滑坡體上黃土洞穴的發(fā)育特征及其成因機(jī)制

李治財(cái)，劉 高，2

(1.蘭州大學(xué) 土木工程與力學(xué)學(xué)院，甘肅 蘭州 730000；2.西部災(zāi)害與環(huán)境力學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅 蘭州 730000)

在黃土高原地區(qū)尤其是隴西地區(qū)，崩塌、滑坡、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)，摧毀道路、淤塞水庫(kù)、掩埋農(nóng)田，引發(fā)大量工程問(wèn)題，造成人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。野外調(diào)查發(fā)現(xiàn)，這些地區(qū)普遍發(fā)育黃土洞穴，尤其是黃土滑坡體上黃土洞穴發(fā)育密集，在滑坡體內(nèi)部常形成洞穴系統(tǒng)。由于黃土的滲透速率非常緩慢，因此滑坡體上的黃土洞穴往往是地表水的集中下滲通道，極易誘發(fā)滑坡[1-3]。從20世紀(jì)開始，國(guó)內(nèi)外的一些學(xué)者就對(duì)黃土滑坡和黃土洞穴進(jìn)行了研究，靳澤先、Derbyshire、徐張建等[4-6]對(duì)黃土滑坡的分布、類型、影響因素以及形成機(jī)制進(jìn)行了系統(tǒng)分析；Fuller、王斌科等[7-8]對(duì)洞穴侵蝕成因及分類進(jìn)行了探討。近些年，彭建兵、李喜安等[3，9]對(duì)黃土洞穴的分類與發(fā)育規(guī)律進(jìn)行了較為全面的研究，分析了黃土洞穴的地質(zhì)災(zāi)害效應(yīng)及環(huán)境效應(yīng)，指出滑坡與黃土洞穴災(zāi)害密切相關(guān)，但是對(duì)滑坡體上黃土洞穴的發(fā)育特征及其成因機(jī)制的研究尚顯不足。

位于隴西黃土高原中心的定西地區(qū)，不僅黃土滑坡發(fā)育密集、規(guī)模較大，而且黃土洞穴發(fā)育密度大、種類復(fù)雜。針對(duì)定西常家河地區(qū)的群集性滑坡，重點(diǎn)調(diào)查和研究了滑坡體上黃土洞穴的發(fā)育特征，對(duì)滑坡體上黃土洞穴的成因機(jī)制進(jìn)行了較為全面和深入的研究，這不僅有助于研究黃土洞穴的成因機(jī)理和分布特征，而且可以為類似工程區(qū)黃土滑坡與黃土洞穴的治理提供參考。

1 黃土洞穴與黃土滑坡的區(qū)域分布特征

根據(jù)現(xiàn)有勘察資料，區(qū)域上黃土滑坡的分布和黃土洞穴的發(fā)育均具有一定的群集性[4,9]。在六盤山以西的隴西地區(qū)黃土滑坡發(fā)育最為密集，同時(shí)黃土洞穴高度發(fā)育，兩者的群集性特征最為明顯；在隴東、寧南、陜北、晉西等地區(qū)黃土滑坡呈現(xiàn)零散狀和條帶狀群集發(fā)育，較為稀疏，主要沿河谷發(fā)育，而黃土洞穴呈中等發(fā)育；在黃土高原邊緣地區(qū)黃土滑坡基本不發(fā)育，黃土洞穴也不發(fā)育。可見兩者的發(fā)育密度同步增長(zhǎng)或減小，在區(qū)域分布上黃土滑坡和黃土洞穴具有一定的相關(guān)性。

2 滑坡體上黃土洞穴的發(fā)育特征

本次調(diào)查選取定西常家河滑坡區(qū)為研究區(qū)，其黃土滑坡分布見圖1。研究區(qū)地處隴西盆地南部，介于E105°07′30″—105°11′15″、N34°57′30″—35°00′00″，以低中山黃土丘陵地貌為主，區(qū)域內(nèi)滑坡密集發(fā)育，具有群集性分布特征。筆者在2012年3—7月對(duì)研究區(qū)的30個(gè)滑坡進(jìn)行了多次考察，對(duì)黃土滑坡與黃土洞穴的發(fā)育特征進(jìn)行了調(diào)查統(tǒng)計(jì)。

圖1 研究區(qū)黃土滑坡分布

2.1 黃土洞穴與黃土滑坡的地形地貌分布特征

野外調(diào)查發(fā)現(xiàn)，從地形地貌上看，隴西地區(qū)黃土滑坡與黃土洞穴的分布具有群集性特征。黃土滑坡常常密集發(fā)育在沖溝兩側(cè)、溝谷岸坡、臺(tái)塬斜坡和黃土梁峁等區(qū)域，而黃土洞穴在黃土梁、峁、塬上發(fā)育的沖溝、負(fù)地形以及各種崩滑流堆積體等地貌上發(fā)育最為密集。研究區(qū)存在大量黃土滑坡、滑塌，地形地貌變化較大、土質(zhì)疏松、節(jié)理裂隙發(fā)育，在滑坡體的后緣、側(cè)壁、洼地、平臺(tái)、前緣和滑坡體邊緣沖溝地帶常常發(fā)育有大量洞穴。滑坡體上黃土洞穴的發(fā)育密度明顯增大、發(fā)育特征復(fù)雜多樣，黃土洞穴發(fā)育密度較大的地區(qū)滑坡密度也大，可見在地形地貌分布上黃土滑坡與黃土洞穴具有一定的相關(guān)性。

2.2 滑坡體上黃土洞穴的發(fā)育特征

研究區(qū)滑坡體上黃土洞穴分布形式多樣、發(fā)育密度較大、發(fā)育程度較高、發(fā)育特征較復(fù)雜，尤其是古滑坡體上黃土洞穴的發(fā)育密度和發(fā)育程度遠(yuǎn)較新滑坡、其他地段要高。滑坡體上洞穴種類不一，主要有跌穴、水涮窩、陷穴、暗穴和碟形地；形態(tài)多樣，主要有圓形、圓拱形、橢圓形、狹縫狀、三角形和不規(guī)則形狀等；洞徑和洞深可達(dá)十幾米，主要在滑面以上發(fā)育。野外調(diào)查統(tǒng)計(jì)，滑坡體上不同部位黃土洞穴的發(fā)育特征具有一定的規(guī)律。

(1)滑坡后緣。洞穴類型以跌穴、水涮窩、陷穴、暗穴為主。由于強(qiáng)烈的跌水作用，在滑坡后壁上發(fā)育大量黃土跌穴和水涮窩(圖2)，發(fā)育密度大，成片狀發(fā)育，群集性明顯，但發(fā)育程度低，洞徑、洞深一般在1 m以內(nèi)，大多處于洞穴發(fā)育初期。在滑坡后緣裂縫周圍常發(fā)育串珠狀陷穴(圖3)，發(fā)育程度高，洞徑可達(dá)5 m，可見深度超過(guò)7 m，大體上與滑坡滑動(dòng)方向垂直，其底部以暗穴貫通。

圖2 18#滑坡后緣后壁處沖穴群

(2)滑坡前緣。洞穴類型以陷穴、暗穴為主。前緣坡腳處由于匯水條件好，易發(fā)育陷穴群(圖4)，常常呈串珠狀和片狀排列，數(shù)量多，發(fā)育程度高，洞徑超過(guò)6 m，可見深度達(dá)5 m，其底部以暗穴相通。前緣陡坎處常見暗穴出口，尤其在黃土—紅層接觸面附近易形成與邊坡頂部落水洞貫通的暗穴出口(圖5)，并常常形成貫通性洞穴，暗穴出口一般呈橢圓形，洞徑可達(dá)1.8 m。

圖3 24#滑坡后緣裂縫處串珠狀陷穴

圖4 3#滑坡前緣坡腳處陷穴群

圖5 1#滑坡前緣暗穴出口

(3)滑坡側(cè)壁。洞穴類型主要為陷穴、跌穴和暗穴，主要分布在距溝邊15 m的范圍內(nèi)，一般呈串珠狀排列(圖6)，常常表現(xiàn)出強(qiáng)烈的親溝谷性，在沖溝溝頭處最為密集。洞穴規(guī)模大小不一，洞徑、 洞深可達(dá)10m，并且形態(tài)多樣，多為圓形、橢圓形，陷穴底部多與暗穴相貫通，一般沿沖溝或小支溝呈串珠狀分布，大多平行于溝谷及滑坡滑動(dòng)方向。跌穴主要發(fā)育在臨空條件較高的坡降段，發(fā)育密集，洞徑、洞深均比較小，后緣比前緣高。調(diào)查發(fā)現(xiàn)在深切溝中洞穴發(fā)育程度極高，而在一些幼年期沖溝中洞穴發(fā)育程度較低，有些還發(fā)育有天生橋。

圖6 2#滑坡沖溝洞穴

(4)滑坡體。滑坡體表面洞穴類型以陷穴、碟形地及暗穴為主。滑坡平臺(tái)處匯水條件好，發(fā)育陷穴與碟形地，一般呈現(xiàn)單個(gè)或串珠狀排列(圖7)，發(fā)育程度較高，規(guī)模一般較大，直徑可達(dá)5 m，深度一般在滑面以上，形態(tài)上多呈圓形與橢圓形，陷穴底部多以暗穴貫通。坡體上地形變化明顯處，尤其是在由陡坡突然變?yōu)榫徠碌牡囟蜗菅ǔ３Ｈ杭l(fā)育，并同時(shí)發(fā)育有天生橋。滑坡體內(nèi)這些洞穴往往在底部互相連通，形成由多個(gè)洞穴共同構(gòu)成的多級(jí)次貫通性洞穴系統(tǒng)(圖8)，洞穴出口大多在坡體前緣滑面出露處，偶爾在滑坡側(cè)壁也有出口，一般洞徑在1 m左右。

圖7 20#滑坡平臺(tái)處洞穴

圖8 3#滑坡體洞穴分布及天生橋

3 滑坡體上黃土洞穴發(fā)育特征的成因機(jī)制

研究發(fā)現(xiàn)，在滑動(dòng)破壞前的長(zhǎng)期變形過(guò)程中滑坡體對(duì)黃土洞穴發(fā)育的影響并不明顯，黃土洞穴主要沿沖溝發(fā)育；但在黃土滑坡滑動(dòng)破壞后，滑坡體上黃土洞穴的發(fā)育特征發(fā)生顯著變化，發(fā)育密度明顯增大、發(fā)育程度增高、洞穴規(guī)模變大，同時(shí)洞穴的分布也有所變化。黃土洞穴的發(fā)育特征與滑坡密切相關(guān)，黃土滑坡對(duì)黃土洞穴發(fā)育的影響主要是通過(guò)影響黃土土性、節(jié)理裂隙、水力條件以及微地形地貌來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

(1)滑坡導(dǎo)致土體破碎，土體力學(xué)指標(biāo)降低，加大了黃土的滲透性，尤其是加大了垂直方向的滲透性；滑坡導(dǎo)致黃土結(jié)構(gòu)發(fā)生松動(dòng)，孔隙、裂隙強(qiáng)烈發(fā)育，土體崩解性和侵蝕性增大。這些變化使得黃土洞穴的發(fā)育密度和發(fā)育深度加大，往往一場(chǎng)大暴雨就在滑坡體上形成大量微型黃土洞穴，同時(shí)也加快了原有洞穴的發(fā)育。

(2)滑坡發(fā)生后，滑坡體的后緣、前緣、側(cè)壁以及滑坡體內(nèi)節(jié)理裂隙密集發(fā)育，為黃土洞穴的形成提供了物質(zhì)搬運(yùn)空間、堆積空間和滲流通道；節(jié)理裂隙影響著黃土洞穴的發(fā)育密度、發(fā)育程度和分布形式，加大了洞徑、洞深以及洞穴發(fā)育密度，使得陷穴與暗穴多沿裂隙呈串珠狀密集發(fā)育。

(3)滑動(dòng)破壞后，滑坡體上的水力條件發(fā)生了改變，一方面滑坡使得滑坡體地形起伏不定，坡度變得平緩，產(chǎn)生了有利于黃土洞穴形成的水流匯集、入滲、排泄及侵蝕條件，使得滑坡的后緣、洼地、反轉(zhuǎn)平臺(tái)、前緣緩坡以及沖溝等地段的洞穴常常成片或呈串珠狀密集發(fā)育，尤其在具備高臨空條件的滑坡后壁及沖溝邊緣地段，水流匯集、排泄以及侵蝕作用最為強(qiáng)烈，黃土洞穴發(fā)育最為密集；另一方面大量的節(jié)理裂隙造成地表水集中入滲，加大了水流的侵蝕能力和地下水活動(dòng)，尤其是節(jié)理裂隙中地下徑流的機(jī)械潛蝕能力大大增強(qiáng)，加劇了暗穴和陷穴的發(fā)育。

(4)滑坡體特有的微地形地貌特征控制著黃土洞穴的洞穴類型、發(fā)育程度及分布特征。黃土滑坡體上后緣附近常沿張性裂隙發(fā)育串珠狀陷穴，發(fā)育程度高，在滑坡后壁上發(fā)育跌穴、水涮窩，發(fā)育程度低；滑坡側(cè)壁沿沖溝發(fā)育串珠狀陷穴，發(fā)育程度高；滑坡前緣多發(fā)育陷穴，前緣滑面出露處常見暗穴出口；滑坡平臺(tái)處多發(fā)育陷穴與碟形地，滑坡體內(nèi)常發(fā)育貫通性洞穴系統(tǒng)。

4 結(jié) 語(yǔ)

(1)從黃土洞穴與黃土滑坡的區(qū)域分布和地形地貌分布上看，兩者的發(fā)育密度大體同步，分布特征具有一定的相關(guān)性。

(2)黃土滑坡體上黃土洞穴發(fā)育密度較大，發(fā)育程度高，滑坡后壁跌穴和水涮窩呈片狀發(fā)育，群集性明顯，發(fā)育程度低，后緣裂縫附近常發(fā)育串珠狀陷穴，發(fā)育程度高，底部以暗穴貫通；滑坡前緣易發(fā)育陷穴群，發(fā)育程度高，底部以暗穴相通，前緣陡坎處常見暗穴出口；滑坡側(cè)壁洞穴一般呈串珠狀排列，發(fā)育程度高，陷穴底部多與暗穴相貫通；坡體表面洞穴一般呈單個(gè)或串珠狀排列，發(fā)育程度較高，坡體上有時(shí)發(fā)育有天生橋，坡體內(nèi)往往發(fā)育貫通性洞穴系統(tǒng)。

(3)黃土滑坡對(duì)黃土洞穴發(fā)育的影響主要是通過(guò)影響黃土土性、節(jié)理裂隙、水力條件以及微地形地貌來(lái)實(shí)現(xiàn)的：滑坡土體加大了黃土的滲透性、崩解性及侵蝕性；滑坡體節(jié)理裂隙密集發(fā)育，為黃土洞穴的形成提供了物質(zhì)搬運(yùn)空間、堆積空間以及滲流通道；滑坡體上產(chǎn)生了有利于黃土洞穴形成的水流匯集、入滲、排泄及侵蝕條件，同時(shí)節(jié)理裂隙也造成地表水集中入滲；滑坡體上特有的微地形地貌特征控制著黃土洞穴的洞穴類型、發(fā)育程度及分布特征。

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