黄土滑坡形成机理分析——以宁夏彭阳县为例

尚 慧，倪万魁，2，杜光波，孟 龙

（1.长安大学 地质工程与测绘学院，陕西 西安 710054；2.冻土工程国家重点实验室，甘肃 兰州 730050）

0 引言

地质灾害泛指与地质有关的各种自然与人为灾害，种类繁多，如滑坡、崩塌、泥石流、火山喷发、地裂缝、地压、瓦斯、煤田自燃、热害、塌陷与冻融等［1］。黄土滑坡作为黄土地区最为严重的地质灾害，由于其对人类生命财产危害巨大、灾变过程复杂，因此，严重制约社会、经济发展。宁夏南部地区黄土滑坡在我国黄土地区具有典型性，根据近几年县（市）地质灾害调查及1：50000地质灾害详细调查结果，宁南七县（区）已发生黄土滑坡1517处［2］，其中彭阳县的黄土滑坡发育最为密集，也最具有代表性，境内共发育黄土滑坡793处［3］，而且每年汛期都有新的滑坡隐患点出现，具有突发性、群发性强、危害大等特点。1996年7月27日发生于红河乡黑牛沟村的滑坡，造成村民23人死亡，7人受伤，直接经济损失50多万元［4］。黄土滑坡形成机理的研究可为其防治设计和预警预报提供理论依据。

1 黄土滑坡分布规律

彭阳县位于宁夏南部，六盘山东侧，地处陇西黄土高原地区。由于区内黄土堆积厚度大（最厚处可达200余米），黄土结构疏松，水土流失严重，导致黄土丘陵区沟壑纵横，地形破碎，黄土滑坡灾害频发［5］。据1：50000地质灾害详细调查，境内共发育黄土滑坡793处，目前仍存在隐患的滑坡170处。

1.1 黄土滑坡分类统计

对滑坡进行分类的目的在于对各种地质环境下所产生的各种滑坡现象进行概括，以便正确反映滑坡作用的某些规律，依据滑坡崩塌泥石流地质灾害详细调查规范中滑坡分类标准［6］，使用不同的分类方法对彭阳县境内滑坡进行统计。

统计得出：彭阳县滑坡按物质组成，主要有黄土层内滑坡和黄土 -基岩接触面滑坡［7］（图1，图2），分别有627处和166处；按滑体厚度，以中、浅层滑坡为主，分别占49％和28％，超深层滑坡相对较少，不足2％；根据滑坡形成时代，以老滑坡为主，其中老滑坡780个，新滑坡11个，古滑坡2处；从规模看，以小型滑坡为主，有329处，大型和中型数量相当，分别为204处和240处，特大型和巨型滑坡数量较少，仅发现20处；按发生原因，以自然滑坡为主，共有791处，工程活动引起的滑坡仅有2处。

1.2 黄土滑坡分布规律

1.2.1 空间分布规律

图1 黄土层内滑坡典型剖面Fig.1 Typical section of landslide in loess layer

彭阳县内滑坡多数分布于红河和茹河的冲蚀岸育而北部滑坡较少的主要原因，滑坡发生时间比降雨稍有滞后。边及其支流或支沟中下游两侧，并多以对滑形式出现，具有群发性（图3）；在河流的二、三级支流两岸斜坡成带状分布；在黄土厚度较大的且晚更新统黄土较厚的地区集中；在人类活动强度大的乡镇集中。

1.2.2 时间分布规律

在时间域上，滑坡分布规律表现为：在地质历史时期，滑坡在晚更新统末和全新世初期相对集中；在人类历史时期，在人类活动强烈时期相对集中；在一年之内，在雨季相对集中。调查统计资料表明，降雨（尤其是雨季的暴雨）是彭阳县内滑坡最主要的诱发因素之一，南部区域一次最大暴雨量多大于80mm［8］，明显高于北部，这是南部黄土丘陵区滑坡发

图2 黄土基岩接触面滑坡典型剖面Fig.2 Typical section of loess bed rock landslide

图3 彭阳县黄土滑坡分布规律示意图Fig.3 Schematic diagram of distribution rule of loess landslides in Pengyang country

2 黄土滑坡的形成条件

2.1 地形地貌

彭阳县内黄土堆积厚度一般在数十米至百余米［8］，结构疏松，岩土侵蚀强烈，地表水系发育，以红河、茹河和安家川河为主流，支流支沟密布，地形破碎，为滑坡的形成提供了地形地貌条件（图4）。斜坡的几何形态决定着斜坡体内应力的大小和分布，控制着斜坡的稳定性与变形破坏模式。下面分别从地形和地貌两个方面探讨其与滑坡形成的关系。

2.1.1 地形

坡度是控制地质灾害发育程度和地质灾害发育类型的一个重要因素，根据调查资料统计，彭阳县滑坡集中发育在20°～60°的斜坡上（图5）；坡高控制着坡体内各处应力的大小，斜坡坡高与滑坡的发生存在明显的相关性，滑坡一般多发生在坡高30～100m的斜坡上（图6）；斜坡坡面形态可以划分为四个基本类型，即凸型、直线型、阶梯型和凹型，滑坡在直线型和凸型斜坡地段相对集中（图7）；滑坡在0°～135°和225°～360°的坡向区间相对集中（图8），即在阴坡和近似阴坡的斜坡上较发育。

图4 彭阳县地质环境条件与滑坡分布图Fig.4 Geological environment condition and distribution rule of loess landslides in Pengyang country

图5 滑坡坡度分布统计图Fig.5 Statistical chart of slope gradient of landslides

2.1.2 地貌

彭阳县主要地貌类型有三种：黄土丘陵、土石质山和河谷平原。由详细调查数据统计分析得知：滑坡主要分布在黄土丘陵区，西部土石质山区仅有14处滑坡，河谷平原区由于地势平坦，无滑坡灾害分布（图4）。

图6 滑坡坡高分布统计图Fig.6 Statistical chart of slope height of landslides

2.2 地层岩性

图7 滑坡坡型分布统计图Fig.7 Statistical chart of slope pattern of landslides

图8 滑坡坡向分布统计图Fig.8 Statistical chart of slope aspect of landslides

彭阳县地层以白垩系、新近系、第四系为主（图4）。其中黄土广泛分布于调查区黄土丘陵上部和各大冲沟内，其结构疏松，强度低，遇水软化，节理裂隙发育，并且遇水容易软化、湿陷，从而迅速降低其抗拉、抗剪强度；新近纪泥岩在深切沟谷底部均有出露，其结构较均一，固结程度较高，天然状态下呈坚硬状态，强度较高，隔水性好，但遇水易崩解软化，降低强度，常形成滑动面和滑床［9］，因此，彭阳县内主要易崩易滑地层为第四纪黄土和新近纪红色泥岩。

2.3 水与黄土滑坡

彭阳县滑坡灾害主要发生在7～9月，说明滑坡的发生与降雨量以及降雨特征关系密切。降雨对斜坡土体变形破坏产生影响的主导作用即降低了土体抗剪强度并改变了土体的容重，入渗的雨水有可能引起地下水位的上升，促使浮托力增大，有利于边坡变形破坏的进一步发展［10-11］。综合分析彭阳县内发生滑坡的频次，基本与多年月平均降水量呈正相关关系，因此认为大暴雨和连阴雨是彭阳县地质灾害的主要诱发因素；另外，河流、水库等地表流水长期对河谷两侧斜坡岩土体的侧蚀和对坡脚的浸泡，增大了斜坡临空面并降低了岩土体抗剪强度，地下水可软化结构面，降低黄土强度，充当润滑剂，都可诱发滑坡灾害。

2.4 人类工程活动

黄土地层遭受地质时期的长期侵蚀，已形成坡度相对平缓的黄土梁或峁，尤其是全新世以来，地壳活动变缓，谷坡经过地质历史时期的各种侵蚀作用，应力释放和调整亦基本完成，斜坡一般处于稳定或基本稳定状态。在自然条件下，一般不会发生重大滑坡灾害。人类工程活动，如削坡、加载等作用，将原有的平衡状态打破，使斜坡产生卸荷、拉张和风化裂隙，在雨季易产生滑坡灾害［12］。

3 黄土滑坡形成机理数值模拟分析

在综合分析滑坡的形成条件前提下，研究斜坡失稳发生滑坡的主导因素成为防灾治灾关键。调查统计分析已知，黄土残塬、冲蚀切割深度不一的黄土梁以及沟谷是彭阳县滑坡发生的地貌条件；新近纪泥岩下伏于黄土形成了斜坡失稳的易滑地层；黄土-泥岩接触的结构为大气降水和地表水下渗累进破坏坡体创造条件。

到目前为止，关于斜坡稳定性的研究已经提出了工程地质类推法、临界破坏理论、数值分析、可靠度分析法和其它一些新方法，具有一般适用性［13］。但是，由于坡体变形破坏非常复杂，影响斜坡产生滑坡的各种控制因素也很不确定，使得灾害防治不能仅仅依靠理论分析和数字计算。因此，在斜坡稳定性分析工作中把经验与现代理论结合起来变得尤为重要。在彭阳县大量的已滑斜坡和出现变形迹象的斜坡中选取具有代表性的进行探讨，将定性的经验与数值计算结合起来，对彭阳县的黄土滑坡分别按坡度、坡型、降雨、人类活动和坡顶加载的不同情况进行分析验算，探讨黄土滑坡的形成机理。

3.1 滑坡与坡度关系

按照调查资料统计分析已经得知，彭阳县的滑坡多发生于 20°～60°。因此，假定坡高不变、参数不变，采用 GEOSLOPE 专业软件分别对 10°、20°、30°、40°、50°和60°的黄土斜坡进行稳定性验算和有限元分析。计算参数为：坡高70m，容重16kN/m3，凝聚力40kPa，内摩擦角 27°，弹模 89000kPa，泊松比 0.35，不考虑地震影响。稳定性计算结果如表1。

表1 不同坡度的斜坡稳定性系数Table 1 The calculation result of stability coefficient of slope with different slope gradient

由表1可见：坡体稳定性随坡度的增大近线性减小，小于20°时一般不会失稳，在 50°时处于临界状态。有限元模拟结果的X-Y剪应力图（图9-a）显示，从坡度40°开始，在坡面出现明显的剪应力集中。σx云图（图9-b）显示，坡度从50°开始斜坡坡面出现拉张区；60°时在坡顶出现拉张区（图9-c）；印证了斜坡坡度达到一定时，破坏以崩塌形式为主。这与前文的调查统计资料，即滑坡主要发生在20°～60°的斜坡上是相符合的。

3.2 滑坡与坡型关系

坡型对斜坡稳定性的影响主要表现在极限平衡状态下，为此选前面已经计算的高70m、坡度50°的临界坡度斜坡变换坡形进行验算和模拟。结果发现直线型坡稳定性最好，凹型坡次之，凸型坡稳定性最差（表2）。由于此处采用的模型是假定坡高和坡度不变，因此与前文调查统计资料是相符合的。

表2 坡型对稳定性的影响Table 2 The in fluence of slope pattern on slope stability

剪应力云图（图10）显示，直线型坡在坡面中部剪应力集中、凸型坡在坡体突出部位和坡脚出现剪应力集中、凹型坡在坡体中部，坡型由陡变缓部位出现剪应力集中；σx云图（图11）显示：直线型坡在坡面中部形成拉张区、凸形坡在坡体突出部位形成拉张区且张应力最小、凹形坡在坡顶及坡面由陡变缓部位形成拉张区且张应力最大；X方向位移矢量图（图12）显示，直线坡最大的位移发生在坡下部靠近坡脚的位置、凸型坡最大的位移发生在坡下部靠近坡脚的位置且位移量最大、凹型坡最大的位移发生在坡体由陡变缓的位置。

图10 不同坡型斜坡有限元模拟剪应力云图Fig.10 Shear stress nephogram of finite elem en t simulation of slope with different slope pattern

3.3 滑坡与降雨的关系

降雨入渗使一定深度范围内的土体容重增大，强度减小。当坡体上部存在裂隙时，会使坡体稳定性进一步降低。因此，降雨成为黄土滑坡非常重要的诱发因素。取上述极限平衡状态坡体参数（高70m，坡度50°），模拟降雨条件下斜坡的稳定性，结果发现降雨条件和上部裂隙条件对坡体稳定性影响程度基本相当，而上部有裂隙同时遇到降雨条件时坡体稳定性降低的程度更大（表3）。

表3 降雨及裂隙对稳定性的影响Table 3 The in fluence of slope pattern on slope stability

图11 不同坡型斜坡有限元模拟σx云图Fig.11 Total stress nephogram of finite element simulation of slope with different slope pattern

图12 不同坡型斜坡有限元模拟X方向位移矢量图Fig.12 X-direction displacement vectorgraph of finite elem en t simulation of slope with different slope pattern

降雨加剧了剪应力的集中，并且在坡脚部位也发生了剪应力集中；坡顶裂隙的出现，使坡面拉张区的范围由坡体中部扩大到了坡体上部（图13）。这就验证了前文述及降雨对斜坡稳定性的影响。

3.4 滑坡与人工开挖的关系

人类活动常表现为在斜坡坡脚处取土建筑或于坡体中下部开挖建窑，其对坡体稳定性的影响也不完全相同。取上述同参数（坡高70m，坡度50°）斜坡，分坡脚取土和挖土建窑两种情况分析，发现坡脚开挖稳定性影响很大（表4），中下部开挖影响更大（表5）。

图13 50°坡的降雨及裂隙影响的应力云图Fig.13 Stress nephogram of 50 degree slope influencing by precipitation and fracture

有限元模拟显示，在坡脚开挖的部位，发生剪应力的集中；中下部挖窑，剪应力在开挖窑洞的部位集中、拉张区发生在开挖窑洞的上方（图14）。

3.5 滑坡与坡顶加荷的关系

坡顶加载超重后易引起滑坡。故模拟在坡顶堆载2m厚的土体，容重16kN/m3，可看出，坡顶加载使坡体稳定性降低（表6），而坡体内部应力变化不明显。

表4 坡脚开挖条件下稳定性分析结果Table 4 Stability analysis result in the condition of excavation at toe of slope

表5 斜坡中下部开挖条件下稳定性分析结果Table 5 Stability analysis result in the condition of excavation in the middle and lower part of slope

表6 坡顶加载条件下斜坡稳定性分析结果Table 6 Stability analysis result in the condition of loading in the top of the slope

结合彭阳县黄土滑坡的特征、分类统计、分布规律、形成条件以及数值模拟分析结果，该区黄土滑坡的形成机理可概括如下：彭阳县大多滑坡为降雨诱发型滑坡。黄土丘陵区沟壑纵横，沟谷切割密度大，坡脚多长期受流水侵蚀，形成高陡的临空面，为滑坡的形成创造了较好的地形条件；滑坡区地层上部多为马兰黄土，下伏新近系泥岩，为易崩易滑地层。由于黄土结构疏松、垂直节理发育，坡体上多发育落水洞，个别坡体顶部或中部发育拉张裂缝，而新近系泥岩遇水易崩解软化，强度迅速降低，若遇暴雨或连阴雨，降水沿黄土垂直节理或裂缝入渗，在泥岩顶部形成饱和带，地下水水位随即升高，并且增加了坡体重量，在地下水作用下，逐渐形成滑面（黄土层内滑坡在黄土层内部沿黄土节理密集发育方向形成滑面，黄土-基岩接触面滑坡在泥岩与黄土接触面形成滑面），黄土的抗剪强度降低，导致斜坡在自重作用下向临空方向蠕动。坡体后缘处于拉应力状态［14］，当拉应力超过土体抗拉强度时，坡面即出现断续的拉张裂缝，为降水的进一步入渗提供有利条件，导致拉裂向下逐渐加深，滑坡两侧也出现剪切裂缝，随着坡体内拉裂的加深，坡体的软弱带全面贯通，滑动面上的有效正应力和抗剪强度降低，当坡体的抗剪强度小于剪切应力时，坡体发生变形破坏，前缘坡体先发生滑动，牵引后一级滑动（牵引式滑坡），形成滑坡。极少数滑坡为人类工程活动诱发形成，如开挖坡脚，造成坡脚应力集中，在坡体自重的作用下，形成滑坡灾害，另一种是由于在坡体中后部堆载，坡体会沿软弱结构面部位及坡脚产生明显的剪应力集中，当有其它外力作用时，易于产生沿剪应力集中面的失稳滑动。

图14 50°坡不同部位开挖应力云图Fig.14 Stress nepgogram in the condition of excavation in the different part of slope with 50 degree

4 结论

（1）彭阳县滑坡按滑动面位置划分，以黄土层内滑坡为主，共有627处，黄土 -基岩接触面滑坡有166处；按滑体厚度，以中、浅层滑坡为主，分别占49％和28％；按规模，以小型滑坡为主，大型和中型数量相当，特大型和巨型滑坡有19处；按滑坡形成时代，以老滑坡为主，有780处；按发生原因，以自然滑坡为主，有791处，工程活动引起的滑坡仅有2处；

（2）空间上，彭阳县黄土滑坡主要分布于黄土丘陵区的河谷冲蚀岸边及其支流或支沟中下游两侧，并多以对滑形式出现，具有群发性；时间域上，雨季相对集中；

（3）彭阳县黄土滑坡集中发育在20°～60°斜坡上，坡高集中在30～100m，在凸型坡和直线型坡相对集中，在 0°～135°和 225°～360°的坡向区间相对集中，即滑坡在阴坡和近似阴坡的斜坡上较发育；

（4）黄土丘陵区的深切沟谷、黄土与泥岩易滑地层的存在和地下水是彭阳县黄土滑坡产生的内在条件，降水是主要诱发因素；

（5）通过数值模拟，得出：黄土斜坡稳定性随坡度的增大近线性减小，小于20°时一般不会失稳，在50°时处于临界状态；在50°临界状态时，直线形坡稳定性最好，凹形坡次之而凸形坡稳定性最差；降雨入渗使一定深度范围内的土体容重增大，强度减小，加剧了坡体剪应力集中，坡体稳定性降低；在斜坡坡脚处取土或于坡体中下部开挖建窑等人类工程活动，对坡体稳定性的影响非常显著。

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