天水市北山黄土崩塌灾害特征、成因及防治

2013-09-27辛存林杨国林赵志鹏孙现辉马维云李鸿儒

水土保持通报 2013年1期

辛存林，杨国林，赵志鹏，孙现辉，马维云，李鸿儒

（西北师范大学地理与环境科学学院，甘肃兰州730070）

黄土崩塌灾害是黄土高原较常见的地质灾害，包括黄土崩塌和潜在黄土崩塌两类。黄土崩塌就是已经发生了崩塌的地质灾害；潜在黄土崩塌就是还未发生崩塌，但存在巨大隐患的地质灾害，其危险性更大。虽然黄土崩塌的规模较小，但其发生的频率很高，分布极为广泛，每年都造成人员伤亡和重大财产损失。天水市北山为黄土梁峁沟壑地貌，其基本地貌形态主要为河谷、阶地和黄土丘陵［1］。由于人类工程活动密集、频繁，黄土崩塌严重，阻碍了当地经济的发展，且对人民群众的生命和财产安全构成了严重威胁。

1 黄土崩塌灾害概况

通过野外调查，天水市北山有黄土崩塌灾害共计59处（表1），其中黄土崩塌36处，潜在黄土崩塌23处（表2）。黄土崩塌主要分布在金李村、芦家湾、张家沟、灵山寺一带，其中金李村穆家湾西南沟中的黄土崩塌规模最大，长约38m，宽约13m，坡高43m，坡度70°～88°，体积1.06×104m3，压埋范围约40m；2010年9月在张家沟口发生的黄土崩塌，长52m，宽5m，坡高26m，体积约6.80×103m3，坡度75°～90°，压埋房屋1间。

潜在黄土崩塌主要分布在雅崖沟、杜家沟、玉泉观一带（表2），其坡高10～57m，坡度10°～78°，崩塌宽度1～13m；由于潜在黄土崩塌形成的黄土崖上下，通常有居民住宅，据目前统计可知，共涉及居民1 755人，财产2 644万元。

表1 地质灾害调查统计结果

表2 潜在黄土崩塌特征统计

2 黄土崩塌灾害的特征

天水北山黄土崩塌多发生于第四系中，以马兰黄土为主，陡崖、悬崖下方呈带状分布大片崩积层和阶地掩埋的崩积层就是佐证。其中潜在黄土崩塌主要分布在人类居住区周围，对周围居民的生命和财产安全构成威胁。

天水北山黄土崩塌以倾倒式为主，受风化影响，危险岩土体表部构造裂隙及风化裂缝较发育，大大降低了岩土体的整体性，加剧了岩体的变形破坏，在岩土体后缘形成新的卸荷裂隙，随着变形时间增长，张裂隙逐渐向深部扩展，从而形成整个裂隙面的贯通。因此，山体崩塌具备了倾倒、开裂以致崩塌的地质结构条件［2］。

天水北山黄土崩塌以中、小型为主。由图1可知，黄土崩塌的坡高集中在15～40m，占总数的86.1%；潜在黄土崩塌的坡高集中在10～38m，占总数的82.6%。由图2可知，黄土崩塌的坡度在58°～90°，占总数的97.2%；潜在黄土崩塌的坡度在48°～90°，占总数的86.9%。

图1 黄土崩塌灾害高度统计图

图2 黄土崩塌灾害坡度统计图

3 黄土崩塌的成因

崩塌的形成必须具备两个基本条件：一是必须具有物质基础，二是具有高陡斜坡的地形条件。天水北山为黄土高原地区，境内沟壑纵横，坡陡谷深，黄土厚度大，力学强度低，具有崩塌的物质基础，又有发生崩塌的有利地形条件，因而黄土崩塌十分发育。

3.1 黄土的物理力学性质

黄土的强度与物质成分相关，天水北山的黄土颗粒较粗，以粉砂为主，而黏粒含量低，在土力学分类中属于黏土质壤土。基本物理特性介于砂与黏土之间，与砂比较，黄土具有塑性，与黏土比较，黄土具有较高的渗透率。由于黏粒含量有限，颗粒之间的黏结力比较弱，因此力学特性属于中等。天水市北山上部的马兰黄土，颗粒粗，孔隙大，结构疏松，容重与塑性指数比较低，具有强湿陷性，内聚力值为0.27kg／cm2，而且垂直节理发育，强度低。下部的离石黄土，虽经长期上覆压力作用下，结构密实，孔隙比显著降低，容重增加，次生碳酸钙胶结普遍，强度增大，内聚力值达到0.61～0.76kg／cm2。然而微隙裂缝、构造节理也很发育，尤其是顺坡向的卸荷节理十分发育，成为形成崩塌的有利条件。

3.2 黄土崩塌的地形条件

天水市北山黄土厚度大，自稳性与直立性好，又处于干旱—半干旱地区，年降雨量大多在500mm左右，而蒸发量高达1 200～1 800mm，气候干燥，黄土含水量较低。环剪实验也证实，黄土含量在5%～7%时，内摩擦角最大，当黄土含水量低时，矿物颗粒周围的水膜很薄，水的吸附力很强，可以达到几百到上万个大气压，在土体骨架中，起到强化结构的作用。因此，在各阶地周围、黄土塬边、河流沟谷的两岸、深切峡谷，均可形成高达数十米到百余米的高陡斜坡，为黄土崩塌提供了有利的地形条件。

3.3 黄土崩塌的促发因素

崩塌的产生仅靠自身重力和地形条件，发生的数量很少，而且规模也很小，一般也不会形成灾害。造成规模大、数量多、灾害严重的崩塌都有其促发因素，根据实地考察，天水市北山黄土崩塌的促发因素有：

（1）降水促发的黄土崩塌。野外观察和实验室结果都得出，水对黄土的强度有极大的影响，原始状态的含水量较小，在土体骨架中起着强化结构的作用，当有水分补充时，导致颗粒间联系力减弱，以致散化，土颗粒接触点起胶结作用的结晶盐，在吸附大量水分后溶解分离，使其联结作用丧失，破坏了土体的原始结构，而且在二粒相对位移时起到润滑作用。天水北山地区属于大陆性季风干旱气候，年降雨量为400～700mm，降雨量集中在6—9月，占全年降雨量60%～80%，这种降雨的集中性造成大量雨水渗入黄土体中的孔隙、节理、裂缝中，形成孔隙水压力，软化斜坡土体，降低土体强度，同时导致坡体自重增加，增大崩塌力。因此在黄土地区，每年雨季都发生大量的黄土崩塌，具有显著的时间性［3］。

（2）滞水、泉水的湿润。天水北山黄土被覆于古地形之上，上部马兰黄土由于颗粒粗、孔隙大、结构疏松，垂直节理发育，降雨和地表水易于渗入黄土层底部，其下伏岩层新近系泥岩，具有不透水性，即在黄土层底部与下伏岩层之间，形成滞水层、潜水层，有些地方还有泉水出露，这些地下水长期对黄土的湿润与浸泡，使其抗剪强度降低。实验证明，当黏土含水量达到35%时，抗剪强度降低60%以上。尤其在天水北山南北向的各条沟谷底部，这些滞水、潜水以渗水或泉水出露，使上部黄土发生滑塌（图3），天水北山沟谷中的黄土崩塌占北山黄土崩塌灾害总数的61%，这些黄土滑塌虽然规模不大，但由下向上不断进行滑塌，一直可以滑塌到山顶，破坏农民修建的梯田，还威胁村庄的安全，同时也为泥石流提供了丰富的来源。

图3 天水市北山沟谷中黄土崩塌示意图

（3）地震促发的黄土崩塌。地震从震源出发的弹性震动，向周围介质传递时在斜坡内产生惯性力，使斜坡产生破坏而发生崩塌，地震作用力及其破坏程度随斜坡高度增大会增大，因而高陡斜坡更易遭到破坏，促发大量的崩塌。尤其黄土结构疏松，易吸收地震能量，可使高陡斜坡发生大量崩塌［4－5］。

根据冯学才［6］研究，黄土地区一般4级以上的浅源地震即可促发黄土崩塌。6级以上地震距震中40～60km，7级以上地震距震中250km，8级以上地震距震中400km，即可促发黄土崩塌。天水市处于我国著名的南北地震带与近东西向秦岭北麓地震带的交汇部位，地震频繁且强度大，自公元366—1936年，已发生4.5～5级地震5次，6级地震3次，尤其734年3月23日的7级地震和1654年7月21日的8级地震，促发了大量滑坡和崩塌，2008年5月12日汶川8级地震，天水震感强烈，民房受损严重，黄土斜坡变形普遍。

（4）人类活动因素。主要包括坡脚开挖、坡顶载荷、灌溉及村庄所在山坡地的不适当修筑梯田活动。由于大规模的劈山修路，开挖坡脚，形成了大量的切坡，进而加剧了地质灾害的发生；人口的增长及山顶村庄的修建，增加了坡顶载荷和坡体自身重力，增大了滑坡崩塌灾害发生的可能性；山坡梯田的修筑改变了坡体的天然状态，减缓了大气降水的地表径流，促进了降水的入渗，加上农田灌溉，使黄土斜坡的含水量增加，提高了黄土潜水水位，影响滑坡体和不稳定斜坡的稳定性，增大了滑坡崩塌灾害的危险性［7］，对沟谷突发泥石流地质灾害也有较大影响［8］。另外，近年来国家持续实施的退耕还林还草和封山育林政策及天水市实施的南北两山绿化工程，使黄土丘陵区生态环境有了较大改观，植被恢复速度快，覆盖率逐年增长，这在一定程度上抑制了黄土崩塌的发生。

农村居民建筑一般缺少统一规划和环境保护意识，更缺少地质灾害防治知识，不适当地削坡取土，邻崖建房，邻沟建房，沟槽堆填，没有统一完善的排水系统、边坡加固、泥石流防治等基础设施，加重了地质灾害的危险性［9］。较为严重的是城镇摩擦区及城乡结合部，这些地方不适当削坡及开挖坡脚，非法建房情况严重，往往将缓坡或陡坡削成直壁，然后靠壁建房，或在排洪沟沟道乃至沟底建房堵塞河道，有的甚至在陡壁的边缘建房，这些不仅严重破坏了地质环境，而且将自身处于危险的境地。