新疆伊犁地區的地質條件及地質災害影響因素分析

劉揚揚，魏學利，陳寶成，姜鴻輝，羅文功

（1.新疆大學建筑工程學院，新疆 烏魯木齊 830046；2.新疆維吾爾自治區交通規劃勘察設計研究院，新疆 烏魯木齊 830000）

新疆伊犁區域包含8縣2市，其中2市即首府伊寧市、直轄奎屯市；8縣分別為伊寧縣、尼勒克縣、新源縣、霍城縣、昭蘇縣、特克斯縣、察布查爾縣、鞏留縣，總面積約為57344km2[1]。

伊犁地區是本國向西面經濟、貿易、文化等打開的門戶，起到列國大通道的重要作用。這些年來，隨著公路建設投入不斷加大，伊犁境內國道218線，省道316線，省道315線，國道219線等重要道路相繼開建，然而在進行工程施工的過程中，遇到許多地質災害問題，一些施工地段出現了滑坡，在暴雨、地震之后失穩，再加上人類活動進而加速了邊坡失穩，既危及本地牧區草場與牧戶的人身安全，又深重阻撓著本地產業可持續發展。

1 工程地質條件

1.1 地質背景

伊犁地域出露的地層包含新生界、元古界、中生界、古生界這四個不同時代的地層，其中新生界第四系更新世黃土在伊犁地域中、低山區的普遍遍布，為誘發型地質災害的形成締造了最為原生態的物質前提。伊犁區域的黃土不僅為風成淤積物，在風成淤積物聚集前就已經過充分的殽雜、搬運和篩選，同時近源與遠源淤積物質的充分疊加，驅動黃土的結構特性和物質構成十分復雜[2]。伊犁地域黃土在空間上，豎直方向散布范疇上限制林帶，高程2000m～2200m，下限與溝谷平原相連接，高程600m～700m；在水平地區上，伊犁地域的黃土同樣具有遍布規律：①頂風坡相對于逆風坡較為多；②自西向東黃土的堆積厚度呈由薄到厚、再由厚變薄趨勢，新源縣為黃土最厚地區，同時黃土顆粒呈逐漸變細趨勢。

伊犁地域黃土有兩種較為發育，其中一種為沉積年月較早的且物理力學性質較好的第四系中更新統（Q2）離石黃土；另一種為風成堆積的第四系晚更新統（Q3eol）馬蘭黃土，疏松、多孔、且垂直節理較發育，濕陷性較強，冰雪融水滲流潛蝕和降雨侵蝕的耦合作用改變了黃土水動力條件和物理力學性質，導致力學性質較差，因此，由于離石黃土和馬蘭黃土的力學性質差異，馬蘭黃土地層成為了誘發滑坡的基本物質條件。

1.2 地形地貌條件

伊犁地域處于中國新疆天山山脈西部，地形地貌形狀較混雜，大體呈現出“三山夾兩谷第一盆地”的格局，三山即哈爾克塔烏山、科古琴山、特明山脈，兩谷地一盆地即鞏乃斯—伊犁谷地、喀什河谷地與昭蘇—特克斯盆地。山區面積占全區面積70%以上[1]。

黃土遍及遍布是融雪誘發型黃土滑坡形成的最基本前提。黃土主要遍布在2200m林帶以下中、低山區，主要為第四系和全新世早期黃土和晚更新統馬蘭黃土，是典型風力沉積物，局部存在水流沖刷堆積的次生黃土，具有明顯層理，滑坡地帶多分布在中、低山區，尤以海拔在1100m～2000m的中山帶最為發育，山體和林帶不僅可以使挾帶黃土粉塵的氣流形成渦旋，而且還起到擋風作用，使得黃土沉積在林帶以下。黃土在地域散布上自西向東，先由薄變厚，再由厚變薄的遍布特征，驅動黃土滑坡發生的地區遍布也呈現出其特征。

因此，伊犁區域西面山區黃土最薄且滑坡規模小，接近中東部山區的鞏留、尼勒克縣黃土較厚，而新源縣的黃土遍布達到最厚，成為該地區黃土滑坡地質災患最為發育的地域。

1.3 力學條件

黃土滑坡的形成，與其本身的力學特性和外在的力學要素密不可分，伊犁地域的黃土在天然狀況下強度較好。然而黃土是水敏感性地質體，在水的軟化下容易發生黃土濕陷，其物理、水理性質改變和力學強度大降落是導致滑坡發生的重要要素[3]。

在融雪或降雨前提下，黃土的力學性質會急劇下滑，同時抗剪強度急劇下降，為滑坡的形成締造了力學條件。黃土濕陷性強烈，由天然狀態過渡到飽和狀態，使內聚力殘余值、殘余內摩擦角均有不同程度的降低。特別是當較大裂隙傾斜角與地形坡向一致且裂隙傾角小于斜坡坡腳時，且浸水潤滑后可形成滑坡等地質災害。

另外，多山區的地勢條件為黃土滑坡的形成提供了力學前提，坡陡山高，山坡、谷地、盆地的黃土在自身重力及外界要素的誘發下，形成張裂—蠕變—滑移的破壞模式，進而誘發了融雪誘發型黃土滑坡。黃土滑坡以30°～50°的陡坡產生滑坡的幾率最高，占到滑坡總額的5成以上[4]。黃土抗剪強度遇積雪融水明顯下滑的特征，以及伊犁山區坡陡山高的影響，是伊犁地區地質災害頻發的重要因之一素。

2 滑坡類型及破壞模式

伊犁地域黃土滑坡遍布廣，滑坡后緣呈扶手椅狀，具有垂范的滑坡特性。黃土滑坡以大中小三種形式存在，其中前兩種形式的滑坡占主要地位，多以淺層滑坡為主，由于滑坡的滑動面大都發生在黃土內部，多屬于黃土內滑坡，甚至是下伏基巖與馬蘭黃土接觸面，大都發生在坡陡山高處；第三種形式的滑坡占次要地位，多以深層滑坡的形式為主，深層大型滑坡具有大、深、少的特點，多發育于前緣臨空的深切溝谷地段，滑面多位于黃土層內部，其常常淤堵河道而誘發滑坡泥石流災害鏈，如2002年發生在加朗普特大型融雪誘發型黃土滑坡，形成堰塞湖，在土與水的耦合作用機制下進一步演變成泥石流，影響S316公路至少6000m左右。

淺層黃土滑坡的坡面是在大氣降雨、冰雪融水、自身重力及外界因素綜合作用機制下而發生。深層黃土滑坡的發育特性顯著，大概能包含所有滑坡因素，與此同時滑坡的前緣常常伴隨著泉水出沒。將黃土滑坡變形破壞過程概況總結出地質—力學模式：后緣張裂—整體蠕動—整體滑移的破壞模式。

伊犁地域淺層中小型黃土滑坡多屬于推移式滑坡，深層大型黃土滑坡多屬于牽引式滑坡。淺層滑坡基本上是在降水或融雪時，致使黃土的自身重力增加導致下滑力的增大，發生推移式淺層滑坡；深層滑坡是在前緣臨空面在水流、人為或其他外界的潛蝕作用下，前緣受力失穩導致前緣滑動，進而使整體滑坡體發生蠕動，直接致使后緣產生裂縫，隨著前緣的不斷滑動，后緣裂縫逐漸增大，導致整個坡體發生整體滑移，滑坡規模大、范圍廣。

新疆加朗普特滑坡為一典型推移式滑坡，據加朗普特滑坡滑帶土剪切試驗可知，滑帶土由天然狀態過渡到飽和狀態，峰值內聚力由26.1kPa降低至24.15kPa，峰值內摩擦角由26.25°減少到22.63°，內聚力殘余值降低34%，殘余內摩擦角降低13%，由此可見，融雪和降水沿垂直節理入滲，滑帶土逐漸增濕軟化，促使其抗剪強度大幅度降低，隨著節理裂縫擴展貫通，在坡腳出現線狀泉水滲出點，冬季發生凍結時將阻礙地下水排泄，改變坡體內水動力條件[5]，造成坡體內飽和水區和土體軟化范圍進一步增大，致使在含水量差異較大層面易形成滑坡軟弱滑動面。

圖1 加朗普特滑坡縱斷面結構圖

3 影響因素

伊犁地域的地質災害的發生不僅有其內在原因如大范圍厚層黃土，還有特殊的氣候條件、地震以及人類工程活動等外界要素，是發生滑坡災害的影響因素。

3.1 大范圍厚層黃土

大范圍的厚層黃土是伊犁地區黃土滑坡形成的最基本前提。黃土主要散布在2200m林帶以下中低山區，主要為第四系全新世早期黃土和更新統馬蘭黃土，是典型風力沉積物，局部存在水流沖刷堆積的次生黃土，具有明顯垂直層理黃土與卵礫層互層結構，這可能與晚全新世以來經歷了多次氣候干濕波動，在小冰期時以降水增加和徑流增大有關[6]。黃土是水敏感性地質體，在水的軟化下容易發生黃土濕陷，其物理、水理性質改變和力學強度大降落是導致黃土滑坡發生的重要要素[3]。

滑坡的形成機理實質就是滑帶土的變形破壞過程，滑坡的發生取決于滑動面土體的變形破壞過程[5]。在増濕過程中，黃土強度和變形特征將發生顯著變化[7]，在融水和降水入滲下，滑坡滑動面的干燥黃土隨含水量增加，其物理形態將由脆性向塑性轉變，進而抗剪強度大幅度降低，導致滑坡發生。

3.2 特殊的氣候條件

伊犁地區地質災害發生在4月～5月份，這可能與3月～5月份春季融雪有關，積雪融水易沿黃土坡體薄弱部位發生滲流浸潤，這種滲流浸潤作用在陰坡常常持續2個月～3個月，且過程較為緩慢，故融水的長期水流浸潤易在陰坡潛蝕黃土形成落水洞或地裂縫；另外伊犁地區冬季溫度可降低至零下20℃，凍土厚度約為1.2m～3.7m，故凍融作用不僅存在于地表，也可影響到斜坡深處，又加上日溫差較大，白天積雪融水進入裂縫后在夜晚發生凍結，每年凍結時間約為20天～30天，每年凍融交替循環作用將在黃土裂縫內產生凍脹和噼裂作用[8]，加速伊犁地區地質滑坡裂縫擴展和貫通，這與實地發現78%黃土滑坡發生在陰坡相符，張鴻義等[4]和尹光華[9]也發現在凹坡上、半陰坡、溝谷陰坡出現滑坡較多。而每年4月～6月份恰逢雨季高發期，強降雨進入地裂縫可對黃土產生滲透侵蝕作用，進而誘發黃土邊坡發生蠕動變形和滑動破壞。

由此可知，冰雪融水和降雨的耦合作用構成黃土滑坡的優越條件，極大加劇滑坡發生的概率。因此，黃土斜坡土體在長期冰雪融水浸潤作用下，已接近臨界破壞狀態，在雨季暴雨激發下，極易發生滑坡災害。

3.3 地震

地震因素和其他強烈振動對滑坡的影響主要表現在兩個方面：第一方面，地殼振動產生的能量將加速滑坡體由重力勢能向動能的轉化，剎時可導致抗剪強度大大降低和坡體受力的失去平衡，致使斜坡穩定性忽然遭到破壞，從而加快或誘發滑坡的產生；第二方面，強烈的振動將振松巖土體結構，加劇地表由裂隙向裂縫的轉變過程，便于積雪融水的入滲，使巖土體抗剪強度急劇減小，最終激發斜坡失穩，形成融雪誘發型黃土滑坡。

伊犁區域地震基本烈度為7°～8°，地震動峰值加速度為0.15～0.20。一般認為由地震引發滑坡事件多發生在5級以上震區，且隨著震級增高則滑坡數目呈增大趨勢[10]。伊犁地區中小地震暴發比較頻繁，據中國地震臺網1970年至2015年間地震記錄，在距則克臺河200km范疇內共發生M≥3.0級及以上地震470次，其中≥6.0級以上地震僅為3次，震中距則克臺河距離變化于71km～117km之間，震級為6.0＞M≥5.0的地震共產生16次，則克臺河距震中距離為41km～142km，附近頻仍的地震動反復作用多次后將引起了巖土體的累積變形，從而發生累進變形效應[11]，主要表現為地震作用對斜坡巖土體結構產生擾動，促使新裂縫形成或原有裂縫擴展，從而為水流滲透侵蝕提供優勢滲透通道。

3.4 人類工程活動

人類活動在滑坡形成和發展過程中也具有重要作用，加速黃土坡體地裂縫和落水洞的形成與擴展，包括牧民放牧、修路切坡和礦山開采等，其中，牧民放牧和采藥挖掘的影響最大。在春、秋季節，每年約有2000多人在則克臺河挖掘甘草和黨參等草藥[12]，破壞地表草被根系和黃土結構，在山坡形成多處散點分布的薄弱區，在降雨、融水作用下發生滲透潛蝕形成落水洞；在冬季，植被枯萎且大部分被積雪覆蓋，大量牲畜需要沿山坡尋找裸露草場，故沿斜坡地形較緩處踩踏多條小徑，形成集中匯流聚集帶，又加上根系短淺的牧草對斜坡固結作用較差，致使植被保水、固土作用減弱，致使踩踏小徑成為融水入滲潛蝕的薄弱部位，現場發現沿小徑形成多處串珠狀落水洞和由落水洞擴展、貫通而形成的地裂縫。

另外，隨著溫度的升高，當地裂縫內或附近積雪融化后，大量融水沿地裂縫發生潛蝕和凍脹作用，促進地裂縫的擴展、加深和貫通，促使坡體軟弱結構形成和蠕動變形，這一現象在西北黃土滑坡區普遍存在[3]。

圖2 地裂縫的形成過程

4 結論

原生地質條件及外部多種要素耦合作用導致伊犁地區地質災害頻繁發生。廣泛分布的厚層、疏松、多孔、風成堆積的馬蘭黃土是構成滑坡發生物質基礎，高陡的山區地形為滑坡滑動創造了動力條件，頻繁的地震和人類的活動，促進地裂縫形成和擴展，冰雪融水滲流潛蝕和降雨滲透侵蝕的耦合作用加劇滑坡蠕動變形和滑動破壞，導致伊犁地區地質災害廣為發育。