黃土滑坡活動的時間分布規(guī)律研究

賓 嵐

(廣州市地質(zhì)調(diào)查院，廣東 廣州 510440)

1 引言

中國是世界上第四紀黃土分布最廣的國家,黃土分布面積約為63.5萬km2,其中地處黃河中上游和海河上游的黃土高原,黃土分布集中,沉積厚度大,侵蝕作用強烈,水土流失嚴重,是一個獨特的地理區(qū)域。特別是近20年來,各種工程建設(shè)活動日益增加,人口迅速增長,黃土滑坡災(zāi)害活動日趨強烈,給廣大黃土地區(qū)的經(jīng)濟建設(shè)和人民生活造成了極大的危害。因此,正確認識黃土滑坡的時間分布規(guī)律,研究黃土滑坡的動態(tài)變化特征,對于黃土地區(qū)的工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和可持續(xù)發(fā)展,具有重要的理論價值和現(xiàn)實意義。

2 黃土滑坡的時間分布同地震活動密切相關(guān)

地震活動是黃土滑坡特別是大規(guī)模黃土滑坡活動的直接觸發(fā)因素。黃土高原地震活動頻繁,一般6級以上地震活動均要產(chǎn)生不同程度的黃土滑坡活動。因此,大規(guī)模的黃土滑坡活動同地震活動關(guān)系密切，特別是在新構(gòu)造活動強烈的斷陷盆地內(nèi)尤為明顯。程謙恭對渭河盆地的黃土崩滑災(zāi)害的活動歷史進行了系統(tǒng)的分析研究, 渭河盆地內(nèi)黃土滑坡活動的時間分布特征同地震活動的時間演變趨勢有很好的相關(guān)性,大規(guī)模的黃土滑坡活動與大地震活動基本上相互對應(yīng)同時發(fā)生。指出渭河盆地的滑坡活動可分為平靜期和活躍期,滑坡活動的平靜期平均約為240年,在此期間大規(guī)模災(zāi)難性滑坡稀少,滑坡活動的活躍期平均約為80年,最短為14～18年,二者共同組成了渭河盆地內(nèi)山崩滑坡的257～320年左右的活動周期。黃土地區(qū)地震活動不僅產(chǎn)生新的黃土滑坡,而且還誘發(fā)大量的古、老黃土滑坡群復(fù)活(表1)。因此,黃土地區(qū)強地震活動帶內(nèi)地震活動和黃土滑坡活動之間有明顯的同步性特征。

3 黃土滑坡的時間分布同第四紀地質(zhì)時期相對應(yīng)

3.1 晚更新世界早期的古黃土滑坡

古滑坡期形成的古黃土滑坡外部形態(tài),大都模糊不清,滑坡體變形破壞嚴重,大都被馬蘭黃土覆蓋,地貌部位相當于河流的Ⅳ級階地,滑坡體物質(zhì)通常由中更新世黃土和第三紀地層等組成。典型黃土滑坡有巴謝河流域的灑勒山滑坡、陜西葡萄園滑坡、白龍江流域的泄流坡滑坡及南山滑坡等。

3.2 全新世早期老黃土滑坡

老滑坡期形成的老黃土滑坡外部形態(tài)基本清楚,可以辨認,滑坡一般高出現(xiàn)代河床80～120 m,滑坡體物質(zhì)由中、上更新統(tǒng)黃土組成,大都被現(xiàn)代沖溝切割。典型黃土滑坡有蘭州臬蘭山滑坡、武都紅土坡滑坡及陜西巴峰山滑坡等。

3.3 全新世中期新黃土滑坡

新滑坡期形成的黃土滑坡多為近代滑坡,這類黃土滑坡形態(tài)清楚,滑坡規(guī)模大小不等,在黃土高原隨處可見,大多分布在Ⅰ、Ⅱ級階地上和河漫灘部位。

表1 黃土高原歷史強震活動誘發(fā)的地震黃土滑坡特征

3.4 全新世晚期現(xiàn)代黃土滑坡

現(xiàn)代黃土滑坡的形成主要由各種人類工程活動引起,特別是不合理的邊坡開挖易產(chǎn)生黃土滑坡活動。

因此,黃土滑坡的形成過程同第四紀地質(zhì)時期的發(fā)展有很好的同步特征,呈現(xiàn)出穩(wěn)定和活動的交替性過程。同時在長期的時間演化進程中,黃土滑坡活動的時間分布又是不均勻的,具有明顯的階段性和周期性。

4 黃土滑坡的時間分布同降雨活動的強弱密切相關(guān)

黃土滑坡的活動規(guī)律,明顯地受降雨周期的控制,大范圍的黃土滑坡活動同年降雨強度分布特征呈正相關(guān)關(guān)系。從區(qū)域性的黃土滑坡活動的年周期變化特征看,超強降水量年份黃土地區(qū)黃土滑坡活動明顯上升,表2是1985～2013年黃土地區(qū)典型滑坡區(qū)域大范圍的黃土滑坡活動特征與降雨分布的統(tǒng)計關(guān)系,其中豐水年黃土滑坡活動數(shù)量占60%以上,說明區(qū)域性的黃土滑坡活動強度和豐水年有較好的一致性。

表2 黃土滑坡活動與降雨分布的關(guān)系

區(qū)域性黃土滑坡活動的時間分布特征,不僅同年降雨量分布密切相關(guān)。而且深受滑坡活動期間降雨量的集中程度和降水強度的影響。據(jù)1991～2013年間甘肅天水地區(qū)降雨型黃土滑坡活動時間分布規(guī)律的統(tǒng)計分黃土滑坡活動的時間起伏變化規(guī)律同長歷時強降雨過程密切相關(guān),由于降雨動態(tài)變化的作用,使得降雨型黃土滑坡的活動在時間軸上呈現(xiàn)出時高時低與時強時弱的周期性變化形態(tài),具有如下特征。

圖1 黃土滑坡活動同月降雨量的關(guān)系曲線

析結(jié)果表明,當日降雨量大于50 mm,滑坡前期降雨量(6～10日)大于60 mm,雨季降雨量占同期多年平均降雨量的70%以上時,普遍產(chǎn)生大面積的區(qū)域性黃土滑坡活動,而小范圍的黃土滑坡活動均發(fā)生在平水年及枯水年的降雨期間。因此,連陰雨、連陰雨加暴雨及暴雨過程是黃土滑坡活動的主要原因。降雨型黃土滑坡的時間分布在同一年度內(nèi)同月降雨量也有很好的相關(guān)性。圖1是甘肅省禮縣、天水市和武都縣2001～2015年期間黃土滑坡活動次數(shù)與月降雨量的關(guān)系曲線。從圖中可以看出,同年度內(nèi)黃土滑坡活動的時間分布集中在6～9月期間,總體上呈正態(tài)分布形式,相應(yīng)的降雨時間分布集中在6～9月,這段時間占全年降雨量的70%左右,二者有很好的對應(yīng)關(guān)系。宋克強等通過對西安地區(qū)30個黃土滑坡觸發(fā)因素的系統(tǒng)研究,發(fā)現(xiàn)絕大多數(shù)黃土滑坡的發(fā)生時間均在區(qū)域地下水位最高的時間段,同時也是年降雨量最大的年份。降雨產(chǎn)流的坡面入滲過程使黃土滑坡體物質(zhì)含水量增加,滑坡區(qū)地下水位上升,導(dǎo)致黃土滑坡巖土體強度急劇下降,容易產(chǎn)生滑坡活動,其中地下水位的升降變化影響較為明顯(表3)。

表3 典型降雨型黃土滑坡活動時地下水位變化特征

(1)區(qū)域性大范圍的黃土滑坡活動的周期性同降雨量的周期性變化呈正相關(guān)關(guān)系。例如甘肅天水地區(qū)1984年在全境范圍內(nèi)發(fā)生大面積的黃土滑坡活動,剛好是年降雨量的高峰年份,該年的年降雨量達938.8 mm,遠超過多年平均降雨量507 mm。

(2)黃土滑坡活動在同一年度內(nèi)的時間分布狀態(tài),大部份年份主要活動期集中在每年的6～9月之間,呈單峰曲線形式;少量年份的黃土滑坡活動期有兩個集中時段,即6～9月雨季和冰雪消融的2～4月。

(3)降雨期間黃土滑坡活動時,滑坡區(qū)地下水位有明顯上升趨勢。

5 黃土滑坡活動受人類工程活動的控制

隨著黃土地區(qū)經(jīng)濟建設(shè)的發(fā)展,人類的各種工程活動日益擴大,特別是鐵路、高速公路及大中型水庫的興建,不僅產(chǎn)生了許多新黃土滑坡,而且誘發(fā)了大量的老黃土滑坡群復(fù)活。據(jù)黃土地區(qū)的滑坡調(diào)查統(tǒng)計分析,近20年來黃土高原的黃土滑坡活動,有70%以上與人類工程活動有不同程度的直接關(guān)系,特別是在黃土地區(qū)典型城鎮(zhèn)的黃土滑坡活動同人類工程活動的關(guān)系尤為密切[5～13]。人類工程活動對黃土滑坡活動的影響主要表現(xiàn)在以下幾個方面。

5.1 鐵路及公路沿線開挖邊坡造成黃土滑坡活動

黃土地區(qū)隨著鐵路及公路的修建,交通運輸條件的日益改善,由此而引起的災(zāi)難性黃土滑坡活動屢見不鮮。例如陜西輝縣—銅川市的梅七線梅前段,鐵路施工前在鐵路沿線附近只有3處有潛在危險性的黃土滑坡,自1973年通車后幾年之內(nèi),黃土滑坡活動急劇發(fā)展,從通車前的三處危險性滑坡發(fā)展到46余處黃土滑坡活動。又如陜西寶雞峽右岸的寶蘭公路沿線邊坡,開挖坡度大,在1990年雨季,引發(fā)大量的黃土滑坡崩塌,中斷交通30余天。寶雞—蘭州鐵路沿線因修建鐵路引起的著名黃土滑坡事件有臥龍寺滑坡、葡萄園滑坡群及黃龍滑坡等,給鐵路運行造成了嚴重的危害。鐵路及公路沿線的黃土滑坡主要是不合理開挖路塹邊坡改變了黃土斜坡的應(yīng)力平衡狀態(tài),引起黃土滑坡活動。這類工程開挖造成的黃土滑坡時間分布較為集中,大都在每年的雨季活動。

5.2 引水灌溉工程的大量興建造成黃土滑坡活動

黃土地區(qū)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)隨著人口的急劇增加而發(fā)展迅速,使得農(nóng)業(yè)引水灌溉工程的規(guī)模也日益擴大。黃土地區(qū)的引水灌溉工程大都修建在黃土斜坡或黃土塬邊地帶的黃土地層之中,極易造成黃土滑坡活動。例如寶雞引渭干渠,從寶雞到常興一帶,分布有黃土滑坡170處,渠道通水后,經(jīng)常產(chǎn)生黃土滑坡活動,其誘發(fā)原因就是引水灌溉過程中加大了地表水滲入量,軟化滑坡體黃土,降低滑動面巖土強度,造成黃土滑坡活動,特別是在黃土臺塬區(qū)灌溉,極易導(dǎo)致地下水位上升,使黃土塬邊斜坡坡腳部位地下水出水量增大引發(fā)黃土滑坡。

5.3 地下采空引發(fā)黃土滑坡活動

黃土地區(qū)開采天然建筑材料和煤礦采空經(jīng)常引起黃土滑坡活動,這類滑坡突發(fā)性強,常造成嚴重人員傷亡。例如陜西銅川煤礦開采區(qū),1974年金華山煤礦風(fēng)井廣場東側(cè)黃土塬邊,由于采空塌陷,形成20余m落差的黃土滑坡,毀壞坡腳下部農(nóng)莊。蘭州夏官營一帶,由于大量開挖河流兩側(cè)高階地黃土下伏底礫層作混凝土骨料,形成大量的小型黃土滑坡。

5.4 過渡墾植及破壞植被引發(fā)黃土滑坡活動

黃土地區(qū)由于人口增長過快,對土地的需求越來越大,導(dǎo)致山坡的開墾強度急劇增大,植被被大量破壞。例如寶雞、武山、武都及甘谷等地,近30年來,由于大量開荒種地,林線平均后退5 km左右,造成大量的水土流失,每年雨季均有大量的黃土滑坡活動。

6 黃土滑坡活動具有同發(fā)性、滯后性和重復(fù)性

黃土滑坡變形破壞活動時間分布的同發(fā)性,指的是黃土滑坡活動與其動力觸發(fā)因素同時發(fā)生的特征,地震活動、暴雨和工程邊坡爆破是造成黃土滑坡同發(fā)性的主要因素。對地震活動引發(fā)的黃土滑坡,一般而言,絕大部分地震黃土滑坡同地震活動同步,特別是極震區(qū)黃土滑坡,都是在發(fā)震時刻產(chǎn)生活動。對暴雨黃土滑坡的同發(fā)性,主要受降雨強度的控制,圖2是武都縣2001～2015年間降雨觸發(fā)的黃土滑坡次數(shù)同降雨強度的關(guān)系曲線,其中大雨≥25 mm、暴雨≥50 mm及大暴雨≥75 mm。從圖中可以看出,隨著降雨強度及降雨次數(shù)的增加,同時產(chǎn)生的黃土滑坡活動數(shù)量也明顯上升。

黃土滑坡活動的滯后性現(xiàn)象大都出現(xiàn)在降雨型黃土滑坡、灌溉水入滲引發(fā)的黃土滑坡和地震黃土滑坡之中。地震黃土滑坡有少量是滯后發(fā)生的,主要分布在極震區(qū)之外的地帶,滯后發(fā)生的時間可以是震后數(shù)天到數(shù)年不等,一般以震后幾天活動的黃土滑坡為主。例如1961年10月1日甘肅岷縣5.4級地震,震后兩天距震中100余km的楊家山發(fā)生滑坡,震前滑坡體已形成裂縫,地震時滑坡體變形加劇,裂縫擴展增大,10月3日晚9時滑坡才發(fā)生。降雨型黃土滑坡滯后期一般不超過30 d,滯后期的長短與滑坡發(fā)生前累積降雨量、降雨強度、黃土滑坡規(guī)模和降雨前的變形程度有關(guān),其滑坡個體滯后時間比較分散。灌溉入滲引發(fā)的黃土滑坡滯后特征明顯,滯后活動時間較長,一般在幾個月到數(shù)年之間。受滑坡區(qū)灌溉水量的大小、灌溉時間及灌溉次數(shù)的控制。

圖2 甘肅武都縣黃土滑坡活動同降雨強度的關(guān)系

滑坡活動的重復(fù)性是黃土滑坡活動時間分布的典型特征,主要是繼承老滑坡(群)多次重復(fù)活動,其中以塬邊黃土滑坡的重復(fù)性最為嚴重,其重復(fù)發(fā)生的周期性多不穩(wěn)定。例如寶雞臥龍寺滑坡和舟曲泄流坡滑坡,都是在老滑坡基礎(chǔ)上的重復(fù)活動。

7 黃土滑坡的活動具有突發(fā)性、隱蔽性和夜發(fā)性

黃土滑坡活動的突發(fā)性、隱蔽性和夜發(fā)性三者之間是互相聯(lián)系和共生發(fā)展的。從滑坡孕育開始到產(chǎn)生災(zāi)變活動,雖然具有一定時間的滑前動態(tài)變形階段,但其前期蠕變過程大都是緩慢長期的,人們在直觀上難以察覺,或者長期習(xí)以為常,司空見慣,使得黃土滑坡的這種孕育變形過程隱蔽性極強,到劇烈滑動階段時,滑坡往往在極短的時間內(nèi)就完成了,具有突發(fā)性特征。例如甘肅東鄉(xiāng)縣灑勒山黃土滑坡發(fā)生前,地表裂縫、地下水活動及蠕變位移就累積了很長的時間,漫長的滑坡變形過程使滑坡區(qū)附近居民喪失了應(yīng)有的警惕性,最終產(chǎn)生突發(fā)性災(zāi)變滑動,造成死亡237人的巨大災(zāi)難。黃土滑坡發(fā)生時刻,具有很好的夜發(fā)性規(guī)律,圖3是162個黃土滑坡日內(nèi)發(fā)生時間的統(tǒng)計曲線。從圖中可以看出, 黃土滑坡的日內(nèi)發(fā)生時間以夜間居多,特別是午夜到凌晨這段時間最易產(chǎn)生滑坡活動,而這段時間又是人們的最佳睡眠時段。因此,黃土滑坡的夜發(fā)性又加劇了滑坡活動的突發(fā)生和隱蔽性,導(dǎo)致黃土滑坡活動的危害性更趨嚴重。

圖3 黃土滑坡日內(nèi)發(fā)生時間的統(tǒng)計特征

8 結(jié)論

(1)黃土滑坡活動的時間分布規(guī)律主要受降水變化、地震活動和人類工程活動的控制。

(2)從黃土滑坡的形成時代看,黃土滑坡的時間分布與第四紀地質(zhì)時期相對應(yīng)。

(3)從區(qū)域性滑坡活動的時間分布規(guī)律看,具有明顯的不穩(wěn)定周期性和隨機性,地震活動和降雨作用是影響滑坡年際時間分布規(guī)律的主要因素,但由于地震活動的周期很長,降雨周期較短,故降雨特征對滑坡活動的年周期性作用更為強烈。

(4)從黃土滑坡年內(nèi)活動的時間分布規(guī)律看,具有明顯的季節(jié)集中性,呈單峰和雙峰分布曲線。對單峰型活動的黃土滑坡分布區(qū),滑坡集中在每年的6～9月雨季,對雙峰型活動的黃土滑坡分布區(qū),滑坡集中在每年的7～9月和2～4月，前者受降雨特征控制,后者主要是春季冰雪消融,凍融作用強烈造成。

(5)從日內(nèi)發(fā)生的時間看,以夜間發(fā)生的居多,使得黃土滑坡的突發(fā)性強,隱蔽性程度高,災(zāi)難性事件頻發(fā)。

(6)從黃土滑坡近年的發(fā)展趨勢看,人類工程活動造成的黃土滑坡明顯呈上升趨勢,其時間分布規(guī)律呈雜亂分布。