高位黄土滑坡特征与成因研究＊

张文学 王宏民

1) 中国建筑材料工业地质勘查中心甘肃总队，甘肃天水 741000

2) 建材天水地质工程勘察院有限公司，甘肃天水 741000

黄土地区滑坡孕灾特点受诸多因素控制，其中地形地貌、岩土体特征、水文地质条件、地质构造等是内在因素，降雨强度、冻融、农田灌溉、地震、不合理的人类工程活动等都是诱发因素[1-2]。近几年来诸多学者从不同角度对黄土滑坡灾害做了大量科学研究工作，尤其是滑坡基本特征、滑动机理及稳定性等方面取得的成果极为可观，为黄土地区滑坡防灾减灾、科学防治奠定了坚实的基础[3-5]。

高位黄土滑坡是黄土地区一种特殊的黄土滑坡类型，研究成果相对偏少，缺乏科学技术支撑。该类滑坡普遍发育在斜坡中上部或者沟谷沟脑，在降雨、地震等条件下引发斜坡失稳，致使滑坡灾害发生，导致土体结构遭受严重破坏，从而转化为土浪或者泥流形成沿斜坡坡面或者沟道加速运动。运动空间上大致可分为滑源区、滑流区和堆积区，各区运动特点具有不同的规律[6-13]。根据地形地貌及滑坡孕育特点，可将其划分为坡面型和沟谷型高位黄土滑坡。坡面型多发育在斜坡上部，剪出口的位置距滑坡堆积基准面存在一定的高差，具备一定的势能，滑体沿坡面以 “土浪” 的形式迅速向下加速运动，对堆积基准面产生很大的冲击能量和很强的气浪，在平缓、开阔堆积场地威胁范围大于一般滑坡的范围，在滑动方向遇阻挡存在滑体爬高现象[11]；具有很强的突发性、隐蔽性、连续性等特点，给汛期排查工作带来了极大的考验[12]。而沟谷型物源（滑坡区）一般发育在上游及沟脑地带，滑坡在长时间受地表水和地下水在冲刷、下切及溯源等地质营力作用下滑坡稳定性差，遇暴雨天气、地震等激发下极易滑动，对沟道容易造成堵塞形成堰塞湖，随湖水水位持续升高形成水头差，水体在土体产生渗透力和孔隙水压力，综合作用下堰塞湖在较短的时间溃决，在水动力带动土体沿沟道变速运动，此时水体和土体不断的拌和，滑体在本质上发生巨大的变化，以泥流的形式开始加速运动，沟口段地形平缓并失去岸坡约束呈扇形堆积，以摧毁和掩埋的形式破坏，与黏性泥流在特征上基本相似[14-20]；和坡面型对比在孕灾时间上具有一定的滞后性，滑动速度相对缓慢。本文在前人研究的基础上，结合静宁县某高位黄土滑坡和天水市麦积区大沟高位黄土滑坡典型实例[17-19]。通过调查、工程地质钻探、无人机航测等技术手段，对滑坡空间分布、滑坡特征、成因、运动机理、成灾特点等方面进行了系统的研究，研究成果可为此类高位黄土滑坡灾害防治、防灾减灾提供科学依据。

1 高位黄土滑坡特征及成因分析

1.1 滑坡成因

在黄土地区坡面型高位黄土滑坡普遍发育在黄土斜坡和沟谷岸坡地带，地形地貌、岩土体特征、水文地质条件、地质构造是滑坡形成的酝酿条件，极端的降雨、地震、不合理的人类工程活动等是滑坡的诱发条件[1，15，18]。

1.1.1 地形地貌特征

坡面型高位黄土滑坡在空间分布上具有一定的特殊性，陡峭的黄土丘陵斜坡、沟谷岸坡是主要的孕育母体，坡面是滑坡启动后二次运动的介质，滑坡剪出口和堆积基准面之间的高差赋予了滑坡一定的势能。运动的强烈程度与滑坡启动速度、坡面坡度成正比关系。

沟谷型高位黄土滑坡为小型黄土冲沟最为常见的灾害类型，该类型的沟谷一般处于发展期沟谷，地表水和地下水冲刷、下切、溯源等作用强烈，沟脑和岸坡地形陡峭，坡度大多在55°以上，甚至局部呈直坡，高差较大，稳定性差，在暴雨天气极易引发滑坡。沟道断面形态在上游呈“ V”字 型，下游呈“U”字 型，长度一般小于1 000 m，总体坡呈比陡下缓，是滑坡堆积体滑动的主要途径[18]。

1.1.2 岩土体工程地质特征

黄土是特殊岩土的一种，以粉粒为主，均匀性较好。主要有以下特点：① 长 时间降雨入渗黄土很容易发生自重湿陷，地面出现不均匀沉降形成积水地形，在湿陷强烈地段黄土碟、陷穴、落水洞等黄土“ 喀斯特”微 型地貌普遍发育，这一系列不良地质现象是滑坡孕育的直观因素；② 垂 直节理、裂隙控制，黄土滑坡后壁一般呈直线型，坡度较陡，多在65°以上；③抗 剪强度指标c、φ值是影响滑坡稳定性的主要因素之一，水的影响很大；④ 具 有显著的遇水易软化、塑性流动和振动液化等特征。

坡面型高位黄土滑坡沿坡面向下运动时黄土结构基本全部破坏，呈散体材料，抗剪强度指标c、φ值大幅度降低，土体在重力作用下宣泄而下，况且对空气产生压强形成气浪。沟谷型高位黄土滑坡脱离母体在坡脚一定范围内堆积，土体结构也基本上破坏，堆积体对沟道造成严重的阻塞形成堰塞湖链式灾害链，在持续降雨和暴雨天气土体颗粒结构发生重组，土体由固相向液相进行演变，当土体达到软塑—流塑状态时在重力作用下沿沟道出现变速运动[14]。

被解释变量：选取企业的总税负率作为衡量企业总税负的指标，选取销售利润率(又称为净利润率)作为衡量企业盈利能力的指标。

1.1.3 水文地质条件

黄土孔隙水潜水在黄土地区广泛分布，补给源主要为大气降水，降水后一部分沿地表流失和蒸发，另一部分则顺着土体孔隙、裂隙、陷穴等通道向下渗入补给，含水层连续性差，分布不均匀，水位变化随降雨量强度而变化，以泉的形式进行排泄，是导致滑坡滑动变形的主要因素之一。

1.2 滑坡诱发因素

降雨、地震、不合理的人类工程活动、农田灌溉等诸多因素都可能诱发滑坡复活、斜坡失稳滑动，降雨、地震与高位黄土滑坡激发尤为明显。降雨时间、强度与黄土滑坡稳定性、发生概率有着密切的关联，而且是沟谷型高位黄土滑坡驱使者。地表水沿风积黄土节理、裂隙、落水洞向坡体深部入渗、灌入补给，随着补给时间和水量增加，地下水位持续升高，对坡体产生以下不利因子组合： ① 黄土对水具有很强的敏感性，遇水软化抗剪强度降低形成软弱结构面； ② 产生静水压力，有效应力降低； ③ 在水头差的作用下形成地下径流，产生渗透力； ④ 地表水在滑体表部一定深度入渗增加坡体自重。以上4 种不利因素叠加是导致滑坡滑动的直观因素。地表水是沟谷型高位黄土滑坡的驱动力，也是沿沟道滑动的润滑剂，同时对滑坡堆积体结构、状态及抗剪强度降低演变起到决定性作用。

2 案例分析

2.1 平凉市静宁县仁大镇高位黄土滑坡

2.1.1 滑坡发育特征

2019 年静宁县降雨量超出往年平均值51.5%，11 月21 日无名沟谷右岸岸坡发生高位黄土滑坡，地理坐标为（35°4′12″N， 105°42′17″E）。滑坡平面形态呈“ 圈椅”状 （图1），主滑方向261°，滑坡长约205.0 m，宽约225.0 m，平均厚度20.0 m，体积约92.3 万m3。滑坡后壁清晰可见，擦痕极为明显，后壁下错高度2.0～5.0 m，坡度70°以上，后壁外围拉裂缝零星发育。滑体主要为风积黄土，坡面平均坡度约为25.0°～32.0°，台阶状，台面宽度介于15.0～25.0 m，平台与平台的高度介于3.0～8.0 m，台面相对平缓，局部存在“ 凹”地 形，以果园为主。坡体裂缝网状发育，单个裂缝最长达180 m，裂缝宽度介于0.2～0.8 m，基本贯通。滑床呈折线型，坡度10°～45°，岩土体类型为离石黄土，结构致密，具有一定的隔水性能，遇水软化，抗剪强度衰减。滑坡前缘临空条件较好，裂缝放射状展布，小面积滑坡、崩塌极为普遍。

图1 滑坡区地形地貌、地层岩性影像图Fig.1 Landform and formation lithology image of landslide area

2.1.2 滑坡运动特征

通过工程地质测绘、勘查、无人机航测等技术手段分析可知，滑坡整体下错形成后壁高度约2.0～5.0 m，坡度70°以上，通过估算推断水平滑移距离为（2.0/tan70°～5.0/tan70°） m = 0.7～1.8 m。推挤作用下前缘右侧滑体失去支撑引发次级滑坡，滑坡长140 m，宽70 m，厚度5.0～8.0 m，体积约4.9 万m3。后壁高度介于8～10 m，坡度65°以上。滑面近似圆弧状，受主滑坡推挤作用，次级滑坡基本全部脱离母体，滑体一部分堆积于沟道，体积约4.0 万m3，另一部分残留于坡面，残留量约18%。剪出口位置距堆积体基准面高差160 m，斜面长度约280 m，坡度在55°以上，坡面在冲刷、风化等作用下石灰岩裸露，坡面较为平直。滑动顺序大致由滑体脱离母体→土体滑动→土体堆积3 个阶段完成（图2），在运动时间上与滑坡启动具有同周期性和连续性，滑体沿斜坡以 “土浪” 状宣泄而下，速度迅速，并产生了很大冲击气浪，其实这一现象是土体对空气压缩而产生的压强现象，滑体具备较大的滑动势能，土体坠入基准面向沟谷岸坡爬高约8 m。

图2 滑坡1—1 剖面图Fig.2 Profile 1-1 of landslide

2.2 天水市麦积区大沟高位黄土滑坡

天水市麦积区大沟高位黄土滑坡分布在渭河Ⅱ级阶地后缘的黄土丘陵地带，地理坐标为（34°32′17″N，105°56′2″E）。主沟长度938.4 m，流域面积0.488 km2，纵比降104‰～441‰[19]。沟脑处滑坡呈环状发育（图3），1984 年曾发生变形，2008 年“5·12”汶 川8.0 级 地 震 和2013 年“ 7·22”甘 肃 岷县、漳县交界地震均对滑坡造成影响，导致滑坡后缘形成宽约20～30 cm 拉裂缝，主滑方向27°，滑体前缘宽约200 m，后缘宽约145 m，长约230 m，滑体厚 度20～35 m，体 积115 万m3。2013 年7 月21 日16—20 时，马跑泉镇降雨量超过了101.8 mm，造成沟脑东侧滑坡复活，前缘宽约100 m，后缘宽约70 m，长约110 m，厚度约30 m，体积约29.7 万m3。瞬间堆积体对沟道阻塞形成小型堰塞湖，经过短时间暴雨袭击，堆积土体饱和液化向沟口开始变速运动，在沟口扇形淤积，造成沟口居民区不同程度的受灾[17-18]。

图3 滑坡区地形地貌影像图Fig.3 Landform image of landslide area

2.2.2 滑坡运动—堆积特征

该滑坡属于黄土老滑坡，在历史上多次出现不同程度的变形，稳定性差，在暴雨激发下复活滑动，造成沟道断流，经过约半小时酝酿，堆积体在地表水、地下水共同作用下开始沿沟道运动，最终在沟口堆积。运动顺序大致由4 个阶段完成（图4）：滑体脱离母体→土体堆积→土体滑动→淤积。

图4 滑坡滑动及堆积剖面图Fig.4 Slide and accumulation profile of landslide

堆积体坠入地面产生很大的冲击力，地下水产生超孔隙水压力，水位急剧上升。堆积体以粉质黏土为主，在强烈的滑动作用下原有的土体结构基本破坏，土颗粒之间开始重新组合排列。其次阻塞沟道形成小型堰塞湖，截流地表水，导致湖水迅速上升，堆积土体在渗透力和水压力作用下坝体溃决，水动力带动部分土体开始沿沟谷运动，随着土体不断和水体拌和，土体开始由固相向液相快速转变，重度迅速降低，以泥浆的形式剧烈运动，运动特征和黏性泥流基本相似。大沟属于侵蚀型沟谷，纵比降104‰～441‰，沟床中上游泥岩裸露，遇水软化，为土体运动提供了畅通的路径，滑坡堆积体启动体积80%～85%，在沟道形态、坡降、土体状态、水文特征等约束条件下，土体以速度2.97～6.19 m/s 变速运动，滑动距离约为800 m。沟床摩阻力大于土体抗剪强度。在沟道局部可见不同厚度的土体残留，沟口地形平缓，土体失去岸坡约束呈扇形堆积，堆积厚度约为3.6～6.0 m，对沟口民房、公共设施具有很强的破坏力，造成严重的经济损失，由于监测及时未造成人员伤亡。

3 坡面型与沟谷型高位黄土滑坡异同讨论

通过对平凉市静宁县仁大镇和天水市麦积区大沟高位黄土滑坡典型案例分析，结合前人对该类型滑坡研究成果，对以下3 点进行讨论。

（1）坡面型高位黄土滑坡普遍发育黄土丘陵斜坡、沟岸岸坡、黄土台塬斜坡等地带。郭富赟等[20]对甘肃黑方台罗家坡滑进行了系统的研究，认为是大型黄土—泥岩高位、高速、远程牵引式滑坡，根据运动特点将划分为块体—碎屑流运动（黄土泥岩—碎屑流、黄土—碎屑流）和黄土泥流两种状态。特征上与平凉市静宁县仁大镇高位黄土滑坡具有一定的相似性，但是运动速度快于前者，这与坡面陡缓有着直接的关系。笔者根据运动特点将运动顺序大致划分为3 个阶段，即滑体脱离母体→土体滑动→土体堆积。

（2）天水市麦积区大沟高位黄土滑坡具有很强的代表性，吴玮江等[18]研究认为属于泥流型黄土滑坡，将整个运动路径分为4 个区，即滑源区—过渡期—滑动通道区—堆积区；曲瑞等[19]认为是短时强降水诱发小流域低频泥石流，在成灾特点上属于地震—滑坡—泥石流灾害链。笔者认为其不但具备高位黄土滑坡的特点，也兼顾黏性泥石流特征，运动顺序大致由4 个阶段完成，即滑体脱离母体→土体堆积→土体滑动→淤积。治理工程方面进行了综合考虑，既考虑了滑坡特征，也兼备了黏性泥流特征，工程措施主要为：沟道中上游布设一道桩板式拦挡坝（图5）对滑动土体进行拦挡，沿沟道走向方向布设截水渠对地表水进行疏导，沟口淤积土体进行了适当的清理，剩余土方采用重力挡土墙进行了支挡。经历了近10 个水文年的考验，取得很好的防灾减灾效益，对类似滑坡治理具有积极的借鉴意义。

图5 桩板式拦挡坝断面图Fig.5 Section of pile-slab retaining dam

（3）坡面型和沟谷型都具有高势能，运动路径、驱使动力、地形地貌等对滑坡运动速度、堆积特征、成灾特点有很大的差异性。二者运动过程中滑体在坡面和沟底都有不同程度的残留，也有铲刮坡面和沟道岩土体，使体积明显增加，一些学者将这一现象称为“ 填凹造床效应”[7，20]。这一现象形成与土体物理力学特性有着内在的关联，黄土主要以粉粒为主，处于饱和状态时剧烈滑动极易液化，抗剪强度指标也伴随降低，沟床、坡面摩阻力大于滑体抗剪强度就会造成土体残留；地表水对沟床、坡面浸泡导致岩土体抗剪强度降低，沟床、坡面摩阻力小于滑体抗剪强度就会造成铲刮现象。

4 结论及建议

（1）平凉市静宁县仁大镇滑坡属于坡面型高位黄土滑坡，运动顺序为滑体脱离母体→土体滑动→土体堆积，运动速度迅速，以 “土浪” 的形式进行运动，在运动时间上与滑坡启动具有同周期性和连续性。

（2）天水市麦积区大沟滑坡属于沟谷型高位黄土滑坡，运动顺序为滑体脱离母体→土体堆积→土体滑动→淤积，相对较为缓慢，以泥流的形式进行运动，滑坡滑动与堆积体启动在时间上具有一定的滞后性，其运动、堆积特点和黏性泥石流基本相似。

（3）高位黄土滑坡是特殊的地形地貌、水文地质条件、岩土体工程地质特征和外部因素共同形成的一种滑坡类型，具有多样性、复杂性、突发性和隐蔽性，危害性极强、范围广等特点，是防灾减灾和工程治理的棘手难题，有待进一步研究。