陜北黃土窯洞災害分類及成因分析研究

游志浪，王朝陽，白健忠，崔雪婷，任 秀

(西安科技大學地質與環境學院，陜西西安710054)

陜北黃土窯洞災害分類及成因分析研究

游志浪*，王朝陽，白健忠，崔雪婷，任 秀

(西安科技大學地質與環境學院，陜西西安710054)

黃土窯洞是中國獨具特色的地下工程，研究其現狀及災害問題具有重大的工程意義及現實意義。以陜北大量的野外調查為基礎，經后期的深入研究，歸納出黃土窯洞的災害類型，并且分析探討其內在原因，對陜北黃土窯洞的修建有很大的現實指導意義。

陜北；黃土窯洞；地質災害

黃土窯洞是指在黃土高原地區修筑的中國北方特有民居建筑，其歷史悠久，現今仍然對當地百姓的生活發揮不可或缺的作用。隨著人民生活水平的提高及思想認識的改變，現在陜北地區已經存在大量的黃土窯洞閑置，以致窯洞的倒塌，無人修繕。另一方面黃土窯洞還有很大的居住量，這些處在黃土高原的偏遠地區，百姓經濟條件差，加之箍窯費用大，又具有強烈的戀窯情節，現今還居住在黃土窯洞中[1]。時至今日，黃土高原地區約有200多個（市），其中有3000～4000萬人還居住生活在各種形式的窯洞中[2]。

黃土高原地區土地資源緊張，黃土窯洞是依黃土的地勢而建，利用了自然地理條件，其減少建筑用地，緩解耕地荒的問題。作為黃土窯洞的天然建筑材料的黃土，其自身力學強度高，穩定性好。據資料介紹[3]，久居黃土窯洞的居民患病機率較少。

黃土窯洞雖具有很多其他建筑所沒有的優點，但其存在的缺陷也顯而易見，黃土窯洞其常年陰暗，通風系統差，陰雨天潮濕。更為嚴重的，黃土窯洞的災害頻發，據延安市國土資源局的統計資料，延安地區2001～2005年間，窯洞災害就導致73人死亡，10人受傷。在筆者調查的清澗區域，不久前就由于降雨塌窯造成人員傷亡。

1 黃土窯洞的災害類型

黃土窯洞的天然建筑材料是黃土，黃土雖說其自身的力學性質良好，但黃土本身還處于一種暴露狀態，此種天然的地質環境會使其本身的性質發生改變，產生災害也是必然，故對黃土窯洞的災害進行簡單的分類是極其必要，對窯洞居住人民規避、防治黃土窯洞災害也有現實指導意義。筆者在對陜西清澗等地區野外調查考察中，結合查閱相關文獻[4]，對黃土窯洞災害類型進行分類。

1.1 黃土窯洞坍塌

黃土窯洞坍塌是黃土窯洞中最為嚴重的破壞形式，其嚴重時會威脅窯洞居住人的生命財產安全。黃土窯洞的坍塌一般來說可分為2種類型：一種是漸進型，其破壞是緩慢的、漸進的，其首先是黃土窯洞的局部坍塌（見圖1），隨著時間的發展與外界條件的影響，最終發展為整體性坍塌；一種是突發型，此種黃土窯洞的上覆土層比較薄，在降雨等因素下直接從窯頂發生坍塌，或者由于黃土窯洞周圍存在滑坡，由于滑坡的運動發生整體性的坍塌（見圖2）。一般來說漸進型的黃土窯洞的坍塌是可控的、可以監測的，在發生局部坍塌的時候就要及時的修繕，阻止窯洞發生進一步破壞。突發型往往是伴隨著惡劣的地質環境如強降雨、滑坡，其很難預報與監測，危險性極大。

筆者經野外調查與查閱前人研究的文獻資料，漸進型黃土窯洞坍塌首先都是發生在窯臉與窯頂、洞內部位，綜合原因分析，其主要是由于降雨等外在條件及黃土窯洞發育節理、存在古土壤層等內在因素給造成的。

圖1 黃土窯洞局部坍塌

圖2 黃土窯洞整體性坍塌

1.2 裂縫、窯內滲水

裂縫是黃土窯洞中重要的破壞類型，其產生原因可歸結為2個方面：一方面是由于在開挖窯洞時未充分考慮到窯洞的布局及開挖的隨意性而產生的初始裂縫，另一方面，在建成窯洞后由于黃土中的應力的重分布、黃土的強度下降、地震凍融作用等因素影響而產生的，黃土中的節理亦是產生裂縫的重要原因。在雨季，雨水會沿著黃土中產生的裂縫及節理而下滲，窯洞內部的拱圈部位往往會產生潮濕的現象。見圖3。

圖3 黃土窯洞的裂縫

1.3 窯洞冒頂

窯洞冒頂是指在開挖過程中沒有科學的理論指導或者在后期的使用中由于各種外部因素的影響使窯洞頂部發生應力集中達到黃土的抗剪強度，發生黃土脫落，使得窯洞上部拱圈發生變形破壞的現象，從而影響窯洞的穩定性和安全性，甚至引發窯洞坍塌破壞。見圖4。

圖4 窯洞冒頂

黃土窯洞的災害類型有很多，以上只是幾種典型的災害類型，筆者結合前人研究的資料及野外實地調查而總結得到。

2 黃土窯洞災害原因分析

黃土窯洞災害頻發，造成窯洞災害的原因有很多，黃土窯洞是依附在黃土高原地勢上的復雜的地質體，其發生災害的影響因素不是單一的，其是多個因素耦合的結果。作為一個復雜的地質體，對于黃土窯洞的災害形成機理尚難形成較深刻的認識，但是就黃土窯洞的出現的災害類型，能出一些基本的影響因素下進行分析研究，基于此，筆者結合室內試驗及有關文獻對有限的因素進行詳細深入的分析，以期對黃土地區的窯洞的災害防治起到積極引導作用。

2.1 降雨

黃土窯洞本身具有很強的穩定性，降雨是觸發黃土窯洞災害的最主要的原因。其一，從黃土自身的結構來說，黃土本身就疏松多孔，降雨的入滲，會破壞黃土自身結構的穩定性及完整性。其二，黃土具有很強的濕陷性，這是黃土明顯的特點，降雨會使其更加明顯，進一步影響其整體的穩定性。其三，黃土發育明顯垂直節理，這一特點會使降雨入滲十分充分，這樣黃土中的軟弱面會進一步的擴展，產生類似“雪崩”的效果。另外，降雨會誘發黃土窯洞上覆的黃土產生滑坡、泥石流、崩塌等地質災害發生，這些地質災害的發生產生的外力必然會影響黃土窯洞其安全與穩定性。降雨對黃土窯洞的破壞的觸發作用是顯然的，經現場取樣模擬降水實驗可知，雨的入滲會改變黃土的物理性質及力學性質，如含水率、抗剪強度等發生明顯變化。進而會改變黃土原來的應力分布，同時降雨還會加劇黃土中的裂隙擴張，加速對窯洞的破壞。

2.2 節理

黃土中發育的極其復雜的黃土節理也成為黃土窯洞災害發生的十分重要的因素。黃土要的選址一般都在比較致密的離石黃土層，查閱前人資料和實地考察，本身離石黃土在開挖前其土質比較均一，節理發育也不是很多，但由于開挖后，其應力場就發生了改變，發生明顯的應力集中，或者產生卸荷作用，這樣一來就使原來節理不發育的地區產生許多節理，黃土開挖后，受外界因素的影響如降雨、滑坡、人為等因素，黃土的節理有進一步發展與延伸，進一步威脅窯洞的穩定性。節理會使整個黃土土體的整體的抗剪強度減小，隨時間的推移或者外界條件的作用下，節理會貫通成軟弱結構面，在上覆黃土的自重應力下會產生黃土沿軟弱結構面發生滑動，滑坡的產生對黃土窯洞的安全是極其不利的。另一方面，黃土節理的產生為雨水的下降提供了入滲通道，水亦會直接間接的影響黃土窯洞的穩定性。黃土節理會使其整體結構發生改變，整體的受力情況也會改變，這樣極其不利于黃土窯洞的安全性。

2.3 黃土中古土壤

窯洞型黃土崩塌多發育于厚層離石黃土中，部分為黃土+古土壤地層[5]。黃土中的古土壤從單純工程地質強度的角度來分析，其穩定性必然沒有黃土的好，而且明顯存在軟化趨勢。就黃土的承載力來說，若是黃土中存在古土壤層的話，其承載力必定會下降，若是在黃土窯洞的窯腿位置的下部存在古土壤層，顯而易見，該部分的承載能力會下降很多，并且由于是古土壤其內部是濕潤的，導致了該部分的黃土與相鄰的黃土間的摩擦也就下降了，水平推力減少了，進而對黃土窯洞的該結構的穩定性產生極大的不穩定因素。就隔水的角度來說，黃土中的古土壤雖然強度不高，但其卻具有良好的隔水能力，故若黃土中的古土壤位于黃土窯洞的上覆黃土中，其隔水能力會很好地阻隔降水的下滲，反而減少了水對黃土窯洞的穩定性[6]。

2.4 邊坡形態

據筆者的實地考察可知，黃土窯洞大多數是依靠著黃土地勢而修建的，由于窯洞為了方便開挖一般都要對坡體進行削坡工作，這樣大大降低了坡體原有的穩定性，同時窯洞的開挖，使得坡體原來的節理、裂隙進一步擴大[4]，坡體的結構性和整體性受到破壞，這樣一來在窯洞的附近甚至于在其上覆的黃土中會發育危險的滑坡或者其他邊坡形態。這些邊坡形態會產生潛在滑坡崩塌，只要外界的條件允許的話，如大雨，一旦產生了這樣地質災害，會大大地降低窯洞的穩定性，產生整體性的坍塌。

2.5 凍融作用

黃土窯洞主要分布地區是典型的季節性凍土區，于春冬交替的時期會發生凍融作用。凍融作用會嚴重影響黃土窯洞的穩定性，其一，凍融作用會直接影響黃土窯洞建造材料黃土的一些微結構，反復的凍融作用會使黃土的抗剪強度下降，黃土的強度降低，在外力或人為因素的影響下，黃土窯洞就發生局部的破壞甚至是整體的倒塌。其二，在冬季的黃土發生了凍結，該凍結會使窯洞的局部部位發生應力集中，產生一些微小的裂縫，在春季的黃土又融化，這樣進一步將使裂縫擴大，融化產生的水又會沿著裂縫下滲，擴大裂隙，軟化黃土，形成一個破壞循環。其三，黃土中發育大量的節理裂隙，冬季水的凍結、凍脹作用會使節理裂隙的體積進一步擴大，黃土會因為凍脹作用而產生側向的變形與破壞。

2.6 地震

黃土窯洞的建造凝聚了百姓智慧，其在窯洞的選址、建造、維護方面有相當多的經驗，但卻缺乏地震方面的考慮。陜北黃土窯洞所處的地位雖然無大的地震帶通過，但由于人類工程活動的影響如大量的采煤所引起的陷落地震，在陜北地區存在許多的地震的分布，其定會影響到黃土窯洞的安全使用及穩定性。

地震對黃土窯洞的影響主要有以下幾點：其一，黃土在地震的作用下自身的工程地質性質會發生改變。一方面，當地震的強度達到一定值時，黃土會發生震陷，會產生較大的變形，影響窯洞的穩定性。另一方面，一些含水率較高的黃土，其在地震作用下，自身的承載力急劇下降并伴隨著大量的變形，黃土窯洞也隨之破壞。其二，黃土窯洞在地震力的作用下會使其結構失穩破壞。在地震的作用下，窯洞原有的應力場發生重分布，在窯頂等部位發生應力集中，達到該部位黃土的抗剪強度，發生剪切破壞，產生局部變形甚至直接給破壞坍塌。地震的窯洞的破壞可從垂直窯洞軸線及平行于軸線方向采用擬靜力法進行分析[7]。

2.7 其他

黃土窯洞作為一個相對比較復雜的地質體，不可能把所有的因數都給考慮進去，這里面存有實實在在的地質因素，當然也有許多人為的因素，這些因素都會影響黃土窯洞的安全性。

3 結語

本文通過野外實地調查與室內研究,歸納出了陜北黃土窯洞病害類型,并著重分析了影響黃土窯洞病害的因素,明確窯洞病害類型及初步成因，能為以后黃土窯洞的風險性的定量預報提供巨大的依據，使其有理可依，有利于采取相應的防病害措施，這對保護窯洞居民的生命財產安全是有現實意義的,也有利于黃土窯洞這一傳統民居建筑形式的保護和推廣。對黃土窯洞病害發生機理的理論分析需要進一步進行。

[1]劉小軍,王鐵行,于瑞艷.黃土地區窯洞的歷史、現狀及對未來發展的建議［J］.工業建筑，2007(S1).

[2]廖紅建，趙樹德，高小育，等.西部黃土高原窯洞民居發展中的環境工程問題［J］.西安交通大學學報：社會科學版，2000，20(3)：7-10.

[3]郭冰廬.窯洞風俗文化[M].西安:西安地圖出版社,2004.

[4]劉小軍,王鐵行,韓永強,趙彥峰.黃土窯洞病害調查及分析［J］.地下空間與工程學報，2007，3(6).

[5]孟龍.黃土窯洞災害形成機理數值模擬研究[D].長安大學地質工程系，2011.

[6]趙景波,黃春長,岳應利.中國黃土中的風化殼研究[J].沉積學報,2001,19(1).

[7]陳國興，張克緒，謝君斐.黃土崖窯洞抗震性能研究［J］.哈爾濱建筑工程學院學報,1995,28(1).

P642.2

A

1004-5716(2015)11-0011-04

2015-06-07

2015-06-16

西安科技大學校級科研培育基金（2014011），大學生創新創業訓練計劃（201410704013）。

游志浪（1994-），男（漢族），江西臨川人，西安科技大學地質與環境學院在讀本科生，研究方向：地質災害治理。