山西省黃土崩塌影響因素及時空分布特征

毛佳睿，武 雄

(中國地質大學水資源與環境學院，北京 100083)

黃土是干旱半干旱地區由風力搬運堆積的一種弱膠結、非飽和、多孔隙的第四系沉積物，在亞洲、歐洲、北美及南美等地均有分布。中國黃土大體上分布于昆侖山與秦嶺以北，賀蘭山、阿爾泰山和大興安嶺以南，構成北西西—南東東走向的黃土帶，分布總面積達64×104km2，占中國陸地面積的6.67%[1-4]。黃土以粉塵顆粒為主，同時含有少量砂粒及黏粒。黃土中的黏土礦物隨時代漸老含量漸增，黃土的膠結程度也隨之增強[5-6]。此外，大量孔隙和節理的存在導致黃土結構松散，在諸多因素(降雨、溫度變化、人類工程活動等)的作用下，易產生黃土崩塌等地質災害[7-8]。

山西省是位于黃河中游東岸、華北平原西側的內陸省份，是典型的黃土廣泛覆蓋的山地高原。近年來，山西省大力發展經濟，黃土地區工程活動的數量和種類均顯著增多，致使地質災害頻繁發生。在各類災害中，黃土崩塌所占比重較大，災情較為嚴重，影響范圍逐漸擴大，成為造成每年傷亡人數最多的地質災害[1]。2005年5月山西省吉縣水洞溝崩塌造成24人死亡，經濟損失達1 000萬元。2009年11月中陽縣崩塌(土方2.5×104m3)造成23人死亡6間房屋被毀。2015年5月臨縣黃土崩塌造成4戶9人被掩埋。2019年3月呂梁市興縣一洗煤廠發生黃土崩塌，致死2人。

地質災害的發育特征與分布特征一直是各級國土部門研究的重點，是后續研究的基礎[9-11]。目前研究成果主要應用于以下三個方面：一是結合地質環境及氣象因素，對地質災害進行氣象預報[12-18]；二是在確定的研究區域，以不同調查精度形成地質災害風險評價成果[19-25]；三是針對具體的地災案例，開展災情分析及成因機理與災害發生趨勢的研究，并排查周邊地質災害隱患的分布情況[26-29]。為了防止山西黃土地區“病態”環境的繼續惡化，預防傷亡事故的發生，深入了解山西省黃土崩塌發生的影響因素，探究崩塌的分布特征，對促進后續成果轉化、防災減災具有一定的科學和工程意義。現收集山西省11個地級市共49個縣發生的194處崩塌的相關資料，在對已獲取的數據進行統計分析的基礎之上，總結導致黃土崩塌的內因及外因，并重點討論黃土斜坡形態(坡型、坡向、坡高及坡度)、降雨、凍融、晝夜溫差及人類工程活動對崩塌的影響，以期揭示黃土崩塌的時空分布特征。

1 研究區概況

山西省地處黃土高原，黃土主要分布于晉西、晉東、晉西南、晉西北這四個區域，境內總面積約15.7×104km2，覆蓋率高達72%以上，是中國黃土分布最廣泛的省份之一[30-31]。省內多丘陵、山脈，分布面積占全省面積的4/5。山西省為溫帶大陸性氣候，年平均降雨量在400～700 mm內，受地形地貌的影響，降雨量時空分布不均。在時間上，春、秋、冬季雨水少，降雨主要集中在夏季，全年降雨量最多的月份為7—8月，總降雨量約占全年的60%以上，且多大雨或暴雨。在空間上，降雨量從西北向東南有增大的趨勢。山西省的年平均氣溫3～14 ℃，冬季寒冷，氣溫低于0 ℃，夏季炎熱，7月份氣溫在21～26 ℃內[32]。由于復雜的地貌和其特有的氣候，山西省黃土崩塌頻發，且具有發育分散、規模和危害程度大小不一、誘發因素多樣的特點[33]。

2 黃土崩塌的內因

2.1 坡型

已有學者將黃土斜坡劃分為四種坡型：直線型、凸型、階梯型和凹型[34-35](表1)。在能獲取到坡型資料的180處黃土崩塌中，有90處崩塌發生于直線型坡，占崩塌總數的50%；42處崩塌發生于凸形坡，占崩塌總數的23%；階梯形坡24個，占總數的14%；凹型坡22個，占總數的12%[圖1(a)]。可見直線型坡對黃土崩塌的易感性最高，是最容易發生崩塌的斜坡形態，凸型坡次之，階梯型和凹形坡最不易破壞。一般來講，直線型坡和凸型坡的坡度一般較大，坡型較陡，故其內部應力變化率較大，且應力集中明顯。凹型坡整體形態是緩坡和陡坡的組合，斜坡下部的緩坡支撐上部陡坡，減小了陡坡內部的應力變化率，削弱了斜坡的應力集中[36]。通常，階梯型斜坡坡腳處最大剪應力只有直線型坡的1/2[37]。階梯型坡在每級階梯上的應力分布與直線型斜坡相似，但由于平臺將原本高陡的斜坡劃分成多級高度較小的斜坡，不僅減小了各級斜坡內部應力大小，還削弱了坡腳的應力集中，有利于斜坡的穩定[38-41]。

2.2 坡向

除坡型外，坡向也表現出對黃土崩塌有一定的影響。統計分析發現[圖1(b)]，黃土崩塌集中發生于坡向為180°～270°的向陽坡，共72處，占總數的40%，其次是坡向為90°～180°的陽坡，共50處，占總數的28%。這是因為陽坡受日照長、白天土體溫度相對較高，晝夜溫差大，受風化強，致使其結構破碎，不利于斜坡穩定。另外，陽坡通常居住人口較多，修建公路等頻繁的人類工程活動對斜坡體擾動程度大，加劇了崩塌災害的發生[42-43]。

2.3 坡高

坡高也是崩塌發生的主要控制因素之一[圖1(c)]。數據表明，高度在0～10 m內的斜坡發生崩塌的數量最多，共106處，占調查總數的59%；10～20 m的斜坡發生崩塌的數量次之，共48處，占總數的27%；20 m以上的斜坡發生崩塌的數量最少，僅有26處，占總數的14%。對這些發生崩塌的斜坡進行野外觀測，發現這主要因為斜坡越高，之前被風化剝蝕的時間越長，斜坡形態普遍較緩。相反，斜坡較低時，坡型一般較陡，坡度普遍較大，為崩塌發生提供有利條件[44]。另外，這也跟調查到的崩塌多數規模都較小有關。

表1 黃土斜坡坡型分類

圖1 斜坡形態對黃土崩塌的影響

2.4 坡度

坡度對崩塌的發育也有一定的影響。如圖1(d)所示，坡度大于60°的斜坡容更容易發生崩塌，并且坡度越大，崩塌發生的數量越多。據統計，坡度小于50°的斜坡發生黃土崩塌的數量最少，僅10處，占崩塌總數的6%；10%的黃土崩塌發生于坡度為50°～60°的斜坡，共17處；17%發生于60°～70°的斜坡，共56處；31%發生于70°～80°的斜坡，共56處；37%發生于80°～90°的斜坡，共67處。這是因為坡度控制著坡體內的應力分布。如圖2所示，斜坡的坡肩處分布有徑向應力和切向應力，當坡度變大時，二者可轉化為拉應力，在坡肩處形成張力帶，且張力帶的范圍隨著坡度增大而擴大。最終，坡肩被拉裂破壞，有利于發生崩塌[37]。

圖2 不同坡度斜坡張力帶分布

3 黃土崩塌的外因

3.1 降雨

中國地質部門對突發性地質災害的研究表明，降雨是影響斜坡穩定性的重要因素。有數據顯示，約有76.9%的地質災害是持續性降雨所誘發[45,31]。山西省由降雨引發的崩塌數占每年地質災害總數的62%以上[46]。總體上看，山西省的年平均降雨總量不多(表2)，但將每個月降雨量的統計、對比，發現降雨量的分布表現出明顯的季節特征，全年降雨量的60%都集中在7—8月份，且7月是全年降雨量最多的月份，占總降雨量的24.8%[47-48]。由圖3可以看出崩塌次數與降雨量幾乎成正相關。

表2 山西省氣候條件概況

圖3 山西省黃土崩塌在每個月的分布

降雨誘發崩塌發生通常有三種形式：濺蝕、鏟流和滲流。降雨初期，雨水擊濺坡面，黏結較差的土顆粒受到雨滴沖擊而分離，雨水溶解土顆粒間的膠結物質，破壞土體的原始結構，斜坡表層受到侵蝕局部形成小型坑洼[49]。當坑洼處蓄滿水后，斜坡表面形成薄層水流，表層粒徑較小的土顆粒受到水流的鏟蝕而運動。持續的降雨使薄層水流匯集形成坡面徑流，徑流沿著節理裂隙以及濺蝕、鏟蝕形成的小型侵蝕溝入滲，斜坡內部會在徑流侵蝕作用下形成優勢滲流通道，使斜坡內局部被掏蝕成空腔[50-51]。由于降雨入滲，斜坡土體趨于飽和，抗剪強度降低，不利于斜坡的穩定，崩塌容易發生。

3.2 凍融

由圖3可以看出，除了雨季(7—8月)之外，每年的3—4月也是黃土崩塌的多發期。這段時間是從冬季轉向春季的過渡期，土體溫度在短時間內由零下升高為零上。如圖4所示，中國黃土地區每年的12月—次年2月，土體溫度一直處于零度以下，凍結深度近1 m。3月末，天氣變暖，地溫回升，凍土層開始融化；至4月中旬，低溫快速升高至8 ℃左右，斜坡土體基本全部解凍[52-54]。山西省3—4月氣溫升高，最高氣溫與最低氣溫之間可相差20 ℃左右(表3)，在懸殊的氣溫變化過程中，土體凍融現象不斷發生，崩塌極易發生。

圖4 黃土斜坡地溫月際變化

表3 山西省由凍融引發的黃土崩塌

凍融主要通過如下兩方面的作用促使黃土崩塌的發生：①凍脹作用破壞土體結構，降低土體抗剪強度：黃土自身包含大量大孔隙，凍脹會進一步加大土顆粒之間的距離，疏松土體結構，使土體的干密度降低，進而降低其黏聚力和內摩擦角。②融化作用導致冰雪融水沿土體孔隙滲入，土體重量增加，黃土濕陷，抗剪強度降低：解凍融水將黃土顆粒間的膠結物，特別是鈣質膠結溶解后沖出，黃土結構變得不完整，甚至容易發生失陷；土體中孔隙水壓力會因融水的存在而升高，進而降低土體的抗剪強度，對斜坡整體失穩起到了一定的激發作用[55-56]。

3.3 晝夜溫差

山西地處黃土高原，晝夜溫差較同緯度其他地區大，不論冬夏，均可達10 ℃左右(圖5)。通過觀測黃土高原整一年土體溫度的日變化，發現斜坡80 cm深度范圍內的土體溫度日變化明顯[57]，且土層深度越小，受大氣溫度變化的影響就越大。晝夜溫度變化過程中，地溫也隨之改變，斜坡土體熱脹冷縮，收縮應力和膨脹應力循環往復作用于土體上，土體結構變得疏松，斜坡整體穩定性降低，為崩塌創造條件。資料統計發現，由晝夜溫差導致的崩塌通常發生在晚上九點至次日凌晨四點。

數據來源于2014年4月至2017年9月山西省臨縣實地監測

圖6 動植物影響

3.4 動植物活動

山西地處黃土高原，這里的植被多為草本和灌木，植物的根系發達，分支率高。根系的存在增大了土體透水性，當有水流滲入時，土體被軟化，強度降低。另外，土層內大量的根系延伸生長，根劈作用會破壞斜坡的完整性[圖6(a)]。植物的根劈作用是風化作用的另一種表現形式，可以分為化學風化作用和機械風化作用[58]。化學風化表現為微生物對土體的影響，植物根系生長過程中，會通過生物群落從土體內部汲取礦物質和營養，土體受到根系生長發育影響容易產生裂隙[59-60]。機械風化主要體現在根系生長發育過程中具有膨脹力，造成土體內部的裂紋形成及擴展。據測算，樹根對裂縫兩壁的擠壓力超過15 kg/cm2，根劈產生的豎直劈理最寬可達10 cm，植物的根系越粗破壞力越強。有觀測表明，植物生長能夠加速坡面風化層的形成，從而增加淺表層崩塌的發生頻率[61]。另外，一些河谷階地、梯田陡坎、溝谷邊緣的黃土地層都是生物作用十分活躍的地帶。小動物的洞穴，如蛇洞、鼠洞以及一些蟲孔等都可能成為使黃土斜坡結構遭到破壞的因素，從而誘發崩塌發生[圖6(b)][1]。

3.5 人為因素

山西省常住人口為3 718.34萬，大約有42%的人居住在農村。隨著人們對生活、工作的環境，特別是居住環境的要求越來越高，人類的工程活動不斷在黃土地區升級。這些工程活動主要包括切坡建房、開挖窯洞、修筑梯田、修建道路等[10,43,62],如圖7所示。

圖7 山西省主要人類工程活動

切坡建房通常使局部邊坡陡立，在斜坡應力場快速調整過程中，斜坡后緣通常產生卸荷拉張裂隙，導致斜坡結構破壞[圖7(a)]。開挖窯洞時，若窯洞的幾何斷面設計不合理，導致局部拉應力集中，開挖后緣產生平行坡面的卸荷裂隙，隨后出現冒頂破壞[43,63][圖7(b)]。修筑梯田改變了斜坡的形態，增加了承接降雨的平臺，加大了地表徑流量和降雨入滲量。加上農田灌溉，斜坡土體的含水量較之前變大，局部形成飽水帶，土體軟化，構成潛在破壞面[64-65][圖7(c)]。黃土地區交通線路選址通常在溝谷、溝壑的岸坡或者是沿著半山坡延伸，修筑過程中不可避免地要開挖坡腳、切割坡體，形成許多高陡邊坡，出現大量臨空面，給崩塌破壞提供了孕育環境[66-67][圖7(d)]。同時，由于坡面防水、排水設施位置設計施工等技術問題，加上邊坡設計高度較大，坡度較陡，植被覆蓋較少，在降雨影響下最終導致崩塌[68-69]。對山西省5 a間所發生的黃土崩塌的調查顯示，由于人類工程活動導致的黃土崩塌占總崩塌數的67%(圖8)，且人類工程活動越強烈的地區，崩塌災害越是集中。

圖8 山西省人類工程活動對崩塌的影響

4 結論

獲取了山西省194處黃土崩塌的數據資料并進行綜合分析，得出如下認識：

(1)黃土崩塌的影響因素大致可分為內因和外因：內因主要為黃土斜坡自身的形態特征，如坡型、坡向、坡度、坡高；外因主要是降雨、凍融、晝夜溫差、動植物活動及人類工程活動。

(2)黃土崩塌容易發生于直線型坡，凸型坡次之，凹形坡和階梯型坡較少。直線型坡和凸形坡因其坡度較陡，應力變化率大且有明顯的應力集中現象，故穩定性差。凹型坡和階梯型坡因坡型較緩，應力變化率小，穩定程度較高；坡度大于60°的斜坡多發黃土崩塌，且發生崩塌的數量隨著坡度的增大而增多。這是因為斜坡坡度越大，坡肩處所受拉應力越大，越容易出現拉張裂隙，導致斜坡整體破壞；坡高小于40 m的斜坡發生黃土崩塌的數量居多，發生于5～20 m斜坡的更為多見。低于5 m的斜坡，坡體內部應力一般較小，穩定程度好，而高于40 m的斜坡往往因遭受長期風化侵蝕，其坡型較緩，也不易發生崩塌。黃土崩塌發育的優勢坡向是180°～270°的向陽坡，這主要是因為陽坡晝夜溫差大，受風化作用強，坡體結構較為破碎，坡體穩定性差。

(3)黃土崩塌的發生存在一定的時間規律：從一年來看，黃土崩塌個數與降雨量幾乎成正相關，崩塌主要集中在降雨量最多的7—8月。另外，3—4月也是黃土崩塌的多發期，此時崩塌多是由凍融誘發。在一天當中，黃土崩塌多發生在晚上9點至次日凌晨4點，這可能是斜坡受晝夜溫差影響的結果。

(4)工程活動越強烈的地區，黃土崩塌越是易發。山西省黃土地區人類工程活動主要有切坡建房、開挖窯洞、修筑梯田、修建道路等。這些工程活動通常快速改變斜坡形態，所形成的高陡邊坡易發育卸荷拉張裂隙，加之降雨等因素影響，極易發生崩塌災害。