黄土潜蚀机理及其致灾效应研究综述

张卜平，朱兴华，成玉祥，张智锋，孙恒飞，蔡佳乐

（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）

0 引言

黄土潜蚀是指地表水沿黄土节理裂隙面流动时发生的物理侵蚀和化学溶蚀过程[1-2]。黄土强水敏性、结构面发育和存在优势渗流现象的三大特征，决定了在黄土中极易发生潜蚀[3]。研究表明黄土潜蚀具有显著的致灾效应和环境效应[4-5]，与黄土高原地区常见的崩塌、滑坡、泥流及地裂缝等地质灾害和水土流失密切相关[6-12]，常间接造成人员伤亡和巨大的经济损失[13-18]。

目前关于黄土潜蚀的研究主要集中在主控因素、成因机理和致灾效应三大方面。彭建兵等[3]和李喜安等[2]多年研究成果表明，黄土潜蚀的主控因素包括黄土易灾变的土性、节理裂隙通道和水力条件，但是当前对黄土潜蚀的每一类控制因素认识仍不够深入，且缺少定量化的评价指标。成因机理方面，目前流行三种主要学说[3,19]：化学潜蚀说、机械潜蚀说和复合潜蚀说，其中复合潜蚀说发展最为成熟已被学界普遍接受，但是复合潜蚀说对潜蚀过程中水土相互作用机理尚不明确。致灾效应方面，目前主要集中在潜蚀对黄土滑坡[13]、崩塌[14-15]、地裂缝[16-18]等单种灾害的诱发或加剧作用，而对黄土潜蚀在黄土地质灾害链中的关键链接作用研究不足。

综上所述，目前黄土潜蚀研究还存在很多不足，文章以黄土潜蚀现象为研究对象，梳理黄土潜蚀的基本概念，分析黄土潜蚀的主控因素和成因机理，总结黄土潜蚀的致灾效应，最后就黄土潜蚀机理研究未来发展趋势作简要展望，旨在为今后黄土潜蚀研究提供科学参考。

1 黄土潜蚀的基本概念

潜蚀一词最初是由前苏联学者A.M.巴甫洛夫提出用来表征由于地下水对下伏岩层中易溶解部分的溶滤及携出而形成的地表变形现象[20]，近年来被用于描述黄土内部特殊的侵蚀现象。关于黄土潜蚀的定义，王景明[21]于1996年将黄土潜蚀定义为：地表水沿黄土节理尤其是构造节理渗入地下和沟缝内进行侵蚀的侵蚀作用。李喜安等[2]2010年将黄土潜蚀定义为：在地表以下地下水的作用使地层发生的各种形式的侵蚀，主要包括物理侵蚀和化学侵蚀。上述两位学者给出的定义各有侧重，但是并不全面。从潜蚀发生的过程来看，由于地表径流相对集中，渗入黄土节理中的水分增多，不断冲刷裂隙壁并溶解黄土中的可溶性物质（碳酸钙），在向下运移的过程中又带走了细小的黄土颗粒，破坏了黄土结构，在自重作用下上部土体坍塌，形成一系列的浅洼地、碟状地、陷穴、暗穴等小的侵蚀形态[1]，当地表水沿黄土中的缝隙渗入地下进行侵蚀时，其侵蚀过程中常常参与了土体塌陷，所以黄土潜蚀可视为水力侵蚀与重力侵蚀共同参与的复合侵蚀类型。文献1 所述定义概括了黄土潜蚀的发生过程，揭示了黄土潜蚀的复合侵蚀本质，概念清晰，文章即沿用此定义，黄土潜蚀演化过程示意图如图1所示。

图1 典型黄土潜蚀演化过程示意图Fig.1 Typical subsurface-erosion process of loess

2 黄土潜蚀的主控因素

黄土高原地区黄土潜蚀分布广泛[6,22-26]，影响因素众多[22,27]，研究表明黄土潜蚀的发生必须具备三个基本条件[3,21,28]：易潜蚀的土性、优势渗流通道和水动力条件，黄土潜蚀的主控影响因素如图2所示。

图2 黄土潜蚀主控因素Fig.2 Main controlling factors of loess subsurfac-erosion

2.1 易潜蚀的土性

黄土结构疏松，胶结程度差，节理发育，决定了黄土具有强水敏性[29]，也是黄土潜蚀发生的物质基础[27]。研究表明，黄土水敏性中以渗透性、湿陷性、崩解性对黄土潜蚀灾变影响最大[2-3,22-23]。

黄土的渗透性反映水在黄土中的入渗速度[30]，在一定程度上决定了水对黄土的侵蚀路径及侵蚀速率影响的大小。野外调查发现黄土潜蚀发生的部位通常是渗流作用较强的部位，因而优势渗流与黄土潜蚀的形成具有直接关系[31-34]。而当前关于黄土优势渗流的研究主要集中在优势渗流规律[18,35-39]和优势渗流模型的建立等方面[40-42]，这些研究的前提均视优势渗流通道的边界为固定边界，与实际条件下动边界的优势渗流过程出入较大，且对优势渗流与黄土优势通道之间的水土相互作用研究较少。

黄土的湿陷性是指黄土在一定压力下受水浸湿，土结构迅速破坏而发生显著附加下沉的性质[43]。一般地，黄土潜蚀发育的地区普遍为强湿陷性黄土区，尤其是自重湿陷性黄土区黄土潜蚀发育程度明显较高，因此，黄土的自重湿陷性是黄土潜蚀的直接土性因素[2-3,33-44]，除此以外，黄土的湿陷性还直接或间接影响着黄土的崩解和抗冲等特性[45]。当前对黄土湿陷性与黄土潜蚀的区域分布相关性较为明确，但是湿陷性对陷穴、暗穴等空间形态发展的控制作用不明，湿陷性与黄土潜蚀速率量化之间的关系不明。

黄土的崩解性直接反映了黄土受侵蚀搬运的难易程度，因此对黄土潜蚀的形成和发展速度也起着至关重要的作用[46-47]。近年来，李喜安等学者进一步揭示了黄土的崩解性、湿陷性等水理性质及侵蚀速率对黄土潜蚀的影响。研究表明，黄土试块的崩解过程不是无限发展的，而是受浸水边界的限制，即存在明显的“边界效应”。通过不同数量棱边柱体原位崩解试验发现黄土崩解还具有明显的“去棱边效应”，由于坡体内部棱边较少，“去棱边效应”较弱，可见崩解作用对坡体内部潜蚀的影响并不大[48]。通过黄土洞穴侵蚀速率试验研究发现，黄土洞穴潜蚀过程中，会在洞穴中形成跌水侵蚀，坡度越小，跌水侵蚀的贡献量越大[2]；由于黄土地层在垂向上呈现出古土壤—黄土交替出现的各向异性，且黄土、古土壤抗侵蚀性差别明显，因此会形成差异性溯源侵蚀，从而加速洞穴潜蚀[2]；而黄土中沿节理裂隙的优势渗流不断潜蚀，使得水流具有选择性侵蚀，因此，决定了洞穴延伸方向在三维空间的频繁变化[49-50]，但是由于当前缺乏有效的土体内部侵蚀观测手段，导致对黄土内部潜蚀过程研究极为不足。

黄土中优势渗流、湿陷性和崩解性等特性是黄土潜蚀发生的基础条件之一。不同优势流类别对优势通道的作用差异巨大，例如膜状流主要因自身波动性对渗流通道产生差异性侵蚀，而径流冲刷主要为势能和动能的转换，当前对黄土优势渗流模式的分类及优势流对优势通道的侵蚀效应尚不明确；湿陷性是黄土洞穴发育的关键因素，湿陷性对洞穴形态特征及扩展规律具有怎样的控制作用还不明确，更是缺少量化的评价方法；目前对于黄土试样的崩解规律研究较为深入，黄土暗穴中积水后的原位崩解特征和崩解速率是尚待解决的难题，动水环境下崩解与侵蚀速率之间的关系亟待解决。

2.2 优势渗流通道

黄土中的构造节理、原生垂直节理、风化裂隙以及卸荷裂隙等构成了优势渗流通道，具有汇水、导水、排水通道的作用，对黄土潜蚀的形成起到了边界控制作用，是黄土潜蚀形成和发展必备条件之一[33,51-57]。研究发现，黄土中优势渗流通道类别不同对地表水的下潜模式、优势流与优势通道的相互作用过程影响巨大[51-57]，因此很有必要对黄土中的优势入渗通道进行分类。

目前关于黄土优势渗流通道的分类成果很多，分类依据主要有渗流规律和不同尺度，具体见表1。按照闭合状态、水在裂隙中的渗透或运移情况及裂隙两侧土体在受力后的相互影响程度的分类[18,58]，对研究裂隙性黄土的渗流规律和潜蚀机理研究具有重要意义。以入渗规律为主的分类体系[59-60]为进一步研究通道中水土作用规律奠定了基础。从微观、细观和宏观多个尺度对黄土中的优势渗流通道进行分类[18]，为从多尺度揭示黄土潜蚀机理提供了有利条件。张宇[42]通过对不同开度、裂隙黄土湿润锋迁移形态、迁移深度宽度以及湿润锋迁移过程中的深度比值分析，对黄土节理的量化分类进行了初步探索，但是他的实验节理开度范围在0.63～5.04 mm，仅适用于5 mm 以内的裂隙开度，对黄土潜蚀机理研究而言，还有必要对大开度节理裂隙的分类进行深入探究。

表1 黄土优势渗流通道分类及特征表Table 1 Classification and characteristic table of dominant seepage channels in loess

目前，不同尺度下黄土优势通道的划分未实现量化，也极少有优势通道与潜蚀作用之间量化关系的研究。黄土中的优势通道与岩体中的节理裂隙相比，最大的特点是黄土优势通道在优势流作用下其空间形态会发生不断扩宽延伸或局部堵塞，其结果是，优势通道要么不断扩宽演化为黄土洞穴，最终发生地面塌陷，要么因为通道内部塌陷造成通道局部堵塞，形成一定的水位，地下水不断浸润软化通道侧壁，受黄土湿陷、崩解等特性影响，通道空间进一步扩大，形成大面积的积水，最终导致滑坡等地质灾害的发生。因此，未来对黄土优势渗流通道的分类需考虑建立动态的、量化的分类体系，并在分类体系的基础上进行黄土潜蚀作用机理的深入研究。

2.3 水动力条件

水动力作用是黄土潜蚀发生的动力来源[3]，而黄土区地下水的动力条件又仅受地表水的不同入渗模式的控制。

2.3.1 地表水入渗模式

地表水的不同入渗模式决定了黄土中优势流的动力特性，影响着黄土潜蚀速率，控制着黄土潜蚀的成因机理，已有多位学者对黄土区地表水的入渗模式进行了分类。根据地表水的入渗特征，可将黄土地区地表水的入渗模式分为四类[3,61]，其中与黄土潜蚀关系最为密切的优势入渗模式有：地表径流集中灌入入渗模式、渗透重力水沿优势渗流通道集中入渗模式和混合灌渗入渗模式等三种模式。当黄土地层中存在具备进出口的径流通道时，一般发生灌入下渗；当下渗重力水沿优势通道集中而迅速下潜时，可视为集中入渗模式；而当渗透重力水与径流同时存在时，往往表现为混合入渗模式。张珊珊等[59-60]则将入渗模式分为均匀入渗、快速入渗和灌入入渗，这三种入渗模式分别对应三类优势渗流通道（图3）。

图3 黄土入渗模式概念图（据文献[60]，有修改）Fig.3 Conceptual map of loess infiltration mode（modified from Ref.[60]）

黄土具有大孔隙、节理裂隙发育的结构构造特征，且水敏性强，导致水渗入黄土中的途径多样，而不同的入渗模式又产生差异明显的水动力条件，导致黄土潜蚀过程中水动力作用极为复杂。

2.3.2 水动力作用与潜蚀类型划分

地下水的侵蚀作用是黄土潜蚀的最直接动力，控制着黄土潜蚀的形成。通常地下水与土体相互作用方式主要有物理作用、化学作用和力学作用（图4）[62]。其中，控制黄土潜蚀机制的力学作用有：静水压力作用和动水压力作用。在静水压力作用下，黄土中的裂隙会发生扩容变形，而在动水压力作用下，会对黄土节理面产生拖曳力和软化黄土强度。地下径流在优势渗流通道中运动时，对土颗粒施加一种体积力，在动水压力作用下可以使土体中的细颗粒物质发生移动，甚至被带出土体以外，产生潜蚀而使土体破坏，据此，可以对黄土潜蚀的类型进行分类。

图4 水土相互作用图Fig.4 The picture of water-soil interaction

李喜安等[2]将潜蚀作用分为机械潜蚀作用、化学溶蚀作用及搬运作用等三类。化学潜蚀一般指地下一切以各种化学作用为主的侵蚀现象，以化学溶蚀为主。机械潜蚀是在地下径流机械力作用下发生的潜蚀，包括在多孔介质中的渗流作用下发生的潜蚀和以地下管流、洞穴流的水动力冲刷作用为主的潜蚀。这一分类与常见的水土之间的相互作用类型划分差异较大，概念比较模糊，适用性不强。文中根据水土之间的作用类型将黄土潜蚀划分为：静水潜蚀作用和动水潜蚀作用。静水潜蚀作用指在静水条件下黄土发生的软化崩解和湿陷等促使黄土结构解体的潜蚀作用，包括物理潜蚀作用和化学潜蚀作用。而动水潜蚀作用才是潜蚀发生的关键，它是指因动水的冲刷、搬运和沉积作用而发生的潜蚀。静水潜蚀可以为动水潜蚀提供物质来源，而动水潜蚀的冲刷、搬运、堵塞沉积作用可以进一步促进静水潜蚀作用的发生。

黄土潜蚀是地下水与黄土之间的复杂作用过程，以当前的科技手段，很难实现全面考虑各种水土作用类型。如上文所述，黄土潜蚀过程中水是动力来源，依据水土之间的不同力学作用对潜蚀类型进行划分，会大大简化潜蚀机理的研究。

3 黄土潜蚀的形成机理

早期关于黄土潜蚀机理的研究主要根据潜蚀作用类型进行定性解释，包括：机械潜蚀[63-64]、化学潜蚀[28]和复合潜蚀[1]。王景明等[56]基于黄土构造节理理论，进一步发展了复合潜蚀成因观点。该观点认为，黄土潜蚀的形成并不是单一的化学作用或物理作用，而是多种潜蚀作用复合的结果[31,46,64-66,]。

近年来，PENG[67]和WANG 等[44]学者从黄土强水敏性、优势渗流通道和地下水动力作用类型等主控因素角度对潜蚀机理进行了系统研究。研究表明，黄土的土性结构和水敏特性是潜蚀发生的物质基础，水动力作用是潜蚀发生的根本源动力，各种优势渗流通道为潜蚀发展过程中物质运移的通道[67]（图2）。

未来揭示黄土潜蚀的形成机理，需厘清土、水和通道三者之间的耦合关系（图5）。渗流通道决定了入渗水流的运移模式，起到了汇水、导水和排水的关键作用，也是潜蚀发生的场所；在静水和动水潜蚀作用下，通道会不断扩展演化或堵塞，最终趋于稳定；渗流通道附近的土性易受通道中水流的浸润或冲刷作用，发生崩解、湿陷、软化等，完整性降低，强度减小，最终导致灾害发生；而土体内部结构约束着黄土的水理性质，控制着黄土的抗侵蚀能力，因此对潜蚀速率有重要影响；另外，水动力条件的变化也会造成土壤易溶盐流失，最终导致结构变化，影响土性。黄土潜蚀演化过程异常复杂，又由于发生在地下，难以直接对其进行观测，因此截至目前也未建立有效的黄土潜蚀的模式。鉴于此，文章提出未来大致的研究思路（图6）。主要研究内容有：①明确黄土潜蚀的主控因素，建立各主控因素的量化评价指标；②通过野外调查和室内简化的模型实验，总结和归纳黄土潜蚀的地质演化模式，进行阶段划分；③在提出地质演化模式的基础上，综合利用水力学、土力学和工程地质学原理等探索建立黄土潜蚀的水土力学耦合模型；④将已建立的力学模型应用于解决重大黄土地质灾害的形成机理。

图5 黄土-水-通道耦合关系图Fig.5 The picture of Loess-water-channel coupling relationship

图6 黄土潜蚀机理及其致灾效应研究思路Fig.6 The study idea of loess subsurface-erosion mechanism and it’s hazard effects

黄土潜蚀最显著的特征是其多发生在地表以下，而当前缺乏有效的土体内部侵蚀过程观测手段，这严重制约着对黄土潜蚀机理的研究。因此，在未来研究中可以借助室内模型试验的研究手段，将实际的三维潜蚀过程概化为二维的平面问题，在黄土（剖）面上模拟潜蚀过程，从而间接认知土体潜蚀机理，以便于抽象概化出潜蚀的概念模式，最终实现潜蚀过程的物理数学量化建模，为未来预测潜蚀速率，研究黄土潜蚀的致灾效应提供科学依据。

4 黄土潜蚀的致灾效应

黄土潜蚀是一种常见的不良地质现象，同时还具有间接诱发或加剧崩塌、滑坡、地裂缝和泥流等灾害的灾害效应[4,67-68]。笔者认为，黄土潜蚀的灾害效应主要表现在两个方面，其一，黄土潜蚀对单种地质灾害的诱发或加剧效应；其二，黄土渗透潜蚀作为水源型黄土灾害链的关键环节[69]，对黄土地质灾害成链所具有的链接效应（图7）。

图7 黄土潜蚀的致灾效应[67]Fig.7 Disaster effect of loess subsurface-erosion[67]

4.1 对单种地质灾害的诱发或加剧效应

当潜蚀洞穴为串珠状分布时，具有很强的“排洞劈裂作用”，在劈裂作用下经常造成黄土边坡不同程度的崩塌，其中以串珠状陷穴对边坡的崩塌破坏最为严重[8,70]。黄土潜蚀与黄土滑坡在某些方面表现为互促关系[4]，黄土滑坡发生后滑体上的土体受拉剪等作用，完整性降低，易被水流渗透潜蚀[71-72]；而在天然斜坡中各类优势渗流通道的导水作用，会在地下形成径流，不断淘蚀斜坡内部，同时改变坡体内部水文条件[73]，软化土体，降低坡体整体稳定性[74]，引发滑坡灾害[13,75]。黄土潜蚀对黄土泥流也具有极其重要的作用，黄土崩塌、滑坡等灾害形成的堆积体经过潜蚀作用的解体搬运，为黄土泥流提供了充足的物源；而黄土潜蚀通道一般为径流汇集区，潜蚀通道中的径流为黄土泥流的发生提供了充足的水动力[19,69,76]。黄土地区地裂缝的发育与黄土洞穴潜蚀也呈现出互为因果的关系[4,77]。

目前，对黄土潜蚀诱发或加剧单种地质灾害的形成机理研究较多，但是当前研究手段单一，多数还停留在概念模型的定性分析方面；潜蚀作用对黄土斜坡水文连通性、坡体内部水文地质条件、黄土强度的影响尚待进一步深入研究；受观测手段限制，老滑坡体中潜蚀作用的演化过程仍是亟待解决的科学难题；未来需考虑进行大规模的原位潜蚀试验，开发有效的坡体内部潜蚀过程监测仪器，进一步揭示潜蚀与各类黄土地质灾害之间的关系。

4.2 对地质灾害链的链接效应

地质灾害往往表现出链生性，即由成因上相互关联，时间上有先后顺序，空间上彼此相依，并呈线性分布的一系列地质灾害体组成，呈连锁反应并依次出现的几种地质灾害所组成的链式灾害结构，叫做灾害链[78-81]。黄土潜蚀对黄土地质灾害链的链接效应表现为：降雨或灌溉条件下，必然引起黄土体内部的渗透潜蚀，随着黄土体内部湿陷的加剧，导致地表出现裂缝；裂缝在地表扩展或在土体内部进一步发育，形成软弱面，最终导致黄土崩塌或滑坡；在水源充足的条件下，崩塌滑坡体作为泥流物源，被冲刷输移至流域下游[5]，潜蚀作用导致的老滑坡转化为泥流如图8所示。

图8 潜蚀引发黄土泥流Fig.8 Loess mudflow is initiated by subsurface-erosion

HU 等[5]结合野外调查，将黄土地质灾害链过程典型的演化模型分为六个阶段，即初始边坡阶段、早期洞穴阶段、洞穴加速侵蚀阶段、洞穴连接阶段、滑坡蠕动阶段和堰塞坝形成阶段。通过占主导地位的黄土潜蚀，将土壤侵蚀、洞穴发育、地下水运动、河流侵蚀、坡体蠕变、滑坡发生、堰塞坝形成等自然地表过程有机地联系在一起，形成了黄土地质灾害链[82]。文献[67]指出在灾害链演化过程中，灾害体的物质及能量逐渐增大，最终表现为灾害链产生过程中放大效应。黄土地区地下水的潜蚀作用作为地质灾害链的关键环节，随着土体内部潜蚀的不断推进，地下水与塌落的土体混为一体演变为黄土泥流，规模和动能增大，很有可能也存在放大效应，这一点有待进一步证实。

5 结论及展望

（1）文章梳理了黄土潜蚀的基本概念、分析了黄土潜蚀三大主控因素、阐述了黄土潜蚀机理研究现状。结果表明，黄土潜蚀的本质是地下水与黄土结构面之间的互馈作用，黄土特殊的土性是潜蚀发生的物质基础；黄土中的节理裂隙为潜蚀发生提供了场所和物质输送通道；地下水是黄土潜蚀发生的最直接动力；根据水土相互作用机理，可将潜蚀分为静水潜蚀作用和动水潜蚀作用。黄土潜蚀的致灾效应主要表现为对单种灾害的诱发或加剧效应、灾害链生成过程中的链接效应和灾害链演化过程中的放大效应。

（2）虽然我国学者高度重视黄土潜蚀问题的研究，取得了突出的成果，但也存在许多不足。如：目前关于黄土潜蚀的影响因素研究不够深入；研究过程中往往将黄土裂隙中的渗流规律和潜蚀机理研究割裂，事实上这两者之间是相互作用相互影响的统一体系；土性、通道与水力条件之间的复杂耦合机制，仍是亟待研究的科学问题；黄土潜蚀对单种灾害的诱发或加剧效应，对灾害链的链接效应以及放大效应等亟需不断深入；另外，当前缺乏有效的土体内部潜蚀过程观测装备，鲜有在室内直接模拟黄土潜蚀的模型实验。

（3）黄土潜蚀问题未来研究应从以下4 个方面着手。①明确黄土潜蚀的主控因素，建立各种主控因素的量化评价指标；②通过野外调查和室内简化的模型实验，总结和归纳黄土潜蚀的地质演化模式，进行阶段划分；③在提出地质演化模式的基础上，综合利用水力学、土力学和工程地质学原理等探索建立黄土潜蚀的水土力学耦合模型；④将已建立的力学模型应用于解决重大黄土地质灾害形成机理。