溯源侵蚀引发的拉裂-倾倒型黄土崩塌形成机制

成玉祥，张卜平，唐亚明

（1.长安大学地质工程与测绘学院，陕西 西安 710054；2.西部矿产资源与地质工程教育部重点实验室，陕西 西安 710054；3.中国地质调查局西安地质调查中心，陕西 西安 710054）

0 引言

我国陕北黄土丘陵地区地貌类型复杂，梁峁遍布，地形坡度大。该地区地表披覆的砂黄土粒间联结弱，土体结构松散，物理力学性质差，对水异常敏感[1]。加之该地区年降雨量虽少但是多集中在雨季，且多以暴雨形式出现，造成黄土丘陵区水力侵蚀异常强烈。而沟头溯源侵蚀又为侵蚀速度最快的侵蚀作用[2]。在长期溯源侵蚀作用下，完整的坡面不断被切割变得沟壑纵横，往往伴随着各类地质灾害[3−4]。黄土崩塌即为溯源侵蚀过程中发生的主要地质灾害类别之一，严重威胁区内人民群众的财产及人身安全[5]。因此，研究溯源侵蚀引发黄土崩塌的发育特征和成因机理对黄土高原地区防灾减灾具有重要的科学和社会价值。

多位学者从影响因素、基本特征、沟头崩塌形成机理等方面对沟头溯源侵蚀作用进行了研究。陈绍宇等[6]认为溯源侵蚀的影响因素有降雨、地形、岩土性质、土地利用。车小力[7]调查发现活动黄土沟头处拥有跌水陡坎，沟壁垂直陡峭、多裂缝，沟头底部下切、沟壁掏空严重，沟底有明显的水流痕迹和较新的崩塌沉积物，沟头附近多陷穴。史倩华等[8]通过试验分析了董志塬沟头溯源侵蚀的演化过程，认为孔隙水压力的升高是造成溯源侵蚀崩塌的重要原因。可见黄土地区沟头溯源侵蚀研究还停留在定性的基本特征总结和影响因素分析层面，未能充分考虑溯源侵蚀作用的灾害效应，因此亟需进行灾害力学成因机制分析研究。而在黄土崩塌形成机制方面也鲜有学者考虑到地表径流的冲刷作用[9−11]，因此也未能揭示溯源侵蚀过程中水力重力耦合驱动力作用下崩塌灾害形成机制[12−14]。而云南元谋干热河谷地区溯源侵蚀作用的灾害效应研究较为深入，充分考虑了地表径流的冲刷作用，揭示了水力侵蚀重力侵蚀耦合驱动力作用下沟头失稳机制，这对黄土地区沟头溯源侵蚀致塌机制具有重要的借鉴意义[15−18]。

综上所述，黄土溯源侵蚀过程的影响因素众多，形成机制复杂。由于沟头溯源侵蚀作用是重力侵蚀与水力侵蚀复合驱动的结果，因此溯源侵蚀引发崩塌的成灾机理比常见崩塌更为复杂，而现有研究成果较少涉及到此类崩塌的形成机制、稳定性评价研究。本文以野外地质调查为基础，通过总结溯源侵蚀引发黄土崩塌灾害的基本特征和发育规律，揭示溯源侵蚀引发黄土崩塌的形成机制，探讨了影响该类崩塌稳定性的主要影响因素，研究成果可为揭示水致黄土崩塌灾害成因机理和黄土崩塌灾害防治提供理论参考。

1 研究区崩塌灾害发育特征

研究区位于陕西省榆林市东南部绥德、吴堡两县（图1）。属于中温带亚干旱区，为大陆性季风气候。区内降水量年内分配极不均匀，主要集中在7、8、9三个月，且多以暴雨形式为主。三个月的多年平均降水量为268.3 mm，占全年降水量的61%。区内北部和西部属黄土梁峁区，东部和南部黄河沿岸黄土丘陵区，中部多为南北走向的黄土梁状残塬地，梁峁起伏、支离破碎，沟壑密度3.03～5.00 km/km2。区内广泛分布第四系松散堆积层，厚度在2～90 m，按形成时代和成因，主要包括马兰黄土（Q3）和离石黄土（Q2）。松散的黄土、破碎的地形和集中的降雨为该地区地质灾害的形成创造了条件。

图1 研究区崩塌灾害分布简图Fig.1 Distribution diagram of loess falls in the study area

研究区内现场调查共发现127处崩塌灾害，其中由溯源侵蚀引发的典型黄土崩塌灾害共16处，占总数的12.6%。溯源侵蚀引发黄土崩塌基本特征如表1所示。

表1 溯源侵蚀引发典型黄土崩塌基本特征表Table 1 Basic characteristics of typical loess falls caused by headward erosion

总体来看，溯源侵蚀引发黄土崩塌数量不多，但是规模较大；主要分布在黄土残塬边缘及黄土冲沟的沟头部位；崩塌的岩土体主要为Q3黄土和Q2黄土，且以Q3黄土为主。从已经发生崩塌的崩塌体特征来看，该类型崩塌最显著的特点是崩塌体整体以坡脚为支点，向临空方向发生旋转性倾倒（图2）。有些崩塌体甚至保持了基本的完整性。崩塌后壁粗糙陡直，擦痕不发育，具有拉张破坏的基本特征（图3），后壁上部具有明显的流水痕迹，坡顶分布有走向与坡沿近平行的拉张裂缝（图2，图4）。从崩塌周围尚未发生破坏的崩塌来看，坡顶沟壁垂直节理裂隙发育，并伴有落水洞。坡脚大多受沟道水流的侵蚀作用，坡脚陡立，甚至出现反倾的侵蚀凹槽。坡脚的土体受水的浸润作用，含水量较高。

图2 崩塌后缘拉张裂缝Fig.2 Tension fractures at the edge of loess falls

图3 崩塌后壁Fig.3 Back wall of loess falls

图4 典型拉裂-倾倒型黄土崩塌剖面示意图Fig.4 The cross-section diagram of the typical fracturing-topping and loess soil

由此可见，水力侵蚀改造了斜坡的形态，进而影响了坡体内的应力分布状态。重力作用为崩塌的破坏提供了主要的源动力。拉裂倾倒型崩塌是地表水力侵蚀和重力共同作用下形成的。另外短时强降雨形成的孔隙水压力也是不容忽视的影响因素，由此可见，该类型崩塌形成机制复杂。

2 拉裂-倾倒型崩塌形成机制

天然黄土斜坡在其漫长的形成过程中，形成典型的“V”字型沟谷，坡体内的应力分布与坡体强度达到平衡状态，谷坡和沟头能够保证基本稳定见图5（a）。

在黄土梁峁区，黄土沟头是地表水流侵蚀作用最为强烈的地段，一方面是由于沟头地形的突变，为地表水流的加速提供了条件。另一方面，黄土梁峁的集水作用，尤其是居民点建设、公路建设使得集水作用更加明显。如遇暴雨在沟头形成了极端的地表径流。高流速、大流量的水流在沟头形成了典型的贴壁流和跌水流，对坡脚产生强烈侵蚀使得坡度变陡。对谷底产生强烈的下蚀作用导致沟头增高见图5（b）。地形改变引发坡体内应力状态的改变。坡高增大，坡度变陡，坡顶的岩土体向临空方向移动，坡顶拉应力区范围增大、量值增高（①区），如果拉应力超过抗拉强度，地表出现拉张裂缝。坡脚主要受坡体重力作用，为剪应力分布区（②区）。坡脚和谷底为强烈水力侵蚀区（③区）。

图5 拉裂-倾倒型崩塌演化过程Fig.5 The evolution process of the fracturing-topping and loess soil

随着侵蚀时间的增长，沟头地形逐渐会变为近直立，贴壁流的侵蚀作用逐渐减弱，跌水流的侵蚀作用逐渐增强，坡脚和谷底为强烈水力侵蚀区逐渐扩大，跌水流在坡脚的溅蚀作用往往形成凹槽。导致拉应力分布区范围逐渐扩大，拉张裂缝逐渐增大，加深。剪应力分布区范围逐渐缩小，由于反倾地形，使得剪应力分布区的应力状态有压剪状态转变为拉剪状态见图5（c）。

当地表水的侵蚀发展到一定程度，坡顶的拉张裂缝向下延伸到一定深度。如果崩塌体的重心位于坡脚凹槽的内侧时，崩塌体尚能保持基本稳定。如果崩塌体的重心位于坡脚凹槽的外侧时，再加上后缘裂隙中地表水的灌入形成孔隙水压力的水平压力，将导致崩塌体沿着坡脚凹槽为中心，发生倾倒破坏。

综上所述，该类型崩塌的发生是地表水侵蚀和重力作用下，坡体内拉应力、剪应力分布区和强烈水力侵蚀区三个区发生了转化，经历了斜坡应力重新分布、拉张应力的增大与范围扩大，剪应力状态改变与范围集中、坡顶拉张与孔隙水压力耦合作用下的崩塌体倾倒破坏三个阶段。

3 控制和影响拉裂-倾倒型黄土崩塌稳定性的主要因素

学界对于拉裂-倾倒型崩塌稳定性评价研究成果相当丰富[19−23]。根据溯源侵蚀引发拉裂-倾倒型黄土崩塌的具体特征及“三区三阶段”演化特征，借鉴前人研究成果，此类崩塌稳定性可采用力矩法进行粗略评价。根据该类崩塌的具体特征，建立图6所示的拉裂-倾倒型崩塌物理模型图。

图6 拉裂-倾倒型崩塌物理模型图Fig.6 Physical model diagram of the fracturing-topping and loess soil

如图6所示，取单位宽度坡体进行稳定分析。坡顶拉张裂隙深度为D，坡脚掏蚀凹槽高度为h，深度为B，悬空体拉裂隙未贯通处长度为L，悬空体受重力W和静水压力P作用，土的天然密度为 ρ，土的黏聚力为c，水的密度为ρw。此时，悬空体所受倾覆力为：

抗倾覆力为土体的水平抗拉力C：

设悬空土体绕O点发生倾覆，则倾覆力矩为：

抗倾覆力矩为：

由（4）、（5）和（6）式可得拉裂倾倒型崩塌稳定性系数：

根据（7）式，当崩塌体唯一确定时，影响其稳定性的主要因素有：沟头土体的黏聚力c和土的天然密度ρ。研究表明，土体的天然重度 γ又与土的天然含水量w和干重度γd存在下列关系[24]：

由式（7）、（8）可以看出，溯源侵蚀引发拉裂-倾倒型黄土崩塌的稳定性受三大类因素影响和控制：其一为沟头的几何特征，包括沟头高度、拉张裂缝的深度及其与坡沿的距离、侵蚀凹槽的深度和高度；其二为沟头土体的含水率；其三为拉张裂隙中的静水压力。显然，随着沟头土体含水率的上升，稳定性降低；坡顶拉张裂缝深度越大，积水越深、侵蚀凹槽高度越高，深度越深，沟头越易失稳。

4 结论

（1）黄土沟头溯源侵蚀作用是引发拉裂-倾倒型崩塌灾害的主要驱动力。该类型崩塌主要分布在黄土残塬边缘及黄土冲沟的沟头部位，数量不多，但是规模较大，潜在危险性大。

（2）溯源侵蚀引发的拉裂-倾倒型崩塌的形成，主要是由于斜坡在地表水侵蚀和重力作用下，坡体内拉应力分布区、剪应力分布区和强烈水力侵蚀区三个区发生了转化。经历了斜坡应力重新分布、拉张应力的增大与范围扩大，剪应力状态改变与范围集中、坡顶拉张与孔隙水压力耦合作用下的崩塌体倾倒破坏三个阶段。

（3）控制和影响拉裂-倾倒型黄土崩塌稳定性的因素包括：斜坡几何特征、土体物理力学参数及拉张裂隙中的静水压力。随着土体含水率的上升，坡顶拉张裂缝深度加深，侵蚀凹槽深度加深，崩塌稳定性逐渐降低。