陇东陕甘边界降雨水毁灾情调查与启示

刘银鹏，李同录，胡向阳，李 萍，付昱凯

（1.长安大学地质工程与测绘学院,陕西 西安 710054；2.黄土高原水循环与地质环境教育部野外科学观测研究站,甘肃 正宁 745399；3.中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司,陕西 西安 710065）

0 引言

自2021年8月中旬初至10月初，陇东陕甘交界的正宁—旬邑县，断断续续持续了长达50 多天的降雨，引发了黄土沟壑两侧斜坡大范围浅层滑移，村镇的土质围墙、窑洞和民房大量坍塌；道路路基沉降开裂，路肩斜坡发生滑塌、滑坡，其中G211 国道中断两个星期，甜永高速旬邑北到罗川古城段自10月1日封闭至12月31日。由于地方政府和相关部门采取了果断的应急方案，及时疏散了受威胁的群众，封闭了危险段路段，此次灾害未造成人员伤亡，但灾害迫使部分居民转移避险，并造成一定的财产损失和道路毁坏。

就在灾害集中发生的10月1日—5日，项目组进行了现场灾情调查，目睹了部分灾害发生的过程，取得了第一手资料。鉴于类似连续降雨事件在黄土地区时有发生，历史上也多次发生过大范围水毁灾害，通过对该类灾情调查和发生规律的分析，总结经验，以便采取合理的措施，提前消除灾害隐患。

文中调查范围是G211 国道沿线，自陕西省旬邑县的湫坡头镇，经该镇的店子河村到底庙镇（图1）。降雨是这次水毁灾害的诱发因素，为此收集了陕西旬邑和甘肃正宁气象站2021年8月1日—10月15日的逐日降雨资料（图2）。可以看出，8月16日—10月10日断续降雨50 多天，降雨的密度和强度不断加大。其中正宁县在56 天里，降雨的天数达27 天，累计降雨量754.9 mm，仅10月5日单日降雨量达到163.0 mm。旬邑县降雨的天数26 天，累计雨量490.7 mm，日最大降雨量47.5 mm。此次降雨空间分布很不均匀，甘肃正宁县离陕西旬邑县的直线距离为42 km，累计降雨量相差264.2 mm。我们调查段的中点店子河村距正宁县城19 km，距旬邑县城22 km。虽然所属行政区归陕西旬邑县，实则离甘肃正宁县更近。据当地群众反映，今年的降雨在历史上也属罕见。

图1 调查区基本情况Fig.1 The basic situation of the survey area

图2 正宁县、旬邑县8—10月逐日降雨序列Fig.2 Daily rainfall sequence from August to October in Xunyi County and Zhengning County

文中首先对降雨在黄土层中的入渗情况进行了调查，许多学者[1−5]认为无论是自然降雨现场观测，还是人工降雨试验，都发现黄土中水分入渗深度有限，约2 m，最大不超过4 m[6]。沿国道有大量修路取土时人工开挖的直立剖面，在直立剖面上对降雨湿润锋深度逐一进行测量，结果表明，此次降雨过程在黄土中的湿润锋深度介于1.5～2.0 m。如图3（a）剖面所示，在该剖面每隔20 cm 取样测含水率，含水率随深度曲线如图3（b）所示。可以看出，湿润锋以上黄土接近饱和，但没有达到饱和状态，湿润锋以下则很干。湿润锋的深度控制了水毁灾害的性质和发育范围,坡脚部分含水率升高是由于毛细上升引起[7]，毛细上升高度和浸湿范围介于0.8～1.5 m。

图3 黄土垂直剖面上湿润锋及含水率Fig.3 Wetting front and moisture content on a vertical loess profile

文中没有针对特定区域所有灾点的逐一排查，只是对湫坡头镇至底庙镇之间的村镇的居民宅院破坏情况和G211 国道损毁情况进行了调查，发生在村镇的水毁灾害有黄土窑洞塌陷、土质房屋和夯土围墙倒塌；发生在道路上的水毁灾害有路基外缘沉陷开裂，路基内侧边坡崩塌、斜坡浅层滑移及滑坡泥流等地质灾害，总结了这些水毁的特点，并调查了植被对黄土滑坡和崩塌的影响。

1 居住地居民宅院破坏情况

1.1 窑洞坍塌

重点对陕西旬邑湫坡头镇和该镇店子河村居民宅院进行了调查，发现人们居住的土窑和土房及土墙三类土质设施部分损坏或完全毁坏。在底庙镇和店子河村破坏的窑洞有两类，一类当地人称为“箍窑”，是人造窑洞，先用砖砌成窑洞的内拱，周围及顶部用夯土回填而成。窑洞顶回填土2.0 m 左右，这类窑洞完全塌落，调查的“箍窑”坍塌之前，主要用来存放农具，村民居住在外面砖房，无人伤亡，如图4（a）所示。第二类是在天然黄土地层中开挖出的窑洞，称为“土窑”[8]，如图4（b）所示。该类窑洞整体坍塌少，但洞顶以上直立边坡的坡缘大部分塌落，堆土淹埋部分窑洞口。调查的“土窑”少部分还有人居住，但无人员伤亡。一般来说，黄土窑洞的破坏与年久失修、历年降水入渗和风化作用、季节冻胀、生物活动、地震等均有关系，而此次调查中这两类窑洞破坏明显是由持续的降雨造成的，破坏形式不同的原因和拱顶土层厚度及湿润锋深度有关。“箍窑”拱顶2.0 m 左右的回填土完全浸湿，单层砖砌的拱顶不足以支撑丧失强度的拱顶，导致彻底陷落。自然黄土中开挖的窑洞拱顶一般留有3～6 m 的土层，湿润锋最深到2 m 处，拱顶还有1～4 m 的干土层，这部分强度高的土层还能支撑上部的土层荷载。而窑洞顶，湿润锋以上的直立边坡，由于浸湿强度减弱发生滑塌。

图4 店子河村两类窑洞破坏情况Fig.4 Damages of the two types of living caves in Dianzihe Village

1.2 土房倒塌

底庙镇、店子河村都有大量土坯房屋倒塌。黄土地区人们自古有居住窑洞的习惯。20世纪80年代初，房子才开始出现，第一代房子墙体都是土坯或夯土，墙内嵌木质立柱，立柱支撑房顶，房顶也是木质构架，上铺泥草和青瓦防水（图5）。这类房子已经年久失修、风化破损，目前已基本废弃，但大部分还没有拆除，作为临时住地和存放物资的场所。此次持续降雨导致土墙的墙根被屋顶滴下的雨水溅湿，房顶的泥皮和青瓦本身是透水的，短期降水不会有太多渗入；降雨时间一长，雨水透过青瓦和泥草渗入墙体，约3 m 高的墙体，自上、下两个方向几乎全被浸湿，无法承受墙体自重和屋顶的荷载而倒塌，留下残垣断壁。一些幸存的土房也成危房，局部开裂或倾斜。

图5 房屋倒塌情况Fig.5 Collapse of the houses

1.3 土墙倒塌

与土坯房同期修建的老式院落，围墙也是用黄土夯筑的。这次降雨导致大部分这类土墙倒塌，土墙和土房倒塌的原因类似。围墙高度一般3 m，墙根的毛细水上升高度约1 m，湿润锋深度约2 m，墙体几乎全部被浸透，无法承载其自重。如图6所示的院落围墙，全部或部分倒塌，留下残垣断壁。

图6 湫坡头镇夯土墙倒塌情况Fig.6 Damage of the earth wall in Qiupotou town

2 道路损毁情况

2.1 路基沉降开裂

G211 国道K495+860 m 至K506+315 m 段穿越店子河沟（图1），在店子河两侧斜坡上弯弯曲曲盘山而上。其中K501 至K506 段位于湫坡头镇一侧，半填半挖路基较多。在长5 km 的爬坡路段，共出现路基开裂6 处，累计长度1.5 km，占该路段总长的30%（图7）。这类路基沉陷都出现在路基外缘填方一侧[9−10]，路基开裂发生在填挖交界处，说明路基填土的压实度不够，填挖交界面也没有处理好，开裂最宽处达20 cm,外侧护栏严重变形，部分已经倾倒。

图7 G211 路面局部沉降开裂情况Fig.7 Settlement and cracking of the subgrade on G211 national road

2.2 路肩直立边坡小型滑塌

G211 虽为国道，但在该路段等级低，为三级公路，路肩和路基外侧都为黄土斜坡，但没有护坡，植被覆盖良好。调查路段有许多修路时开挖的直立边坡，高度5～15 m。这类直立边坡整体稳定，可以看到直立面上黄土裸露，在降雨中仍保持干燥状态，有较高的强度。而在直立坡的坡顶，湿润锋以上被浸湿的土体大多发生滑塌,类似土质直立边坡的破坏现象较为普遍[11]。这类滑塌的规模很小，滑塌厚度一般为1 m 左右，滑移面倾角约30°，滑体的体积小，只是堆积在道边的沟中，阻塞排水设施，没有直接阻塞道路的情况。然而这类滑塌对交通的影响不在其本身，而在其另一面。该区域植被非常发育，以当地优势树种刺槐、白杨、山杏等为主，树随坡顶的滑塌一起倒下，横在路上，阻断道路。如图8（a）直立边坡坡高4.1 m，湿润锋深1.5 m，毛细水上升0.8 m，湿润锋以上发生滑塌，坡缘植被为蒿草和灌木，随黄土一起滑塌。图8（b）所示的坡高为7.7m，湿润锋深1.6 m，倾倒刺槐根深1.4 m，树杆直径0.38 m,刺槐树与滑塌一起滑出后掉落坡脚下，滑体阻断水渠，刺槐阻断道路。G211K506 至K495 路段，共有此类滑塌42 处，倒下的大树阻断道路11 处，虽不致命但数量多对交通影响大。

图8 直立边坡坡顶滑塌Fig.8 Collapses on the top of the vertical slope

2.3 斜坡浅层滑移及滑坡泥流

这次持续降雨在陇东陕甘边界处引发了大面积的斜坡浅层滑移，这类滑移发育在黄土沟谷的两侧（图9）。现场调查表明，该类滑坡滑动面深度浅，一般不超过 2 m，与上面所述的湿润锋深度是一致的。发生滑移的斜坡坡度一般在35°～75°，这和2013年陕北大面积浅层滑移的情况比较一致[12]。这类浅层滑移大部分位于无人居住的区域，发生的面积大，但致灾较少，对地表植被破坏比较严重。

图9 店子河沟沟谷两侧斜坡大面积浅层滑移Fig.9 Shallow slides in the sides of the loess gullies near Danzihe Valley

该类滑坡大多转化为流态或者泥流，顺坡滑移较远的距离。这次降雨在G211 公路沿线诱发了2 处这类规模较大的滑坡阻塞了道路。1 处为K504+670 m 段滑坡，位于店子河沟的左岸斜坡上。公路盘山而下，在图10（a）上可见。该段路面上斜坡有3 处小滑坡，路面下2 处滑坡。剪出口都在上层公路内侧陡坎之上,斜坡坡度39°，滑坡顺坡长分别为50 m、80 m、100 m，宽度分别为5 m、4 m、6 m,滑体厚度1.5～2.0m。滑体转变为流态，倾泻到上层路面，并越过路面，冲倒外侧护栏，流向路基下方斜坡，左侧滑体停留在半坡上，右侧两个滑体汇聚一处，停滞在下层路面上。滑体淹埋了上层路面250 m,下层路面100 m。由于转化为泥流，路面外侧堆积体厚度20～30 cm，车辆和行人还能勉强通过，见图10（b）。1 处为K498 段滑坡，位于店子河沟的右岸斜坡上（图11）。滑坡出口也在公路内侧陡坎之上,高位剪出，斜坡坡度60°，顺坡长12 m,沿路宽度为127 m ,滑体堆积在路面，阻塞了排水沟，滑体为流态，厚度较薄，还可以通行。除这2 处较大滑坡外，还有多处类似小型滑坡，堵塞了公路内排水沟、乔木倒塌、挡住道路。

图10 G211-K504+670 m 陡倾浅层滑坡Fig.10 Mud flow of steep slope landslide

图11 G211-K498 陡倾浅层滑坡Fig.11 Mud flow of steep slope landslide

这类浅层滑坡是降雨直接诱发的，降雨入渗土体的重度增加不大，土体重度的增加虽然使斜坡土体的下滑力变大，但同时也增大了斜坡土体的阻滑力，所以重度对斜坡稳定性不敏感[13]，因此水的入渗引起强度降低是其关键原因。

降雨中，浅层黄土是一个由干变湿的过程，干的黄土有很高的基质吸力，也就是有很低的负孔隙水压力，浸湿后吸力大幅度降低，孔隙水压力显著升高，当达到饱和时，吸力和相应孔隙水压力都接近0。尽管湿润锋以上的滑体接近饱和状态，但是这部分水属于悬挂毛细水，滑动前滑体包括滑动面上的孔隙水压力为一个不大的负值，也就是有很小的基质吸力[14−15]。稳定性分析时，可以将基质吸力按0 考虑，此时的强度参数应该取饱和黄土的有效强度参数，孔隙水压力取0。我们对饱和重塑黄土的慢剪试验得出其有效黏聚力为0，有效内摩擦角为30°。考虑到原状黄土还有一定的黏聚力，与这次现场调查得到的这类浅层滑坡主要发生在35°坡的现象比较一致。对滑体土的基本物理指标测定表明，滑体土的饱和含水率为34.5%，而液限为33.6%，可见当滑体接近饱和时，一经扰动就会由固态转化为流态，形成泥流[16−17]。

3 植被对滑坡滑塌的影响

这次由滑坡和滑塌直接造成的道路阻塞段少，倒下大树阻断道路段多。该地区植被发育，覆盖率基本上为100%，植物类型以乔木为主，夹杂灌木和草本植物，乔木有白杨、刺槐、国槐、侧柏和山杏等。植被对坡面冲刷起到很好的防护作用，植被覆盖的斜坡少有侵蚀裸露的地方。植物根系对土层有锚固作用，根系的强度远大于土的强度，对其作用范围内的土体稳定性有显著加固作用[18−19]。这次降雨导致斜坡上的大量大树连根拔出，甚至平地上的大树倾斜或倾倒，根也被拔出，见图12（a），这使我们有必要对根系的长度和范围进行测量统计。刺槐、白杨等优势树种的测量表明，根系密集段的深度在0.8～1.2 m 以上，最大的一颗杨树，直径0.38 m，树干高8 m，其主根系深1.2 m，向下非常稀疏，见图12（b）。这意味着当降雨湿润锋不超过主根系的深度，即1.2 m 时，根系的锚固作用下，既使斜坡很陡，也不容易滑动[20]。若湿润锋进入主根系以下，根系的锚固作用消失，而大树本身有加载作用，大树重心高，对根系部分还起到一个向坡下的弯折作用。对于深层滑坡，这种作用微不足道。对于只有不到2 m 的浅层滑坡，这种作用占到下滑力的很大一部分。如图12（c）和图12（d）所示，斜坡乔木和灌木发生滑移，堵塞公路，此时的植被负面作用显著，比没有植被时更容易发生滑动[21−22]。这次降雨测得的湿润锋为1.5～2.0 m，远低于主根系的发育深度，导致大量斜坡浅层土和植被一起滑下，滑面大面积裸露。

图12 各类树和灌木根系测量Fig.12 Measurement of the root length for trees and shrumbs

由此可见，植被对浅层滑坡的作用是双重的作用，当湿润锋高于主根系底界时，根系锚固有稳定斜坡的作用；湿润锋低于主根系底界时，锚固作用消失，重力加载和弯折利于斜坡滑动。湿润锋深度取决于降雨持续时间，一般降雨湿润锋深度不足1 m，此次降雨在历史上较为罕见的，这次大面积滑坡是在这种极端降雨条件下引起。

4 结论

这次持续降雨引发的水毁灾害虽然不是毁灭性的，也无人员伤亡，但对当地交通和居民生活造成了较大影响，给应急管理人员的工作也造成了巨大压力，能以此为教训，采取一些预防措施，防患于未然，在下次灾害来临时沉着应对。通过此次调查获得以下几点结论：

（1）这次降雨造成城镇的水毁主要是已经废弃的窑洞、土房和土墙倒塌，针对这些废弃场地，在建设新农村的同时，建议将这些废弃场地清除，变为新的耕地或建设用地，既节约土地资源，也消除安全隐患。

（2）路面开裂部分，主要是由于填土不均匀沉降引起，尚未发现整体滑移的现象。需要回填裂缝，填平路面，修复护栏。

（3）调查发现，对于较低的黄土边坡，一般坡高不大于15 m，直立坡比陡坡更稳定。直立坡坡面在降雨时淋不到雨水，黄土保持干燥状态，具有高的强度；陡坡坡面接受雨水，更容易破坏，因此低的人工边坡采用直立坡更好。

（4）直立坡整体稳定，但是坡顶浸湿部分容易滑塌，常见直立坡都有植被，当湿润锋低于根系深度时，坡边缘的大树随滑塌倒下，阻断公路。为此在路基内侧直立边坡坡顶一定范围，如载种根系较深的树木或5 m 内代之以藤类和灌木。对路基内侧坡度大于35°，水平距离10 m 以内的斜坡也做相同处置。这样即便是滑塌或滑坡，不会因倒下的大树阻路或砸损过往车辆。

（5）对出现大面积浅层滑移的斜坡，涉及范围广且未来潜在滑移区也很难准确确定，可不做专门治理。对道路造成影响的地段，可清理道路，修复护栏。再出现类似本次极端降雨时，及时预警封闭道路。