西宁北山山前崩塌形成机理及防治

魏正发， 严慧珺， 应忠敏， 窦增武， 张永艳， 张文颖

(1.青海省地质环境监测总站， 西宁 810008； 2.青海省尖扎县气象局， 尖扎 811200； 3.西宁久隆工程勘察有限公司， 西宁 810008)

西宁市地势西北高东南低，东西狭长，四面环山，三川汇聚，属典型的山间河谷型城市，下辖城东、城中、城西、城北四区。近东西向的湟水河谷将西宁市山区分为南北两山，湟水以北为北山，以南为南山；但当地人一般称湟水河以北、北川河以东、沙塘川河以西这片山区为西宁北山，研究区就位于北山山前地带。

近年来西宁市地质灾害多发群发，发灾数量上升明显，严重威胁市区居民及基础设施安全。 2002—2019年共发生地质灾害125起，类型为崩塌、滑坡，地质灾害呈条带状集中分布于湟水及其一级支流河谷区向低山丘陵区过渡的斜坡地带，发灾数量从2004年前的年均5起增加至2017年后的年均20起以上[1]，且很多地质灾害点出现再次变形，地质灾害防治工作面临严峻考验。其中以研究区地质灾害最为频发，区内共发生地质灾害35起，占比28%，其中崩塌22起，占比63%，崩塌是区内最典型和突出的地质灾害之一。

近年来，许多学者对中国红层及高位崩塌主要通过研究发育特征、分布规律、形成机理及变形破坏模式进行研究评价。纳曼·麦麦提等[2]提出了岩体内节理倾角越大危岩体越不稳；徐伟等[3]认为红层反向坡、斜向坡的常见破坏模式为软岩崩解剥落—硬岩卸荷拉裂坠落；王军朝等[4]提出了红层的贯通型倾倒式、贯通型滑移式、非贯通型错断式和非贯通型拉裂式的四种基本崩塌类型；王毅等[5]认为中、高位崩塌易形成面状破坏，危害性很大；Yang等[6]认为红层崩塌主要受危岩体岩性组合和坡体结构面组合控制，其孕灾模式为差异风化阶段→岩体结构变形破坏阶段→悬挑危岩阶段→崩塌失稳落下阶段；刘榜余等[7]、Xiao等[8]认为软弱互层红层差异风化形成的凹岩腔深度对边坡变形破坏起控制作用，并提出了“清坡+封闭软层+主动防护网+排水工程”的处治方案。而对于研究区内崩塌研究成果相对较少，魏正发等[1]认为西宁市斜坡地质灾害具有中下部滑坡、上部崩塌发育的分布位置差异性特征，且崩塌多发生于坡度80°以上凸形坡；周保等[9]对西宁市地质灾害进行了详细调查，查明了西宁市地质灾害发育特征及分布规律；井浩[10]认为这类危岩处理难度极大，并提出了拦石网防护+预裂松动爆破+人工清危相结合的危岩处理方案。

综上可知，前人研究多针对单个崩塌，对于区域性红层高位崩塌系统性研究相对较少，且对研究区崩塌系统性研究缺乏，而研究区崩塌是西宁市最典型的地质灾害之一，对下方西宁火车站、铁路、公路、居民区、绿化区等构成威胁。因此，为加强研究区崩塌研究和防治，系统地对研究区崩塌从区域构造、区域构造塑造的地形地貌、地层岩性、风化作用等方面对其形成机理做了深入研究分析，并结合形成机理及变形破坏模式提出了相应的防治措施，研究成果对研究区或类似红层、碎屑岩崩塌的防治工作具有借鉴意义。

1 地质环境条件

1.1 地质构造

地质构造作用对区域地形地貌的塑造和物质沉积起着控制性作用，而地形地貌和物质沉积又是影响地质灾害发育的重要因素，因此研究地质构造是分析地形地貌和物质沉积及地质灾害的基础。研究区属湟水背斜北翼，轴部位于北山山前[11]，区内断裂不发育，新构造运动反应明显，主要经历了青藏、昆黄和共和运动，尤其以昆黄和共和运动影响最为显著，表现为距今1.2 Ma以来经历的六次震荡式上升，不仅形成了研究区高陡斜坡，同时使区内岩土体内节理裂隙发育，结构松散。

孙莹等[11]、周保等[9]、何生胤[12]、方小敏等[13]研究表明，西宁盆地为隶属湟水盆地的一新生代断陷盆地。古近纪沉积了一套以泥岩石膏岩与砂岩互层为主的湖相地层；新近纪沉积了泥岩夹少量砂岩的湖相地层；第四纪早中期整体进入加速隆升期，湟水盆地自此进入河流地貌塑造阶段，昆黄和共和运动对研究区影响明显，其中昆黄运动是孕灾地貌的定型期，共和运动主要以河道加宽、侧蚀作用为主。湟水各阶地的形成年代也与距今1.2 Ma以来青藏高原经历的6次剧烈构造上升运动(表1)时期基本吻合，各阶地的形成与高原间歇性隆升存在十分密切的联系；距今约0.6 Ma的昆黄运动第三幕时期高原隆升在湟水盆地内表现空前，湟水河切出最深的IV阶地，以北山一颗印、北山寺顶部为代表，基座出露约110 m，北山寺顶部可见砂卵砾石层披覆于阶地基座之上。

1.2 地形地貌

研究区位于西宁市北山山前(图1)，属湟水北岸河谷平原向低山丘陵区过渡的斜坡地带，总体地势北高南低、中间高两头低。距今约0.6 Ma强烈的构造隆升和湟水河下切在研究区形成湟水河最高的IV基座阶地，伴随着地壳抬升和雨水的强烈侵蚀作用，区内冲沟发育，地形极为破碎；阶地前缘因高陡临空，不断遭受风化剥蚀发生崩塌，崩积物堆积于阶坎下部低级阶地之上，逐渐累积向上，阶坎亦不断后退，形成上部直立陡崖下部斜坡的地貌形态，同时遭受冲沟侵蚀和风化作用，大部分阶坎已被夷平、覆盖而不复存在，久而久之呈现北山山前大部为斜坡，局部陡崖出露的地貌形态。

沟谷侵蚀塑造了研究区不同的地形地貌形态，根据沟谷侵蚀程度和现状，将研究区地形地貌以王家庄沟为界分两个次级区域进行分析，分别为西区和东区。其中王家庄沟以西(西区)侵蚀作用更为强烈，主要发育较大型沟谷，如穆朱岭沟、大寺沟、小西沟和王家庄沟，沟谷长度均在2 km以上，切割深度百米以上，较大型沟谷的发育致使沟口两侧阶地地貌局部被冲蚀殆尽，但同时也拦截汇聚了上游降水，致使其他区域雨水冲刷侵蚀作用相对微弱，仅在坡面形成切割深约10 m，长约百米至数百米的小型冲沟，将原始阶地地貌较地的保留了下来，如北山寺、林家崖、一颗印、路家庄一带，较好地保留了上部陡崖下部斜坡、顶部梁峁状的地形地貌形态(图2)。而王家庄沟以东(东区)沟谷侵蚀相对较弱，未形成较大型沟谷，而是密集分布长度数百米至2 km，切割深度数十米的小型沟谷，在近6 km的区域发育近20条大小不一走向近一致的冲沟，间隔约300 m就有一条冲沟发育，如此密集的冲沟严重损毁了山前阶地形态，山前切出三角面，阶地基座仅在三角面顶部零星出露(图3)；整体形成了沟谷切割破碎，坡面整体较为平整的斜坡形态，斜坡坡度25°～40°。

表1 新构造隆升与湟水河阶地演化对照Table 1 Correlation between neotectonic uplift and terrace evolution of Huangshui River

图1 研究区示意图Fig.1 Schematic diagram of the study area

①～⑥分别对应图2(b)～图2(g)图2 西区危岩分布(据Google Earth)Fig.2 Distribution of dangerous rocks in western district (from Google Earth)

图3 东区危岩分布(据Google Earth)Fig.3 Distribution of dangerous rocks in eastern district (from Google Earth)

1.3 地层岩性

研究区出露的地层岩性主要有阶地主体古近系泥岩石膏岩与砂岩互层岩组，堆积于阶地上部的上更新统冲洪积砂卵砾石层和粉土，以及前缘发生崩塌堆积于坡脚的崩塌堆积物和斜坡发生滑坡形成的滑坡堆积物。

(1)古近系泥岩石膏岩与砂岩互层岩组。该套岩组为软弱湖相层状碎屑岩组，呈半坚硬-软弱状态，由厚度约0.6 m的泥岩石膏岩和0.3 m的砂岩互层组成。其中泥岩石膏岩具遇水易软化的特性；砂岩呈层状结构，强度较泥岩高；受风化作用影响形成泥岩石膏岩凹陷砂岩相对凸出的形态。受构造抬升和湟水河下切出露，是构成基座阶地的主体，在山前斜坡顶部和冲沟两侧皆可见，主要出露于王家庄沟以西陡崖处，王家庄沟以东零星可见，岩体内发育由新构造运动抬升和不同时期主压应力方向多次偏转形成的四组近直立相互正交的构造节理，走向25°～45°和110°～135°，270°～290°和350°～5°。

(2)第四系上更新统冲洪积砂卵砾石层和粉土主要分布于湟水IV阶阶地基座之上，物质组成以冲洪积粉土、砂砾石层为主，呈成二元结构，上部粉土厚3～5 m，下部砂卵砾石层厚2～6 m。

(3)第四系全新统崩塌堆积物。主要分布于斜坡下部，由阶地前缘古近系泥岩石膏岩与砂岩互层岩组、第四系上更新统冲洪积砂卵砾石层和粉土发生崩、坠落形成，堆积于坡脚形成斜坡，堆积物粒径自坡脚向远离坡脚方向逐渐变小，粒径大小不一，大者直径达数米或数十米，小者粒径极小甚至为黏粒，孔隙度大，结构疏松杂乱，厚度不一。

(4)第四系全新统滑坡堆积物。物质组成主要为崩塌堆积物，在降雨、人类工程活动等影响下发生滑坡，经滑动作用其结构较崩塌堆积物密实。主要分布于北山寺、林家崖、一颗印等滑坡体上。

1.4 气象水文

1.4.1 气象

研究区属高原半干旱大陆性气候，具有太阳辐射强、寒长暑短、昼夜温差较大、蒸发量大，降水量少但集中、冰冻期长的特点。据西宁气象站2000—2019年观测资料。多年平均气温6.0 ℃，年极端最高气温36.5 ℃(2000年7月24日)，年极端最低气温-23.8 ℃(2010年12月16日)。多年平均降水量433.2 mm，年最高日降雨量57.8 mm(2007年8月26日)，蒸发量达1 728 mm。降水主要集中在6—9月份，年降水量周期性变化明显。

1.4.2 水文

湟水河为研究区内的主干河流，为黄河一级支流，自西向东流经研究区，多年平均流量为32.8 m3/s，年平均最小流量4.58 m3/s，最大流量698 m3/s。区内湟水支沟发育，主要有穆朱岭沟、大寺沟、小西沟、王家庄沟、大山路沟、庙儿沟、红沟等，均为季节性沟谷，源头在西宁北山山脑地区，向南流经研究区汇入湟水。

1.5 人类工程活动

研究区属山前斜坡地带，人类工程活动不强烈，人类工程活主要有挖坡修路、修建寺庙、北山绿化工程等，其中以北山绿化影响较大，主要有开挖阶梯形坡、鱼鳞坑槽进行绿化植树，修建泵站、调节涝池、蓄水池、硬化(简易)道路、管护房、检查站，铺设输水管线进行日常绿化灌溉等。

2 崩塌基本情况

2002—2019年研究区共发生崩塌22起(表2)，均为岩质崩塌，规模5～1.8×104m3，多为数百立方米，发生坡度均在80°以上，位置位于山前斜坡上部陡崖部位；共造成4人死亡，损毁水渠12 m、房屋5间、输水管线3条，直接经济损失29.1万元；主要发生于研究区西区陡崖处，研究区东区仅发生2起(图4)，其中一颗印、路家庄北发生5起，林家崖发生4起，北山寺发生3起。崩塌的发育严重威胁坡下市区居民小区、工厂企业，青藏铁路、兰新高铁、109国道、G6高速公路等交通干线，北山土楼观、北山美丽园等旅游景区，输电、输水及输气等重要输送管道和北山绿化道路及基础设施安全。

表2 2002—2019年研究区崩塌灾害统计Table 2 Statistics of collapse disasters in the study area from 2002 to 2019

图4 2002—2019年研究区崩塌分布Fig.4 The Distribution of collapse in the study area from 2002 to 2019

3 成因及形成机理分析

3.1 成因

3.1.1 物质基础

古近纪沉积的泥岩石膏岩与砂岩互层岩组呈半坚硬-软弱状态，单层由厚度约0.6 m的泥岩石膏岩和厚度约0.3 m的砂岩互层，层数百余层；泥岩遇水易软化，砂岩强度较泥岩高，二者力学强度不一，差异风化明显，形成泥岩相对凹陷砂岩相对凸出的形态特征，致使岩体组合整体强度低，加之岩体内节理裂隙发育，易变形失稳。

3.1.2 构造运动影响

(1)湟水背斜。研究区属湟水背斜北翼近轴部处，背斜的发育导致近轴部处岩体结构破碎，节理裂隙发育，为崩塌的形成提供了地质条件。

(2)新构造抬升作用。1.2 Ma以来研究区经历的六次震荡式上升，导致古近系泥岩石膏岩与砂岩互层岩组内与岩层近垂直向的原生构造节理发育，由构造运动形成的原生节理具有近等间距分布，贯穿于整个岩组的特征，也为崩塌的形成提供了地质条件。此外，昆黄运动第三幕时期强烈的构造隆升和湟水河下切形成的近直立的阶坎，为崩塌的形成提供了地形地貌和良好的临空条件。

(3)岩体结构。除研究区经历震荡式上升在岩体内形成的近垂向的原生构造节理外，新构造以来三次构造运动使研究区内主压应力方向发生多次偏转，从青藏运动时期的NNE-SSW向转为昆黄运动时期的NEE-SWW向，再转为共和运动时期的NE-SW向，导致区内岩体伴生多组构造节理，加之岩体自身发育的层理、节理及卸荷裂隙等，这些节理裂隙的发育成为控制崩塌的主要因素。

3.1.3 风化作用

图5 一颗印、路家庄北地区IV阶地侵蚀现状Fig.5 Status of terrace IV erosion in the north of Lujiazhuang, Yikeyin

(1)冲沟内洪流的侵蚀作用。研究区崩塌最为发育的区域属林家崖和一颗印、路家庄北陡崖处，通过Google影像发现，两区域阶坎参差不齐、凸凹不平，呈锯齿形(图5)，经研究发现虽然大冲沟的发育拦截汇聚了上游雨水，但是拦截范围有限，陡崖顶部仍有小冲沟发育，阶坎凸出位置为山脊线，阶坎凹陷位置为小型冲沟，可得冲沟内洪流对于崩塌的发生扮演者重要角色；主要表现为冲沟内的洪流冲刷岩体和沿岩层节理裂隙进入岩体通过浸润、软化岩层形成崩塌，加速了冲沟发育处阶坎的后退。

(2)其他风化作用。研究区朝向南，接到太阳辐射强烈，岩体裸露于地表，白天长时间暴晒和夜间气温骤降，在长期反复热脏冷缩作用下使本身强度较低的泥岩石膏岩与砂岩互层岩组变得更为脆弱；同时研究区冰冻期长，储存于岩体节理裂隙中的水分，通过冰劈作用增大、贯通岩体裂隙，也是引发崩塌的重要原因。

3.2 形成机理分析

图6 大寺沟东侧岩体内近垂直向的构造节理Fig.6 The near vertical structural joints in the rock mass on the east side of Dasigou

图7 一颗印岩体发育的垂直节理及形成的平整崩塌面Fig.7 Vertical joints of rock mass and the formation of flat collapse surface of Yikeyin

新构造运动导致研究区震荡式上升和湟水河下切，形成高陡临空面和近垂直向的原生构造节理，同时岩层在经历青藏、昆黄及共和运动作用下，主压应力方向多次偏转导致岩层其他构造节理发育(图6、图7)，是崩塌发生的先决条件，加之该套地层两种岩性抗风化能力不同，经长期差异风化形成泥岩层凹陷砂岩层相对突出的岩层形态，突出砂岩由重力产生卸荷裂隙，随着风化作用裂隙追索岩体内部原生节理裂隙，逐渐形成连通的宽大裂缝，在风化作用下，尤其是在上部冲沟内雨水的冲刷及雨水的入渗、浸润、软化作用下加剧了崩塌的发生。但是受限于两岩性互层，岩层厚度较薄，由原生节理分割的危岩体规模并不大，但是由于重力产生卸荷裂隙往往切割较深，易形成较大规模危岩体。

4 变形破坏模式分析

受特定地形地貌条件影响和主要结构面的控制，西宁北山崩塌可能产生多种形式的变形破坏，如拉裂式崩塌、倾倒式崩塌、错断式崩塌等。

4.1 拉裂式崩塌

西宁北山陡崖区的泥岩石膏岩与砂岩呈互层结构，泥岩强度低、易风化，多为凹腔，而砂岩强度相对高、不易风化，多为凸起悬挑，在长期自重作用下凸起岩体上部被逐渐拉裂，进而形成拉裂式崩塌。该套地层构造节理、卸荷裂隙十分发育，拉裂式崩塌的侧边界和后边界往往追踪构造节理裂隙、卸荷裂隙等形成，因此拉裂式崩塌为西宁北山最为常见的崩塌类型，在北山沿线均有分布，其规模往往不大，多为几至几十立方米。

受区域岩性组合的不同，西宁北山有两种拉裂式方式。一种产生于石膏岩和泥岩层内(图8)，凸起悬挑岩体受自重作用产生力矩，岩体垂向方向自上而下产生拉张裂缝，进而产生崩塌。另一种产生于砂岩岩层内(图9)，凸出岩体受几组结构面的切割，导致其大部分重量靠岩体层间粘结力承担，在自重作用下层间不断产生拉裂变形，最终产生崩塌。

图8 北山寺拉裂式崩塌隐患Fig.8 Hidden danger of tensile collapse in Beishan temple

红色箭头表示崩塌体从母岩分离出来后的崩塌堆积位置(方向)图9 大寺沟东侧层间拉裂式崩塌Fig.9 Interlayer pull-apart collapse on the east side of Dasigou

4.2 倾倒式崩塌

多因岩体重心产生向坡外的偏移，导致危岩体力矩平衡被打破，从而产生向坡外的变形破坏，一般多见于近直立的板状、薄层状岩体，或以垂直节理或裂缝与稳定岩土体分开的巨大而直立的岩土体，进而倾倒产生崩塌。西宁北山陡崖区的垂直构造节理裂隙极为发育，在一颗印至路家庄一带形成了高达110 m的陡崖，岩体卸荷过程中追踪构造节理裂隙容易形成相对独立的长柱状危岩体，进而在自重或者外力作用下形成倾倒式崩塌，其规模往往较大，方量数十立方米以上(图10)。

图10 一颗印倾倒式崩塌隐患Fig.10 Hidden danger of dumping collapse in Yikeyin

4.3 错断式崩塌

往往产生于悬于陡崖边缘的岩体，其部分被结构面切割，部分与山体连接为一体，因而在岩体自身重力的长期作用下，未被结构面切割的岩体部分无法承受因重力作用而导致的巨大剪切力而产生错断，从而产生错断式崩塌。西宁北山错断式崩塌主要发育在林家崖一带的陡崖区域(图11)，由于陡崖下方为崩坡积陡坡，错断式崩塌形成后直接楔入松散土体中，崩积物内部岩体结构基本完整，层面产状由近水平状变为明显反倾坡内。该类崩塌规模较大，往往几十至百立方米左右。

红色箭头表示崩塌体从母岩分离出来后的崩塌堆积位置(方向)图11 林家崖错断式崩塌Fig.11 Staggered collapse of Linjiaya

5 防治措施分析

崩塌的防治措施有主动防护和被动防护两类，其中主动防护有危岩清除、锚索加固、挂网喷浆、凹腔嵌补、地表截流、灌浆加固、护墙护坡等；被动防护有拦石墙、落石槽、被动防护网、树木拦挡等措施。通过研究区崩塌成因、形成机理和变形破坏模式研究，区内崩塌属高位崩塌，防治难度大，加之泥岩砂岩互层岩组层数多，凹腔嵌补、护墙护坡显然不合适研究区，但在陡崖底部可局部应用；又因原生垂直向构造节理的发育，清除一组危岩，短期内可能效果明显，但就如“剥洋葱”，消除一组危岩势必会形成另一组危岩，加之陡崖施工难度大，大规模危岩清除也太不适合研究区，可用于危险性较大的危岩局部应急治理；研究区出露的泥岩砂岩互层岩组为丹霞地貌，是西宁市北山重要的景观，若开展挂网喷浆、锚索加固、灌浆加固，势必会造成景观破坏，若在坡脚修建拦石墙亦会影响自然景观。此外，由崩塌成因可知，坡顶冲沟的发育对于崩塌的发生扮演者很重要的角色，因此将坡顶冲沟内雨水截流或引流排出坡体，减少洪流对陡崖前缘冲蚀，对于减少崩塌的发生效果会更明显，亦可以在易发地段斜坡中下部开挖落石槽，坡脚修建被动防护网，种植粒径较粗树木，被动防护崩塌灾害。

根据研究区崩塌的形成机理和变形破坏模式，拉裂式崩塌主要是由于岩体差异风化，泥岩石膏岩层形成凹腔，砂岩凸起悬挑，凸起悬挑岩层因无法承受重力，卸荷产生崩塌，可采用凹腔填补方式支撑凸起悬挑岩层防止其变形加剧。倾倒式崩塌多因岩体重心产生向坡外的偏移，导致危岩体力矩平衡被打破，从而产生向坡外的变形破坏，可采用锚索加固、灌浆加固、挂网喷浆等方式增加向坡内的压力或岩体间的黏聚力，从而防止岩体向外变形。错断式崩塌主要是由于岩体部分被结构面切割，且底部临空，在岩体自身重力的长期作用下，未被切割部分无法承受巨大剪切力而发生崩塌，可采用护墙护坡、锚索加固、凹腔填补、灌浆加固等方式进行防治，但该丹霞地貌是北山重要的自然景观，工程防治措施不应大规模使用。

6 结论

(1)北山山前崩塌是研究区乃至西宁市最典型的地质灾害之一，具有线形分布于北山山前斜坡上段陡崖，研究区西段集中发育，东段不发育的特点。

(2)崩塌的形成是多方面作用的结果，古近系泥岩石膏岩及砂岩互层岩组是崩塌发育的物质基础，构造运动为崩塌的形成提供了地质条件，风化作用加剧了崩塌的形成。其中新构造运动致使研究区震荡式上升和主压应力方向发生偏转，形成高陡临空面和近垂直正交的多组构造节理，是崩塌发生的先决条件，冲沟降雨对岩体的冲刷及雨水入渗、浸润、软化岩体是发生崩塌的重要诱发因素。

(3)研究区崩塌属高位崩塌，防治难度大，加之组成陡崖主体的百余层泥岩石膏岩与砂岩互层岩组为丹霞景观地貌。防治时应在尽量保护的前提下，主要采用坡顶截流引流，斜坡中下部开挖落石槽；坡脚修建被动防护网、挡墙，种植粒径较粗树木拦挡等主动和被动防护相结合的方式进行防治，同时对于陡崖顶部和底部小规模危岩可局部采用凹腔嵌补、喷浆加固等方式防治，必要时可局部清除危岩。

(4)按崩塌变形破坏模式及机理，拉裂式崩塌宜采取凹腔填补，倾倒式崩塌采取锚索加固、灌浆加固、挂网喷浆，错断式崩塌采取护墙护坡、锚索加固、凹腔填补、灌浆加固等局部主动防护措施。

(5)研究区属西宁市北山绿化区，人类工程活动主要为修建绿化配套设施、灌溉、机械扰动等，今后绿化区管护单位要加强巡查，严防绿化管线渗漏，减少人为扰动，合理部署灌溉方式和时间。

(6)随着坡顶冲沟洪流侵蚀陡崖岩体发生崩塌，致使冲沟附近阶坎后退，而两冲沟所夹阶坎则相对突出、三面临空，更利于崩塌的形成，因此阶坎突出部位亦是今后崩塌重点预防地段。