山西典型黄土崩塌破坏模式及其早期辨识

刘向御12

(1.中国冶金地质总局三局，太原 030002； 2.山西中晋冶金地质环境科技有限公司，太原 030002)

1 研究背景

黄河中游地区是我国黄土的主要分布地区，黄土面积约27.56 km2，占我国黄土总面积的43%[1-2]。山西是我国黄土的典型分布地区，黄土主要沉积分布于晋西、晋东、晋西北及晋西南等4个小区[3]。近年来，晋西地区黄土地质灾害频发，逐渐成为山西地质灾害防治的热点地区。本次的研究区位于临汾市隰县，属于晋西黄土地区，该地黄土覆盖面积广，黄土厚度大，是山西黄土的典型代表。

随着工农业、道路交通等建设工程的加快实施，隰县黄土地质环境的特殊性和脆弱性逐渐暴露出来，黄土崩塌逐渐成为本区主要的地质灾害类型，全县黄土崩塌占地质灾害总数的93.15%。

国内对黄土崩塌的研究主要集中于黄土崩塌的发育特征和防治措施、黄土崩塌的诱灾因素和破坏模式、崩塌的形成机理及稳定性判别3个方面。辛存林等[4]对天水市北部黄土崩塌的物质基础、力学性质、自然因素和人为因素等方面进行了分析研究；刘飞等[5]采用贡献率法分析了不同黄土崩塌类型与黄土崩塌的相关性，认为工程开挖是黄土崩塌的主要原因；彭军等[6]对陕北地区黄土崩塌破坏模式进行了总结和分类，提出了初步的防控对策；王根龙等[7]以陕北黄土崩塌为研究对象，阐述了其形成条件和破坏模式，对不稳定黄土斜坡发展为崩塌的变形破坏过程进行了分析研究；刘超[8]用反演方法对黄土高边坡的抗剪强度参数进行了研究，绘制了不同坡高系列的稳定系数和失效概率图谱，可以对边坡的稳定系数和坡型参数的可靠度进行初判；叶万军等[9-10]建立了陕北黄土拉裂-滑移式崩塌的尖点突变模型和倾倒型崩塌体的运动学方程，探讨了以上2种黄土崩塌的形成机制；朱兴华等[11]探讨了黄土地质灾害的链生效应，阐述了黄土灾害链的风险评价及断链措施方面的研究的重要性；彭建兵等[12]从黄土地质灾害的整体视角，分析了黄土地质灾害研究的关键问题，把建立黄土重大灾害超前判识、预警预报与风险控制的理论及技术方法体系作为黄土地质灾害研究的重要落脚点。

从地域上看，陕、甘、宁地区的黄土崩塌研究程度较高，尤以陕北黄土崩塌研究最为突出。山西黄土崩塌的研究主要集中在其类型、分布特征及规律等方面，如黄强兵等[13]对山西吕梁黄土崩滑类型及发育规律进行了总结研究，认为人工开挖和降雨耦合作用是诱发吕梁地区黄土滑坡和崩塌的最主要因素。董震等[14]通过对山西3个地区的调查资料进行汇总分析，提出了相应的崩塌工程治理措施。

综上可见，关于山西黄土崩塌及其破坏模式的总结和研究较少。现有的对黄土崩塌的临灾判别也多基于崩塌发生的临界点，尚未从黄土崩塌的演化规律及早期辨识思路上进行研究。

本文旨在通过总结山西典型黄土崩塌破坏模式，提取早期辨识量化指标，以综合性危险性指数法对崩塌的危险性进行半定量分析，并对应相应的应急防治措施，为黄土崩塌的早期识别提供借鉴经验，充实基层地质灾害防治技术体系。

2 研究区概况

本次研究区位于晋西吕梁山南麓，黄土残塬沟壑纵横，属于区域大地构造单元的河东鄂尔多斯盆地边缘，吕梁背斜的西翼。全区80%地域被黄土覆盖，黄土厚度大，黄土地层齐全。特殊的自然地理环境和地质构造背景，导致该地区存在或者发育独特的环境地质问题,主要包括生态环境脆弱、水资源缺乏、水土流失、黄土湿陷、地质灾害发育等，其中黄土崩塌是本区的主要地质灾害类型。

3 黄土崩塌典型特征

3.1 Q2层内崩塌

3.1.1 Q2粉质黏土

该类斜坡由第四纪黄土地层构成，主体为中更新世黄土，坡顶出露3～6 m的Q3m粉土，其稳定性与Q2l粉质黏土本身的工程地质性质密切相关。在岩性方面，该层黄土节理裂隙发育，抗拉强度低，极易形成卸荷裂隙。该层黄土在降雨和树木根系作用下，自身的节理裂隙会不断发展扩大，易于形成软弱结构面，从而引发崩塌，如图1所示。

图1 Q2粉质黏土层内崩塌及裂缝Fig.1 Collapse and crack of Q2 silty clay layer

3.1.2 Q2粉质黏土+古土壤层

该类斜坡主体为中更新世黄土，主要分布于研究区一级、二级支流的中上游沿岸。该型斜坡稳定性主要与古土壤层的工程地质性质密切相关。古土壤层的发育产状一般顺坡向或近水平，相对上层土体结构致密，黏性强，为相对隔水层，变形部位一般在古土壤层上界面。图2为此类崩塌典型案例。

图2 Q2粉质黏土+古土壤层崩塌Fig.2 Collapse of the contact surface of the Q2 silty clay layer and the paleosol layer

3.2 Q2/N2接触面崩塌

该类斜坡坡体上部为Q2粉质黏土+古土壤层，坡脚为N2红黏土。该型斜坡稳定性与黄土层的土体结构密切相关。该斜坡上部为Q2粉质黏土层，节理裂隙发育，且多分布近于水平的古土壤层；斜坡下部为N2红黏土层。与上部Q2粉质黏土相比，N2红黏土层粘性较强，水渗透性能弱，为相对隔水层，易在土体接触面部位形成软弱结构面，从而形成崩塌。现状条件下，该类斜坡变形破坏主要集中于坡体中上部，Q2粉质黏土层内垂直节理发育的特征是主要致灾因素。图3为该类型斜坡的典型照片。

图3 Q3+Q2+N2多层土体斜坡Fig.3 Q3+Q2+N2 multi-layer soil slope

3.3 N2黏土层顶部砾岩崩塌

该类斜坡变形部位集中于斜坡中上部，如图4所示。坡体上部一般Q2粉质黏土厚度较大，坡脚为N2红黏土，Q2粉质黏土与N2红黏土接触部位为砾岩层，主要分布于研究区大型沟谷及支沟中。图4所示为发生于本区S328省道西侧的1处崩塌。该型斜坡的不稳定性主要集中于砾岩层及其上部的Q2粉质黏土层。坡脚处N2红黏土在雨水浸润和风干、风移作用下，逐步向坡脚处倾泻，致使砾岩层下部与黏土接触部位出现临空面，加之砾岩层自身裂隙发育，在不稳定应力作用下，逐步由节理发展变形为裂缝，发生崩塌。

图4 N2黏土层顶部砾岩层崩塌Fig.4 Collapse of the conglomerate layer at the top of the N2 clay layer

3.4 Q2/T2接触面崩塌

此类斜坡上部为黄土，下部为基岩，黄土层主要分布Q2粉质黏土，基岩主要为T2砂岩及泥岩，多发育于研究区主要的交通干道沿线，岩性组合情况如图5所示。

图5 土岩结合斜坡Fig.5 Soil and rock combined slope

该类斜坡的不稳定因素集中在岩、土体在工程地质性质上的差别。该类斜坡易形成崩塌的部位主要有：

①Q2l粉质黏土自身的节理裂隙发育，在外力作用下，极易形成裂缝，从而形成崩塌。

②Q2l粉质黏土与T2岩层的接触面，相对土层，砂岩、泥岩层为相对的隔水层，孔隙水(泉水)易在基岩面上相对富集，形成饱水带，使得黄土力学强度不断下降，失稳引发崩塌。

图6 典型黄土崩塌破环模式Fig.6 Typical failure modes of loess collapse

4 黄土崩塌主要破坏模型及控制因素

以本区黄土崩塌的平均坡比为基本坡型，黄土岩性组合为主要参考对象，进行黄土崩塌破坏方式的归纳，可分为4种类型，分别为：单层土体斜坡、双层土体斜坡、多层土体斜坡、土岩结合斜坡，具体破坏模型如图6所示。在此基础上，崩塌的延伸破坏接触面可进一步归为5类，分别为：①Q3/Q2界面；②Q2层内古土壤层上部；③Q2/Q1界面；④Q2/N2界面；⑤Q2/T2界面。黄土崩塌的演化发展与破坏，应着重考虑破坏内动力作用因素和外动力因素2个方面。

4.1 破坏内动力因素

4.1.1 黄土湿陷性

黄土湿陷主要集中于斜坡顶部Q3粉土层，该层黄土具大孔隙,植物根系发育，且黄土厚度不大，具自重湿陷性，多形成湿陷碟等微地貌。湿陷使坡顶地形发生改变，极易相对汇集降水，逐步演化为雨水下渗通道,与下层垂直节理发育的Q2层黄土综合作用，逐步演化为崩塌。

4.1.2 黄土垂直节理发育

中更新世黄土(Q2)，为黄色-淡棕黄色粉质黏土，垂直节理发育，比较致密，大块状，层理不显，具大孔隙，其中央有间距密集的2层棕红色古土壤层和12层稍显红色的埋藏风化层。

垂直节理发育是本层黄土的重要特征，也是诱发崩塌灾害的主要致灾因素。

4.1.3 渗透系数差异

渗透性差异反映在Q2黄土层中古土壤上界面、Q2/Q1界面、Q2/N2界面、Q2黄土与基岩界面4个接触面。据经验值，Q3黄土渗透系数约在10-5～10-4cm/s之间[1]，Q2、Q1、N2的渗透性依次减小，一般相差1～2个数量级。在地下水量突然加大、频率加快的情况下，渗透系数的延迟效应显现，岩土接触界面局部会逐渐形成软弱结构面，累积形成崩塌界面。这一点与“连阴雨”容易致灾的论点如出一辙。

4.2 破坏外动力作用

4.2.1 削坡作业

本区的削坡作业主要集中在房屋(窑洞)建设、平山造地、公路及铁路等建设中。窑洞是研究区人居建筑的主体，多分布于城乡结合部和边远的山区，削坡建窑(房)改变了斜坡的应力平衡，降低了坡体的稳定性，引发较多的滑移式崩塌和错断式崩塌。平山造地工程主要集中在人烟稀少的黄土塬区，增加了建设中、建设后遭受崩塌的可能。公路削坡产生了较多的不稳定斜坡，特别是在一些沿线靠近村庄的地段，增大了崩塌的威胁范围。

4.2.2 农耕活动

研究区耕地集约，在一些黄土斜坡或者黄土塬面上广泛开展梨果种植，坡顶农耕活动强度及范围不断加强。农耕活动人为改变了坡顶土壤结构和地形条件，变排水为聚水，加大了大气降水的垂直入渗量，在黄土塬临近沟谷切割地带增加了发生崩塌的可能。

4.2.3 植物根劈

在一些植被茂密区，或者在一些公路、铁路沿线分布有多年生植物，根系粗壮、延伸较深。这些林木在公路、铁路沿线累积生长，常年与黄土节理裂隙综合作用，累积使斜坡顶部或坡面的稳定性降低，引发崩塌。

4.2.4 降 雨

降雨是引发崩塌的主要外力因素，降雨的强度及持续时间将直接影响土体中水的渗入量和渗入率[15]。降雨及雨水沿坡体垂直入渗，改变了土体的内部颗粒结构，使得土体强度下降，节理、裂隙沟通发育形成导水通道，裂缝宽度及延伸深度不断变大，直至斜坡卸荷导致崩塌。

4.3 变形破坏特征

4.3.1 裂缝发育特征

裂缝发育的规模及数量是崩塌的重要表征，可分为拉张裂缝和剪切裂缝。研究区以滑移式崩塌为主，裂缝产状多与斜坡坡向一致，土体接触面受原始沉积地貌控制明显，一般沟谷地带土体接触面均为顺坡向。

4.3.2 垂直节理

垂直节理是Q2黄土的重要特性，其变形破环特征主要表现为3个方面：①不同产状节理之间可以形成交错节理，加大斜坡卸荷力场，特别是在地基开挖、削坡取土过程中引起黄土的卸荷回弹和应力重分布，使得各种新节理在坡体和周围土体中普遍发育；②垂直节理可以加大水分的入渗作用[16]，加大了斜坡的不稳定因素，加大了发生崩塌的可能性；③与根系共同作用发育为空洞和裂缝，加速坡体的失稳。

4.3.3 剥坠落

斜坡变形为崩塌是逐步演化形成的，多由小崩塌事件不断演化而来，剥坠落土体的频率及坠落土块的粒径变化情况是判断崩塌稳定性及崩塌临灾时间的重要表征，如2014年山西吉县柏浪沟黄土崩塌在临灾前曾发生多次剥坠落，在之后的第3天发生了崩塌。

4.3.4 渗水(泉)出露

研究区泉水出露较多，相应斜坡是崩塌监测的重点部位。对应4.1.3节中所述黄土层渗透系数的差异，古土壤层、Q2/Q1、Q2/N2、Q2/T2等界面因透水系数的差别常形成泉水渗出，渗水量及其持续时间将直接影响斜坡的稳定性，是崩塌监测的重要特征要素。

5 危险性识别因子提取

5.1 辨识因子提取

综合分析黄土崩塌发育特征，提取5大类15种指标量化为辨识因子，分别为：变形迹象W1(坡体裂缝、垂直节理、剥坠落、渗水、黄土湿陷、建筑变形)；斜坡结构W2(岩性组合、接触面产状)；人类工程活动W3(削坡建窑、排水效果、农垦影响)；坡体形态W4(坡高、坡度、坡型)；其它因素W5(植物根劈)。

5.2 稳定性量化判别

5.2.1 量化模型

本次崩塌稳定性定量分析采用“地质灾害综合指数法”，即对辨识因子的观测分值与相应的权重相乘所得的积进行求和，用和值的大小判定崩塌危险性的大小。计算公式为

W=∑WijRij。

式中：W为崩塌危险性综合指数；Wij为崩塌相应的辨识因子；Rij为辨识因子危险性分析权重；i为影响因素编号；j为相应影响因素辨识因子编号。

5.2.2 量化过程

辨识因子分4个档次，分别赋以10，7，4，1分[17]，依据辨识因子的重要性程度，分别规定一定的权重，权重由“专家打分法”确定，即由5位参与实地调查的项目组成员，从主观经验提炼出每个辨识因子对黄土崩塌的贡献程度而确定权重的方法。最终的数据统计采用去掉最大值和最小值，其余取平均值的方法对权重进行计算。量化计算标准如表1所示。

5.3 量化评价标准、识别及应对措施

总结研究区所处评分结果与稳定性的对应情况，得出表2的评分判别标准，危险性按1，3，6的分值节点，分为4个区段，分别对应危险性高、中、较低、低4个等级。

危险性识别后，对应表3进行相应应急防治措施。

表1 崩塌危险性评价量化标准Table 1 Quantitative criteria for collapse risk assessment

注:辨识因子评分采取就大不就小的原则进行。

表2 危险性评分等级Table 2 Rating of risk score

表3 崩塌辨识对应的应急措施Table 3 Emergency measures corresponding to collapse identification results

变形迹象(W1)对崩塌稳定性的贡献率最大，是判断崩塌危险性和稳定性最直接的特征。当W1的评分结果满足表4中判定级别“危险性高”时，可直接介入地质灾害预警预报措施，进行应急处置。

表4 变形迹象优先稳定性判别评分等级Table 4 Rating of identification of priority signs of deformation

6 结 论

(1)按岩土体结构组合划分，黄土崩塌的破坏模式可总结为单层土体层内、双层土体、多层土体及土岩结合4种类型。按地层接触关系，主要包含Q3/Q2、Q2/古土壤层、Q2/Q1、Q2/N2、Q2/T2共5个典型破坏接触面。

(2)依据黄土崩塌主要破坏模式及破坏接触面，提取辨识因子，按综合指数法进行量化分析，进行黄土崩塌的危险性现状辨识，危险性辨识分为4个等级，对应危险性等级辨识结果，采取对应的应急防治措施。

(3)突出变形迹象对崩塌稳定性判别的贡献率，提出优先判定标准，快速判断黄土崩塌稳定性，快速应急处置。

(4)以隰县黄土为山西黄土的典型代表，为黄土崩塌危险性判别提出具体的量化评价指标，不断加深对黄土崩塌的演化规律研究，为其它黄土地区地质灾害防治提供借鉴。

(5)本方法简单，易于实施，适合于一线群测群防人员快速掌握和操作，是野外监测和快速判别黄土崩塌危险性及稳定性的有力补充。