海原特大地震诱发滑坡灾害的研究现状

彭 达薄景山李孝波杨 顺

（1．防灾科技学院，河北 三河 065201；2．宁夏回族自治区地震局，宁夏 银川 750001）

海原特大地震诱发滑坡灾害的研究现状

彭 达1，薄景山1，李孝波1，杨 顺2

（1．防灾科技学院，河北 三河 065201；2．宁夏回族自治区地震局，宁夏 银川 750001）

在介绍海原特大地震概况和诱发地震地质灾害的基础上，系统地总结了不同的学者在地震滑坡的发育特点与分布特征、黄土地震滑坡的形成机理、场地条件、黄土边坡动力稳定性和黄土动力学特性等方面的研究成果，评述了这些成果对促进黄土地震滑坡灾害研究的作用和贡献。在此基础上，结合当前我国经济建设发展的需求和理论研究的热点，提出了今后在这一领域需要进一步研究和关注的有关问题和研究方向。

海原特大地震；黄土地震滑坡；形成机理；场地条件；稳定性；黄土动力特性

0 引言

1920年海原特大地震是中国近代史上的一次巨大的灾难，震灾范围之广、伤亡之重、损失之大、现场之惨烈都震惊中外。地震发生后，地质学家翁文灏［1］、谢家荣［2］等和美国 Upton．Close等［3］到震灾现场考察，他们历尽艰辛，取得了大量现场资料；1958年郭增建、蒋明先等［4］对海原断裂带、地震前兆等进行了调查；1983年邓起东等［5］对海原活动断裂带、海原大地震地表破裂带分布、性质及运动方式、地震构造背景等进行调查研究；王兰民［6］、张振中［7］等其他学者也对海原特大地震及其造成的地质灾害开展了大量的研究工作，取得了丰硕的研究成果。

本文简要总结和评述海原特大地震及诱发的地质灾害概况，从滑坡灾害特点及发育特征、滑坡灾害形成机理、场地条件对黄土地震滑坡影响、黄土边坡动力稳定性研究、黄土动力特性研究五个方面对海原特大地震诱发的地震滑坡灾害研究进行总结评述，并提出目前研究现状的局限。希望本文的成果对开展黄土地震滑坡的研究有一定的参考价值。

1 地震及诱发地质灾害概况

海原大地震导致的地表形变主要由两部分组成：第一部分是直接反应震源错动信息的地表破裂带，第二部分是大量的地震滑坡。

1.1 地表破裂

地震地表破裂是震源体快速到达地表时的直接表现，海原大地震地表破裂带东起宁夏固原海子峡，终止于甘肃景泰县南的兴泉堡东，西段总体走向北西西，东段转为北西向，全长237km，最大同震位移10～11m［9］。地表破裂带沿各次级剪切断层、拉分盆地内部张剪断层和拉分盆地边界正断层等构造部位分布。

图1 海原大地震等震线图（据兰州地震研究所）Fig．1 Lsoseismal map of Haiyuan earthquake （based on Lanzhou Earthquake Research Institute）

在破裂带沿线，滑坡、崩塌十分发育，地裂缝、陡坎、“土林”和陷落坑密布，其中最突出的就是地裂缝。这些地裂缝长短不一，宽窄不等，深浅各异，大者长数百米，宽达十余米。在哨马饮村的一棵直径约1.5m的明代古柳恰好位于地表破裂带上，并被海原地震左旋位错约40cm，形成举世罕见的震柳［10］（图 2）。

图2 震柳Fig．2 Earthquake willow

1.2 山体滑坡

海原大地震共引起约675个大型滑坡，造成40多个地震堰塞湖［11］。大规模的滑坡主要分布于六盘山西侧，并在地震南部黄土丘陵区形成了3处滑坡灾害集中区，分别位于海原以南Ⅺ～Ⅻ度的极震区（李俊堡附近和九彩乡一带）、西吉西南、会宁以东和静宁西北Ⅸ～Ⅹ度的广大地区（西吉、会宁、静宁3县交汇地区）以及会宁以南Ⅶ～Ⅷ度区内的通渭Ⅸ～Ⅹ度高烈度异常区（通渭县马家店一带）。其中尤以西吉、会宁、静宁3县毗邻地区滑坡最为发育，面积达2000km2［12］，通过对该地区385个地震滑坡进行调查统计（图3），发现海原地震造成的山体滑坡形态多样，分布密集，规模一般较大，虽然历经了近百年风雨，大部分仍保留着原始的边界形态（图4、5、6、7）。

2 滑坡灾害的特点与分布特征

针对海原特大地震诱发的大规模的滑坡，大量学者通过现场调查和卫星解译等手段对滑坡的特点与分布特征进行研究。Zhang［13］对海原地震滑坡进行了详细的调查，指出海原地震滑坡存在三个密集分布区，并总结出海原地震滑坡具有含水量低、坡度缓、滑动速度快等特点。邹谨敞［14］将地震黄土滑坡分布特征总结为三个方面：分布广泛又相对集中、成群性和成带性滑坡体的岩土性质，并将区内地震滑坡分为黄土－红色泥岩双层结构滑坡和黄土内滑坡。 Zhu［15］，陈永明［16］等将地震滑坡按发育特点分为地震崩塌型、地震液化型、剪切变形型。袁丽侠［17－18］选择地震滑坡分布较为密集的西吉境内黄土滑坡，通过现场调查按照规模、滑距、形态将地震滑坡分为低角度、高速、远程滑坡和陡坡、远程滑坡。邓龙胜［19］对200余个地震滑坡按照滑向、坡高等特征进行统计总结，得到了滑坡具有方向性，在坡高较低、坡度较缓、山梁单薄、地貌破碎地区更易发生的规律。彭政奎［20］通过对Ⅸ度烈度带内滑坡灾害密集的静宁县进行详细调查，对所得数据进行统计分析得出了滑坡数量与原始坡度、背坡效应、坡体相对高度等要素之间的关系。叶铃［21］通过现场调查以及卫星解译得到了大量的滑坡形态特征及空间分布数据，统计了滑坡滑向、长、宽等几何特征，得到了滑坡沿河流两侧呈带状分布等空间分布规律特征。

图3 地震滑坡分布图Fig．3 Distribution map of Seismic landslide

图4 西吉上黄岔地震滑坡Fig．4 Seismic landslide at Xiji Shanghuangcha

图5 西吉沈家嘴地震滑坡Fig．5 Seismic landslide at Xiji Shenjiazui

图6 西吉韩垴地震滑坡Fig．6 Seismic landslide at Xiji Hannao

图7 西吉党家岔地震滑坡Fig．7 Seismic landslide at Xiji Dangjiacha

关于海原地震滑坡发育和分布特征方面的研究，主要是通过野外调查和图像解译等手段，对调查数据进行统计分析。野外调查的难点在于海原特大地震诱发的滑坡数量巨多，很难进行完整的调查统计。此外，在野外如何识别黄土重力滑坡与地震滑坡，以及如何识别同一地震诱发的滑坡目前尚缺乏统一标准。图像解译中如何解译识别黄土滑坡也是个难点，例如黄土崾岘。黄土崾岘是两侧山峁降雨径流长期作用下，山凹处不断溯源侵蚀而形成的一种地貌，其在卫星影像上与滑坡很相似，单靠图像解译很难确定是否为黄土地震滑坡。综上，对于海原地震滑坡调查的数量与质量上有待进一步提高。

3 滑坡灾害形成机理的研究

海原大地震产生的大量滑坡为研究黄土地震滑坡灾害的形成机理提供了天然的研究场所。本文根据前人的研究成果将地震滑坡形成机理分为液化成因、地震力诱发成因、以及复合成因。

3.1 液化成因说

黄土具有很大的液化势和流态破坏势，当斜坡土层含水量较高时，在一定强度地震动作用下，黄土会发生液化，引起斜坡失稳。白铭学［22］对海原大地震时固原石碑塬黄土层低角度滑移进行研究，提出了液化层托浮上部黄土层进行的滑移的观点。袁丽侠［17］认为海原地震黄土滑坡与当时地下水位以及黄土液化有关，概括为：地震时导致地下水水异常从而使黄土中孔隙压力迅速上升，土体强度降低，黄土体发生液化。Zhang D［23］、Wang G［24］通过对滑坡黄土样进行环剪切试验，得到稳定状态下黄土表面摩擦角的大小受正应力、超固结比的影响较小的结论，指出地震荷载作用下超孔隙水压力上升是导致滑坡体高速运移的主要原因。孙萍［25］选取一组西吉党家岔滑坡土样进行环剪切试验，得到地震引起滑面潜在土体的“滑动面液化”是引起该滑坡的主要原因之一。张晓超［26－27］对石碑塬滑坡进行研究发现位于地下水位线附近的砂质、粉质黄土层和特殊的水文地质条件以及较强的地震动是滑坡产生液化的原因。王谦［28］利用动三轴对石碑塬滑坡不同层位的黄土施加不同动荷载，研究黄土的动应变和孔隙水压力特征，探讨了饱和黄土液化标准，得到了动残余应变达到3%可作为合理的饱和黄土液化判别指标的结论。 此外刘魁［29］、徐敏［30］、郭浪［31］等对石碑源滑坡研究，探讨了强震作用下石碑塬滑坡黄土的动力特性，从液化的地震强度条件、地层特性、水文地质条件等方面论述了石碑塬滑坡的形成机制。

3.2 地震力诱发成因说

黄土在地震力作用下结构发生破坏，从而形成地震滑坡。张振中［7］提出黄土在地震作用下，大孔结构崩溃性破坏，造成黄土的震陷，从而使破碎的土体流滑。王家鼎［32］根据天水大地震（1654年，Ms8）、通渭大地震（1718 年，Ms71／2）和海原大地震等诱发高速黄土滑坡出现的多种现象与特征，提出了地震诱发高速黄土滑坡的机理即黄土体解体、斜抛和粉尘化效应，并通过动力变形分析导出了黄土滑体斜抛运动的全过程及滑速、滑距公式。张茂省［33］认为干黄土在地震波作用下形成了往复作用的超孔隙气压和负孔隙气压，由于急剧变化的气压差在颗粒周围形成高速气流，从而使黄土结构从内部彻底解体，形成散粒，散粒悬浮于气流中，即使在很平缓的斜坡上也会发生流动，随着地震波持续作用产生远距离滑移。卢玉霞［34］在对地震诱发黄土滑坡滑距的估计预测时，用坡体波动振荡效应来解释地震滑坡的形成，即地震动使坡体波动振荡产生的启程剧发速度会直接影响到滑后行程速度和整个滑动土体的滑移距离。

3.3 复合机理说

王家鼎［35］针对固原石碑塬在海原大地震中出现大面积低角度黄土斜坡滑移的现象，提出了一种强震作用下低角度黄土斜坡滑移的复合机理—下部饱和黄土、砂土震动液化，上部黄土层受地震力和液化双重作用而呈波浪状地貌。邓龙胜［36］考虑黄土特殊的结构特征及动力特性，将海原地震滑坡的破坏类型可分为振动软化—剪切破坏、振动液化—流动破坏、振动崩塌破坏及震后蠕变破坏四种。张立荣［37］探讨了海原大地震等历史地震诱发黄土滑坡的动力学机理，指出水敏性和地震易损性是形成黄土相关灾害的主因，并利用爆破试验模拟了黄土高边坡的动力响应。

总的来说，黄土地震滑坡形成机理的研究现阶段虽取得了一定的研究成果，但仍不够深入。单以目前海原地震滑坡形成机理研究来看，主要集中在单体滑坡上，研究区域分布零散，涵盖性较差，研究成果不够全面。特别是针对西吉西南、会宁以东和静宁西北Ⅸ～Ⅹ度的广大地区发育的数量众多的地震滑坡，尚没有明确的成因机理解释。

4 场地条件对黄土地震滑坡影响的研究

工程地震学研究中，场地条件系指场址区的工程地质条件，主要包括场址的地形地貌、岩土的组成和性质、地质构造以及水文地质条件等［38］。场地条件对地震动的影响是局部地区出现烈度异常、震害加重的主要因素。针对海原大地震所形成的三个异常滑坡集中区，许多学者认为海原大地震诱发的滑坡相对集中现象与场地条件有密不可分的关系。

单鹏飞［39］在分析海原地震诱发的区域滑坡呈带状或团块状密集独特分布及其严重灾害特征的基础上，认为滑坡地形变的分布规律不仅受地震烈度的影响，还受黄土特性、地层结构、地貌过程和地震活动等多因素的影响。控制西吉地区滑坡独特分布的地貌结构和空间组配关系，是造成当地滑坡灾害严重并与其它烈度区显著差别的主因之一。陈永明［40］发现地震诱发黄土滑坡受到构造单元、基底岩层结构、地震烈度、断裂构造、临空的马兰黄土厚度影响。王兰民［6］认为远场厚黄土覆盖场地具有放大效应，这是黄土边坡地震易滑原因之一。袁丽侠［17］通过对西吉地区黄土微结构进行分析从而得出黄土结构的不同是该区发育大规模黄土滑坡重要内因，地震波与该地区的构造应力、地形地貌、场地土性质、场地效应等方面的耦合造就了西吉地区成为地震诱发滑坡高发区。邓龙胜［19］分析地震滑坡高发的地区认为这些地区处于地震地壳破裂带的几何投影中心，并且滑坡发育区地貌切割破碎，山梁单薄，黄土梁的走向往往与地震力主方向垂直或有大交角，滑坡高发区遭遇地震动时包含了大量与边坡自振周期相近的波使边坡产生自振，从而使振动效应放大。尚慧［41］发现黄土山坡阴面地震滑坡发育远多于阳面，认为这种差异性分布是由于季风效应导致阴面黄土堆积较厚且阴面含水率较高。

从宏观资料和震灾现象来说，场地条件对黄土地震滑坡的发育和分布有着明显的影响，但目前的研究成果，很难定量的确定不同的场地条件对区域黄土地震滑坡的影响大小。地形地貌、活动断层、覆盖土层厚度、土层结构、地下水赋存条件等场地条件与地震动耦合研究不足。海原特大地震西吉西南、会宁以东和静宁西北Ⅸ～Ⅹ度地区地震滑坡相对集中分布与场地条件的关系尚没有系统的研究分析。

5 黄土边坡的动力稳定性研究

目前边坡动力稳定性研究方法主要包括定性分析方法和定量分析方法，前一种方法包括工程地质调查法、烈度和地震动参数评价法等，后一种方法包括包括拟静力法、Newmark滑块分析法、数值分析法、模型试验法、综合法等。在黄土边坡地震稳定性研究中以数值分析法和模型试验法应用居多。

黄雅虹［42－43］通过引入蒙特卡罗随机搜索法－遗传算法找出黄土边坡地震时最危险滑裂面，并以西吉回回川滑坡作为算例进行比对，得到结果较为拟合。刘忠玉［44］考虑地震荷载作用下饱和黄土的孔压增长模式及液化规律，通过建立饱和黄土无限边坡的动力稳定性分析模型，对黄土边坡的破坏类型和动力稳定性进行判断，发现屈服地震系数严重地受孔压累积的影响，即随着振次的增加，屈服地震系数越来越小。陈昌禄［45］将强度折减法与有限差分法相结合，建立黄土边坡的三维有限插分网格，以拟静力作为地震荷载，分析了固原九龙山边坡的稳定性，通过与二维极限平衡法分析结果的比较，表明拟静力强度折减三维有限差分方法分析的结果比较可靠。邓龙胜［46］通过人工合成西吉喜家湾场地地震波，对黄土边坡进行动力响应分析，研究输入地震波的卓越频率、幅值以及入射角变化对黄土边坡位移、速度和加速度的动力响应影响，发现边坡对包含与自身卓越周期相关频率地震波异常敏感，入射角的改变对边坡稳定性影响也较大。言志信［47－48］以特定三级黄土边坡作为研究对象，以FLCA3D软件对其地震动响应和变形特征进行分析，发现黄土边坡对地震波具有临空面放大效应，地震波在坡体内传播过程中还具有滞后效应。吴志坚［49］通过振动台试验研究黄土边坡的地震动响应以及渐进破坏特征，结果表明黄土斜坡在地震作用下存在显著临空面及垂直放大效应。张泽林［50］以西北地区黄土－红色泥岩二元结构边坡作为研究对象进行离心机振动台试验，发现黄土滑坡的破坏形式表现为：滑坡后壁形成拉张裂隙，逐渐扩张，滑坡后壁发生崩落，滑坡顶部堆积体略有下挫，形成凹槽，坡脚发生轻微鼓胀。

从现有的研究来看数值分析法、动力物理模型试验、动力离心模型试验对黄土边坡的动力反应和失稳判断具有很好的指导意义。然而数值模拟计算中土体本构关系、边界条件选取的合理与否，直接影响研究成果的正确与否。目前尚缺少合理的黄土本构模型，这也制约了数值模拟方法的发展。对于试验法来说很难满足模型和原型在几何尺寸、材料特性以及动力特性上合理的相似率，这些问题可能会导致实验结果出现很大偏差。

6 黄土动力特性研究

黄土动力特性不仅要研究动强度（含动孔压与液化）、动变形以及动应力－动应变等一般土力学性质，因黄土特殊的结构性和非饱和性，常表现出明显的各向异性和水敏性，在研究中常考虑动力与水力作用的不同组合路径。

黄土动力特性研究主要以室内动三轴试验为主，基本分为两类：一类是将地震概化为一个等效的等幅正弦波施加到试样上，从而得出了类似砂土的动强度一变形的规律；另一类是向试样上直接施加模拟地震波型的不规则激振波，来研究黄土的动力特性，输入地震波一般从某地记录到的地震动时程而来［36］。 前一种方法中，谢定义［51－52］利用动三轴试验仪对洛川、西安、兰州等地黄土按干型（ω≤ωP）、湿型（ωP﹤ ω﹤ ωL）、饱和型（ω≥ωL）三种类型输入等幅往复荷载发现：①对于干型黄土，其动应力－动应变特性曲线具有直线关系，在破坏应变范围内的动模量可取为常数，动强度由抗拉强度控制。②对于湿型黄土动应力－动应变特性曲线呈双曲线关系，动强度由抗剪强度控制，破坏在应变累积到屈服应变时发生。③对于饱和黄土其动应力－动应变关系为双曲线，动强度也受抗剪强度控制，但其动变形明显偏大，动强度明显偏低，动孔压明显增长。巫志辉［53］在黄土样的动三轴控制中施加了不同类型的动应力时程，总结提出了“大波效应”、“首波效应”、“连波效应”等六种不规则应力波具有的波序效应。骆亚生［54］选取我国典型地区黄土试样，利用动扭剪三轴仪上施加等幅动荷载，得到了非饱和黄土的结构性参数随动应变的变化规律。后一种方法中，王兰民［55－56］利用动三轴对黄土试样直接施加随机地震荷载时程进行动强度试验，提出了在随机地震荷载作用下，从黄土的动应力与积累残余应变关系曲线确定动强度的动三轴试验方法，发现黄土的动本构关系在地震波荷载下仍为双曲线型，但模型参数与等幅正弦循环荷载作用下的模型参数有一定差异，动应变比等幅正弦荷载要大。邓龙胜［57－59］对海原地震滑坡土样输入人工合成地震动进行动三轴试验，得到了随机地震荷载作用下黄土动应力–应变的基本特征，以及动剪切模量和阻尼比的计算方法，发现在低固结压力情况下，地震荷载会造成黄土的骨架损伤，降低其抗剪强度，并且降低的程度随动荷载幅值的增大而增大。

从现有的工作来看，黄土动力学研究主要以动三轴试验为基础，着眼点主要在黄土体含水量的变化、黄土的微观结构特征以及动荷载的类型等因素对黄土动力特性的影响上。现有的动三轴试验研究对黄土结构性相对地震动加载的尺寸效应关注较少，同时如何定量描述动荷载的加载效应也值得我们加以考虑。此外，黄土动力特性的研究既要借鉴饱和砂土等成熟有效的研究实验方法，又要针对黄土的特殊性质进行切实有效的试验，由此黄土动力特性的研究需要探求一种适合自身的试验研究技术与方法。

7 结论与讨论

总的来说，现阶段对海原大地震诱发黄土滑坡的研究重点主要集中在滑坡类型、分布规律、影响因素以及形成机理等多个方面。然而对于海原地震诱发的大量滑坡而言，还有不少需要完善和深入研究的地方，笔者认为主要有以下几个方面：

（1）黄土特殊的物理力学特性。黄土特殊的水理特性、强度特性、动力特性等特性，决定着黄土边坡的动力稳定性分析不能简单引入一般岩土体边坡的分析方法。如何引入黄土体的特殊性，考虑黄土特殊的物理力学性质以及由此在地震过程中可能出现的震陷和液化，是黄土边坡动力稳定性分析的创新点和突破点。

（2）黄土边坡的动力稳定性快速评价方法。在黄土地区开发建设过程中，需要对工程场址区的黄土边坡进行动力稳定性评价，而现有黄土边坡动力稳定性研究较为复杂，实用性不强，目前尚缺乏一种便于工程应用的黄土边坡动力稳定性快速评价方法。

（3）场地效应对黄土地震滑坡的影响。不同结构类型、不同地质构造背景和不同工程地质条件下黄土边坡其受到同一地震动场作用下的反应分析目前开展较少，此外黄土的物性变化、地下水位的变化、地震波频谱特性的变化对黄土边坡的动力反应研究也应重点关注。

（4）黄土动力特性。已有的黄土动本构模型不能很好模拟地震作用下土体弹塑性行为，远不能满足工程的需要，因此应开展地震作用下黄土动力本构模型研究。此外现有的动三轴试验方法尚不能较好地模拟复杂的受力环境，因此要继续开展黄土动力特性试验方法与试验仪器的研究。

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Current Status of Research on Haiyuan Earthquake⁃triggered Landslides

Peng Da1， Bo Jingshan1， Li Xiaobo1， Yang Shun2
（1．Institute of Disaster Prevention，Sanhe065201，China；2．Earthquake Agency of Ningxia Hui Autonomous Region，Yinchuan750001，China）

Based on presenting a survey of Haiyuan earthquake and the earthquake⁃triggered geological hazards， this paper systematically summarized the research achievements made by some previous scholars from the following aspects— the characteristics of growth and distribution of earthquake landslides， the formation mechanism and site conditions of loess earthquake⁃triggered landslides， the stability evaluation of loess slope， and the dynamic properties of loess etc．Then， the effect and contribution of these achievements on the study of loess landslide hazards were reviewed．On this basis， considering the demands of economic construction and the focus of theoretical research， this paper proposed some relevant issues and research directions for further research in this field．

Haiyuan earthquake； loess earthquake⁃triggered landsides； formation mechanism； site condition； stability evaluation；dynamic properties of loess

P642.22 文献标识码：A 文章编号：1673 －8047（2017）03 －0028 －09

2017－06－29

中央高校基本科研业务费专项资金创新团队资助计划项目（ZY20160101）；海原断裂滑坡灾害调查项目（12091207）．

彭达（1992—），男，硕士研究生，从事工程地质与地质灾害研究。