高位黃土滑坡特征與成因研究＊

張文學(xué) 王宏民

1) 中國建筑材料工業(yè)地質(zhì)勘查中心甘肅總隊(duì)，甘肅天水 741000

2) 建材天水地質(zhì)工程勘察院有限公司，甘肅天水 741000

黃土地區(qū)滑坡孕災(zāi)特點(diǎn)受諸多因素控制，其中地形地貌、巖土體特征、水文地質(zhì)條件、地質(zhì)構(gòu)造等是內(nèi)在因素，降雨強(qiáng)度、凍融、農(nóng)田灌溉、地震、不合理的人類工程活動等都是誘發(fā)因素[1-2]。近幾年來諸多學(xué)者從不同角度對黃土滑坡災(zāi)害做了大量科學(xué)研究工作，尤其是滑坡基本特征、滑動機(jī)理及穩(wěn)定性等方面取得的成果極為可觀，為黃土地區(qū)滑坡防災(zāi)減災(zāi)、科學(xué)防治奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)[3-5]。

高位黃土滑坡是黃土地區(qū)一種特殊的黃土滑坡類型，研究成果相對偏少，缺乏科學(xué)技術(shù)支撐。該類滑坡普遍發(fā)育在斜坡中上部或者溝谷溝腦，在降雨、地震等條件下引發(fā)斜坡失穩(wěn)，致使滑坡災(zāi)害發(fā)生，導(dǎo)致土體結(jié)構(gòu)遭受嚴(yán)重破壞，從而轉(zhuǎn)化為土浪或者泥流形成沿斜坡坡面或者溝道加速運(yùn)動。運(yùn)動空間上大致可分為滑源區(qū)、滑流區(qū)和堆積區(qū)，各區(qū)運(yùn)動特點(diǎn)具有不同的規(guī)律[6-13]。根據(jù)地形地貌及滑坡孕育特點(diǎn)，可將其劃分為坡面型和溝谷型高位黃土滑坡。坡面型多發(fā)育在斜坡上部，剪出口的位置距滑坡堆積基準(zhǔn)面存在一定的高差，具備一定的勢能，滑體沿坡面以 “土浪” 的形式迅速向下加速運(yùn)動，對堆積基準(zhǔn)面產(chǎn)生很大的沖擊能量和很強(qiáng)的氣浪，在平緩、開闊堆積場地威脅范圍大于一般滑坡的范圍，在滑動方向遇阻擋存在滑體爬高現(xiàn)象[11]；具有很強(qiáng)的突發(fā)性、隱蔽性、連續(xù)性等特點(diǎn)，給汛期排查工作帶來了極大的考驗(yàn)[12]。而溝谷型物源（滑坡區(qū)）一般發(fā)育在上游及溝腦地帶，滑坡在長時間受地表水和地下水在沖刷、下切及溯源等地質(zhì)營力作用下滑坡穩(wěn)定性差，遇暴雨天氣、地震等激發(fā)下極易滑動，對溝道容易造成堵塞形成堰塞湖，隨湖水水位持續(xù)升高形成水頭差，水體在土體產(chǎn)生滲透力和孔隙水壓力，綜合作用下堰塞湖在較短的時間潰決，在水動力帶動土體沿溝道變速運(yùn)動，此時水體和土體不斷的拌和，滑體在本質(zhì)上發(fā)生巨大的變化，以泥流的形式開始加速運(yùn)動，溝口段地形平緩并失去岸坡約束呈扇形堆積，以摧毀和掩埋的形式破壞，與黏性泥流在特征上基本相似[14-20]；和坡面型對比在孕災(zāi)時間上具有一定的滯后性，滑動速度相對緩慢。本文在前人研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合靜寧縣某高位黃土滑坡和天水市麥積區(qū)大溝高位黃土滑坡典型實(shí)例[17-19]。通過調(diào)查、工程地質(zhì)鉆探、無人機(jī)航測等技術(shù)手段，對滑坡空間分布、滑坡特征、成因、運(yùn)動機(jī)理、成災(zāi)特點(diǎn)等方面進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，研究成果可為此類高位黃土滑坡災(zāi)害防治、防災(zāi)減災(zāi)提供科學(xué)依據(jù)。

1 高位黃土滑坡特征及成因分析

1.1 滑坡成因

在黃土地區(qū)坡面型高位黃土滑坡普遍發(fā)育在黃土斜坡和溝谷岸坡地帶，地形地貌、巖土體特征、水文地質(zhì)條件、地質(zhì)構(gòu)造是滑坡形成的醞釀條件，極端的降雨、地震、不合理的人類工程活動等是滑坡的誘發(fā)條件[1，15，18]。

1.1.1 地形地貌特征

坡面型高位黃土滑坡在空間分布上具有一定的特殊性，陡峭的黃土丘陵斜坡、溝谷岸坡是主要的孕育母體，坡面是滑坡啟動后二次運(yùn)動的介質(zhì)，滑坡剪出口和堆積基準(zhǔn)面之間的高差賦予了滑坡一定的勢能。運(yùn)動的強(qiáng)烈程度與滑坡啟動速度、坡面坡度成正比關(guān)系。

溝谷型高位黃土滑坡為小型黃土沖溝最為常見的災(zāi)害類型，該類型的溝谷一般處于發(fā)展期溝谷，地表水和地下水沖刷、下切、溯源等作用強(qiáng)烈，溝腦和岸坡地形陡峭，坡度大多在55°以上，甚至局部呈直坡，高差較大，穩(wěn)定性差，在暴雨天氣極易引發(fā)滑坡。溝道斷面形態(tài)在上游呈“ V”字 型，下游呈“U”字 型，長度一般小于1 000 m，總體坡呈比陡下緩，是滑坡堆積體滑動的主要途徑[18]。

1.1.2 巖土體工程地質(zhì)特征

黃土是特殊巖土的一種，以粉粒為主，均勻性較好。主要有以下特點(diǎn)：① 長 時間降雨入滲黃土很容易發(fā)生自重濕陷，地面出現(xiàn)不均勻沉降形成積水地形，在濕陷強(qiáng)烈地段黃土碟、陷穴、落水洞等黃土“ 喀斯特”微 型地貌普遍發(fā)育，這一系列不良地質(zhì)現(xiàn)象是滑坡孕育的直觀因素；② 垂 直節(jié)理、裂隙控制，黃土滑坡后壁一般呈直線型，坡度較陡，多在65°以上；③抗 剪強(qiáng)度指標(biāo)c、φ值是影響滑坡穩(wěn)定性的主要因素之一，水的影響很大；④ 具 有顯著的遇水易軟化、塑性流動和振動液化等特征。

坡面型高位黃土滑坡沿坡面向下運(yùn)動時黃土結(jié)構(gòu)基本全部破壞，呈散體材料，抗剪強(qiáng)度指標(biāo)c、φ值大幅度降低，土體在重力作用下宣泄而下，況且對空氣產(chǎn)生壓強(qiáng)形成氣浪。溝谷型高位黃土滑坡脫離母體在坡腳一定范圍內(nèi)堆積，土體結(jié)構(gòu)也基本上破壞，堆積體對溝道造成嚴(yán)重的阻塞形成堰塞湖鏈?zhǔn)綖?zāi)害鏈，在持續(xù)降雨和暴雨天氣土體顆粒結(jié)構(gòu)發(fā)生重組，土體由固相向液相進(jìn)行演變，當(dāng)土體達(dá)到軟塑—流塑狀態(tài)時在重力作用下沿溝道出現(xiàn)變速運(yùn)動[14]。

被解釋變量：選取企業(yè)的總稅負(fù)率作為衡量企業(yè)總稅負(fù)的指標(biāo)，選取銷售利潤率(又稱為凈利潤率)作為衡量企業(yè)盈利能力的指標(biāo)。

1.1.3 水文地質(zhì)條件

黃土孔隙水潛水在黃土地區(qū)廣泛分布，補(bǔ)給源主要為大氣降水，降水后一部分沿地表流失和蒸發(fā)，另一部分則順著土體孔隙、裂隙、陷穴等通道向下滲入補(bǔ)給，含水層連續(xù)性差，分布不均勻，水位變化隨降雨量強(qiáng)度而變化，以泉的形式進(jìn)行排泄，是導(dǎo)致滑坡滑動變形的主要因素之一。

1.2 滑坡誘發(fā)因素

降雨、地震、不合理的人類工程活動、農(nóng)田灌溉等諸多因素都可能誘發(fā)滑坡復(fù)活、斜坡失穩(wěn)滑動，降雨、地震與高位黃土滑坡激發(fā)尤為明顯。降雨時間、強(qiáng)度與黃土滑坡穩(wěn)定性、發(fā)生概率有著密切的關(guān)聯(lián)，而且是溝谷型高位黃土滑坡驅(qū)使者。地表水沿風(fēng)積黃土節(jié)理、裂隙、落水洞向坡體深部入滲、灌入補(bǔ)給，隨著補(bǔ)給時間和水量增加，地下水位持續(xù)升高，對坡體產(chǎn)生以下不利因子組合： ① 黃土對水具有很強(qiáng)的敏感性，遇水軟化抗剪強(qiáng)度降低形成軟弱結(jié)構(gòu)面； ② 產(chǎn)生靜水壓力，有效應(yīng)力降低； ③ 在水頭差的作用下形成地下徑流，產(chǎn)生滲透力； ④ 地表水在滑體表部一定深度入滲增加坡體自重。以上4 種不利因素疊加是導(dǎo)致滑坡滑動的直觀因素。地表水是溝谷型高位黃土滑坡的驅(qū)動力，也是沿溝道滑動的潤滑劑，同時對滑坡堆積體結(jié)構(gòu)、狀態(tài)及抗剪強(qiáng)度降低演變起到?jīng)Q定性作用。

2 案例分析

2.1 平?jīng)鍪徐o寧縣仁大鎮(zhèn)高位黃土滑坡

2.1.1 滑坡發(fā)育特征

2019 年靜寧縣降雨量超出往年平均值51.5%，11 月21 日無名溝谷右岸岸坡發(fā)生高位黃土滑坡，地理坐標(biāo)為（35°4′12″N， 105°42′17″E）。滑坡平面形態(tài)呈“ 圈椅”狀 （圖1），主滑方向261°，滑坡長約205.0 m，寬約225.0 m，平均厚度20.0 m，體積約92.3 萬m3。滑坡后壁清晰可見，擦痕極為明顯，后壁下錯高度2.0～5.0 m，坡度70°以上，后壁外圍拉裂縫零星發(fā)育。滑體主要為風(fēng)積黃土，坡面平均坡度約為25.0°～32.0°，臺階狀，臺面寬度介于15.0～25.0 m，平臺與平臺的高度介于3.0～8.0 m，臺面相對平緩，局部存在“ 凹”地 形，以果園為主。坡體裂縫網(wǎng)狀發(fā)育，單個裂縫最長達(dá)180 m，裂縫寬度介于0.2～0.8 m，基本貫通。滑床呈折線型，坡度10°～45°，巖土體類型為離石黃土，結(jié)構(gòu)致密，具有一定的隔水性能，遇水軟化，抗剪強(qiáng)度衰減。滑坡前緣臨空條件較好，裂縫放射狀展布，小面積滑坡、崩塌極為普遍。

圖1 滑坡區(qū)地形地貌、地層巖性影像圖Fig.1 Landform and formation lithology image of landslide area

2.1.2 滑坡運(yùn)動特征

通過工程地質(zhì)測繪、勘查、無人機(jī)航測等技術(shù)手段分析可知，滑坡整體下錯形成后壁高度約2.0～5.0 m，坡度70°以上，通過估算推斷水平滑移距離為（2.0/tan70°～5.0/tan70°） m = 0.7～1.8 m。推擠作用下前緣右側(cè)滑體失去支撐引發(fā)次級滑坡，滑坡長140 m，寬70 m，厚度5.0～8.0 m，體積約4.9 萬m3。后壁高度介于8～10 m，坡度65°以上。滑面近似圓弧狀，受主滑坡推擠作用，次級滑坡基本全部脫離母體，滑體一部分堆積于溝道，體積約4.0 萬m3，另一部分殘留于坡面，殘留量約18%。剪出口位置距堆積體基準(zhǔn)面高差160 m，斜面長度約280 m，坡度在55°以上，坡面在沖刷、風(fēng)化等作用下石灰?guī)r裸露，坡面較為平直。滑動順序大致由滑體脫離母體→土體滑動→土體堆積3 個階段完成（圖2），在運(yùn)動時間上與滑坡啟動具有同周期性和連續(xù)性，滑體沿斜坡以 “土浪” 狀宣泄而下，速度迅速，并產(chǎn)生了很大沖擊氣浪，其實(shí)這一現(xiàn)象是土體對空氣壓縮而產(chǎn)生的壓強(qiáng)現(xiàn)象，滑體具備較大的滑動勢能，土體墜入基準(zhǔn)面向溝谷岸坡爬高約8 m。

圖2 滑坡1—1 剖面圖Fig.2 Profile 1-1 of landslide

2.2 天水市麥積區(qū)大溝高位黃土滑坡

天水市麥積區(qū)大溝高位黃土滑坡分布在渭河Ⅱ級階地后緣的黃土丘陵地帶，地理坐標(biāo)為（34°32′17″N，105°56′2″E）。主溝長度938.4 m，流域面積0.488 km2，縱比降104‰～441‰[19]。溝腦處滑坡呈環(huán)狀發(fā)育（圖3），1984 年曾發(fā)生變形，2008 年“5·12”汶 川8.0 級 地 震 和2013 年“ 7·22”甘 肅 岷縣、漳縣交界地震均對滑坡造成影響，導(dǎo)致滑坡后緣形成寬約20～30 cm 拉裂縫，主滑方向27°，滑體前緣寬約200 m，后緣寬約145 m，長約230 m，滑體厚 度20～35 m，體 積115 萬m3。2013 年7 月21 日16—20 時，馬跑泉鎮(zhèn)降雨量超過了101.8 mm，造成溝腦東側(cè)滑坡復(fù)活，前緣寬約100 m，后緣寬約70 m，長約110 m，厚度約30 m，體積約29.7 萬m3。瞬間堆積體對溝道阻塞形成小型堰塞湖，經(jīng)過短時間暴雨襲擊，堆積土體飽和液化向溝口開始變速運(yùn)動，在溝口扇形淤積，造成溝口居民區(qū)不同程度的受災(zāi)[17-18]。

圖3 滑坡區(qū)地形地貌影像圖Fig.3 Landform image of landslide area

2.2.2 滑坡運(yùn)動—堆積特征

該滑坡屬于黃土老滑坡，在歷史上多次出現(xiàn)不同程度的變形，穩(wěn)定性差，在暴雨激發(fā)下復(fù)活滑動，造成溝道斷流，經(jīng)過約半小時醞釀，堆積體在地表水、地下水共同作用下開始沿溝道運(yùn)動，最終在溝口堆積。運(yùn)動順序大致由4 個階段完成（圖4）：滑體脫離母體→土體堆積→土體滑動→淤積。

圖4 滑坡滑動及堆積剖面圖Fig.4 Slide and accumulation profile of landslide

堆積體墜入地面產(chǎn)生很大的沖擊力，地下水產(chǎn)生超孔隙水壓力，水位急劇上升。堆積體以粉質(zhì)黏土為主，在強(qiáng)烈的滑動作用下原有的土體結(jié)構(gòu)基本破壞，土顆粒之間開始重新組合排列。其次阻塞溝道形成小型堰塞湖，截流地表水，導(dǎo)致湖水迅速上升，堆積土體在滲透力和水壓力作用下壩體潰決，水動力帶動部分土體開始沿溝谷運(yùn)動，隨著土體不斷和水體拌和，土體開始由固相向液相快速轉(zhuǎn)變，重度迅速降低，以泥漿的形式劇烈運(yùn)動，運(yùn)動特征和黏性泥流基本相似。大溝屬于侵蝕型溝谷，縱比降104‰～441‰，溝床中上游泥巖裸露，遇水軟化，為土體運(yùn)動提供了暢通的路徑，滑坡堆積體啟動體積80%～85%，在溝道形態(tài)、坡降、土體狀態(tài)、水文特征等約束條件下，土體以速度2.97～6.19 m/s 變速運(yùn)動，滑動距離約為800 m。溝床摩阻力大于土體抗剪強(qiáng)度。在溝道局部可見不同厚度的土體殘留，溝口地形平緩，土體失去岸坡約束呈扇形堆積，堆積厚度約為3.6～6.0 m，對溝口民房、公共設(shè)施具有很強(qiáng)的破壞力，造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失，由于監(jiān)測及時未造成人員傷亡。

3 坡面型與溝谷型高位黃土滑坡異同討論

通過對平?jīng)鍪徐o寧縣仁大鎮(zhèn)和天水市麥積區(qū)大溝高位黃土滑坡典型案例分析，結(jié)合前人對該類型滑坡研究成果，對以下3 點(diǎn)進(jìn)行討論。

（1）坡面型高位黃土滑坡普遍發(fā)育黃土丘陵斜坡、溝岸岸坡、黃土臺塬斜坡等地帶。郭富赟等[20]對甘肅黑方臺羅家坡滑進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，認(rèn)為是大型黃土—泥巖高位、高速、遠(yuǎn)程牽引式滑坡，根據(jù)運(yùn)動特點(diǎn)將劃分為塊體—碎屑流運(yùn)動（黃土泥巖—碎屑流、黃土—碎屑流）和黃土泥流兩種狀態(tài)。特征上與平?jīng)鍪徐o寧縣仁大鎮(zhèn)高位黃土滑坡具有一定的相似性，但是運(yùn)動速度快于前者，這與坡面陡緩有著直接的關(guān)系。筆者根據(jù)運(yùn)動特點(diǎn)將運(yùn)動順序大致劃分為3 個階段，即滑體脫離母體→土體滑動→土體堆積。

（2）天水市麥積區(qū)大溝高位黃土滑坡具有很強(qiáng)的代表性，吳瑋江等[18]研究認(rèn)為屬于泥流型黃土滑坡，將整個運(yùn)動路徑分為4 個區(qū)，即滑源區(qū)—過渡期—滑動通道區(qū)—堆積區(qū)；曲瑞等[19]認(rèn)為是短時強(qiáng)降水誘發(fā)小流域低頻泥石流，在成災(zāi)特點(diǎn)上屬于地震—滑坡—泥石流災(zāi)害鏈。筆者認(rèn)為其不但具備高位黃土滑坡的特點(diǎn)，也兼顧黏性泥石流特征，運(yùn)動順序大致由4 個階段完成，即滑體脫離母體→土體堆積→土體滑動→淤積。治理工程方面進(jìn)行了綜合考慮，既考慮了滑坡特征，也兼?zhèn)淞损ば阅嗔魈卣鳎こ檀胧┲饕獮椋簻系乐猩嫌尾荚O(shè)一道樁板式攔擋壩（圖5）對滑動土體進(jìn)行攔擋，沿溝道走向方向布設(shè)截水渠對地表水進(jìn)行疏導(dǎo)，溝口淤積土體進(jìn)行了適當(dāng)?shù)那謇恚Ｓ嗤练讲捎弥亓跬翂M(jìn)行了支擋。經(jīng)歷了近10 個水文年的考驗(yàn)，取得很好的防災(zāi)減災(zāi)效益，對類似滑坡治理具有積極的借鑒意義。

圖5 樁板式攔擋壩斷面圖Fig.5 Section of pile-slab retaining dam

（3）坡面型和溝谷型都具有高勢能，運(yùn)動路徑、驅(qū)使動力、地形地貌等對滑坡運(yùn)動速度、堆積特征、成災(zāi)特點(diǎn)有很大的差異性。二者運(yùn)動過程中滑體在坡面和溝底都有不同程度的殘留，也有鏟刮坡面和溝道巖土體，使體積明顯增加，一些學(xué)者將這一現(xiàn)象稱為“ 填凹造床效應(yīng)”[7，20]。這一現(xiàn)象形成與土體物理力學(xué)特性有著內(nèi)在的關(guān)聯(lián)，黃土主要以粉粒為主，處于飽和狀態(tài)時劇烈滑動極易液化，抗剪強(qiáng)度指標(biāo)也伴隨降低，溝床、坡面摩阻力大于滑體抗剪強(qiáng)度就會造成土體殘留；地表水對溝床、坡面浸泡導(dǎo)致巖土體抗剪強(qiáng)度降低，溝床、坡面摩阻力小于滑體抗剪強(qiáng)度就會造成鏟刮現(xiàn)象。

4 結(jié)論及建議

（1）平?jīng)鍪徐o寧縣仁大鎮(zhèn)滑坡屬于坡面型高位黃土滑坡，運(yùn)動順序?yàn)榛w脫離母體→土體滑動→土體堆積，運(yùn)動速度迅速，以 “土浪” 的形式進(jìn)行運(yùn)動，在運(yùn)動時間上與滑坡啟動具有同周期性和連續(xù)性。

（2）天水市麥積區(qū)大溝滑坡屬于溝谷型高位黃土滑坡，運(yùn)動順序?yàn)榛w脫離母體→土體堆積→土體滑動→淤積，相對較為緩慢，以泥流的形式進(jìn)行運(yùn)動，滑坡滑動與堆積體啟動在時間上具有一定的滯后性，其運(yùn)動、堆積特點(diǎn)和黏性泥石流基本相似。

（3）高位黃土滑坡是特殊的地形地貌、水文地質(zhì)條件、巖土體工程地質(zhì)特征和外部因素共同形成的一種滑坡類型，具有多樣性、復(fù)雜性、突發(fā)性和隱蔽性，危害性極強(qiáng)、范圍廣等特點(diǎn)，是防災(zāi)減災(zāi)和工程治理的棘手難題，有待進(jìn)一步研究。