中兰铁路黄土滑坡发育特征及成因机理研究

王文瑞

(中铁第五勘察设计院集团有限公司，北京 102600)

新建中兰铁路北起宁夏回族自治区中卫市，经甘肃省靖远县、白银市、皋兰县，向南引入兰州新区(见图1)，全长219.67 km，是我国“十三五”高速铁路规划的重要组成部分。其中北湾至转石梁段行走于西北黄土高原梁峁区，沿线气候恶劣，地形起伏大，地层岩性脆弱，新构造运动活跃，加之长期季节性冻融作用和风蚀作用的影响，致使在沿线沟壑内发育有大量黄土滑坡，严重威胁线路的安全运营。

图1 中兰铁路线位

目前，许多学者已对黄土滑坡进行了深入研究。王家鼎以甘肃刘家峡黄土滑坡群为例，通过对灾害体特征的深入分析，论述了滑坡的成因机理[1]。马鹏辉等通过野外调查，认为滑体古土壤的隔水效应是导致蒋刘黄土滑坡形成的主要原因[2]。亓星等认为滑坡弧形凹槽产生的汇水作用是促使甘肃黑方台滑坡3次滑动的重要因素[3]。孙萍等以甘肃天水渭河北岸滑坡为例，利用室内力学试验和数值模拟方法查明了该处黄土-泥岩滑坡成因机理[4]。董捷等总结了黄土-泥岩型滑坡的发育特性、成因和分布规律[5]。然而，以往对黄土滑坡的研究多集中于纯黄土滑坡和黄土-红层(泥岩)滑坡，对黄土-砂岩型滑坡的研究较少。为此，以下采用野外调查、工程勘探、遥感解译、无人机航拍等手段，对中兰铁路沿线黄土-砂岩型滑坡的发育特征和成因机理进行研究。以保障铁路的安全运营，丰富黄土滑坡的研究内容，为区域防灾减灾提供理论依据。

1 工程地质环境

1.1 地形地貌

中兰铁路北湾至转石梁段地面高程为1 420～1 760 m，相对高差最大达300 m以上。沿线地貌以黄土梁、峁为主，局部基岩出露处发育有风蚀地貌。黄土梁峁区沟壑发育，河流切割深度大，沟谷多呈“V”形。黄土斜坡一般较陡，坡度为20°～50°，坡面上冲沟发育，植被欠发育。

1.2 地质构造

线路经过区属中祁连岛链构造单元，构造轴线呈北西-南东向，褶皱、断裂构造普遍为风积黄土层所覆盖，直接出露迹象较为罕见。根据遥感解译和野外调查结果，该区褶皱构造较断裂构造发育程度高。其中，褶皱构造以向斜为主，多呈倾竖褶曲、斜歪褶曲；而断裂构造以逆断层为主，多为下盘被上盘推覆的逆掩断层(见图2)。

图2 研究区构造纲要及滑坡灾害分布

1.3 地层岩性

线路经过区域下伏基岩为白垩系下统河口组上组和下组砂岩。受区域构造影响，岩层产状平缓，倾角为2°～15°。第四系覆盖层为上更新统风积黄土，分布面积占研究区的33.8%。其结构较为松散，垂直裂隙发育，力学参数脆弱，是研究区地质灾害的主要承担者。

1.4 地震及新构造运动

研究区地处黄土高原西部，新构造运动活跃，地震活动频繁[7]。近年来，区内地震以低强度浅源地震为主，震源深度集中在12 km左右。近50年来，区内Ms<4.0级的地震有36次，Ms≥4.0级的有7次。历史地震统计资料表明，对研究区影响最为严重的为发生于1920年的“海原地震”，震级约8.5级，曾在该区诱发数十起大型-巨型滑坡[8]。

2 滑坡灾害工程地质特征

产状平缓的下伏砂岩，为第四系黄土层的风积贮存提供了良好的平台条件。据勘探资料，区内风积层厚10～52 m，局部可达60 m以上。这种上部松散、下部坚硬的“双层异质”结构，是孕育不良地质灾害的主要斜坡结构之一[9]。

2.1 形态特征

区内滑坡多为单体滑坡，罕有群体性滑坡。滑坡一般在沟壑下切显著的斜坡上形成，运移距离一般较小(20～60 m)。其在平面上多呈簸箕形或长舌形，发育规模一般较小(体积为0.2×105～1.5×105m3)。滑坡滑面普遍发育于近似均质的黄土内，其后壁多呈圆弧状(见图3、图4)；侧壁受黄土垂直裂隙控制，常较陡(坡度为50°～70°)，形成凸向坡脚的单薄山脊。滑面后缘的陡壁上可见明显的土岩分界线，呈近似水平的直线状，贯穿于斜坡中上部，是辨识黄土层内滑坡的主要特征之一[10]。

图3 沿线1号典型滑坡灾害全貌

图4 1号滑坡灾害纵剖面

在主滑剖面上，区内滑坡的形成区与堆积区可明确区分，而滑移区表层多为风积土层覆盖，运移迹象不甚明显，各滑坡前后缘高差为30～80 m之间。滑动初期，滑体的滑动速度一般较小(6～15 m/s)，在运动过程中，松散程度进一步加剧，在降雨及季节性冻融作用下，滑体前缘常发育有多个浅层次级滑坡，堆积体上普遍发育有Ⅱ～Ⅳ级平台。滑坡堆积体坡面坡度为20°～40°，次级滑坡后壁常形成多条横向贯通裂缝，遍布前缘堆积体。因此，“低滑速、短滑距、多期滑动”是沿线黄土滑坡普遍具有的特征。

2.2 物质特征

上更新统风积土层的力学行为是该区滑坡孕灾的关键。该层一般厚度为10～52 m。由于孕育滑坡的原始斜坡形成时间较为久远，发育有相对十分广阔的坡前平台，斜坡前缘一般受河流下切严重。因此，厚层-巨厚层风积黄土倾滑后，在坡前常呈长舌状堆积，滑体厚度伴随滑动过程急剧减小(堆积体厚度为7～10 m，为滑前黄土层层厚的1/3)。受低滑速、短运距运动特征的影响，滑体中土层粒序受到的扰动较小，多表现为上部小、下部大的正常粒序[11]，且一般保留较为完整。在下伏基岩风化严重的斜坡上，滑体在运移中常剪切扰动底部砂岩，故会在某些滑体底部保留有大量砂岩碎块(见图5、图6)。其磨圆度一般较差，且不具分选性，在滑体底部呈不均匀带状展布。

图5 沿线2号典型滑坡灾害全貌

图6 2号滑坡灾害右侧基岩赤平投影分析

区内滑坡的滑带也多位于上覆黄土内部，厚度为10～20 cm。受剪切作用影响，滑带常呈泥状。在一些下伏基岩风化严重的斜坡中，滑带常下侵至下伏砂岩浅层，滑带上可见明显剪切擦痕。

2.3 变形特征

斜坡滑移后，其后壁多呈圆弧仰斜状，坡度一般较陡，而前缘多呈长舌状堆积，坡度明显变缓。因此，滑坡体中上部形成了“上陡下缓”的储水地貌。在丰雨期，雨水常裹挟黄土形成的粘滞泥流浸润冲刷后壁，或形成规模较大的浅层溜坍体覆于旧滑体之上。因此，多数滑坡后缘变形迹象显著，后壁表层处常发育有一层流塑状土体(见图7)，厚10～30 cm。其在枯雨期呈干土块状，在连续强降水或地震触发下，黄土浸润冲刷体或浅层溜坍体规模会迅速壮大，发育形成规模较大的复活滑体。

图7 2号滑坡灾害后壁冲刷痕迹

受制于“上陡下缓”的储水地貌，滑坡堆积体含水量分布不甚均匀。堆积体后缘土体含水率较大，一般接近土质塑限，呈可塑-流塑状；前缘土体含水率一般小于塑限，呈硬塑状。前缘堆积体常在中上部形成下挫横向裂缝，或发育成前缘次级滑坡的滑面，常使滑坡堆积体从后向前呈“阶梯状”展布(见图3)。因此，区内滑坡变形特征普遍显著，滑坡前缘和后缘在强降水条件下均有复活的可能。

3 滑坡灾害成因机理分析

滑坡是指斜坡上的脆弱岩土体在自身内部损伤或外部因素(降雨、地震等)诱发下，向坡外发生运动破坏的自然灾害[12-13]。钻探结果表明，区内滑坡形成后，堆积体成分多为砂质黄土(见图8(a))，少数规模较大的滑坡底部可见砂岩碎块层(见图8(b))，厚度为0.3～2.0 m。按地质成因机理，沿线滑坡灾害可分为牵引-溜坍型和溜坍-剪切型两类。

图8 滑坡堆积体工程钻探成果

3.1 牵引-溜坍型滑坡

该类滑坡上部为黄土，下部为弱风化砂岩。斜坡上覆黄土层普遍较厚，垂直裂隙发育，土岩分界面常展布于斜坡中、低高程处。受深厚黄土层的隔绝，下伏砂岩浅层风化程度弱，一般仅发育有一组结构面[14-15]。

在降水期，雨水在破坏黄土土质结构的同时，通过土体内部垂直裂隙渗入至土岩界面处。由于弱风化砂岩透水性较差，在土岩界面处形成了弱透水边界，导致土体内渗水遇基岩面后流向变为水平向，在斜坡内形成了缓向坡外的渗流场(见图9(a))。在渗流场的长期作用和自身饱和损伤的共同作用下，坡脚黄土最先失稳，进而牵引后缘土体形成滑坡(见图9(b)、图9(c))。由于下伏基岩产状平缓，在土岩界面处形成的渗流场梯度较小。因此，该类滑坡灾害发生过程常较为缓慢，后壁处明显可见的黄土浸润冲刷痕迹是该类滑坡正在演化成灾的主要表现，而现有灾害体的形态是斜坡由外向内逐级渐近式溜坍破坏的结果。

图9 牵引-溜坍型滑坡灾害孕育模式

3.2 溜坍-剪切型滑坡灾害

与牵引-溜坍型滑坡不同，该类斜坡上覆黄土层常较薄，土岩分界面展布于斜坡高处，在外动力地质作用下，下伏砂岩风化程度较高，岩体力学性质相对较差。加之多期地质构造活动影响，下伏基岩内普遍发育有2～3组结构面，岩体常被切割成规则块体，大小不一。

在降雨期，斜坡上覆黄土首先软化形成溜坍体，并呈泥流状沿坡面径流。溜坍体在经由基岩处时运动受阻，在交界面处形成黏滞剪切带(见图10)，下伏体积较小的砂岩块体在长期剪切作用下被破坏，形成含碎屑的溜坍体并向坡外漫流。由于剪切启动所需剪切应力较大，故该类滑坡的形成多受强降雨或连续降雨的诱发，形成过程一般较短，但形成后态势发展迅猛，成灾规模往往较大。

图10 溜坍-剪切型滑坡灾害孕育模式

4 沿线滑坡灾害分布特征

该区内共发育有36处黄土滑坡(见表1)。勘探资料揭露，滑坡堆积体仅为黄土的有29处，堆积体底部含砂岩碎块层的有7处，故区内滑坡以牵引-溜坍型为主。

表1 沿线滑坡分布规律统计

(1)由表1可知，沿线滑坡高程为1 590～1 670 m，并在不同高程带内呈规律性分布。牵引-溜坍型滑坡上覆土层较厚，且此类滑坡发育于斜坡的中、低处，并在高程1 590～1 640 m内集中发育，占该类滑坡总数的72.4%；溜坍-剪切型滑坡上覆土层一般较薄，且大都孕育于斜坡的较高处，并在高程1 630～1 670 m内集中发育，占该类滑坡总数的85.7%。

(2)牵引-溜坍型滑坡形成过程缓慢，呈渐近式溜坍破坏，因而此类滑坡多为体积小于10×104m3的小型滑坡，在少数处于沟脑内的斜坡上，发育有体积大于10×104m3的中型牵引-溜坍型滑坡(占此类滑坡的37.9%)。溜坍-剪切型滑坡形成过程迅猛，所需的剪切扰动应力较大，因而此类滑坡发育规模多大于10×104m3，多为中型滑坡，占此类滑坡的71.4%。

(3)遥感解译结果表明，23处滑坡分布在距断裂、褶皱构造2 km的范围内，约占区内滑坡总数的63.9%，特别是在砖石梁隧道附近，构造密集发育。此外，有13处滑坡分布在远离构造区，多集中在沙河流域两岸的陡立岸坡处。

5 滑坡对铁路的危害及防治措施建议

调查期间，区内各滑坡灾害变形明显，两类滑坡后壁处均可见黄土浸润冲刷痕迹，前缘多发育有次级滑坡。在多雨或强降雨条件下，区内滑坡继续发生逐级垮塌的可能性较大，可能会对铁路路基造成冲毁、掩埋破坏。根据前述分析，风积黄土在降雨条件下的力学行为是沿线滑坡孕育成灾的关键。建议采取如下防治措施：(1)防治中应注重对风积黄土的处理，可采取放坡开挖、减缓上覆黄土层坡度、清除风积土方等措施，以减少或消除治灾因子；(2)防治中应采取排水设施与坡面防护设施相结合的方法，引出和排除地表水，减少坡面雨水径流，以阻止风积土层遇水形成致灾溜坍体。