中蘭鐵路黃土滑坡發育特征及成因機理研究

王文瑞

(中鐵第五勘察設計院集團有限公司，北京 102600)

新建中蘭鐵路北起寧夏回族自治區中衛市，經甘肅省靖遠縣、白銀市、皋蘭縣，向南引入蘭州新區(見圖1)，全長219.67 km，是我國“十三五”高速鐵路規劃的重要組成部分。其中北灣至轉石梁段行走于西北黃土高原梁峁區，沿線氣候惡劣，地形起伏大，地層巖性脆弱，新構造運動活躍，加之長期季節性凍融作用和風蝕作用的影響，致使在沿線溝壑內發育有大量黃土滑坡，嚴重威脅線路的安全運營。

圖1 中蘭鐵路線位

目前，許多學者已對黃土滑坡進行了深入研究。王家鼎以甘肅劉家峽黃土滑坡群為例，通過對災害體特征的深入分析，論述了滑坡的成因機理[1]。馬鵬輝等通過野外調查，認為滑體古土壤的隔水效應是導致蔣劉黃土滑坡形成的主要原因[2]。亓星等認為滑坡弧形凹槽產生的匯水作用是促使甘肅黑方臺滑坡3次滑動的重要因素[3]。孫萍等以甘肅天水渭河北岸滑坡為例，利用室內力學試驗和數值模擬方法查明了該處黃土-泥巖滑坡成因機理[4]。董捷等總結了黃土-泥巖型滑坡的發育特性、成因和分布規律[5]。然而，以往對黃土滑坡的研究多集中于純黃土滑坡和黃土-紅層(泥巖)滑坡，對黃土-砂巖型滑坡的研究較少。為此，以下采用野外調查、工程勘探、遙感解譯、無人機航拍等手段，對中蘭鐵路沿線黃土-砂巖型滑坡的發育特征和成因機理進行研究。以保障鐵路的安全運營，豐富黃土滑坡的研究內容，為區域防災減災提供理論依據。

1 工程地質環境

1.1 地形地貌

中蘭鐵路北灣至轉石梁段地面高程為1 420～1 760 m，相對高差最大達300 m以上。沿線地貌以黃土梁、峁為主，局部基巖出露處發育有風蝕地貌。黃土梁峁區溝壑發育，河流切割深度大，溝谷多呈“V”形。黃土斜坡一般較陡，坡度為20°～50°，坡面上沖溝發育，植被欠發育。

1.2 地質構造

線路經過區屬中祁連島鏈構造單元，構造軸線呈北西-南東向，褶皺、斷裂構造普遍為風積黃土層所覆蓋，直接出露跡象較為罕見。根據遙感解譯和野外調查結果，該區褶皺構造較斷裂構造發育程度高。其中，褶皺構造以向斜為主，多呈傾豎褶曲、斜歪褶曲；而斷裂構造以逆斷層為主，多為下盤被上盤推覆的逆掩斷層(見圖2)。

圖2 研究區構造綱要及滑坡災害分布

1.3 地層巖性

線路經過區域下伏基巖為白堊系下統河口組上組和下組砂巖。受區域構造影響，巖層產狀平緩，傾角為2°～15°。第四系覆蓋層為上更新統風積黃土，分布面積占研究區的33.8%。其結構較為松散，垂直裂隙發育，力學參數脆弱，是研究區地質災害的主要承擔者。

1.4 地震及新構造運動

研究區地處黃土高原西部，新構造運動活躍，地震活動頻繁[7]。近年來，區內地震以低強度淺源地震為主，震源深度集中在12 km左右。近50年來，區內Ms<4.0級的地震有36次，Ms≥4.0級的有7次。歷史地震統計資料表明，對研究區影響最為嚴重的為發生于1920年的“海原地震”，震級約8.5級，曾在該區誘發數十起大型-巨型滑坡[8]。

2 滑坡災害工程地質特征

產狀平緩的下伏砂巖，為第四系黃土層的風積貯存提供了良好的平臺條件。據勘探資料，區內風積層厚10～52 m，局部可達60 m以上。這種上部松散、下部堅硬的“雙層異質”結構，是孕育不良地質災害的主要斜坡結構之一[9]。

2.1 形態特征

區內滑坡多為單體滑坡，罕有群體性滑坡。滑坡一般在溝壑下切顯著的斜坡上形成，運移距離一般較小(20～60 m)。其在平面上多呈簸箕形或長舌形，發育規模一般較小(體積為0.2×105～1.5×105m3)。滑坡滑面普遍發育于近似均質的黃土內，其后壁多呈圓弧狀(見圖3、圖4)；側壁受黃土垂直裂隙控制，常較陡(坡度為50°～70°)，形成凸向坡腳的單薄山脊。滑面后緣的陡壁上可見明顯的土巖分界線，呈近似水平的直線狀，貫穿于斜坡中上部，是辨識黃土層內滑坡的主要特征之一[10]。

圖3 沿線1號典型滑坡災害全貌

圖4 1號滑坡災害縱剖面

在主滑剖面上，區內滑坡的形成區與堆積區可明確區分，而滑移區表層多為風積土層覆蓋，運移跡象不甚明顯，各滑坡前后緣高差為30～80 m之間。滑動初期，滑體的滑動速度一般較小(6～15 m/s)，在運動過程中，松散程度進一步加劇，在降雨及季節性凍融作用下，滑體前緣常發育有多個淺層次級滑坡，堆積體上普遍發育有Ⅱ～Ⅳ級平臺。滑坡堆積體坡面坡度為20°～40°，次級滑坡后壁常形成多條橫向貫通裂縫，遍布前緣堆積體。因此，“低滑速、短滑距、多期滑動”是沿線黃土滑坡普遍具有的特征。

2.2 物質特征

上更新統風積土層的力學行為是該區滑坡孕災的關鍵。該層一般厚度為10～52 m。由于孕育滑坡的原始斜坡形成時間較為久遠，發育有相對十分廣闊的坡前平臺，斜坡前緣一般受河流下切嚴重。因此，厚層-巨厚層風積黃土傾滑后，在坡前常呈長舌狀堆積，滑體厚度伴隨滑動過程急劇減小(堆積體厚度為7～10 m，為滑前黃土層層厚的1/3)。受低滑速、短運距運動特征的影響，滑體中土層粒序受到的擾動較小，多表現為上部小、下部大的正常粒序[11]，且一般保留較為完整。在下伏基巖風化嚴重的斜坡上，滑體在運移中常剪切擾動底部砂巖，故會在某些滑體底部保留有大量砂巖碎塊(見圖5、圖6)。其磨圓度一般較差，且不具分選性，在滑體底部呈不均勻帶狀展布。

圖5 沿線2號典型滑坡災害全貌

圖6 2號滑坡災害右側基巖赤平投影分析

區內滑坡的滑帶也多位于上覆黃土內部，厚度為10～20 cm。受剪切作用影響，滑帶常呈泥狀。在一些下伏基巖風化嚴重的斜坡中，滑帶常下侵至下伏砂巖淺層，滑帶上可見明顯剪切擦痕。

2.3 變形特征

斜坡滑移后，其后壁多呈圓弧仰斜狀，坡度一般較陡，而前緣多呈長舌狀堆積，坡度明顯變緩。因此，滑坡體中上部形成了“上陡下緩”的儲水地貌。在豐雨期，雨水常裹挾黃土形成的粘滯泥流浸潤沖刷后壁，或形成規模較大的淺層溜坍體覆于舊滑體之上。因此，多數滑坡后緣變形跡象顯著，后壁表層處常發育有一層流塑狀土體(見圖7)，厚10～30 cm。其在枯雨期呈干土塊狀，在連續強降水或地震觸發下，黃土浸潤沖刷體或淺層溜坍體規模會迅速壯大，發育形成規模較大的復活滑體。

圖7 2號滑坡災害后壁沖刷痕跡

受制于“上陡下緩”的儲水地貌，滑坡堆積體含水量分布不甚均勻。堆積體后緣土體含水率較大，一般接近土質塑限，呈可塑-流塑狀；前緣土體含水率一般小于塑限，呈硬塑狀。前緣堆積體常在中上部形成下挫橫向裂縫，或發育成前緣次級滑坡的滑面，常使滑坡堆積體從后向前呈“階梯狀”展布(見圖3)。因此，區內滑坡變形特征普遍顯著，滑坡前緣和后緣在強降水條件下均有復活的可能。

3 滑坡災害成因機理分析

滑坡是指斜坡上的脆弱巖土體在自身內部損傷或外部因素(降雨、地震等)誘發下，向坡外發生運動破壞的自然災害[12-13]。鉆探結果表明，區內滑坡形成后，堆積體成分多為砂質黃土(見圖8(a))，少數規模較大的滑坡底部可見砂巖碎塊層(見圖8(b))，厚度為0.3～2.0 m。按地質成因機理，沿線滑坡災害可分為牽引-溜坍型和溜坍-剪切型兩類。

圖8 滑坡堆積體工程鉆探成果

3.1 牽引-溜坍型滑坡

該類滑坡上部為黃土，下部為弱風化砂巖。斜坡上覆黃土層普遍較厚，垂直裂隙發育，土巖分界面常展布于斜坡中、低高程處。受深厚黃土層的隔絕，下伏砂巖淺層風化程度弱，一般僅發育有一組結構面[14-15]。

在降水期，雨水在破壞黃土土質結構的同時，通過土體內部垂直裂隙滲入至土巖界面處。由于弱風化砂巖透水性較差，在土巖界面處形成了弱透水邊界，導致土體內滲水遇基巖面后流向變為水平向，在斜坡內形成了緩向坡外的滲流場(見圖9(a))。在滲流場的長期作用和自身飽和損傷的共同作用下，坡腳黃土最先失穩，進而牽引后緣土體形成滑坡(見圖9(b)、圖9(c))。由于下伏基巖產狀平緩，在土巖界面處形成的滲流場梯度較小。因此，該類滑坡災害發生過程常較為緩慢，后壁處明顯可見的黃土浸潤沖刷痕跡是該類滑坡正在演化成災的主要表現，而現有災害體的形態是斜坡由外向內逐級漸近式溜坍破壞的結果。

圖9 牽引-溜坍型滑坡災害孕育模式

3.2 溜坍-剪切型滑坡災害

與牽引-溜坍型滑坡不同，該類斜坡上覆黃土層常較薄，土巖分界面展布于斜坡高處，在外動力地質作用下，下伏砂巖風化程度較高，巖體力學性質相對較差。加之多期地質構造活動影響，下伏基巖內普遍發育有2～3組結構面，巖體常被切割成規則塊體，大小不一。

在降雨期，斜坡上覆黃土首先軟化形成溜坍體，并呈泥流狀沿坡面徑流。溜坍體在經由基巖處時運動受阻，在交界面處形成黏滯剪切帶(見圖10)，下伏體積較小的砂巖塊體在長期剪切作用下被破壞，形成含碎屑的溜坍體并向坡外漫流。由于剪切啟動所需剪切應力較大，故該類滑坡的形成多受強降雨或連續降雨的誘發，形成過程一般較短，但形成后態勢發展迅猛，成災規模往往較大。

圖10 溜坍-剪切型滑坡災害孕育模式

4 沿線滑坡災害分布特征

該區內共發育有36處黃土滑坡(見表1)。勘探資料揭露，滑坡堆積體僅為黃土的有29處，堆積體底部含砂巖碎塊層的有7處，故區內滑坡以牽引-溜坍型為主。

表1 沿線滑坡分布規律統計

(1)由表1可知，沿線滑坡高程為1 590～1 670 m，并在不同高程帶內呈規律性分布。牽引-溜坍型滑坡上覆土層較厚，且此類滑坡發育于斜坡的中、低處，并在高程1 590～1 640 m內集中發育，占該類滑坡總數的72.4%；溜坍-剪切型滑坡上覆土層一般較薄，且大都孕育于斜坡的較高處，并在高程1 630～1 670 m內集中發育，占該類滑坡總數的85.7%。

(2)牽引-溜坍型滑坡形成過程緩慢，呈漸近式溜坍破壞，因而此類滑坡多為體積小于10×104m3的小型滑坡，在少數處于溝腦內的斜坡上，發育有體積大于10×104m3的中型牽引-溜坍型滑坡(占此類滑坡的37.9%)。溜坍-剪切型滑坡形成過程迅猛，所需的剪切擾動應力較大，因而此類滑坡發育規模多大于10×104m3，多為中型滑坡，占此類滑坡的71.4%。

(3)遙感解譯結果表明，23處滑坡分布在距斷裂、褶皺構造2 km的范圍內，約占區內滑坡總數的63.9%，特別是在磚石梁隧道附近，構造密集發育。此外，有13處滑坡分布在遠離構造區，多集中在沙河流域兩岸的陡立岸坡處。

5 滑坡對鐵路的危害及防治措施建議

調查期間，區內各滑坡災害變形明顯，兩類滑坡后壁處均可見黃土浸潤沖刷痕跡，前緣多發育有次級滑坡。在多雨或強降雨條件下，區內滑坡繼續發生逐級垮塌的可能性較大，可能會對鐵路路基造成沖毀、掩埋破壞。根據前述分析，風積黃土在降雨條件下的力學行為是沿線滑坡孕育成災的關鍵。建議采取如下防治措施：(1)防治中應注重對風積黃土的處理，可采取放坡開挖、減緩上覆黃土層坡度、清除風積土方等措施，以減少或消除治災因子；(2)防治中應采取排水設施與坡面防護設施相結合的方法，引出和排除地表水，減少坡面雨水徑流，以阻止風積土層遇水形成致災溜坍體。