陕北地区黄土崩塌破坏模式分类及防控对策研究

彭 军，李翔宇，闫蕊鑫，马小莉

(1.榆林学院建筑工程系，陕西 榆林 719000;2.榆林市城乡规划设计院，陕西榆林 719000;3.西安科技大学建筑与土木工程学院，西安 710054;4.长安大学地质工程与测绘学院，西安 710054)

1 研究背景

根据国家“十二五”发展纲要规划，陕北地区作为国家级能源基地的战略地位愈加突出，相应的人类工程活动趋于频繁。而陕北黄土高原地区本为地质生态脆弱区，沟壑星罗棋布，广泛发育高陡黄土边坡，受人类活动影响，导致该区域黄土崩塌地质灾害频发，且陕北新近第四纪黄土普遍存在节理发育显著、初期变形不明显，前兆缺乏，一旦发生灾害，常造成非常严重的人员伤亡和财产损失。据不完全统计［1－2］，陕北地区(延安、榆林地区)存在多达800余处黄土高边坡地质灾害点。因此，展开陕北地区黄土崩塌破坏模式及对应防控对策系统研究具有重要现实意义。

陕北地区属于我国黄土高原中心地带，系在中生代基岩石地层基础上，风积搬运覆盖厚层新生代黄土，并受黄土沉积年代及区域气候影响，侵蚀、风化现象严重，形成了典型黄土地貌:梁、峁、沟、塬等，伴随侵蚀、风化的深入，出现了典型的黄土地质灾害，即黄土崩塌［3］。黄土崩塌主要分布在陕北黄土沟壑区的支沟边缘、残塬边坡、黄土塬前缘及人工形成的高陡边坡地带，具有陡、高、碎等特点，对陕北地区国民生产造成较大安全隐患。

关于陕北黄土崩塌破坏形式研究，国内研究人员进行了一系列归纳，如王根龙等［4］将黄土崩塌归纳为拉裂—坠落式、拉裂—倾倒式、拉裂—下挫式和拉裂—滑移式等4种破坏机制;叶万军等［5］考虑黄土浅层剥落破坏类型，将其分为片状剥落、层状剥落、碎块状剥落、鱼鳞状剥落和混合状剥落5种;范丽晓等［6］根据榆林S302(榆佳公路)沿线调查结果，将黄土边坡崩塌的破坏类型分为自然型崩塌、人为-自然复合型崩塌及人为型崩塌3类;赵法锁等［7］以吴起县为例，将黄土崩塌分为倾倒式、错落式、垮塌式和剥落式4类，分析各自破坏形态;相关研究成果不一一概述。

因陕北黄土崩塌地质灾害频繁发生，需要针对性处置方案，国内研究人员根据多年黄土崩塌处置经验，得到一些好的处理方案。如雷祥义等［8］提出预防工作与工程防治并重思路，要求做好群众灾害意识宣传，并对安全隐患点技术工程治理;秦志坚等［9］针对黄土边坡灾害，提出坡面排水系统、土工格室内喷播植草等处理建议;此外，随着新材料、新工艺出现，一些新的黄土崩塌防治方案被提出，如单志杰［10］经过试验验证，指出EN－1离子固化剂在加固黄土边坡崩塌的良好效果;吴九江等［11］将广泛应用于基坑工程的土钉－预加固桩复合支护技术引入黄土边坡防护，取得了较好的治理效果;此外，还有一些绿色生态防护的最新研究成果报道等［12－13］。

以上研究对陕北黄土崩塌灾害认识、防治具有较好的指导价值，但以上研究多针对具体工程对象展开，而对黄土崩塌破坏模式、破坏机制、防控对策系统化总结研究较少。本文基于陕北黄土崩塌发育特征，通过对大量典型黄土崩塌灾害综合分析，提炼出较为系统的陕北黄土崩塌破坏模式及破坏驱动机制，并根据破坏发生部位的不同，综合归纳得到6种黄土崩塌破坏形态及4种内在力学驱动型式;同时，基于以上成果，通过广泛归纳，总结出各自对应的有效防控对策，本研究将对陕北地区黄土崩塌破坏认知、防控方案确定具有较好参考意义。

2 陕北黄土崩塌灾害发育特征

2.1 陕北黄土崩塌灾害地理区划

陕北地区包括延安、榆林2地，下辖2区、23县(市)，总面积达9.25万 km2，占国土面积约 1%，该区域属于黄土高原中心地带［14］。受黄土梁、峁、沟、塬等地貌侵蚀、风化差异影响，该区域黄土崩塌灾害分布不均，按照其灾害严重程度可分为:高易发区、中易发区及低易发区;其中高易发区约占陕北地区总面积的15%;中易发区约占25%，崩塌灾害发育广泛，详见图1。

图1 陕北黄土崩塌灾害地理区划Fig.1 Geographical regionalization of loess collapses in the Northern Shaanxi region

按照易发区的地理区划来分，陕北地区可分为9大黄土崩塌灾害易发区:① 神木—府谷黄土崩塌(沉陷)易发区;②榆林—横山黄土崩塌(沉陷)易发区;③绥德—子洲黄土崩塌(滑坡)易发区;④吴堡—佳县黄土崩塌易发区;⑤吴起—志丹黄土崩塌(滑坡)易发区;⑥子长—清涧—延长黄土崩塌(滑坡、泥石流)易发区;⑦甘泉—黄陵—洛川黄土崩塌易发区;⑧宜川黄土崩塌(滑塌)易发区;⑨黄龙黄土崩塌(滑塌)易发区。

2.2 陕北黄土崩塌灾害发育状况

以上9大黄土崩塌易发区区划，根据其黄土地貌、黄土特性、风化侵蚀等差异，其呈现的黄土崩塌灾害也有所差异，详细概况见表1和图2。

①至②区为以黄土峁为主的梁峁地带，坡度较陡，黄土为中砂黄土，成层性显著，孔隙率大，黏着性不佳，风力风化显著，易扬尘;该区域易发生崩塌、沉陷地质灾害，如2008年发生于神木县的吕祖洞崩塌灾害。

③至⑥区为黄土梁、沟为主的梁峁地带，坡度陡，黄土为细粒砂黄土，直立性好，垂直型裂隙发育，局部呈湿陷性，冲刷侵蚀显著;该区域易发生崩塌、滑坡、泥石流等地质灾害;如2014年7—9月延安地区普遍发生的黄土崩塌灾害，均有降雨冲刷作用参与。

表1 黄土崩塌易发区灾害数量及规模统计(截止2014年12月)Table 1 Statistics of the amount and scale of disasters in areas prone to loess collapse(till Dec.2014)

图2 黄土崩塌易发区典型地质剖面图Fig.2 Typical geological profile of areas prone to loess collapse

⑦至⑨区为黄土塬、沟为主的塬梁地带，坡顶平缓，沟壑深切，黄土为典型中新世细粒黄土，胶结性相对较好，局部出现密集钙质结核层，表面冲刷侵蚀显著;该区域易发生黄土边坡表面剥落、局部崩塌等地质灾害，往往崩塌深度不大。如2014年10月发生于甘泉县的山体表层滑塌，滑塌厚度仅为1～2 m，但造成19人死亡严重事故。

图3 不同破坏形态崩塌示意图Fig.3 Schematic diagram of failure modes of loess collapse

3 陕北黄土崩塌灾害破坏模式归纳

基于陕北黄土崩塌灾害地理区划及各自发育表述，可看出:不同的地质环境条件孕育了不同的黄土崩塌破坏模式，其与该区域黄土发育特性、气象水文条件、区域地质地貌密切相关。本文从破坏形态、破坏力学驱动机制及破坏工程部位出发，对陕北黄土崩塌灾害破坏模式进行系统归纳。

3.1 陕北黄土崩塌破坏形态分类

表2 不同破坏形态的崩塌灾害分类Table 2 Classification of failure modes of loess collapse

通过广泛搜集典型黄土崩塌灾害工程资料，结合其破坏形态外在表现，可详细归纳为剥落式、崩落式、台阶式、倾倒式、滑移式、冒落式6种，具体描述见表2和图3。

(1)剥落式崩塌:多发生于新近堆积黄土或Q3黄土中，主要受到外营力(盐类、冻融、冲刷、扰动等)作用影响，呈现坡体表面侵蚀破坏，深度一般不大。

(2)崩落式崩塌:多发生于上软下硬黄土层组合中，且上覆黄土多悬空，孔隙率大、垂直裂隙发育，易在水力冲刷、重力作用下发生坠落破坏。

(3)台阶式崩塌:多发生于具有一定硬度的Q3黄土中，坡体往往较陡，坡顶垂直裂隙发育，但倾向临空面的结构面发育不明显，在附近工程扰动作用下，易发生沿垂直节理的成层性破坏，进而形成台阶式崩塌。

(4)倾倒式崩塌:多发生于上软下硬黄土层组合中，坡顶普遍存在垂直节理、柱状节理，其区别于崩落式崩塌在于上覆黄土未悬空;受倾覆作用下影响，崩塌体发生拉裂－倾倒破坏。

(5)滑移式崩塌:多发生于新近堆积黄土或Q3黄土中，该类崩塌在陕北地区发育较多，黄土内部结构松散，易在降雨、人工扰动作用下，沿倾向坡面方向的软弱结构面发生滑移破坏。

(6)冒落式崩塌:多发生于新近堆积黄土或Q3黄土，在掘进窑洞过程或后期扰动，易引起黄土边坡内部失稳，进而沿窑洞洞顶发生冒落崩塌，引起窑洞整体破坏，俗称“塌窑”。

依据以上分析，对目前野外调查资料进行详细整理，按照物质组成、崩塌体积、破坏形态对陕北地区黄土崩塌发生灾害进行分类统计，详细结果如表3。

表3 陕北不同类型黄土崩塌灾害数量百分比统计Table 3 Statistics of the percentage of different classifications of loess collapse

3.2 陕北黄土崩塌破坏驱动机制分类

结合以上黄土崩塌灾害破坏形态分类，从控制因素出发，探究其内部破坏驱动机制，将其分为:应力型驱动、节理型驱动、扰动型驱动、混合型驱动4种，详述如下。

(1)应力型驱动:该类破坏驱动机制在于应力作用起控制因素，如在重力、外营力作用下的破坏现象;该类破坏对发生于自身稳定性较差的新近堆积黄土或Q3黄土中，以上破坏形态中的滑移式崩塌，属于该类破坏机制。

(2)节理型驱动:陕北黄土的重要特性在于内部构造节理发育显著。广泛发育的垂直构造节理与黄土崩塌灾害发生密切相关，并成为黄土崩塌发生的一种重要驱动机制。构造节理作为区域构造应力场的产物，切穿各时期的黄土层，构成黄土体的软弱结构面，且黄土内部节理的力学性质与黄土形成时代、埋藏深度和土质有关。如上发生的崩落式、台阶式、倾倒式崩塌，均属于节理型破坏机制。

(3)扰动型驱动:人类工程活动趋多，如人工开挖削坡，导致对原本稳定性较差的黄土边坡扰动作用显著，进而引起黄土崩塌灾害;此外，降水扰动作用在黄土崩塌灾害发生过程中也扮演着重要角色;该类机制一般伴随以上2种驱动机制发生，目前陕北黄土崩塌灾害多由该类因素驱动发生，如上归纳剥落式、冒落式崩塌多属于该类破坏机制。

(4)混合型驱动:黄土崩塌灾害的发生一般应为多种复合力学作用产生结果，如倾倒式崩塌多伴随降水冲刷作用发生;剥落式崩塌多经过风化作用而后扰动发生等。故以上各类崩塌发生多为综合作用产物。

总体而言，黄土崩塌灾害的发生是内、外因综合作用产生的，其中内因主要包括边坡土体本身较差力学性质(如重度、黏聚力、摩擦角、弹性模量和泊松比等)、黄土本身广泛存在的垂直节理;外因主要包括降雨冲刷入渗、冻融侵蚀、盐分侵蚀、人类工程扰动、后期运营超负荷等。

4 陕北黄土崩塌灾害防控对策研究

根据以上黄土崩塌灾害破坏形态及驱动机制分类可知，黄土崩塌发生是一种多因素复杂作用的产物，不同的地形、环境、地质条件造就不同的灾害形态，相对应的防治措施也应存在较大差异，不同的防护工程措施具有其特定的适用范围或最佳效果，故现对黄土崩塌常用防治措施方案进行评价。

目前，针对黄土崩塌采用“预防为主、防治结合”的防护措施，常用的防治措施主要包括:①改变坡体几何形态;②坡体表面加固;③坡体内部加强;④增加支挡结构;⑤增强截、排水系统。

常用防治措施各自存在一定的优劣性，需要根据具体的工程对象，结合其具体地形地貌、地质环境、灾害发育特征及状况，综合选择适宜防治手段。一般而言，推荐采用几种防治手段结合的综合措施，方可达到最佳工程治理效果。

对黄土崩塌常用防治措施方案评价可知，每种防控方法均存在其最佳适用范围，为更好归纳陕北黄土崩塌灾害治理手段，结合以上陕北黄土崩塌灾害外在形态和破坏驱动机制分类，从发生部位、破坏形态、破坏过程典型特点、破坏驱动机制出发，归纳针对性黄土崩塌灾害防控对策，见表4。

5 结论

(1)结合陕北黄土地质发育特征，将陕北黄土崩塌灾害进行地理区划，共分为9大黄土崩塌灾害易发区，并将易发区归纳为3类灾害发育特征，依据区划结果，对各地理区划内的黄土崩塌进行详细数量及规模统计。

(2)按照陕北黄土崩塌破坏形态外在表现，将其分为剥落式、崩落式、台阶式、倾倒式、滑移式、冒落式6种，并探讨了其各自的岩土特性、地形地貌、地质条件、破坏形态及力学机制，并对从物质组成、发生规模及破坏形态进行了全面统计。

(3)从陕北黄土崩塌内在控制因素出发，探究对陕北黄土崩塌内部破坏驱动机制进行分析，将其分为应力型驱动、节理型驱动、扰动型驱动、混合型驱动4种，并阐述了各自对应的内在力学作用过程。

(4)对黄土崩塌常用防治措施方案进行综合评价，结合陕北黄土崩塌灾害外在形态和破坏驱动机制分类特征，归纳、提出针对性黄土崩塌灾害防控对策，研究成果可为陕北地区具体防控措施选择提供参考。

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