西寧北山山前崩塌形成機理及防治

魏正發， 嚴慧珺， 應忠敏， 竇增武， 張永艷， 張文穎

(1.青海省地質環境監測總站， 西寧 810008； 2.青海省尖扎縣氣象局， 尖扎 811200； 3.西寧久隆工程勘察有限公司， 西寧 810008)

西寧市地勢西北高東南低，東西狹長，四面環山，三川匯聚，屬典型的山間河谷型城市，下轄城東、城中、城西、城北四區。近東西向的湟水河谷將西寧市山區分為南北兩山，湟水以北為北山，以南為南山；但當地人一般稱湟水河以北、北川河以東、沙塘川河以西這片山區為西寧北山，研究區就位于北山山前地帶。

近年來西寧市地質災害多發群發，發災數量上升明顯，嚴重威脅市區居民及基礎設施安全。 2002—2019年共發生地質災害125起，類型為崩塌、滑坡，地質災害呈條帶狀集中分布于湟水及其一級支流河谷區向低山丘陵區過渡的斜坡地帶，發災數量從2004年前的年均5起增加至2017年后的年均20起以上[1]，且很多地質災害點出現再次變形，地質災害防治工作面臨嚴峻考驗。其中以研究區地質災害最為頻發，區內共發生地質災害35起，占比28%，其中崩塌22起，占比63%，崩塌是區內最典型和突出的地質災害之一。

近年來，許多學者對中國紅層及高位崩塌主要通過研究發育特征、分布規律、形成機理及變形破壞模式進行研究評價。納曼·麥麥提等[2]提出了巖體內節理傾角越大危巖體越不穩；徐偉等[3]認為紅層反向坡、斜向坡的常見破壞模式為軟巖崩解剝落—硬巖卸荷拉裂墜落；王軍朝等[4]提出了紅層的貫通型傾倒式、貫通型滑移式、非貫通型錯斷式和非貫通型拉裂式的四種基本崩塌類型；王毅等[5]認為中、高位崩塌易形成面狀破壞，危害性很大；Yang等[6]認為紅層崩塌主要受危巖體巖性組合和坡體結構面組合控制，其孕災模式為差異風化階段→巖體結構變形破壞階段→懸挑危巖階段→崩塌失穩落下階段；劉榜余等[7]、Xiao等[8]認為軟弱互層紅層差異風化形成的凹巖腔深度對邊坡變形破壞起控制作用，并提出了“清坡+封閉軟層+主動防護網+排水工程”的處治方案。而對于研究區內崩塌研究成果相對較少，魏正發等[1]認為西寧市斜坡地質災害具有中下部滑坡、上部崩塌發育的分布位置差異性特征，且崩塌多發生于坡度80°以上凸形坡；周保等[9]對西寧市地質災害進行了詳細調查，查明了西寧市地質災害發育特征及分布規律；井浩[10]認為這類危巖處理難度極大，并提出了攔石網防護+預裂松動爆破+人工清危相結合的危巖處理方案。

綜上可知，前人研究多針對單個崩塌，對于區域性紅層高位崩塌系統性研究相對較少，且對研究區崩塌系統性研究缺乏，而研究區崩塌是西寧市最典型的地質災害之一，對下方西寧火車站、鐵路、公路、居民區、綠化區等構成威脅。因此，為加強研究區崩塌研究和防治，系統地對研究區崩塌從區域構造、區域構造塑造的地形地貌、地層巖性、風化作用等方面對其形成機理做了深入研究分析，并結合形成機理及變形破壞模式提出了相應的防治措施，研究成果對研究區或類似紅層、碎屑巖崩塌的防治工作具有借鑒意義。

1 地質環境條件

1.1 地質構造

地質構造作用對區域地形地貌的塑造和物質沉積起著控制性作用，而地形地貌和物質沉積又是影響地質災害發育的重要因素，因此研究地質構造是分析地形地貌和物質沉積及地質災害的基礎。研究區屬湟水背斜北翼，軸部位于北山山前[11]，區內斷裂不發育，新構造運動反應明顯，主要經歷了青藏、昆黃和共和運動，尤其以昆黃和共和運動影響最為顯著，表現為距今1.2 Ma以來經歷的六次震蕩式上升，不僅形成了研究區高陡斜坡，同時使區內巖土體內節理裂隙發育，結構松散。

孫瑩等[11]、周保等[9]、何生胤[12]、方小敏等[13]研究表明，西寧盆地為隸屬湟水盆地的一新生代斷陷盆地。古近紀沉積了一套以泥巖石膏巖與砂巖互層為主的湖相地層；新近紀沉積了泥巖夾少量砂巖的湖相地層；第四紀早中期整體進入加速隆升期，湟水盆地自此進入河流地貌塑造階段，昆黃和共和運動對研究區影響明顯，其中昆黃運動是孕災地貌的定型期，共和運動主要以河道加寬、側蝕作用為主。湟水各階地的形成年代也與距今1.2 Ma以來青藏高原經歷的6次劇烈構造上升運動(表1)時期基本吻合，各階地的形成與高原間歇性隆升存在十分密切的聯系；距今約0.6 Ma的昆黃運動第三幕時期高原隆升在湟水盆地內表現空前，湟水河切出最深的IV階地，以北山一顆印、北山寺頂部為代表，基座出露約110 m，北山寺頂部可見砂卵礫石層披覆于階地基座之上。

1.2 地形地貌

研究區位于西寧市北山山前(圖1)，屬湟水北岸河谷平原向低山丘陵區過渡的斜坡地帶，總體地勢北高南低、中間高兩頭低。距今約0.6 Ma強烈的構造隆升和湟水河下切在研究區形成湟水河最高的IV基座階地，伴隨著地殼抬升和雨水的強烈侵蝕作用，區內沖溝發育，地形極為破碎；階地前緣因高陡臨空，不斷遭受風化剝蝕發生崩塌，崩積物堆積于階坎下部低級階地之上，逐漸累積向上，階坎亦不斷后退，形成上部直立陡崖下部斜坡的地貌形態，同時遭受沖溝侵蝕和風化作用，大部分階坎已被夷平、覆蓋而不復存在，久而久之呈現北山山前大部為斜坡，局部陡崖出露的地貌形態。

溝谷侵蝕塑造了研究區不同的地形地貌形態，根據溝谷侵蝕程度和現狀，將研究區地形地貌以王家莊溝為界分兩個次級區域進行分析，分別為西區和東區。其中王家莊溝以西(西區)侵蝕作用更為強烈，主要發育較大型溝谷，如穆朱嶺溝、大寺溝、小西溝和王家莊溝，溝谷長度均在2 km以上，切割深度百米以上，較大型溝谷的發育致使溝口兩側階地地貌局部被沖蝕殆盡，但同時也攔截匯聚了上游降水，致使其他區域雨水沖刷侵蝕作用相對微弱，僅在坡面形成切割深約10 m，長約百米至數百米的小型沖溝，將原始階地地貌較地的保留了下來，如北山寺、林家崖、一顆印、路家莊一帶，較好地保留了上部陡崖下部斜坡、頂部梁峁狀的地形地貌形態(圖2)。而王家莊溝以東(東區)溝谷侵蝕相對較弱，未形成較大型溝谷，而是密集分布長度數百米至2 km，切割深度數十米的小型溝谷，在近6 km的區域發育近20條大小不一走向近一致的沖溝，間隔約300 m就有一條沖溝發育，如此密集的沖溝嚴重損毀了山前階地形態，山前切出三角面，階地基座僅在三角面頂部零星出露(圖3)；整體形成了溝谷切割破碎，坡面整體較為平整的斜坡形態，斜坡坡度25°～40°。

表1 新構造隆升與湟水河階地演化對照Table 1 Correlation between neotectonic uplift and terrace evolution of Huangshui River

圖1 研究區示意圖Fig.1 Schematic diagram of the study area

①～⑥分別對應圖2(b)～圖2(g)圖2 西區危巖分布(據Google Earth)Fig.2 Distribution of dangerous rocks in western district (from Google Earth)

圖3 東區危巖分布(據Google Earth)Fig.3 Distribution of dangerous rocks in eastern district (from Google Earth)

1.3 地層巖性

研究區出露的地層巖性主要有階地主體古近系泥巖石膏巖與砂巖互層巖組，堆積于階地上部的上更新統沖洪積砂卵礫石層和粉土，以及前緣發生崩塌堆積于坡腳的崩塌堆積物和斜坡發生滑坡形成的滑坡堆積物。

(1)古近系泥巖石膏巖與砂巖互層巖組。該套巖組為軟弱湖相層狀碎屑巖組，呈半堅硬-軟弱狀態，由厚度約0.6 m的泥巖石膏巖和0.3 m的砂巖互層組成。其中泥巖石膏巖具遇水易軟化的特性；砂巖呈層狀結構，強度較泥巖高；受風化作用影響形成泥巖石膏巖凹陷砂巖相對凸出的形態。受構造抬升和湟水河下切出露，是構成基座階地的主體，在山前斜坡頂部和沖溝兩側皆可見，主要出露于王家莊溝以西陡崖處，王家莊溝以東零星可見，巖體內發育由新構造運動抬升和不同時期主壓應力方向多次偏轉形成的四組近直立相互正交的構造節理，走向25°～45°和110°～135°，270°～290°和350°～5°。

(2)第四系上更新統沖洪積砂卵礫石層和粉土主要分布于湟水IV階階地基座之上，物質組成以沖洪積粉土、砂礫石層為主，呈成二元結構，上部粉土厚3～5 m，下部砂卵礫石層厚2～6 m。

(3)第四系全新統崩塌堆積物。主要分布于斜坡下部，由階地前緣古近系泥巖石膏巖與砂巖互層巖組、第四系上更新統沖洪積砂卵礫石層和粉土發生崩、墜落形成，堆積于坡腳形成斜坡，堆積物粒徑自坡腳向遠離坡腳方向逐漸變小，粒徑大小不一，大者直徑達數米或數十米，小者粒徑極小甚至為黏粒，孔隙度大，結構疏松雜亂，厚度不一。

(4)第四系全新統滑坡堆積物。物質組成主要為崩塌堆積物，在降雨、人類工程活動等影響下發生滑坡，經滑動作用其結構較崩塌堆積物密實。主要分布于北山寺、林家崖、一顆印等滑坡體上。

1.4 氣象水文

1.4.1 氣象

研究區屬高原半干旱大陸性氣候，具有太陽輻射強、寒長暑短、晝夜溫差較大、蒸發量大，降水量少但集中、冰凍期長的特點。據西寧氣象站2000—2019年觀測資料。多年平均氣溫6.0 ℃，年極端最高氣溫36.5 ℃(2000年7月24日)，年極端最低氣溫-23.8 ℃(2010年12月16日)。多年平均降水量433.2 mm，年最高日降雨量57.8 mm(2007年8月26日)，蒸發量達1 728 mm。降水主要集中在6—9月份，年降水量周期性變化明顯。

1.4.2 水文

湟水河為研究區內的主干河流，為黃河一級支流，自西向東流經研究區，多年平均流量為32.8 m3/s，年平均最小流量4.58 m3/s，最大流量698 m3/s。區內湟水支溝發育，主要有穆朱嶺溝、大寺溝、小西溝、王家莊溝、大山路溝、廟兒溝、紅溝等，均為季節性溝谷，源頭在西寧北山山腦地區，向南流經研究區匯入湟水。

1.5 人類工程活動

研究區屬山前斜坡地帶，人類工程活動不強烈，人類工程活主要有挖坡修路、修建寺廟、北山綠化工程等，其中以北山綠化影響較大，主要有開挖階梯形坡、魚鱗坑槽進行綠化植樹，修建泵站、調節澇池、蓄水池、硬化(簡易)道路、管護房、檢查站，鋪設輸水管線進行日常綠化灌溉等。

2 崩塌基本情況

2002—2019年研究區共發生崩塌22起(表2)，均為巖質崩塌，規模5～1.8×104m3，多為數百立方米，發生坡度均在80°以上，位置位于山前斜坡上部陡崖部位；共造成4人死亡，損毀水渠12 m、房屋5間、輸水管線3條，直接經濟損失29.1萬元；主要發生于研究區西區陡崖處，研究區東區僅發生2起(圖4)，其中一顆印、路家莊北發生5起，林家崖發生4起，北山寺發生3起。崩塌的發育嚴重威脅坡下市區居民小區、工廠企業，青藏鐵路、蘭新高鐵、109國道、G6高速公路等交通干線，北山土樓觀、北山美麗園等旅游景區，輸電、輸水及輸氣等重要輸送管道和北山綠化道路及基礎設施安全。

表2 2002—2019年研究區崩塌災害統計Table 2 Statistics of collapse disasters in the study area from 2002 to 2019

圖4 2002—2019年研究區崩塌分布Fig.4 The Distribution of collapse in the study area from 2002 to 2019

3 成因及形成機理分析

3.1 成因

3.1.1 物質基礎

古近紀沉積的泥巖石膏巖與砂巖互層巖組呈半堅硬-軟弱狀態，單層由厚度約0.6 m的泥巖石膏巖和厚度約0.3 m的砂巖互層，層數百余層；泥巖遇水易軟化，砂巖強度較泥巖高，二者力學強度不一，差異風化明顯，形成泥巖相對凹陷砂巖相對凸出的形態特征，致使巖體組合整體強度低，加之巖體內節理裂隙發育，易變形失穩。

3.1.2 構造運動影響

(1)湟水背斜。研究區屬湟水背斜北翼近軸部處，背斜的發育導致近軸部處巖體結構破碎，節理裂隙發育，為崩塌的形成提供了地質條件。

(2)新構造抬升作用。1.2 Ma以來研究區經歷的六次震蕩式上升，導致古近系泥巖石膏巖與砂巖互層巖組內與巖層近垂直向的原生構造節理發育，由構造運動形成的原生節理具有近等間距分布，貫穿于整個巖組的特征，也為崩塌的形成提供了地質條件。此外，昆黃運動第三幕時期強烈的構造隆升和湟水河下切形成的近直立的階坎，為崩塌的形成提供了地形地貌和良好的臨空條件。

(3)巖體結構。除研究區經歷震蕩式上升在巖體內形成的近垂向的原生構造節理外，新構造以來三次構造運動使研究區內主壓應力方向發生多次偏轉，從青藏運動時期的NNE-SSW向轉為昆黃運動時期的NEE-SWW向，再轉為共和運動時期的NE-SW向，導致區內巖體伴生多組構造節理，加之巖體自身發育的層理、節理及卸荷裂隙等，這些節理裂隙的發育成為控制崩塌的主要因素。

3.1.3 風化作用

圖5 一顆印、路家莊北地區IV階地侵蝕現狀Fig.5 Status of terrace IV erosion in the north of Lujiazhuang, Yikeyin

(1)沖溝內洪流的侵蝕作用。研究區崩塌最為發育的區域屬林家崖和一顆印、路家莊北陡崖處，通過Google影像發現，兩區域階坎參差不齊、凸凹不平，呈鋸齒形(圖5)，經研究發現雖然大沖溝的發育攔截匯聚了上游雨水，但是攔截范圍有限，陡崖頂部仍有小沖溝發育，階坎凸出位置為山脊線，階坎凹陷位置為小型沖溝，可得沖溝內洪流對于崩塌的發生扮演者重要角色；主要表現為沖溝內的洪流沖刷巖體和沿巖層節理裂隙進入巖體通過浸潤、軟化巖層形成崩塌，加速了沖溝發育處階坎的后退。

(2)其他風化作用。研究區朝向南，接到太陽輻射強烈，巖體裸露于地表，白天長時間暴曬和夜間氣溫驟降，在長期反復熱臟冷縮作用下使本身強度較低的泥巖石膏巖與砂巖互層巖組變得更為脆弱；同時研究區冰凍期長，儲存于巖體節理裂隙中的水分，通過冰劈作用增大、貫通巖體裂隙，也是引發崩塌的重要原因。

3.2 形成機理分析

圖6 大寺溝東側巖體內近垂直向的構造節理Fig.6 The near vertical structural joints in the rock mass on the east side of Dasigou

圖7 一顆印巖體發育的垂直節理及形成的平整崩塌面Fig.7 Vertical joints of rock mass and the formation of flat collapse surface of Yikeyin

新構造運動導致研究區震蕩式上升和湟水河下切，形成高陡臨空面和近垂直向的原生構造節理，同時巖層在經歷青藏、昆黃及共和運動作用下，主壓應力方向多次偏轉導致巖層其他構造節理發育(圖6、圖7)，是崩塌發生的先決條件，加之該套地層兩種巖性抗風化能力不同，經長期差異風化形成泥巖層凹陷砂巖層相對突出的巖層形態，突出砂巖由重力產生卸荷裂隙，隨著風化作用裂隙追索巖體內部原生節理裂隙，逐漸形成連通的寬大裂縫，在風化作用下，尤其是在上部沖溝內雨水的沖刷及雨水的入滲、浸潤、軟化作用下加劇了崩塌的發生。但是受限于兩巖性互層，巖層厚度較薄，由原生節理分割的危巖體規模并不大，但是由于重力產生卸荷裂隙往往切割較深，易形成較大規模危巖體。

4 變形破壞模式分析

受特定地形地貌條件影響和主要結構面的控制，西寧北山崩塌可能產生多種形式的變形破壞，如拉裂式崩塌、傾倒式崩塌、錯斷式崩塌等。

4.1 拉裂式崩塌

西寧北山陡崖區的泥巖石膏巖與砂巖呈互層結構，泥巖強度低、易風化，多為凹腔，而砂巖強度相對高、不易風化，多為凸起懸挑，在長期自重作用下凸起巖體上部被逐漸拉裂，進而形成拉裂式崩塌。該套地層構造節理、卸荷裂隙十分發育，拉裂式崩塌的側邊界和后邊界往往追蹤構造節理裂隙、卸荷裂隙等形成，因此拉裂式崩塌為西寧北山最為常見的崩塌類型，在北山沿線均有分布，其規模往往不大，多為幾至幾十立方米。

受區域巖性組合的不同，西寧北山有兩種拉裂式方式。一種產生于石膏巖和泥巖層內(圖8)，凸起懸挑巖體受自重作用產生力矩，巖體垂向方向自上而下產生拉張裂縫，進而產生崩塌。另一種產生于砂巖巖層內(圖9)，凸出巖體受幾組結構面的切割，導致其大部分重量靠巖體層間粘結力承擔，在自重作用下層間不斷產生拉裂變形，最終產生崩塌。

圖8 北山寺拉裂式崩塌隱患Fig.8 Hidden danger of tensile collapse in Beishan temple

紅色箭頭表示崩塌體從母巖分離出來后的崩塌堆積位置(方向)圖9 大寺溝東側層間拉裂式崩塌Fig.9 Interlayer pull-apart collapse on the east side of Dasigou

4.2 傾倒式崩塌

多因巖體重心產生向坡外的偏移，導致危巖體力矩平衡被打破，從而產生向坡外的變形破壞，一般多見于近直立的板狀、薄層狀巖體，或以垂直節理或裂縫與穩定巖土體分開的巨大而直立的巖土體，進而傾倒產生崩塌。西寧北山陡崖區的垂直構造節理裂隙極為發育，在一顆印至路家莊一帶形成了高達110 m的陡崖，巖體卸荷過程中追蹤構造節理裂隙容易形成相對獨立的長柱狀危巖體，進而在自重或者外力作用下形成傾倒式崩塌，其規模往往較大，方量數十立方米以上(圖10)。

圖10 一顆印傾倒式崩塌隱患Fig.10 Hidden danger of dumping collapse in Yikeyin

4.3 錯斷式崩塌

往往產生于懸于陡崖邊緣的巖體，其部分被結構面切割，部分與山體連接為一體，因而在巖體自身重力的長期作用下，未被結構面切割的巖體部分無法承受因重力作用而導致的巨大剪切力而產生錯斷，從而產生錯斷式崩塌。西寧北山錯斷式崩塌主要發育在林家崖一帶的陡崖區域(圖11)，由于陡崖下方為崩坡積陡坡，錯斷式崩塌形成后直接楔入松散土體中，崩積物內部巖體結構基本完整，層面產狀由近水平狀變為明顯反傾坡內。該類崩塌規模較大，往往幾十至百立方米左右。

紅色箭頭表示崩塌體從母巖分離出來后的崩塌堆積位置(方向)圖11 林家崖錯斷式崩塌Fig.11 Staggered collapse of Linjiaya

5 防治措施分析

崩塌的防治措施有主動防護和被動防護兩類，其中主動防護有危巖清除、錨索加固、掛網噴漿、凹腔嵌補、地表截流、灌漿加固、護墻護坡等；被動防護有攔石墻、落石槽、被動防護網、樹木攔擋等措施。通過研究區崩塌成因、形成機理和變形破壞模式研究，區內崩塌屬高位崩塌，防治難度大，加之泥巖砂巖互層巖組層數多，凹腔嵌補、護墻護坡顯然不合適研究區，但在陡崖底部可局部應用；又因原生垂直向構造節理的發育，清除一組危巖，短期內可能效果明顯，但就如“剝洋蔥”，消除一組危巖勢必會形成另一組危巖，加之陡崖施工難度大，大規模危巖清除也太不適合研究區，可用于危險性較大的危巖局部應急治理；研究區出露的泥巖砂巖互層巖組為丹霞地貌，是西寧市北山重要的景觀，若開展掛網噴漿、錨索加固、灌漿加固，勢必會造成景觀破壞，若在坡腳修建攔石墻亦會影響自然景觀。此外，由崩塌成因可知，坡頂沖溝的發育對于崩塌的發生扮演者很重要的角色，因此將坡頂沖溝內雨水截流或引流排出坡體，減少洪流對陡崖前緣沖蝕，對于減少崩塌的發生效果會更明顯，亦可以在易發地段斜坡中下部開挖落石槽，坡腳修建被動防護網，種植粒徑較粗樹木，被動防護崩塌災害。

根據研究區崩塌的形成機理和變形破壞模式，拉裂式崩塌主要是由于巖體差異風化，泥巖石膏巖層形成凹腔，砂巖凸起懸挑，凸起懸挑巖層因無法承受重力，卸荷產生崩塌，可采用凹腔填補方式支撐凸起懸挑巖層防止其變形加劇。傾倒式崩塌多因巖體重心產生向坡外的偏移，導致危巖體力矩平衡被打破，從而產生向坡外的變形破壞，可采用錨索加固、灌漿加固、掛網噴漿等方式增加向坡內的壓力或巖體間的黏聚力，從而防止巖體向外變形。錯斷式崩塌主要是由于巖體部分被結構面切割，且底部臨空，在巖體自身重力的長期作用下，未被切割部分無法承受巨大剪切力而發生崩塌，可采用護墻護坡、錨索加固、凹腔填補、灌漿加固等方式進行防治，但該丹霞地貌是北山重要的自然景觀，工程防治措施不應大規模使用。

6 結論

(1)北山山前崩塌是研究區乃至西寧市最典型的地質災害之一，具有線形分布于北山山前斜坡上段陡崖，研究區西段集中發育，東段不發育的特點。

(2)崩塌的形成是多方面作用的結果，古近系泥巖石膏巖及砂巖互層巖組是崩塌發育的物質基礎，構造運動為崩塌的形成提供了地質條件，風化作用加劇了崩塌的形成。其中新構造運動致使研究區震蕩式上升和主壓應力方向發生偏轉，形成高陡臨空面和近垂直正交的多組構造節理，是崩塌發生的先決條件，沖溝降雨對巖體的沖刷及雨水入滲、浸潤、軟化巖體是發生崩塌的重要誘發因素。

(3)研究區崩塌屬高位崩塌，防治難度大，加之組成陡崖主體的百余層泥巖石膏巖與砂巖互層巖組為丹霞景觀地貌。防治時應在盡量保護的前提下，主要采用坡頂截流引流，斜坡中下部開挖落石槽；坡腳修建被動防護網、擋墻，種植粒徑較粗樹木攔擋等主動和被動防護相結合的方式進行防治，同時對于陡崖頂部和底部小規模危巖可局部采用凹腔嵌補、噴漿加固等方式防治，必要時可局部清除危巖。

(4)按崩塌變形破壞模式及機理，拉裂式崩塌宜采取凹腔填補，傾倒式崩塌采取錨索加固、灌漿加固、掛網噴漿，錯斷式崩塌采取護墻護坡、錨索加固、凹腔填補、灌漿加固等局部主動防護措施。

(5)研究區屬西寧市北山綠化區，人類工程活動主要為修建綠化配套設施、灌溉、機械擾動等，今后綠化區管護單位要加強巡查，嚴防綠化管線滲漏，減少人為擾動，合理部署灌溉方式和時間。

(6)隨著坡頂沖溝洪流侵蝕陡崖巖體發生崩塌，致使沖溝附近階坎后退，而兩沖溝所夾階坎則相對突出、三面臨空，更利于崩塌的形成，因此階坎突出部位亦是今后崩塌重點預防地段。