑞，　丁宏伟，　包骊军，　彭杨宏，　王永红

(1. 陕西理工大学 土木工程与建筑学院， 陕西 汉中 723000；2.甘肃省地质矿产勘查开发局， 甘肃 兰州 730000；3.甘肃省地矿局 水文地质工程地质勘察院， 甘肃 张掖 734000)



黄土高原区地质环境特征及灾害发育类型分析
——以甘肃省环县为例

郭瑞1，丁宏伟2，包骊军3，彭杨宏3，王永红3

(1. 陕西理工大学 土木工程与建筑学院， 陕西 汉中 723000；2.甘肃省地质矿产勘查开发局， 甘肃 兰州 730000；3.甘肃省地矿局 水文地质工程地质勘察院， 甘肃 张掖 734000)

结合甘肃省环县地质灾害详细调查实例，总结了黄土高原区地质灾害的发育类型，分析了区域内地质环境特征及地质灾害成因。得出以下结论：区域内地形地貌条件复杂，新构造活动强烈，广大地区为黄土所覆盖，地下水类型主要为松散岩类孔隙潜水和裂隙水；地质灾害点分布既具有普遍性又具有不均匀性，沿河谷两岸呈带状密集分布，中山区则分布较为稀疏；区域内地质灾害以滑坡、泥流、崩塌及不稳定斜坡为主，地形地貌、岩土体类型及地质构造是地质灾害形成的主要因素，地下水和植被是地质灾害形成的次要因素，降水、地震作用及人类工程活动是地质灾害形成的诱发因素；坡度对滑坡影响较为明显，20°～50°坡度区间内发生滑坡的数量较多，崩塌多发生于坡度大于70°的高陡斜坡上，泥流多发生在流域面积为0.1～5.0 km2，沟谷坡度25°～45°，主沟纵坡比降10%～40%的沟谷内。

地质工程；黄土高原区；地质环境特征；灾害类型；成因分析

黄土高原分布于我国中部偏北地区，面积约四十万平方公里，约占中国黄土分布面积的70%，也是地球陆地上最大的黄土堆积区。我国黄土高原地区由于具有土层深厚、土质疏松、地形支离破碎、降水集中且多暴雨、水土流失严重等区域环境特点，再加上一度乱砍滥伐、露天采矿等人类工程活动的不断加剧，致使该地区已成为我国生态环境最脆弱的地区之一，其特殊的地质和自然环境，导致该地区泥石流、滑坡及崩塌等地质灾害频发[1-6]，对区域内人民群众的生命和财产安全构成严重威胁。甘肃省环县作为黄土高原区的典型地带，地处陇东黄土高原北部的丘陵沟壑区，总面积9 236 km2，黄土覆盖厚度一般为几十米至百余米；县境内总体地势自西北向东南倾斜，断裂、褶皱等地质构造不甚发育，新构造升降运动强烈，生态环境脆弱，地质灾害发育。

本文在对甘肃省环县境内地质灾害详细调查的基础上，结合前人成果资料，对环县境内地质灾害的发育类型进行了归纳总结，并对不同类型地质灾害形成的主要因素进行了分析，得出了明确的结论,能对黄土高原区地质灾害防治工作提供指导和帮助。

1　地质环境特征

1.1地形地貌特征

受新构造运动及第四纪晚更新世以来黄土高原处于不断的区域性、阶段性抬升(抬升速率平均约为0.8 mm/a)及水流冲刷、切割的共同影响，环县黄土地貌整体上可划分为：塬、梁、峁、川4大类型。黄土塬顶面一般较为平坦开阔或稍有起伏，多作为农作物耕地，塬周边受水流冲刷、侵蚀、溯源作用的制约，地面跌宕起伏，地形支离破碎，沟谷切割较深，部分沟谷以浅沟的形式直接深入塬面内，将塬面分割成大小不等的小塬块，塬块间通常有一小鞍部黄土梁相连，由于沟谷的不断侵蚀溯源作用，致使塬面逐渐缩小。黄土梁宽度一般几十米至几百米，长度达几千米甚至几十千米，梁顶略有起伏，呈鱼脊状，两面沟谷微倾。黄土梁被沟谷进一步切割分散孤立，形成如馒头状或铆钉状的黄土“峁”(少数是马兰黄土覆盖在古丘状高地上形成的)。由于黄土峁多是由黄土梁经沟谷水流的冲刷进一步演化而成，故在黄土高原的多数地区一般呈现梁、峁并存的梁峁区。黄土川地是黄土高原上的主要地形之一，也是主要的农业耕作区，分布于环江及樊家川、城西川等较大的沟谷区，川地两侧沿河流沟谷一般分布有侵蚀堆积或基座多级阶地，即所谓的“掌”、“杖”地。

1.2气象水文特征

调查研究区属典型的大陆性温带季风气候，其自北而南跨越半干旱-半湿润区，具有降水少而不均、蒸发大、湿度低、多风、纬向分带明显等气候特征，降雨量呈现从东南向西北逐渐递减的变化趋势。地下水类型主要为松散岩类孔隙潜水、碎屑岩类孔隙裂隙水及岩溶裂隙水。黄土潜水赋存于黄土丘陵的梁峁及黄土残塬中(如图1所示)，含水层岩性为黄土状亚粘土及亚砂土，含水层厚一般小于30 m。调查研究发现塬面积的大小决定含水层厚度、水位埋深与富水性等，一般塬面积越大，含水层厚度也越大，富水性越好，梁、峁边缘地带富水性较差，水质较好。碎屑岩类孔隙裂隙水主要赋存于下白垩系组成的天环向斜地层中，均属层间承压水，自上而下可划分为泾川-罗汉洞组(K1lh-K1jc)、环河组(K1h)和宜君-洛河组(K1l)3大含水岩组(如图2所示)。碳酸盐岩溶裂隙水分布于毛井-甜水铺以西的西缘逆冲带下部，含水层岩性为震旦-奥陶系灰岩、白云岩，地下水赋存条件复杂，埋藏较深，富水性弱，水质变化较大。

1.砂土；2.砂砾土；3.马兰黄土；4.离石黄土；5.午城黄土；6.泥岩；7.砂岩；8.潜水水位线；9.泉图1　黄土高原地区潜水水文地质剖面图

1.强富水含水层；2.中等富水含水层；3.弱富水含水层；4.隔水层；5.前白垩系；6.含水层分界线；7.断层图2　陇东白垩系盆地东西向水文地质剖面图

调查研究区位于鄂尔多斯盆地西南部，祁吕贺山褶带东侧的伊陕盾地近边部，该区域从太古宙至中生代先后经历了地槽褶皱、地台发展、隆起剥蚀等几次大的构造运动。中生代受燕山运动的影响，鄂尔多斯地区在侏罗纪和白垩纪多次隆升与沉降，并经历了多旋回次的陆内坳陷，至晚白垩世至新生代初已形成准平原化的坳陷盆地。青藏高原隆起运动以来，这一地区在古近纪—新近纪早期一直处于缓慢上升剥蚀状态，新近纪晚期—全新世则处于缓慢下降和上升的沉积与剥蚀的交替阶段，但总体构造变动较微弱，岩层褶皱平缓。环县现存的区域构造形迹主要为天环向斜(又称天环坳陷或陇东白垩系盆地)和西缘逆冲带(亦称六盘山褶皱带)，县域大部为天环向斜分布区，呈南北向展布，天环向斜在古生代表现为西倾斜坡，晚三迭世开始坳陷，侏罗纪—早白垩世坳陷继续发展，并向东偏移。晚白垩世—新生代受西部六盘山隆升挤压，迫使下白垩统形成现今西翼陡、东翼缓、轴部相对平坦、北部未封闭、地层保存较全的不对称向斜构造，向斜西翼一般距轴部10～20 km，地层东倾，倾角3°～10°，东翼地层西倾，倾角多小于1°，轴部地层相对平缓。西缘逆冲带仅分布于磴口-平凉断裂以西地带，位于环县境内的是沙井子-平凉段，依次发育韦州-安国、青龙山-平凉、惠安堡-沙井子3条逆冲断裂，断面西倾，在推覆体以下，已发现寒武系-奥陶系组成的大型背斜构造[7-8]。

1.3岩土体特征

调查研究区属陇东陇西黄土高原工程地质区黄土塬、梁、峁稳定工程地质亚区。根据岩体的成因类型、岩性、结构及其力学性质可分为5个组：①坚硬中厚层状片麻岩、石英岩、变火山岩岩组，岩性上部为灰绿色页岩、砂质泥岩夹砂岩，下部为青灰色中厚层状灰岩夹薄层灰白色泥灰岩；②坚硬-软弱块状-薄层状碳酸岩夹砂泥岩岩组，岩性为厚层状含燧石条带白云质灰岩、白云岩，玫瑰色中厚层状硅质页岩、黄色钙质页岩、泥灰岩、杂色砂岩、黄绿色砂质页岩，风化裂隙发育，其力学性质差别较大；③半坚硬-软弱中厚层状-薄层状含煤碎屑岩岩组，岩性为棕红色或杂色砂砾岩、砂岩、泥岩、煤层，局部地段夹少量灰岩；④半坚硬-软弱中厚层状粘土岩夹砂砾岩岩组，岩性为泥岩、砂质泥岩夹砂岩、泥质粉砂岩，节理裂隙发育，主要为一组“X”型节理，水平层理发育；⑤软弱中厚层状粘土岩岩组，节理裂隙发育，干燥状态抗压强度值较低，岩组岩石软化系数一般大于0.5。

研究区内土体按其成因类型和结构特征可划分为一般土和特殊土两大类型：①一般土包括亚砂土、亚粘土及粘土，松散，岩性为亚粘土、粘土，砂性土及砂砾石双层土；②特殊土包括黄土及黄土状土、砂砾石双层土体，系指马兰黄土，具大孔隙，垂直节理发育，遇水易崩解，具强湿陷性，下部离石黄土呈稍密状态，具弱湿陷性。

2　地质灾害发育类型及成因分析

2.1地质灾害分布特征

环县地处陇东黄土高原地带，属黄土高原丘陵沟壑区，特殊的地形地貌和岩土体条件，控制了滑坡、崩塌及泥石流等地质灾害的发育特征，决定了境内滑坡、崩塌及泥石流等地质灾害的易发性。区域内地质灾害分布在空间上既具有普遍性，又具有不均匀性，地质灾害机隐患点主要沿牛津河、老鸭关河及漠泥沟河等河谷两岸呈带状密集分布，而其西南部和南部中高山区地质灾害的分布较稀疏，地质灾害多发生在雨季，泥石流灾害具有强烈的反复性和突发性等特点。虽然区域内地质灾害普遍发育，但受岩土体结构、地下水、气象水文及植被状况等因素影响，各个地区灾害密集程度和类型均存在较大差异。环县及其较大的支流河谷区下游段地质灾害点相对密集，区内的灾害点主要集中在环县中南部的沟谷深陡的残塬宽梁区，西北部相对较少。环江两岸残塬宽梁区与河谷过渡地带、较大沟谷的沟坡等变化较大地带为滑坡、崩塌及不稳定斜坡的最发育地段，同时地质灾害分布的不均匀性与人类工程活动影响密切相关，公路、铁路及削坡建房等人类工程活动较活跃区地质灾害较为发育。通过遥感解译和实地详细调查，确定和发现了地质灾害点和隐患点共计195处，其中泥石流56条，占总数的28.7%；滑坡83处，占总数的42.6%；崩塌26处，约占总数的13.3%；不稳定斜坡29处，占总数的14.9%；地面塌陷1处，约占总数的0.5%。

图3　典型黄土滑坡剖面

2.2滑坡类型及成因分析

滑坡作为黄土高原区最为常见地质灾害类型之一，其具有分布面广和活动性强等特点，平面形态多呈半圆形、舌形及矩形等，其典型剖面如图3所示。以低速蠕滑为主，高速滑动较少，主要分布于沟谷岸侧，根据物质组成、滑面相对位置、滑体体积及滑体厚度等可将黄土高原区滑坡分为表1所示类型。

表1　黄土高原区滑坡类型及其特征

图4　典型泥流沟平面图

对于黄土高原区不同类型滑坡，究其产生原因大致相同，分为内因和外因：由于黄土丘陵区斜坡坡度多为35°～45°之间，上更新统风积黄土多覆盖于基岩组成的高低不平的古地形上，上部黄土含沙量高，具有大孔隙渗透性较好，下部岩类多为含沙量较低的粘土或渗水性差的泥岩、砂质泥岩组成的相对隔水层，当遇降雨特别是连阴雨时，在接触面的低洼地带易汇集地下水，使黄土底部接触面一带岩土处于软塑-饱和状态，形成软弱结构面，在重力作用下发生滑动。频繁的人类工程活动致使黄土高原区坡面植被覆盖稀少，边坡稳定性差，重力侵蚀加强，每当骤降暴雨时，引起老滑坡复活和新滑坡产生[9]。除此之外，在人工堑坡区，由于长期不合理的源边灌溉，亦加剧了黄土塬边斜坡失稳。常见的为滑体沿黄土中某一层面滑动，滑动面倾角较陡，常受控于黄土中的垂直节理及拉张裂隙或黄土与下伏基岩的接触面，滑动面往往位于黄土层内或黄土与下伏基岩接触面处，其中部、后部由黄土的垂直节理演化而成。

2.3泥流类型及成因分析

泥流是黄土高原夷平过程中常见的一种地质灾害现象，是发育在黄土地区以细粒物质为主要固体物质成分的泥石流类型之一，典型沟谷平面形态如图4所示。根据调查区内泥流的流域特征、流体性质及一次冲出规模等，可将其划分为表2所示类型。

根据野外实地调研与分析，区域内泥流形成原因可归结为人类工程活动和自然因素共同作用结果。①人类工程活动：由于石油和煤炭等资源的大规模开采及厂矿区建设、陡坡垦植及开挖窑洞等人类活动，致使黄土高原区坡面的植被遭到严重破坏，坡面裸露，当区域内突降暴雨时，裸露的黄土坡面在流水侵蚀和重力共同作用下形成黄土泥流，加剧了水土流失和土地荒漠化的发展进程。除此之外，矿产开采、修路及城镇建设等生产活动过程中对地面的扰动及堆置和倾泻的废渣等，也诱发了泥流灾害的发生。②自然因素：根据调查区域内黄土具有大孔隙，结构疏松，垂直节理发育等特点，受强降雨和水流侵蚀后极易崩解，形成滑坡和崩塌等堆积在沟道和岸坡边上，为泥流的形成提供了充足的固体物源。研究区自北而南跨越半干旱-半湿润区，降水少而不均，7—9月降水量占全年的63%左右，并常以大(暴)雨的形式出现，24 h、1 h最大降水量分别达88.5 mm和51.7 mm。这类强降雨对区域内黄土的剥蚀作用非常强烈，一次大暴雨产生的水土流失占全年水土流失总量的60%，甚至高达90%以上，进而引发泥流灾害；丘陵沟壑地形是黄土泥流形成的主要原因，环县地处陇东黄土高原地带，境内丘陵起伏、沟壑纵横，沟道密度1.41条/km2，相对高差200～400 m，山坡坡度25°～45°，主沟纵坡比降10%～40%，尽管黄土高原区地形起伏变化与泥石流区相比较小，但正是其这种特殊的地形条件成为泥流灾害的频发主要因素之一。

表2　泥流类型及其特征

图5　典型黄土崩塌剖面

2.4崩塌类型及成因分析

崩塌是指陡坡上的岩土体在重力作用下沿垂向裂缝或其它软弱结构面倾倒及坠落的斜坡破坏类型，具有快速位移和沿软弱结构面分裂的特征，研究区内典型崩塌体剖面如图5所示。根据崩塌体的物质组成、动力成因、形成机理及崩塌规模等将调查区内崩塌体划分为表3所示类型。

研究发现调查区内的崩塌多为土质崩塌，多分布于村庄、公路及河谷两岸沿线。究其产生的原因可归结为两方面：①自然因素：经长期的风化和侵蚀作用，黄土高原的沟岸坡度多较为陡峭，呈直立状，且陡坡表面和坡顶岩土体较为破碎和疏松，在降水及沟内水流的冲蚀作用下，容易形成陡壁，下部土体悬空。除此之外，区域内黄土多为第四系上更新统风积黄土，具大孔隙，垂直节理裂隙发育，在地震等诱因作用下易发生崩(坍)塌；②人类工程活动：区域内村民在修建房屋和公路时对山坡前缘或高阶地地段进行切坡，且坡体多呈近直立状，增大了沟岸的陡度和坡度，引起原有自然沟岸岸坡内部土体的应力平衡条件遭到破坏，致使岸坡外向剪应力和张应力增大，产生竖向裂缝，其可以与土体中原有垂直节理裂隙相重合，使原有裂隙进一步开展、加深，从而加剧了岸坡发生崩塌的可能性。

表3　崩塌类型及其特征

2.5不稳定斜坡及成因分析

图6　典型黄土不稳定斜坡剖面

不稳定斜坡是指未形成滑坡或崩塌的陡峭坡体，虽然还未形成崩塌或滑坡，但根据坡体的岩性、结构以及其它环境地质条件，调查后初步判断在外力作用下有形成崩塌或滑坡的可能性，对坡体附近的建筑设施、道路及人员构成一定威胁。

根据调查区域内不稳定斜坡主要是由于修建道路削坡开挖和居民修建窑洞等人类工程活动所致，多为土质不稳定斜坡(如图6所示)，究其原因与人类工程活动对崩塌体的影响相同。除此之外，环县属陇东陇西黄土高原工程地质区，所在区域地层黄土以午城黄土、离石黄土及马兰黄土为主，其具有大孔隙，垂直节理裂隙发育，具有湿陷性，力学性质差，其特殊的地层条件在暴雨、河流冲蚀及地震等作用下易形成裂缝，极易发生失稳。

3　地质灾害防治措施

地质灾害已成为制约黄土高原区域经济和社会发展的重要自然因素之一，因此，应充分结合地区实际情况、因地制宜采取切实有效的防治措施，避免和减轻地质灾害作用对维护区域内社会稳定、保障生态环境安全以及促进经济发展具有重要意义。通过对研究区内地质灾害的详细调研，提出以下防治措施：

(1)加强区域内地质灾害勘查与防治规划

针对黄土高原区地质灾害的类型和分布特征，首先，开展广泛深入的地质灾害调查工作，查明地质灾害发育情况(包括成因、变形机理、规模、稳定状况及危险程度等)；其次，基于对区域内地质灾害的详细调查，预测其未来发展趋势，划分出地质灾害易发区、重点防治区；最后，根据地质灾害防治原则安排治理项目，区分轻重缓急，逐渐减少区域内地质灾害点数量。

(2)加强区域内生态环境治理与保护，减少地质灾害发生率

根据区域地质环境条件和特征，首先，应科学地制定石油、煤炭及天然气等资源的开发和工程建设活动，同时加大地质灾害防治知识宣传教育力度，使人们在从事工程经济活动时主动遵循自然规律，合理利用土地和生物资源，避免过度开发，对自然资源造成严重破坏，致使山体裸露，水土流失严重，增强全社会预防地质灾害的能力；其次，广泛开展植树造林、治山治水、涵养水土及防治水土流失等工作，在人口居住较密集地区，注意合理开发利用地下水资源，量入为出，保持地下水动态平衡，防止地下水资源过度开采，造成土壤中含水量低，植被稀少，遇强降雨水土流失，引发地质灾害。

(3)建立地质灾害预警系统

建立地质灾害监测预警系统能够在地质环境条件发生变化时及时捕捉前兆信息，发出防灾减灾警示信息，以避免和减轻地质灾害对人们生命财产安全造成危害。根据黄土高原区地质灾害特点和区域经济等情况，应因地制宜建立地质灾害监测网络和预警信息系统两种措施，在地质灾害易发区、重点防治区，应加强监测力度和预报强度，并采取群测群防体系，最大限度地减少地质灾害对人民群众生命财产安全造成损失。

(4)搬迁、治理工程体系

根据地质灾害调查、监测结果，对确认危险性大和危害严重的地质灾害隐患点，采取搬迁避让或工程治理措施，以彻底消除地质灾害隐患。在条件具备时，治理工程可以和灾后重建的土地整理或地质环境合理利用结合考虑，以实现防灾减灾与土地资源再开发的双重目的[10]。

4　结　论

(1)黄土高原地区地形地貌条件复杂，沟壑纵横，新构造活动强烈，广大地区为黄土所覆盖；区域内干旱少雨、地下水类型主要为松散岩类孔隙潜水和裂隙水；地层岩性和地质构造分布规律较为复杂，岩土体类型以亚砂土、亚粘土及粘土等一般土和黄土及黄土状土等特殊土为主。

(2)区域内发育地质灾害类型主要有泥流、滑坡、崩塌及不稳定斜坡；地形地貌、坡体岩土结构及地质构造是地质灾害形成的主要因素，地下水和植被是地质灾害形成的次要影响因素，降水、地震作用及人类工程活动是地质灾害形成的触发因素。

(3)区域内滑坡平面形态多呈凸形和直线型，坡度对滑坡的发生影响较为明显，随坡度增大滑坡发生的概率亦随之增大，20°～50°区间内发生滑坡数量最多；崩塌多发生于坡度大于70°的高陡斜坡上，且受人类活动影响较大；泥流多发生在流域面积为0.1～5.0 km2，沟谷坡度25°～45°，主沟纵坡比降10%～40%的沟谷内。

[1]刘祖典，郭增玉，陈正汉.黄土的变形特性[J].土木工程学报，1985，18(1)：69-76.

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[责任编辑：李 莉]

Analysis on geological environment and disaster types in the loess plateau——A case study of Huanxian county in Gansu province

GUO Rui1,DING Hong-wei2,BAO Li-jun3PENG Yang-hong3,WANG Yong-hong3

(1.School of Civil Engineering and Architecture, Shaanxi Sci-Tech University, Hanzhong 723000, China;2.Gansu Bureau of Geology and Mineral Exploration and Development, Lanzhou 730000, China;3.Institute of Hydrogeology and Engineering Geology, Gansu Bureau of Geology and Mineral Exploration and Development, Zhangye 734000, China)

Combined with instance on landslide evaluation in Huanxian county, Gansu province, this paper summed up the developmental type of geological disasters and analyzed the geological environment characteristics and causes of geological disasters in the Loess Plateau. The research results show that it has complex topography and drought, the new tectonic activity is strong, the majority of the area is covered by loess in this area. The groundwater types are mainly loose rock type pore water and fissure water. The soil type are generally based on general soil(sandy loam, loam clay, etc) and special soil(loess). The distribution of geological hazards is not only universal but also uneven, and it is distributed along the banks of the river valley, but the distribution is sparse, in medium altitude mountain area. The main types of geological disasters are the landslide, mudslides, avalanches and unstable slopes. The main factors forming geological disasters have topography, soil types and geological structure. The groundwater and vegetation are secondary factors that cause the formation of geological disasters. It is a predisposing factor(inducing rainfall, earthquake and human activity) that cause geological disasters. The landslide is more likely to be affected by slope gradient. The landslide is mostly likely to erupt at 20°～50° slope interval. The collapse occurs mostly in relatively high and steep slope(slope is greater than 70°). The mud flow mostly develops in the valley, specifically, in the basin area of 0.1～5.0 km2, with a gully slope angle of being 25°～45°, and the main channel longitudinal gradient being within 10%～40%.

geological engineering;loess plateau region;geological environment features;types of geological disasters;causes of geological disasters

2016-05-19

2016-07-12

国家自然科学重大研究计划项目(91225302)；中国科学院重点部署项目(Y322G73001)

郭瑞(1982—)，男，陕西省武功县人，陕西理工大学讲师，博士，主要研究方向为地质灾害治理、地下结构及路面工程。

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