黃土滑塌基于GIS的危險性預測研究

雖然黃土滑塌是砂黃土和粉質(zhì)黃土斜坡特有的地質(zhì)災害現(xiàn)象，但并非這種地區(qū)的黃土斜坡到處都會發(fā)生破壞，這主要是因為黃土滑塌災害的形成和演化受到多方面因素如地貌條件、坡形(坡比、坡高)、黃土的微觀和宏觀結(jié)構(gòu)、強度參數(shù)、氣候參數(shù)等的影響。近年來，GIS技術(shù)和神經(jīng)網(wǎng)絡方法在工程地質(zhì)和巖土工程領(lǐng)域得到了廣泛應用，并在實踐中發(fā)揮了積極的作用。但是依靠GIS技術(shù)建立一個地區(qū)的地質(zhì)資料庫，不進行進一步的分析評價，只能稱作是空間數(shù)據(jù)庫，并不能達到地質(zhì)災害危險性區(qū)劃的目的。而孤立的神經(jīng)網(wǎng)絡方法由于數(shù)據(jù)獲得的困難和偏差，在實際應用中也會大受局限。如何將二者結(jié)合起來，快速有效地得出實用的評價預測結(jié)果，成為當前的熱點問題，在當前西部大開發(fā)的形式下，地質(zhì)災害區(qū)劃的重要性得到了許多學者的認同，許多研究者已開始在這方面進行探索。因此作為西北黃土高原影響工程建設和生態(tài)環(huán)境的黃土滑塌災害預測或區(qū)劃勢必成為當前的熱點研究課題

形成機理研究是一切定量分析和地質(zhì)災害防治的基礎(chǔ)。實踐表明，在解決黃土地質(zhì)工程問題時，首先要合理地確定工程地質(zhì)預報時所必須的工程地質(zhì)力學模型，這是地質(zhì)工程問題預測預報的基礎(chǔ)，地質(zhì)模型和數(shù)據(jù)的精確性決定分析結(jié)果的可靠性，離開可靠的地質(zhì)模型分析任何分析方法和精度都是無意義的，初步研究表明，黃土斜坡(邊坡)滑塌作用在產(chǎn)生機理和破壞方式上介于崩塌和滑坡之間，它具有滑動變形的機制、滑床的分布特點，又有崩落、崩塌破壞作用的產(chǎn)物。黃土斜坡滑塌破壞過程大致可分為三個階段：早期后緣拉張破壞、滑體坐落、前緣強度屈服(結(jié)構(gòu)剪切破壞)、坡腳鼓出階段；快速滑動階段；破體結(jié)構(gòu)解體、崩落和堆積階段。但目前對黃土滑塌的成災機理和發(fā)生演化過程還需要作進一步的理論和試驗分析。

許多黃土理論和黃土工程性質(zhì)研究都發(fā)現(xiàn)，中國黃土顆粒作為具有明顯的地帶性分布規(guī)律，即西北粗、東西細[4]。根據(jù)對黃河中游水土流失調(diào)查項目沿線黃土區(qū)滑塌現(xiàn)象的野外調(diào)查，以前人們研究結(jié)果分析，發(fā)現(xiàn)黃土滑塌災害的形成發(fā)育不僅具有明顯的地域性，而且黃土滑塌災害的發(fā)生極其發(fā)育程度與黃土本身的物質(zhì)組成、結(jié)構(gòu)，尤其是黃土顆粒成分變化的地帶性密切相關(guān)。劉東生等(1965)根據(jù)黃土高原黃土顆粒成分測試結(jié)果，自西北向東南依次劃分出三個帶，即砂黃土帶、黃土帶和粘黃土帶。最北部1帶砂黃土帶，即鹽池、榆林、靖邊以南，海源、志丹、子長、寧武以北和以西地區(qū)。通過對本區(qū)以往黃土顆粒分析結(jié)果的統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，砂黃土帶的小于0.005mm粘粒含量通常小于10%，這一地區(qū)正是黃土滑塌災害最嚴重的地區(qū)；第2帶為第1帶以南，渭源-臨汾一線以北的典型黃土帶，即粘粉質(zhì)黃土帶。其小于0.005mm粘粒含量大致在10%~20%，粘聚力約為25kPa~35kPa左右，這一地區(qū)為滑塌地質(zhì)災害中等或弱發(fā)育區(qū)。第3帶即包括西安、寶雞、天水、洛陽在內(nèi)的粘聚力高達40kPa~50kPa，滑塌地質(zhì)災害極少見。由此可見，滑塌地質(zhì)災害的地域性與黃土顆粒成分變化的地帶性極為一致。可以認為，黃土滑塌是砂黃土和粘粉質(zhì)黃土斜坡特有的地質(zhì)災害現(xiàn)象，但滑塌作用的發(fā)生通常還受以下因素的影響：

滑塌作用主要發(fā)生在高度10m以上，甚至100m以上的主要由厚層馬蘭黃土組成的斜坡帶，黃土斜坡的坡度通常50°以上，斜坡下部為離石黃土者也可發(fā)生。由于組成砂黃土的砂粒和粗粉粒含量高達85%，而0.005mm粘粒含量小于10%，這類黃土具有較高的摩擦強度，內(nèi)摩擦角可達28°~34°，因此常形成高陡的天然斜坡，而且滑塌破壞的滑床坡度仍可達50°~60°。

在自然條件下，在川地和大型沖溝兩側(cè)，黃土斜坡可因河水側(cè)向浸蝕或洪水沖刷坡腳(非基巖出露的沖溝、河道)而發(fā)生滑塌，并且雨季比旱季發(fā)生的頻率高。

在川地或大型沖溝中，修筑水庫引起的水位抬高、庫水浸潤坡腳等，可誘發(fā)黃土滑塌災害發(fā)生。

在黃土塬邊和其他黃土斜坡地帶，因修筑壩高、坡比過大而出現(xiàn)強烈滑塌現(xiàn)象。特別是一些縣、鄉(xiāng)鎮(zhèn)級公路建設中，斜坡內(nèi)側(cè)雖留有排水溝，但大多未進行襯砌，促使雨水聚集、滲透、坡腳浸水軟化，反而易誘發(fā)黃土滑塌災害。

根據(jù)現(xiàn)場地質(zhì)調(diào)查以及與典型黃土滑坡、崩塌對比分析，黃土滑塌通常具有以下主要特征：

1)滑塌體在形態(tài)上常呈馬蹄狀或桃形，其后緣均有清晰的環(huán)形或半圓形沿垂直張裂縫隙形成的高約1.0m~1.5m的陡壁，兩側(cè)為不同弧度的弧形、底部受滑塌堆積面(道面、河谷地面等)控制。在剖面上除頂部拉張外，為高角度的光滑弧面或平面，且上陡下緩，總體坡度在50°~60°左右，有的研究者形象地稱之為L型。

2)單個滑塌體的規(guī)模通常不大，高度可超過50m~60m，寬度可達80m~100m，滑塌體的厚度通常不超過10m，一般小于5m?；w的體積一般僅數(shù)萬方，比典型的黃土滑坡要小得多，卻比黃土崩塌要大得多?；w通常是由黃土碎塊、黃土粉狀物構(gòu)成的松散堆積體，而不是像黃土滑坡那樣由縱、橫長大裂隙所分割的臺階狀，是連續(xù)的整體。

3)黃土滑塌災害通常僅發(fā)生在高度超過10m、坡度大于50°的高陡斜坡上，斜坡主要由馬蘭黃土構(gòu)成，而大型黃土滑坡在坡度小于30°的斜坡上照樣發(fā)生。

4)黃土滑塌體的下限一般僅限于天然斜坡的坡腳和人工邊坡的臺面(如公路道面、窯洞前的地面等)，這與黃土滑坡穿切路面直至溝底有本質(zhì)的區(qū)別。此外，高陡黃土斜坡的滑塌作用可以連續(xù)發(fā)生，即滑坡后的邊坡可以再次發(fā)生滑塌破壞。

5)在滑塌作用所形成的滑床底部和兩側(cè)的黃土中常常分布著壁理化的碎裂剪切帶，可根據(jù)這一現(xiàn)象判別該處斜坡歷史上是否發(fā)生過滑塌作用。遭受過古、老滑塌作用的斜坡更容易再次產(chǎn)生新的滑塌作用。

近幾年，從多項有關(guān)的地質(zhì)災害調(diào)查評價工作中發(fā)現(xiàn)，晉西黃土高原尤其是永和、隰縣一線，黃土斜坡帶大量分布著黃土高原其他地區(qū)少見的突發(fā)性地質(zhì)災害---黃土滑塌。這種特殊的邊坡變形災害既不同于典型滑坡，又不同于崩塌，而是具有先滑后塌兼有滑坡和崩塌某些特點的過渡性斜坡破壞特征。所謂的黃土滑塌，是指黃土斜坡特別是高陡斜坡在自然因素或人類工程活動影響下所引發(fā)的突發(fā)性兼有滑動與倒塌、崩塌特點的特殊地質(zhì)災害類型，具有滑坡和崩塌兩種機制和先滑后塌的變形破壞過程。

黃土高原區(qū)是我國重要的能源基地，這里蘊藏著豐富的天然氣、石油及煤炭資源，隨著我國經(jīng)濟戰(zhàn)略逐漸向西部傾斜，這一地區(qū)的城市建設、公路、鐵路及水利工程等迅速發(fā)展，工程建設規(guī)模不斷擴大，等級也相應提高。但是黃土地區(qū)高邊坡尚缺乏明確的技術(shù)標準，以至因設計不當而導致的黃土高邊坡變形破壞問題時有發(fā)生，盡管黃土滑塌的規(guī)模一般小于典型滑坡，但由于黃土滑塌災害的突發(fā)性，其產(chǎn)生的危害和損失是相當巨大的。同時應當看到，黃土滑塌災害不是孤立的，尤其是在砂黃土區(qū)，黃土滑塌往往與水土流失共生，它們的發(fā)生、發(fā)展有一定的內(nèi)在聯(lián)系(有共同的物質(zhì)基礎(chǔ))。這就要求在黃土滑塌災害環(huán)境地質(zhì)工程防治對策研究中從整體出發(fā)，進行綜合防治。 2100433B

黃土濕陷性評價（evaluation of loess collapsibility）是指系統(tǒng)地確定黃土的濕陷性，劃分黃土自重濕陷性和非自重濕陷性的類別，對濕陷性黃土的濕陷程度進行分級以及判定黃土濕陷性的起始壓力等工作。

此外黃土的濕陷性評價還包括確定濕陷性黃土的分布范圍、深度界限與厚度大小，區(qū)分濕陷性強烈程度及其在地層中的規(guī)律性等。 2100433B

從平面上看，黃土塬常呈花瓣狀。黃土塬頂面平坦，坡度多為1～3°，邊緣可達5°左右，周圍為溝谷深切，黃土塬代表黃土的最高堆積面?，F(xiàn)代侵蝕微弱，是黃土高原地區(qū)的主要農(nóng)耕地所在。因受溝谷侵蝕影響，塬面的面積正在縮小。

黃土濕陷性（collapsibility of loess）是黃土的一種特殊的工程地質(zhì)性質(zhì)。黃土具有在自重或外部荷重下，受水浸濕后結(jié)構(gòu)迅速破壞發(fā)生突然下沉的性質(zhì)。引起濕陷的原因是因為黃土以粉粒和親水弱的礦物為主，具有大孔結(jié)構(gòu)，天然含水量小，具有粘粒的強結(jié)合水連結(jié)和鹽分的膠結(jié)連結(jié)，在干燥時可以承擔一定荷重而變形不大，但浸濕后，土粒連結(jié)顯著減弱，引起土結(jié)構(gòu)破壞產(chǎn)生濕陷變形。2100433B