黑方臺地區崩塌災害發育類型和發育機制分析

韓劍波，楊飛

(山東科技大學地球科學與工程學院，山東 青島 266590)

0 引言

黃土臺塬是黃土高原區特有的一種地貌，其形成受河流發育的控制，是黃土在沿河流分布方向上覆蓋在河流階地上的黃土臺面,一般向河谷傾斜,黃土臺源一般臨空空間大,斜坡普遍高陡[1]。崩塌是黃土高原地區一種較為常見的地質災害，它的頻發性、廣泛性對當地工業、農業、交通運輸、水利工程等產生巨大的影響及破壞。黃土崩塌的破壞模式不僅受控于陡立的地貌形態、黃土類型與特性和構造特征(垂直節理發育)等內在因素，并且受控于人類活動和自然營力等外在因素[2-4]。

黑方臺地區位于甘肅省西南的永靖縣鹽鍋峽鎮，距蘭州市約40km地處黃河與湟水河交匯處西南部位，湟水河南岸，黃河的北岸，為黃河的Ⅳ級階地[5]。調查范圍包括以黑臺和方臺2個臺塬為中心的附近地區200km2。黑方臺地區作為劉家峽、鹽鍋峽庫區移民安置區之一，1968年就開始進行大規模的人工提水灌溉，隨著提水量的不斷增加，臺塬地面上陸續出現了裂縫、空穴、落水洞等，隨后大規模的地質災害相繼發生[6-9]。黑方臺地區地層出露好，由老到新為：下白堊統河口群，為紫紅色薄層—中厚層細砂巖，粉砂質泥巖，向上與中更新統卵礫石層呈角度不整合；之上為上更新統疏松的風積黃土，頂部表層覆蓋有全新統的滑坡堆積體。

1 崩塌發育特點

通過現場調查研究發現，黑方臺地區崩塌災害的分布具有一定特點，全區共調查崩塌有36處(表1)，其中黃土崩塌有22處，主要發育在湟水河南岸坡，在京藏高速紅古區段路北以山神溝兩側坡體黃土崩塌災害發育較多。基巖崩塌有14處，主要發育在黑臺北側磨石溝兩側陡坡，另外在京藏高速紅古區段路北以麥洞溝兩側坡體基巖崩塌災害發育較多。在黃河南岸的榮蘭國道兩側以變質巖系局部路段也有崩塌災害存在。36處崩塌災害全部在陡崖發育，斜坡坡角均介于65°～85°之間，說明邊坡的穩定性受斜坡坡度的影響較大，同時斜坡形態和坡體高度的變化與崩塌的發育也有關。

表1 崩塌點發育特征分析

(1)坡形與崩塌的關系。根據斜坡坡面形態特征，可將斜坡分為凹型、凸型、階梯型和直線型。在調查的36個崩塌中，有25個在凸型或階梯型中發育，占崩塌總數的69%，其中階梯型坡有12個，凸型有13個；直線型坡有10個，占崩塌總數的28%，凹型坡僅1個(圖1)。調查結果表明坡型對斜坡的穩定性和變形破壞過程起到主導作用，凸型、階梯型比直線型和凹型斜坡更容易發生崩塌災害。

圖1 研究區斜坡坡形與崩塌關系統計圖

(2)坡高與崩塌的關系。研究區內崩塌主要發生在坡高15～25m的斜坡地帶，占統計崩塌總數的53%，其次發生在25～50m的斜坡或坡高小于15m的斜坡地帶，占統計崩塌災害的39%，坡高超過50m的情況下發生崩塌的概率減小(圖2)。由于高斜坡在風化作用下已趨于穩定；反之，低斜坡受河流以及人類工程活動的影響大，還未達到穩定狀態，更易形成陡坡，因而具有較高的發生崩塌的概率。

圖2 研究區斜坡坡高與崩塌災害的關系

2 崩塌發育成因分析

2.1 自然地質條件

(1)地形地貌。黑方臺地區的新構造運動以差異性上升為主，其結果使白堊紀地層強烈傾斜，局部褶皺構造發育。下白堊統河口群上段的砂泥巖地層中節理比較發育，同時河流的下蝕作用強烈，形成了多級階地地貌，黑方臺即為黃河的Ⅳ級基座階地。位于斜坡高處的黃土垂直節理較發育，勢能大，在重力作用下，重心有向外移動的趨勢，傾向臨空方向，在其他誘發因素作用下，便會形成崩塌。

(2)地層結構。區內組成臺塬邊坡的地層巖性主要為黃土和下白堊統河口群上段的砂泥巖。黃土在干燥時具有較高的強度，而遇水后表現出明顯的濕陷性，力學性質隨含水量的增加而降低[10]。下白堊統河口群上段的砂泥巖，為粉質粘土，巖石表面呈強風化狀，在邊坡出露部位，其組織結構已大部分被破壞，風化裂隙十分發育，巖體破碎為碎塊狀，干時強度低，可用手折斷或捏碎，浸水或干濕交替時易軟化或崩塌。上部的黃土易崩解，而底部的基巖地層隔水性能強且遇水軟化，因而下部形成相對隔水層。當雨水隨著裂隙進入到蓋層附近時，下滲速度減慢，對裂隙的根部浸潤、掏蝕，最終在坡頂拉張應力作用下，在裂隙根部斷裂，同時斜坡臨空面又高，易形成崩塌災害。

(3)水文地質條件。黑方臺地區受地層組合巖性的控制，在豎直方向上，頂部黃土為疏松多孔的介質，易滲水，其下為相對隔水的致密粉質粘土層，而卵礫石層又滲水，砂泥巖又相對隔水。黑方臺地區降水為季節性降水，降水量雖不多，但降雨較為集中，主要集中在每年7—9月，強降雨頻發，特大暴雨也時有發生，這樣的強降雨對邊坡穩定影響顯著。

2.2 人為誘發因素

(1)農田灌溉工程。區內黃土臺塬頂部，當地人民的農田灌溉以及排水系統設置不合理，使臺塬頂部本來的徑流發生變化，雨水無法及時排出，便順著黃土裂隙入滲到邊坡內部，從而增加邊坡內部含水量，使邊坡處于不穩定狀態。

(2)修路切坡工程。現代城市的快速發展促進了黑方臺地區公路工程的大規模建設，也就產生了大量的邊坡工程，工程建設打破了邊坡原有的平衡，使得坡體內部重力發生重分布，會使坡體受力不平衡，誘發崩塌。

(3)原地取材工程。現場調查發現有些溝谷地段，坡腳出露厚2～5m的卵礫石層，有當地村民為各種用途直接在坡腳掏挖卵石，導致坡體頂部地層懸空，易發生崩塌。

3 崩塌發育分類

該次調查研究工作全面分析了黑方臺地區崩塌災害發育的類型和規律，從不同的研究角度進行分析有不同的分類方案。按照崩塌災害發生的主控因素不同，區內崩塌災害可以劃分為自然型崩塌、人為型塌崩和人為-自然復合型崩塌。

3.1 按主控因素分類

(1)自然型崩塌。自然型崩塌主要分布在節理裂縫較多的黃土斜坡中。水順著斜坡上的裂隙入滲到坡體內部，坡體內部土體在水的浸泡作用下軟化，承載力下降。另外，凍融作用加快裂隙及垂直節理發育，進而加劇了路邊斜坡黃土崩塌的發生[11]。

(2)人為型崩塌。人類工程活動逐漸成為改變邊坡形態的重要因素，尤其需要對邊坡進行開挖的工程，破壞了邊坡原有的受力狀態，當坡腳無法對上部坡體形成有效支撐時，在坡腳處首先發生變形、破壞，上部坡體便沿著潛在的節理面形成崩塌[12-14]。

(3)人為-自然復合型黃土崩塌。由于人工開挖導致邊坡原有的穩定性結構被破壞，邊坡處于重力重分布狀態，坡體前緣臨空。加之各種自然因素(降雨、風化和凍融等)的影響，降低了坡體整體強度。崩塌發生后，塌落的巖土體會在與地面的撞擊下破裂，在坡腳堆積。

3.2 按物質組成分類

可將區內的崩塌劃分為黃土崩塌和基巖崩塌[15](圖3)。

a—黃土崩塌；b—基巖崩塌圖3 黑方臺地區崩塌災害典型類型

(1)黃土崩塌。黃土崩塌主要受黃土地層中發育的垂直節理所控制的，黃土地層常呈均質塊裂式，以傾倒式變形破壞為主(圖3a)。

(2)基巖崩塌。主要是以早白堊世砂泥巖地層為主，由于多組節理裂隙的切割作用，坡表形成凸出的危巖體，在表生風化作用下，危巖體易失穩而塌落坡腳，呈倒錐形堆積體(圖3b)。

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4 崩塌發育機制分析

根據動力機制可把黑方臺地區的崩塌災害分為4種類型，分別為拉裂-傾倒式崩塌、拉裂-滑移式崩塌、拉裂-墜落式崩塌和拉裂-下挫式崩塌[17-18](圖4)，天然條件下，調查區的崩塌主要以前2種類型，在邊坡人工開挖等影響下也有后2種型式。

(1)拉裂-傾倒式崩塌。 拉裂-傾倒式崩塌主要發生在降雨、集中徑流、潛蝕等作用下，垂直裂隙持續擴展，并繼續向深處發展[16]，若張拉裂縫、大孔隙中的地下水未能及時流走，便在裂隙中產生相當大水平力，這種力在水平方向上推動塊體重心不斷外移，使得黃土斜坡的穩定性降低，后側裂縫擴大。當支撐面不足以支撐上部的巖土體，或其后側裂隙充水強度降低時，當轉動力矩大于抗傾覆力矩時，也就形成了傾倒型崩塌(圖4a)。

(2)拉裂-滑移式崩塌。拉裂-滑移式崩塌主要發生基巖層面緩傾向坡外的斜坡地帶，在坡肩附近巖土體被垂直節理或裂縫切割，被切割的塊體底部存在順坡傾伏的軟弱層面時，常發生拉裂-滑移式崩塌(圖4b)。被切割的塊體在降雨作用下，水沿裂縫進入塊體內部，一方面產生靜水壓力和動水壓力，另一方面水體會對隔水層接觸面起軟化作用，在重力作用下，被切割的塊體向坡外滑動，當重心滑出坡體支撐范圍，就會產生拉裂-滑移式崩塌。

(3)拉裂-墜落式崩塌。 拉裂-墜落式崩塌主要發生在調查區基巖斜坡地帶，坡體由早白堊世砂泥巖軟硬互層構成，抗風化能力較弱的泥巖地層在坡面呈凹形，而泥巖層上部的砂巖地層抗風化能力較強，風化能力差異造成坡面呈突出狀懸空。區內砂巖地層在地表長期風化作用下，巖體內節理裂隙較發育，在重力、降雨等作用下，處于懸空的巖體沿垂向節理拉裂張開，逐步形成貫通面，造成巖體墜落(圖4c)。

(4)拉裂-下挫式崩塌。 拉裂-下挫式崩塌主要發育在受人類工程活動干擾的黃土斜坡地帶。近直立的黃土邊坡因坡腳開挖，或坡腳發育河流長期沖刷作用，造成邊坡前緣土體產生臨空面，坡體后緣原有的垂直裂隙在卸荷作用或降雨入滲土體強度降低的因素下發生拉裂，并逐漸向下擴展形成貫通面，不穩定土體沿貫通面產生下挫式塌落(圖4d)。

圖4 黑方臺地區崩塌災害發育模式

5 結論

通過野外地質災害調查，采用現場數據統計，理論分析等研究方法，對黑方臺地區崩塌地質災害發育特征及規律性進行了系統研究與分析，總結出以下幾點：①黑方臺地區崩塌災害主要發育在湟水河南岸坡；②黑方臺地區崩塌發育的主要控制因素為節理裂隙大量的發育，而誘發因素主要為人類的工程活動，其次還有斜坡的地貌特征、坡體的結構等；③按照崩塌災害發生的主控因素不同，調查區崩塌災害可以劃分為自然型崩塌、人為型崩塌和人為-自然復合型崩塌；按照崩塌的物質組成分類，可將區內的崩塌劃分為黃土崩塌和基巖崩塌；④根據動力機制可把黑方臺地區的崩塌災害分為4種類型，在自然因素下，主要為拉裂-傾倒式崩塌、拉裂-滑移式崩塌；在人類生產活動影響下，主要為下拉裂-墜落式崩塌和拉裂-下挫式崩塌。

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