晋西黄土崩塌类型及其变形-破坏机制

刘知 安明晓 杨文府 刘小松 李喜安

摘 要：晋西黄土高原沟壑纵横的地貌形态使得黄土崩塌灾害频发，加之因其纵向贯穿砂黄土带、典型黄土带和黏黄土带，黄土崩塌类型齐全，为黄土崩塌成因及分类理论研究提供了便利条件。基于此通过开展大量野外调查研究，提出了晋西黄土崩塌的“主控因素分类” 和“变形-破坏方式分类”，并探索了滑落式黄土崩塌与黄土滑坡的界定条件。结果表明：晉西黄土崩塌按主控因素可分为冻融破坏、构造应力诱导、降雨诱发、灌溉诱发、工程扰动、植物根劈、复合型等7种类型，按变形-破坏方式可分为被动（拉裂）倾倒式、主动（推挤）倾倒式、下挫式、坠落式、被动（拉裂）滑落式、主动（剪切）滑落式、剥落式等7种类型；将变形黄土体重心的垂直移动距离大于其水平位移距离2倍以上且其致灾模式以“击毁+掩埋”为主，“冲毁”为辅的认定为滑落式崩塌。以上研究结果不仅可用于指导晋西黄土高原崩塌灾害防治规划工作实践，亦可为黄土崩塌理论研究提供可以借鉴的理论基础。

关键词：黄土崩塌；主控因素；变形-破坏；分类研究

中图分类号：P 642.21

文献标志码：

A

文章编号：1672-9315（2023）06-1176

-10

DOI：10.13800/j.cnki.xakjdxxb.2023.0616开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

Types of loess collapse and its deformation-failure

mechanism in western Shanxi Province

LIU Zhi1，2，AN Mingxiao3，YANG Wenfu2，4，LIU Xiaosong1，2，LI Xian3

（1.

Coal Geological Geophysical Exploration Surveying and Mapping Institute of Shanxi Province，Jinzhong 030600，China；

2.Key Laboratory of Investigation，Monitoring and Protection of Natural Resources in Mining Cities，

Ministry of Natural Resources，Jinzhong 030600，China；

3.School of Geological Engineering and Geomatics，Changan University，Xian 710054，China；

4.Shanxi Key Laboratory of Resources，Environment and Disaster Monitoring，Jinzhong 030600，China）

Abstract：

The vertical and horizontal landform of the Loess Plateau in western Shanxi Province has led to frequent occurrence of loess collapse disasters.In addition，due to its

longitudinal penetration through the sand loess zone，typical loess zone，and clay loess zone，the types of loess collapse are complete，providing convenient conditions for the study of the causes and classification theory of loess collapse.Based on this，the “classification of main control factors” and “classification of deformation-failure modes” of loess collapse in western Shanxi were put forward through a large number of field investigations，and the boundary conditions of sliding loess collapse and loess landslide were explored.The results indicate that the loess collapse in western Shanxi Province can be divided into seven types according to the main control factors：freeze-thaw failure，tectonic stress induction，rainfall induction，irrigation induction，engineering disturbance，plant root splitting，and composite type.According to the deformation-failure mode，the loess collapse in western Shanxi Province can be divided into seven types：passive（tensile fracture）toppling collapse，active（push）toppling collapse，plunge collapse，fall collapse，passive（tensile fracture）pull-down collapse，active（shear）slide collapse，and spalling collapse.If the vertical movement distance of the center of gravity of the deformed loess body is more than twice its horizontal displacement distance，and its disaster causing mode is mainly “destruction+burial”，supplemented by “erosion”，then it is considered as a sliding collapse.The above research results can not only be used to guide the practice of prevention and control planning for collapse disasters in the Loess Plateau of western Shanxi Province，but also provide a theoretical basis for reference for the theoretical research of loess collapse.

Key words：loess collapse；main controlling factor；deformation-failure；classified research

0 引 言黄土是在干旱和半干旱气候中形成的特殊第四纪沉积物［1］，具有湿陷性、水敏性、垂直节理发育等特性［2］，正是由于黄土的这些特性，使得黄土高原地区地质灾害频发。中国黄土覆盖面积约为64万km2，约占中国陆地面积的6.6%，然而据统计，中国黄土高原地区在册地质灾害隐患点3.9万处，占全国33万余处在册地质灾害隐患点的12%［3］，是中国地质灾害发育的重灾区。黄土高原地区的地质灾害类型主要为滑坡、崩塌、泥石流以及地面塌陷，其中95%以上为滑坡崩塌［3］。山西省晋西黄土高原地区内高低起伏的黄土地貌、广泛发育的沟谷、强烈的内外动力地质作用，以及愈来愈频繁的区内人类活动等多方面的共同作用，使得该区成为了各类黄土地质灾害的典型多发地，其中黄土斜崩塌是最为常见、致灾最为严重的一种地质灾害。关于黄土崩塌分类，国内外学者对其进行了众多研究。目前对于黄土崩塌类型的划分依据主要有崩塌的发展模式［4］、土体的受力方式［5］、变形破坏特征［6］、破坏模式［7］、驱动机制［8］、公路边坡类型［9］、剥落的发育特征与成因［10］、崩塌规模［11-12］、起始运动方式［13］等。不同的划分依据对于黄土崩塌划分结果不尽相同，张茂省等按黄土崩塌的破坏机制将黄土崩塌分为拉裂-坠落式崩塌、拉裂-倾倒式崩塌、拉裂-下挫式崩塌和拉裂-滑移式崩塌4种［6］；彭军等对陕北地区典型黄土崩塌灾害进行了总结分析，并按破坏形式将其分为剥落式崩塌、崩落式崩塌、台阶式崩塌、倾倒式崩塌、滑移式崩塌、冒落式崩塌6种模式类型［14］；叶万军

等依据多年的研究成果将陕北黄土斜坡崩塌分为楔形体崩塌、倾倒型崩塌、拉裂-滑移式崩塌3类［8，15-16］；李玉姝等通过对山西吉县的黄土崩塌地质灾害进行总结分析，不仅将其按成因模式归纳为坡面饱和剥落型崩塌、冻融崩塌型、植物根劈崩塌型、节理切割崩塌型、危岩（土）体失稳崩塌型、坡体剪切破坏崩滑型等6种崩塌模式；还进一步按黄土崩塌的变形破坏机制将吉县地区黄土崩塌分为浅表层卸荷风化带崩塌、结构面控制的黄土块体崩塌和黄土层内剪切破坏引起的滑移式崩塌三类模式［17］；史彩霞等也通过收集相关资料，将山西省乡宁县的崩塌地质灾害模式分为倾倒+毁坏模式、崩落+毁伤模式两种模式。这些已有研究成果对黄土崩塌灾害的防治起到了有效的指导作用［18］。正确的分类和命名是科学研究的基础，但纵观目前关于黄土崩塌研究方面的文献，仍然还存在类型不全、不同类型之间界定模糊、命名缺乏明确的规则等问题。加之由于地域的差别而存在孕灾环境等诸多方面的显著差异，直接套用部分区域得出的尚有一定局限性的成因模式来解释黄土斜坡崩塌灾害的形成机理，很大程度上并不一定能够满足其他区域黄土崩塌灾害各方面工作的需要。这些问题对黄土崩塌灾害防治的工程实践造成了不少困扰，因此对黄土崩塌进行全面系统分类命名，同时厘清不同类型黄土崩塌的变形破坏机制，具有十分重要的现实意义。不同研究区域具有不同的气候条件、不同的孕灾背景。目前对于黄土崩塌的研究区域主要集中于陕北黄土高原地区、甘肃天水北山地区以及山西省的部分县域［18-20］。选择一个典型的研究区域不仅有利于对黄土崩塌进行全面系统研究，还能进一步完善黄土斜坡崩塌类型的系统性理论研究。晋西黄土分布区纬度跨度大的地理分布特点决定了其沿纵向贯穿砂黄土、典型黄土和黏黄土的土性分带，使得该区域黄土崩塌类型齐全，这为全面系统地对黄土崩塌研究提供了极佳的天然条件。鉴于此，首先在对晋西黄土高原全面详细野外调查的基础上，主要从黄土崩塌的主控因素和黄土崩塌的变形-破坏方式两方面，全面总结了晋西黄土崩塌的类型，并建议了黄土崩塌的命名规则，进而通过典型黄土崩塌灾害案例的剖析，厘清了不同黄土崩塌的变形破坏机制，其成果为黄土崩塌灾害的理论研究以及黄土崩塌地质灾害的科学防治提供了重要的理论基础。

1 研究区概况研究区位于黄河东岸吕梁山西侧，北起河曲县，南至乡宁縣，呈南北向条带状分布，西以黄河为界，与陕北黄土高原区为邻，东以离石大断裂为

界，具体包括兴县、临县、方山、离石、柳林、中阳、石楼、永和等13个县，面积为2.2×104 km2（图1）。

据不完全统计，目前晋西黄土高原在册的地质灾害及地质灾害隐患点共2 089个，黄土崩塌及其隐患点的数量为1 663，约占总灾害点的79.6%（图2），其严重威胁着人民的生命财产安全。值得注意的是，由于晋西黄土高原纬度跨度较大的地理特点，使得其纵向贯穿砂黄土带、典型黄土带和黏黄土带，因此黄土崩塌类型十分齐全，特别适于籍此开展黄土崩塌的理论研究。

晋西黄土高原属暖温带大陆性季风气候，一年四季分明，春季干旱风大升温较快，夏季短暂炎热多雨，秋季阴雨连绵，冬季漫长寒冷少雪。其大部分地区均属于季冻区，月平均气温约在零下4～9 ℃，极端气温可达零下20 ℃左右。区域中降雨主要集中于7月至9月，这也是地质灾害的频发期。加之该区作为山西主要的能源开发地，人类工程建设的规模和数量均十分巨大，使得土地、坡体遭到大面积破坏，从而进一步加剧了地质灾害的产生。山西省除少数地方基岩裸露外，大部分地方覆盖着10～30 m厚的黄土，而晋西黄土一般覆盖厚度20～30 m，最厚可达100～150 m，黄土崩塌地质灾害频发。

2 晋西黄土崩塌主控因素分类不同的孕灾地质条件下的崩塌地质灾害有不同的成灾模式，亦会产生不同规模的破坏，而孕灾地质条件的作用结果直接反映于崩塌体的主控因素上，因此分析查清崩塌体的主控因素有利于对崩塌展开科学的防治工作。基于三维遥感影像结合实地走访调查资料对晋西黄土斜坡崩塌的实际情况进行了详细调查分析，在此基础上将黄土斜坡崩塌按其主要成因亦即其主控因素可以划分为7种类型，具体见表1。

3 晋西黄土崩塌变形-破坏方式分类及其变形-破坏机制

对黄土崩塌进行主控因素分类有助于在较大的区域范围内借助遥感影像、地质资料等对崩塌进行初步的分析和判断。然而想要准确的研判某一特定崩塌所处的稳定状态及其破坏时对周围环境的影响程度必须要借助实地的走访调查资料对其进行进一步探究，因此对黄土崩塌开展变形-破坏方式分类及其变形-破坏机制分析便成为了提高防灾减灾效率必须开展的工作。

3.1 黄土崩塌变形-破坏方式分类按崩塌的变形-破坏方式进行划分的方法，其优点在于能够直观反映崩塌体的变形破坏特征及其应力机制。地质灾害的变形破坏特征是野外调查与遥感监测的第一手资料，其反映了崩塌体目前的稳定状态及崩塌体的基本影响范围与规模，有助于地质工作者与群测群防责任人对于灾害的状况进行初步判断从而在第一时间规避损失，这对崩塌灾害的预测预报意义重大，这亦对黄土崩塌灾害的工程防治具有十分重要的指导意义。文中根据晋西黄土斜坡崩塌典型实例，将黄土斜坡崩塌按崩塌体变形破坏特征可以划分为5大类，7个亚类，具体见表2。

3.2 黄土崩塌变形-破坏机制分析针对表2的黄土崩塌变形-破坏方式类型，结合众多学者对黄土分布区崩塌灾害典型案例的研究结论，对不同类型的变形-破坏机制进行分析，结果如下。

3.2.1 倾倒式崩塌1）被动（拉裂）倾倒式崩塌。倾倒式崩塌是一种十分普遍的黄土崩塌类型，图3（b）为典型的被动（拉裂）倾倒式崩塌［21］，该崩塌主要破坏原因便是，陡倾的坡体受到剧烈的风化作用后产生向内的小型凹腔，后坡体在其自重状态下被破坏，该处崩塌体因坡体十分破碎，所以时刻都有规模较小的崩塌产生。被动（拉裂）倾倒式崩塌灾害模式形成演化过程一般为：节理发育的陡倾黄土斜坡的临空土体在内外动力地质作用及重力卸荷作用下影响下坡顶与坡肩部位出现了张性卸荷裂隙，临空土体下部在差异风化或差异侵蚀作用［20］下向坡体内溯源后退，坡体局部产生“凹腔”，变形黄土体

支点向坡内移动，

最终重力在倾覆力方向的分量超过抗倾覆力分量，

临空土体平衡被打破，土体失

稳朝临空方向倾倒形成黄土崩塌地质灾害，其致灾模式以“坠落+撞击+掩埋”式（图3（a））损毁为主。

此类崩塌是特殊地形条件下以重力作用为主导因素、兼有多种地质营力综合作用的结果，其变形失稳过程是由渐进性局部破坏到最终整体发生突变的过程，多发生在坡体较陡且遭受一定风化作用的边坡上。

2）主动（推挤）倾倒式崩塌。区别于被动倾倒式崩塌，特殊地形条件下以重力与多种地质营力作用综合作用还可形成一种主动（推挤）倾倒式崩塌。如图4（b）所示崩塌体失稳的主要原因是降雨后水分进入平台边缘的拉张裂隙，该裂隙的孔隙水压力增大致使不稳定块体失稳破坏［15］，倾倒崩塌体堆积离坡脚最远距离为0.73 m。初始驱动力的不同导致了其与被动倾倒式崩塌变形破坏机制的不同。主动（推挤）倾倒式崩塌形成演化过程一般为：节理发育的陡峭山坡因后缘有堆载或坡肩附近的裂隙系统在降雨入渗过程中会产生向临空面的推挤力，在此推挤力作用下垂直裂隙及临空面的不利组合很快被贯通，随着上面过程的进行不稳定块体的重心逐渐向外移动［20］，最终崩塌体发生倾倒式崩塌破坏，其致灾模式以“坠落+撞击+掩埋”式（图4（a））损毁为主。

3.2.2 下挫式崩塌下挫式崩塌是近直立黄土边坡不稳定土体因各种地质营力作用使得其重心靠后而产生的下挫塌落破坏，一般发生在后缘垂直节理裂隙发育且前缘土体悬空的坡体。图5（b）是一典型的下挫式黄土斜坡崩塌［22］，该崩塌致使一户村民居住的两间平房后墙被砸塌，一家四口人被掩埋。其主要形成原因为切坡建房后使得边坡应力重分布，后在多年风化侵蚀作用下上部部分土体逐渐临空，随着降雨及冻融等外力因素的长期影响，最终产生破坏。

下挫式崩塌灾害模式形成演化过程一般为：近直立黄土边坡因坡脚开挖与风化侵蚀剥落的综合作用形成“凹腔”，造成边坡前缘土体悬空，又因卸荷作用或强降雨入渗作用后缘垂直裂隙扩展，并逐渐贯通，而后边坡上不稳定土体重心靠后产生下挫塌落，最终在坡脚碎裂堆积形成黄土堆，其致灾模式以“剥落+掩埋+撞击”式（图5（a））损毁为主。

3.2.3 坠落式崩塌坠落式崩塌多由上部土体失去支撑在自身重力作用下坍塌所引起的，所以其一般发生在具有悬空土体且内部节理发育的坡体。图6（b）就为一典型的坠落式黄土崩塌［23］，坡高6～10 m，上覆黄土的厚度为1.0 m，下伏砂砾岩。坡体临空宽度为0.8～1.1 m不等，截止到实际调查时间该崩塌隐患点仍处于差异性风化剥蚀的阶段。坠落式崩塌灾害模式形成演化过程一般为：上覆黄土，下伏砂质泥岩等易风化的逆向坡，因差异风化侵蚀或工程活动等作用的影响，导致坡体下部出现了风化凹腔且上部土体悬空。而后在重力与降雨共同作用下悬空的土体沿着黄土内部节理裂隙拉裂扩张。长期的降雨等外力作用使得裂隙向下发展贯通，后土体发生坠落，坠落的土体在坡脚破裂解体形成黄土堆，其致灾模式以“塌落+撞击+掩埋”式（图6（a））损毁为主。

3.2.4 剥落式崩塌剥落型崩塌的发生多由连续降雨造成土体饱和所引起，所以其一般多发生在连续降雨的天气，常发生在黄土斜坡的坡顶及坡面陡缓接触带的下缘，通常为垂直节理裂隙、风化节理裂隙较为发育的地带，且在坡面横向上表现为不连续性，破坏厚度一般不大。图7（b）就是典型的黄土斜坡剥落式崩塌。该崩塌产生的原因便是坡体上节理裂隙发育，崩塌产生的主要原因便是多天连续降雨使得结构面充水降低了土体强度所致。剥落型崩塌灾害形成演化过程一般为：坡顶及缓坡面土体受降水下渗影响使得土体逐渐饱和，而后土体重力增大且其抗力逐渐下降，坡体沿风化裂隙、原生节理裂隙组成的破坏面发生破坏。成灾模式以“剥落+撞击＋掩埋”式（图7（a））损毁为主。

3.2.5 滑落式崩塌崩塌和滑坡是目前被广泛认可的两种最主要的斜坡破坏形式，在对斜坡破坏的研究过程中有学者提出了一种新的破坏类型，即带滑面的崩塌［24］。此类灾害在工程活动中一般将其定义为滑落式崩塌，滑落式崩塌不同于典型滑坡，其兼有滑動与坐落的特点，即具有“滑”和“崩塌”两种机制以及“先滑后塌”或“先塌后滑”的变形破坏过程。尽管黄土滑落式崩塌的规模一般小于典型滑坡，但由于其频频发生，且黄土滑塌灾害的突发性极强，往往没有像一般滑坡那样明显的前期征兆，因此其产生的危害和损失却十分巨大。并且在实际黄土工程活动中对于黄土斜坡的滑落式崩塌和滑坡一直存在着难以界定的问题，这也就导致了灾害的识别不准确，防范不及时的问题。因此对于滑落式崩塌和滑坡进行界定的问题便亟待解决，在此以实际调查工作为基础，按照其运动特征和致灾模式建议以以下原则对其进行界定：①在实际工程活动中，当不稳定地质体重心的垂直移动距是水平移动距离的两倍以上时，此时初步认为此类灾害属于滑落式崩塌，其余类似灾害为滑坡。②滑落式崩塌的致灾模式主要以“击毁+掩埋”为主，“冲毁”为辅。滑坡的致灾模式主要以“冲毁+掩埋”为主，“击毁”为辅。而滑落式崩塌又按其变形破坏特征划分为被动（拉裂）滑落式崩塌和主动（剪切）滑落式崩塌。

1）被动（拉裂）滑落式崩塌。被动（拉裂）滑落式崩塌的典型特点一方面是崩塌体后缘存在切割较深的拉张裂隙，另一方面为崩塌体前缘则存在相应的剪出口，高陡且垂直节理发育的边坡较易发生此类崩塌。图8（b）便是此类黄土斜坡崩塌的一个典型案例［25］。此崩塌体长度约为220 m，宽度约为15～30 m，高度大约有80 m，体积约为60万m3，是一大型崩塌，该崩塌导致了20余人死亡，吉县到乡宁的一段道路完全中断，造成了极大的生命财产损失。该崩塌产生的原因主要是前期修路切坡后坡体下部抗力降低，加之后续各种地质营力作用使得坡体后缘裂缝发育，最终在降雨作用下坡体失稳破坏。被动（拉裂）滑落式崩塌灾害模式形成演化过程一般为：坡顶及坡肩附近垂直节理、裂隙发育的黄土斜坡，在降雨、人类工程活动等因素影响下坡体自重增大、后缘裂隙加深加大且剪切应力集中，而后因各种长期内外地质营力作用坡体软弱滑动面贯通破坏，最终坡体发生滑落式破坏，其致灾模式以“滑塌+掩埋”式（图8（a））损毁为主。

2）主动（剪切）滑落式崩塌。主动（剪切）滑落式崩塌一般是因为人工大面积开挖高陡黄土斜坡的坡脚，打破了黄土斜坡原有的自然力学平衡，致使坡体上部拉应力增大，下部剪应力增大，最终土体被剪断而发生剪切破坏型崩塌［26］。图9（b）为一典型黄土斜坡主动（剪切）滑落式崩塌［22］。该崩塌导致了16人死亡，13间房屋被摧毁，6部车辆被砸坏，其主要破坏因素便是人类工程活动切坡导致的坡体应力重分布。

主动（剪切）滑落式崩塌灾害模式形成演化过程一般为：黄土高陡斜坡在大面积削切坡脚，坡体自然应力平衡被打破，随后坡体应力开始重新分布过程。坡体中下部的剪应力会逐渐增大，中上部拉应力逐渐增高。随着变形破坏进行各部位土体进入弹性变形阶段，中上部土体开始拉伸变形，中下部土体开始压缩变形。慢慢地土体的拉伸及压缩变形均达到自身极限，坡体各部位土体进入了塑性变形阶段，斜坡顶部一定范围内逐步出现了張拉裂缝，斜坡中下部坡面逐渐出现剪切裂缝。最终潜在滑移面最终被贯完全通，坡体失稳形成了剪切-滑移式崩塌地质灾害，其致灾模式以“塌落+掩埋”式（图9（a））损毁为主。

4 结 论

1）提出了晋西黄土高原黄土崩塌主控因素分类（分为冻融破坏型、构造应力型、降雨诱发型、灌溉诱发型、工程扰动型、植物根劈型、复合型等7类）和变形-破坏方式分类（分为被动（拉裂）倾倒式、主动（推挤）倾倒式、下挫式、坠落式、剥落式、被动（拉裂）滑落式、主动（剪切）滑落式等7个类型）。

2）依据众多学者对黄土分布区崩塌灾害典型案例的研究结论结合实际的走访调查资料建立了被动（拉裂）倾倒式、主动（推挤）倾倒式、下挫式、坠落式、剥落式、被动（拉裂）滑落式、主动（剪切）滑落式等7个类型的详细形成演化过程并按其各自的破坏特征提出了掩埋、撞击、坠落、塌落、剥落等多种方式正确组合的致灾模式。

3）提出了滑落式黄土崩塌与黄土滑坡的界定方法，即将变形黄土体重心的垂直移动距离大于其水平位移距离两倍以上，且其致灾模式以“击毁+掩埋”为主，“冲毁”为辅的认定为滑落式崩塌，否则将其认定为黄土滑坡。

参考文献（References）：

［1］

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（责任编辑：刘洁）