辛置镇黄土边坡变形破坏及其影响因素分析

武跃跃，李小明

(华北科技学院 安全工程学院，北京 东燕郊 065201)

0 引言

辛置镇位于霍州市南端，全镇面积53.9平方公里。区内地形地貌复杂，多为黄土梁峁。地层岩性，降雨等因素为边坡的变形破坏提供了孕育环境；再加上建房、道路修建等人类活动，进一步加剧了边坡的不稳定性，导致黄土边坡变形破坏愈发严重，威胁该地区人民生命财产安全及地区建设发展，因此对黄土边坡变形破坏的类型等的研究十分必要。但目前对该黄土地区边坡变形破坏的研究很少，少数学者对该地区黄土地质灾害进行了研究，对部分灾害特性、成因进行论述，开展了黄土地质灾害的初步调查，但并未对该区黄土边坡破坏类型及成因做进一步研究。笔者根据有关资料及野外调查，将黄土边坡变形破坏划分为不同类型，分析其影响因素，为区内边坡变形破坏的防治提供依据。

1 区域地质条件

1.1 地形地貌

辛置镇位于霍山西部，汾河谷地东侧。区内地貌以低山和丘陵为主，多为长条状的黄土梁、峁，与沟谷相间分布，其延展方向多为东西向分布，顶部面积不大，但较为平坦。

1.2 气象条件

辛置镇位于温带大陆性气候区，四季分明。年平均气温12.2℃，最高可达40.0℃。降水具季节性差异，7～9月份是雨季集中期，降水量约占全年70%以上，年平均降水量437.3 mm，最大降水量可达682.2 mm。

1.3 地层岩性

与辛置镇黄土边坡变形破坏有重要联系的地层主要为：第四系上更新统(Q3)，第四系中更新统(Q2)，第四系下更新统(Q1)，新近系上新统(N2)，二叠系下统(P1)，石炭系上统太原组(C3t)。

第四系上更新统(Q3)：多由风积而成的黄土层，颜色主要为浅黄—棕黄色，土质松散均匀，孔隙明显，有虫孔和植物根孔。整体是浅灰黄色粉土，下部夹杂明显砂砾，为粉砂质土，中部夹有棕褐色土壤层。层厚约5～15 m。

第四系中更新统(Q2)：多由风积而成的黄土层，颜色主要为黄棕—黄褐色，结构密实，呈块状。可见出露的钙质结核层，夹多层棕红色古土壤层，有明显的砾石、卵砾石呈条带状分布，含长石，云母等。上部部分土层具有湿陷性。层厚约134 m。

第四系下更新统(Q1)：以棕黄色粉砂黄土为主，中夹埋藏土层，均含有白色钙质结核层。层厚约9～14 m。

新近系上新统(N2)：主要为半胶结砾岩和灰岩组成，成分以灰岩、石英砂岩，火成岩、片麻岩为主，层厚约42 m。上部以红土为主，与下部基岩以角度不整合接触。

二叠系下统(P1)：主要为灰黑色泥岩与灰白色砂岩互层，层位稳定。可采2号煤层位于本组，顶板为黑色砂质泥岩。层厚约145 m。

石炭系上统太原组(C3t)：本组主要为深灰、黑色碎屑岩，石灰岩和煤层。可采10号煤层位于本组，顶板为厚层石灰岩，较为稳定。层厚约83 m。

1.4 水文地质条件

辛置镇河流属于黄河流域、汾河水系。位于塔底沟、河底沟的河流，由东向西注入汾河，流量较小；汾河从镇内西部经过，河谷宽阔平缓，成U型沟谷。

松散岩类孔隙水、碎屑岩类裂隙水为区内地下水主要类型，受大气降水或地表水渗漏补给。孔隙水主要存在于第四系地层的孔隙之中，水量大，富水性较好；裂隙水主要存在于二叠系的砂岩裂隙之中，部分沟谷两侧可见该类型地下水的泉水出露。

2 黄土边坡变形破坏分布特征

地质环境特征和降雨、工程活动等外在诱发因素共同影响着黄土边坡变形破坏的发生和分布。从空间上看，黄土边坡变形破坏主要发生在：(1)山顶及山坡呈阶梯状分布的耕地旁或村镇中房屋建筑旁的人工陡边坡；(2)山体经开挖后所修建的道路两侧。这些地点受人类活动影响较大，破坏了边坡的原始平衡，边坡的变形破坏易发，规模均为小型。从时间上看，黄土边坡变形破坏与降雨相关性强(图1)，多发生在雨季(7～9月)。在2005～2020年间，连通河底村和塔底沟村的公路段共发生7次小型坠落，且都发生于雨季。故应加强雨季对黄土边坡的监测，提前捕捉边坡变形破坏的前兆信息。

图1 辛置镇黄土边坡变形破坏与降雨量关系(2015年)

3 黄土边坡变形破坏类型

本文调查辛置镇黄土边坡变形破坏点共17处(图2)，其中坠落破坏所占比例最大(表1)。在野外调查的基础上，根据黄土边坡变形破坏特征，将辛置镇黄土边坡变形破坏类型划分为：坠落、倾倒、裂隙滑动和剥落四种类型。剥落破坏在该区较为常见，本身危害不大，故不予统计。

表1 辛置镇黄土边坡破坏类型比例表

3.1 坠落

坠落常发生于坡度较陡的边坡，是突出黄土块体从坡面脱离的过程[1]，坠落块体体积变化较大。突出的黄土块体通常附着在主体或由部分发育的垂直裂缝隔开，当裂缝发育或现有裂缝达到临界尺寸时，就会发生分离现象。分离块体受重力作用运动，到达地面后，一般不再向前运动和弹起。根据其特征分为单面连接块体型坠落(图3a)和两面连接块体型坠落(图3b)。单面连接块体坠落是突出块体仅后部与坡体相连，在重力作用下，垂直裂隙向下发育直至贯通，块体随之坠落；两面连接块体坠落是块体后部和顶面与坡体相连，在重力作用下顶部产生水平裂隙，同时垂直节理发育，最终产生水平拉断和竖向剪切破坏，块体失去与坡体的联系，形成坠落。除重力作用外，风化作用、动植物活动等都可在裂缝发育早期对坠落破坏起促进作用。这种变形破坏类型占调查总数的59%。

图3 黄土边坡坠落

3.2 倾倒

倾倒多发生于陡倾的人工边坡，是黄土板状体围绕其底部的点或轴向外旋转，最终分离的过程(图4)。黄土边坡开挖后的卸荷回弹作用，使坡体内垂直节理张开，土体被切割成大小不一的条柱状[2]，完整性被破坏。在降雨、灌溉等条件下，水体沿节理和裂隙入渗，不断软化、冲蚀土体，增加土体自重的同时使裂隙扩大，并不断向深部发展，且使得土柱体底部强度降低。再加上坡面径流的长期冲刷使坡脚掏空，临空块体的支撑面减小，块体在重力影响下重心不断外移。当裂隙延伸至极限深度，块体重心超出支撑点时，产生倾倒破坏。此外，直立黄土块体在长期重力作用下产生弯折也可能发生倾倒[3]。倾倒块体通常规模较小。这种变形破坏类型占调查总数的29%。

图4 潜在黄土边坡倾倒

3.3 裂隙滑动

裂隙滑动多发于软硬互层的黄土边坡，是被垂直裂隙切割后的边坡土体沿下部滑动面运动的过程(图5a)。裂隙滑动失效具有由两部分组成的复合失效面。上部由拉伸裂纹组成，通常在顶部垂直延伸数米深，受节理裂隙控制；下部为顺坡弧状滑动面，倾角一般在15°～60°之间。边坡黄土体在重力等作用下沿坡体垂直节理裂隙断裂，降雨沿坡体后缘裂隙入渗，在相对隔水层聚集，软化土体。当形成一个完整滑动面时，土体逐渐滑移，产生裂隙滑动。具有滑动深度浅、高速短程的特点。这种变形破坏类型占调查总数的12%。

3.4 剥落

剥落为多发于第四系中更新统黄土层中的以层裂形式出现的黄土边坡破坏，是黄土体的不规则薄片、碎块偶尔从坡面分离的过程(图5b)。边坡形成后，表层土体水分蒸干，逐渐形成一层硬壳。受坡面上反复冷热循环、干湿循环和冻融循环作用，硬壳与坡面分层并产生细小裂隙，被切割成大小不一的碎块体，在重力、降雨、震动等影响下，块体脱落堆积于坡脚[4]。这种破坏形式具有破裂面深度浅，体积小的特点。黄土剥落本身危害较小，但碎片块体的剥落从坡脚向坡顶延伸，破坏坡面完整性，会导致上覆黄土层悬空或坡脚掏空，从而为坠落和倾倒型破坏提供条件，在边坡防治中仍不可忽视[5]。

图5 黄土边坡裂隙滑动和剥落

4 边坡变形破坏影响因素分析

4.1 人类工程活动

辛置镇众多村庄，由于地形地貌的限制，切坡建房现象较为普遍(表2)。居民在坡脚或坡腰处切坡并靠近切坡体建房，房屋后坡高多为5～10 m，距坡脚距离小于1 m，坡度大于50°。人工切坡后，斜坡剖面坡面线呈近直线，坡度较大，坡体前缘形成临空面(图6)，为坡体变形破坏提供了空间条件，也加剧了坡体受重力影响的下滑趋势；人工切坡破坏了坡面植被，坡面土体暴露，且未采取防护措施，使之易受风化剥蚀和雨水冲刷影响，坡面岩土体破碎，裂缝变大，不利于边坡稳定。当雨季来临，临空面会慢慢产生小规模坍塌，为边坡变形破坏创造了有利条件。

图6 人工陡切破

表2 辛置镇部分村庄切坡建房调查表

另外，农业耕种、道路建设也对边坡的稳定有不良影响。梯田修筑过程中也对坡体进行了开挖，破坏坡面形态，增强降雨、农业灌溉等水体的入渗，边坡土体含水量增加；道路建设过程中的坡体切割和坡脚开挖使得人工陡边坡数量增多，加剧了边坡的变形破坏。同时，煤矿开采形成采空区，底部存在采空区的边坡，其下方岩土体承载力显著降低，导致边坡安全系数大幅下降[6]。

4.2 地层岩性

辛置镇出露的地层主要为第四系中更新统黄土(Q2)和上更新统黄土(Q3)，这两种黄土均具有孔隙大，结构疏松，渗透性较强的不良地质特性。黄土体中存在许多结构性质各不相同的裂隙、节理(图7)，这是黄土的一个重要性质。黄土节理通常是垂直发育的，但也会产生树枝状的分支，将黄土分割成块状，为黄土边坡的变形破坏埋下隐患。同时，裂缝和节理作为一种优势通道，在水体入渗时加强了渗流的作用。随着降雨和地表水的进入，土体破碎崩解，节理裂隙不断变大加深，且流水冲刷带走土体中的可溶盐、细颗粒，在坡面上形成落水洞、暗穴等，破坏边坡坡面的完整性[7]，不利于边坡稳定。

4.3 降水

降水是黄土边坡变形破坏的重要诱发因素。降水对于黄土边坡变形破坏的影响主要表现为以下方面：①雨水沿着节理和裂隙进入土体后，含水量升高，上部土体的重量增加，同时使土体软化[8]，抗剪强度显著下降。②降水入渗后在相对的隔水层形成上层滞水，产生了一定的浮力，接触面抗滑力降低，同时在重力影响下，边坡上缘逐渐产生裂隙，又加剧了水体的入渗。③降水入渗后在土体内产生溶蚀作用，溶解并带走土颗粒中的有机质，使空隙变大，土颗粒间粘结力下降，土体松散，使黄土边坡变形破坏更易发生。

4.4 植物活动

坡顶边缘的乔木、灌木发育。一方面，增加了危岩体的重量；另一方面，其根系发达，吸水使得土体软化，且根系沿裂隙生长，使裂隙扩大，破坏斜坡岩土体完整性(图6)，是边坡变形破坏的诱发因素之一。

4.5 冻融作用

冻融作用是使黄土力学性质衰减的重要因素，通常发生冻结—融化—冻结的循环过程，多发生于冬末春初。一是，黄土冻结时，土体内水成冰而体积变大，使颗粒间孔隙增大，土体体积膨胀。由于这时水以冰的形式存在，土体强度还较高。但外界温度升高时，冻结土体逐渐融化，土体内部因冻结产生的胶结物失去其力学效应，颗粒、孔隙重新排列，土体的粘聚力和抗剪强度降低，产生变形破坏；二是，白天温度高，坡面及坡顶的冰融化成水，沿节理裂隙进入土体内部，随着温度降低，水冻结成冰，体积增大，造成土体膨胀变形，当膨胀后体积大于裂隙空间时，内部节理裂隙增大，土体裂缝不断变宽，最终在重力影响下产生变形破坏。

5 防治措施

该区的坠落、倾倒等边坡变形破坏多发于人为陡切破，坡度较大且岩土体破碎，节理裂隙明显，顶部前端可见危岩土体延伸出坡体。如果遇到强降雨或其它诱发因素，发生变形破坏的可能性较大。边坡前缘多为公路或建筑，空间有限，根据实际调查结果，建议采用以下措施：

(1) 对于坡顶稳定性较差、危险性较大的危岩土体，采取直接清除的措施。

(2) 对坡顶无建筑，坡脚存在建筑且墙体离坡脚距离较近者，锚杆、挡墙等防护措施施工不便，宜进行削坡减载。将坡面分级，按一定坡率进行削坡和对坡面进行修整，同时在坡面种植植被，减小地表水入渗，是一种简便、有效的措施。

(3) 对于坡面裂隙较多者，可采用喷射混凝土、格构锚固的措施进行防护，增强边坡的整体稳定性[9]。也可采用重力式挡土墙，用石砌体、混凝土等修筑墙身，将墙身设置在坡体前缘。适用于坡高较小、坡前空间较大的土质切坡，对坡体破坏小，短时间内效果显著。

(4) 边坡变形破坏最积极的因素是水，因此要减小水对边坡的危害。为了防止边坡外围的地表水沿周边裂隙进入坡体内，可以采用拦截和引流地表水的措施在边坡坡顶、坡脚修筑截水沟和排水沟。但需要注意的是，修建排水沟时，要做好防渗的措施，否则当排水沟发生水的入渗时，会造成和预期相反的效果。

(5) 利用多种形式宣传普及相关知识，提高居民预防意识。村镇中安排监测人员，对由于人工切破等形成的边坡变形破坏隐患点进行定期巡查，关注其动态情况。一旦发现裂缝变大、不正常掉块等异常现象，应及时通报和撤离。

6 结论

(1) 辛置镇黄土变形破坏类型主要为坠落、倾倒、裂隙滑动和剥落。根据调查的17处黄土边坡变形破坏点，坠落广泛发育，占该区黄土边坡变形破坏总数的59%。

(2) 辛置镇黄土边坡变形破坏的发生，实质是地层岩性、降雨及人类工程活动等共同作用的结果。地层岩性的物理性质决定了边坡的稳定性，降雨是边坡变形破坏的直接诱因，人类工程活动则加剧了边坡变形破坏的过程。

(3) 为了防止边坡变形破坏的发生，应采用清除危岩土体、削坡减载、完善排水措施、采用喷射混凝土、挡墙等保持边坡稳定性的防治措施。