（地质工程专业论文）吴起县黄土滑坡滑动模式及形成机理研究.pdf

摘要 近年来，随着地方经济的飞速发展和人类工程活动的增加，陕北地区地质灾害发生 频繁且种类繁多，所造成的经济损失数额巨大，地质灾害已成为制约地方经济和社会发 展、恶化生态环境的主要因素之一。黄土滑坡为当地众多地质灾害中发育数量最多，破 坏程度最大的灾害之一，加强黄土滑坡滑动模式及形成机理的研究显得日益重要。 本文结合中国地质调查局2 0 0 8 年下达的“陕西省延安地区地质灾害详细调查”任 务，在对吴起县地质灾害详细调查及室内试验等工作的基础上，对黄土滑坡展开了系统 的工程地质研究工作。首先，对该地区黄土滑坡的特征和滑坡形成的内外因素进行了深 入剖析，认为降雨及人类工程活动是吴起地区黄土滑坡最主要的诱发因素；根据滑体结 构特征和滑面特征归纳出该地区黄土滑坡的三种滑动模式，即沿圆弧面滑动、沿直线型 滑动面滑动和沿折线型滑动面滑动：运用土力学、土动力学、弹塑性力学等原理定性分 析了滑坡的形成机理，如滑坡的应力场分析，滑坡的形成过程及变形破坏模式分析，重 点分析了降雨诱发滑坡及工程型滑坡的形成机理；最后采用f u 屺2 d 软件针对某一特定 边坡，分别进行了天然状态、水作用下以及增大坡角+ 上部堆载三种工况的数值模拟， 并从三种工况计算所得的最大剪应力速率分布云图、位移变形图和应力分布图分析了滑 坡变形破坏的发展趋势以及滑坡变形破坏时剪应力屈服和拉应力屈服分布，进一步验证 了黄土地区边坡失稳的影响因素及其滑坡形成机制。 关键词：黄土滑坡、滑坡特征、滑动模式、形成机理、数值模拟 a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fl o c a le c o n o m i c sa n dt h ei n c r e a s i n gh u m a n e n g i n e e r i n ga c t i v i t i e s ，t h ev a r i o u sg e o l o g i c a lh a z a r dc a u s e st h ee n o m o u se c o n o m i cl o s s e s w h i c ht a k e sp l a c ef r e q u e n t l yi nn o r t h e r ns h a n x i t h eg e o l o g i c a lh a z a r dw a so n eo ft h em o s t i m p o r t a n tf a c t o r sw h i c hi m p o s eag r e a tb a r r i e rt ot h ed e v e l o p m e n to ft h ee c o n o m i c sa n dt h e s o c i e t ya n dw o r s e nt h ee n v i r o n m e n t l o e s sl a n d s l i d ei sm o s ta b u n d a n ti nt h el o c a lg e o l o g i c h a z a r d s ，a n di ti sa l s oo n eo ft h em o s td i s a s t e r sw h i c hc a nc a u s et h eh i g h e s td e g r e eo f d e s t r u c t i o n ，s oi tb e c o m em o r ea n dm o r ei m p o r t a n tt os t r e n g t h e nt h es t u d yo ft h es l i d i n g m o d e sa n df o r m a t i o nm e c h a n i s ma b o u tl o e s sl a n d s l i d e t h i sp a p e rc o m b i n e sw i t ht h ed e t a i l e di n v e s t i g a t i o nt a s ko fg e o l o g i c a ld i s a s t e ri ny a n a n o fs h a n x ip r o v i n c ew h i c hi s s u e db yc h i n ag e o l o g i c a ls u r v e yb u r e a ui n2 0 0 8 o nt h eb a s i s o ft h el a b o r a t o r yt e s ta n dt h ed e t a i l e ds u r v e yo ft h eg e o l o g i c a ld i s a s t e ri nw u q i ，i tc a r r i e do u t r e s e a r c hw o r ko ng e o l o g ye n g i n e e r i n ga b o u tl o e s sl a n d s l i d e f i r s to fa l l ，t h i sp a p e rh a sa n i n d e p t ha n a l y s i st ot h ec h a r a c t e r i s t i c so fl o e s sl a n d s l i d ea n di n t e r n a la n de x t e r n a lf o r m a t i o n f a c t o ro fl a n d s l i d es 0t h a tr a i n f a l la n dh u m a ne n g i n e e r i n ga c t i v i t i e sw e r et h em a i n p r e d i s p o s i n gf a c t o ro fl o e s sl a n d s l i d ei nw u q i a c c o r d i n gt ot h es t r u c t u r eo fg l i d i n gm a s sa n d c h a r a c t e r i s t i c so f s l i d i n gs u r f a c e ，i ts u m m e du pt h et h r e es l i d i n gm o d e so fl o e s sl a n d s l i d ei n t h i sa r e a , s u c ha ss l i d i n ga l o n gt h ea r es u r f a c e 、s l i d i n ga l o n gt h el i n e a rs u r f a c ea n da l o n gt h e s l i d i n gs u r f a c eo fp o l y g o n a l s h a p e ；i ta n a l y s e sq u a l i t a t i v e l yt h ef o r m a t i o nm e c h a n i s mo ft h e l a n d s l i d eb yu s eo fs o i lm e c h a n i c s ，s o i ld y n a m i c s ，p r i n c i p l eo fe l a s t i c - p l a s t i cm e c h a n i c s ，s u c h a sa n a l y s i so fs t r e s sf i e l do fl a n d s l i d e 、f o r m a t i o np r o c e s sa n dd e f o r m a t i o na n df a i l u r em o d eo f l a n d s l i d e ，f o c u so na na n a l y s i so fr a i n i n d u c e dl a n d s l i d ea n dt h ep r o j e c t t y p el a n d s l i d e f o r m a t i o nm e c h a n i s m f i n a l l y , t h i sp a p e ru s e st h es o f t w a r eo ff l a c 2 df o rap a r t i c u l a rs l o p e ， s i m u l a t e st h et h r e es t a t e s ，s u c ha sn a t u r a ls t a t e ，w a t e re f f e c ts t a t ea n df u n c t i o n so f i n c r e a s i n g s l o p ea n g l e + t h eu p p e rl o a d i n g ，f r o mt h ec l o u dp i c t u r eo fd i s t r i b u t i o no fm a x i m u ms h e a r s t r e s sr a t e ，d i s p l a c e m e n td e f o r m a t i o np i c t u r ea n ds t r e s sd i s t r i b u t i o np i c t u r e ，i ta n a l y s e st h e c h a n g ea n dd e v e l o p m e n tt e n d e n c yo fl a n d s l o p ea n dt h ey i e l dp o s i t i o no fs h e a rs t r e s sa n d t e n s i l es t r e s s ，a n dh a sf u r t h e rv e r i f i c a t i o ni n f l u e n c i n gf a c t o r so fs l o p ef a i l u r ei nl o e s sr e g i o n s a n dd e f o r m a t i o nm e c h a n i s mo fl a n d s l i d e i i k e y w o r d s ：l o e s sl a n d s l i d e , l a n d s l i d ec h a r a c t e r i s t i c s ，s l i d i n gm o d e ，f o r m a t i o n m e c h a n i s m ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o n i i i 论文独创性声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行研究工 作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重 要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论文中不包含任何 未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：d 多姗7 年6 月弓日 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属学 校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权 利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成 果时，署名单位仍然为长安大学。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 2 卯7 年b 月弓日 j 叫年6 月弓日名眵川，剖 名 孔 捌 名 作 市 划 师 长安大学硕士学位论文 1 1 选题意义 第1 章概论 黄土( l o e s s ) 是一种第四纪松散沉积物，因其具有特殊的成分和性质而在工程土 类中占据特殊的地位，它有别于同期的其它沉积物，在地理分布上也有一定的规律性。 世界上许多国家如美国的中西部、俄罗斯南部、法国北部和加拿大东部、澳大利亚和中 欧中部等都有黄土分布。我国黄土分布面积约为6 3 1 0 0 0k m 2 ，占我国陆地面积的6 6 ， 主要分布于甘肃的中部和东部，陕西的中部和北部，内蒙古伊克昭盟的南部和西部，山西 的大部分地区，河南西北部以及山东西部等地。它广泛不整合披盖于不同的阶地卵石层、 新近系、白垩系等古老地层的风化剥蚀面上，形成典型的黄土地貌景观。 黄土滑坡是黄土地区最为严重的地质灾害t ，它常常中断交通、摧毁厂矿、堵塞河 道、掩埋村镇，给人民生命财产造成巨大损失。据不完全统计，陕西省已发生黄土滑坡 1 1 3 1 处，兰州地区1 3 0 0 余处，甘肃省东部4 5 7 6 处。致灾后果较严重的如：1 9 8 3 年3 月7 日发生于甘肃东乡洒勒山的超大型黄土滑坡【2 】2 个村庄被毁，2 2 7 人丧生，2 2 人受重伤， 破坏房屋5 0 0 间，毁坏小型水库1 座；1 9 8 4 年1 2 月，陕西省泾阳县发生蒋刘滑坡，压埋 1 5 9 间民房，造成2 0 人死亡；1 9 8 5 年陕西省铜川市发生川口滑坡，滑体上变电站和住宅 楼遭到破坏，4 2 9 间居民房搬迁，死亡4 人，伤1 5 人，直接经济损失1 0 0 0 万以上。而 且滑坡灾害随着西部开发，社会经济的高速发展及自然环境的不断恶化而还在继续增 加。 长期以来，人们在认识滑坡、研究滑坡、整治滑坡的道路上，经历了漫长的过程。 上世纪5 0 年代初期，由于对滑坡产生的条件、作用因素和运动机制以及滑坡的危害性 缺乏认识，在工程建设中盲目挖方造成滑坡的灾害事件屡屡发生，被迫对已发生的滑坡 进行勘测、研究和治理，既耽误了工期，又增加了投资，造成很大的浪费。6 0 年代人 们总结了以往的经验教训，开始加强地质工作，在建设中注意避开大型滑坡和滑坡集中 分布地段，减少了大量的滑坡危害，但对滑坡发生和形成机理的认识尚不深入。徐邦栋、 王恭先等编写的滑坡防治一书，全面地反映了我国2 0 世纪5 0 - - 6 0 年代在滑坡防治 方面的经验和科研成果。在多年实践中人们逐渐认识到要有效地预防、减轻和防治滑坡 灾害，必须深入系统地研究各类滑坡的类型、分布、产生的条件、作用影响、及其发生 和运动的机理，对此列出了若干个专题进行研究，提出了滑坡的分类和分布规律、形成 第l 章概论 滑坡的地形地质条件、滑带土的抗剪强度随着滑坡过程的变化规律、滑坡稳定性的判断 方法、防治滑坡的原则和有效工程措施等，特别是抗滑桩的应用使得许多大中型滑坡得 到治理，滑坡灾害治理建立在一定的理论基础上，变被动治理为主动预防。随着国民经 济的大发展，滑坡灾害的影响更加突出，对防灾减灾的要求也更高。重点工程项目建设 前应进行灾害调查、预测和评价，或事先避让，或采取预防措施，防止和减少灾害的发 生。2 0 0 1 年徐邦栋编著的滑坡分析与防治及2 0 0 4 年王恭先编著的滑坡学与滑坡 防治技术d 6 】两本书，反映了我国近期滑坡治理的较高的技术水平。 然而，滑坡灾害并没有减少，尤其在黄土高原地区，滑坡造成屋毁人亡事件几乎每 年都有而且滑坡灾害的危害随经济发展日益严重。因此，以黄土滑坡为研究对象，开展 对黄土滑坡形成的环境地质条件，黄土滑坡的类型、形成机理以及滑动模式的总结分析 研究，不仅能更好的反映黄土滑坡的特征、属性，进一步完善滑坡学学科，而且能更好 的指导生产实践。 1 2 国内外研究现状 滑坡机理揭示了滑坡从孕育、发展直至死亡的全过程，认识滑坡机理是开展滑坡灾 害预测预报和进行防治的基础。开展滑坡机理研究在揭示滑坡运动过程的同时，对滑坡 的稳定性评价、滑坡预报、滑速滑距的预测、滑坡防治等也有重要意义。尽管滑坡的形 成很复杂，至今还不能很完善地对其作出解释，但目前所取得的研究成果还是很喜人并值 得肯定的。在国外，太沙基( t e r z a g h i ，1 9 5 0 ) 是从土力学方面研究滑坡机理的开拓者【4 】，他 主要从滑带土孔隙水压力的变化来揭示滑坡机理，同时也注意到了地质条件的应用。之 后，赫佛利( h a e f e l i ，1 9 6 5 ) 、摩根斯顿( m o g e n s t e m ，1 9 7 1 ) 、伏斯列夫( h v o r s l e v , 1 9 5 1 ) 等定量 地研究了孔隙水压对土体强度的影响；斯开普敦( s k e m p t o n ，1 9 6 6 ) 关于粘性土的残余强度 理论和捷尔一斯捷潘尼扬( t e r - s t e r p a n i a n ，1 9 7 5 ) 关于土体蠕变过程的研究把滑坡机理的 研究进一步推向深入。在国内，许多工程地质学家、土力学家以及滑坡防治专家对滑坡 形成条件和作用因素、滑坡的受力状态、滑带土的强度变化规律、滑坡的破坏模式及发 育阶段等问题进行了多方面的探索和研究，如：徐邦栋等以滑动带成因和形态为主并结合 滑动特征，阐述了我国铁路建设中常见的沿已有软弱构造带( 面) 滑动的滑坡：因下 伏软岩挤出形成的错落性滑坡；沿新生弧形面滑动的滑坡；胀缩土滑坡；黄土崩 塌性滑坡等的发生机理和变化过程；晏同珍根据滑坡发生的初始条件、原因及滑动方式， 概括了滑坡形成的8 种机理【3 】，即流变倾覆、应力释放平移、震动崩落及震动液化平推、 2 长安大学硕士学位论文 潜蚀陷落、地层悬浮一下陷、高位能飞越、孔隙水压浮动、切蚀加载等；卢肇钧从应 力状态和应力路径、应变、孔隙水压力、加荷速率、受力时间、土体不均匀性和不等向 性等方面阐述了土体的破坏机理；张倬元、王兰生等从坡体的地质结构和受力过程出发 提出了5 种滑坡破坏模式；胡广韬提出滑坡滑动的“临床弹性冲动效应”机理【硼；徐峻岭 提出滑坡滑动的“闸门效应”机理；王兰生提出“平卧支撑拱”的作用机s is 王思敬、王效 宁提出“结构释能”机理；刘光代提出“牵引推动式”机制；高根树提出了两类大型“斜坡 牵引失稳产生次生高能滑体与先失稳滑体发生碰撞，经过能量传递调整获得高速”和“滑 体下伏岩土体内形成低摩擦次生滑动面使滑体的高速滑动维持较长一段时间”高速滑坡 滑动机理；廖小平、徐峻岭、郑静提出了“冲击碰撞作用机理和连续可变的块体运动理 论”。王家鼎研究了强震作用下低角度黄土斜坡滑移的复合机理、地震诱发高速黄土滑 坡的机理【卯、饱和黄土蠕动液化机理【6 】【7 1 、灌溉诱发高速黄土滑坡的运动机理；唐静等 提出了后部土( 岩) 体的楔劈作用以及弹射冲击波作用是突发性高速滑坡形成及发展的 重要机理等等。 一虽然有众多的学者在从事滑坡机理研究，但由于多种原因，目前国内对滑坡机理全 面、系统的研究还很少。同时，针对特定地区、特定滑坡进行的机理研究成果，很难在另 一地区、另一滑坡上应用，即使是类似滑坡其应用也很困难。 1 3 黄土滑坡研究内容和技术路线 1 3 1 研究内容 本文的研究是结合国土资源部中国地质调查局2 0 0 8 年下达的计划项目的子项目 陕西省吴起县地质灾害详细调查( 1 2 1 2 0 1 0 8 1 4 0 2 3 ) 完成的，研究的主要内容有以下 几点： ( 1 ) 吴起地区区域地质环境和黄土特性研究； ( 2 ) 吴起县黄土滑坡形成条件、形貌特征及滑动模式研究； ( 3 ) 吴起县黄土滑坡形成机理研究； ( 4 ) 滑坡形成机理有限元数值模拟； 1 3 2 技术路线 本文研究工作的技术路线如图1 1 所示。 3 第l 章概论 图1 1 吴起县黄土滑坡研究技术路线 4 长安大学硕+ 学位论立 第2 章吴起地区区域地质环境和黄土特性研究 2l 吴起地区区域地质环境阿1 2 11 地理位置及气象条件 吴起县地处延安市西北部。西北与定边县接壤，东南与志_ j | 县毗邻，东北以红柳河 为界与靖边县隔河相望，西南与甘肃省华池县为邻。地理坐标为东经：1 0 7 6 3 8 5 7 “ 1 0 8 。3 2 。4 9 ”；北纬：3 6 3 3 3 33 7 0 2 4 2 7 ”，总面积3 7 9 15 k m 2 ，人口1 27 万( 其中农业 人口1 09 万) 。全县共辖4 个镇、8 个乡，即吴起镇、周湾镇、白豹镇、铁边城镇、长 城乡、五谷城乡、薛岔乡、吴仓堡乡、新寨乡、长官庙乡、王洼子乡、庙淘乡。( 交通 位置见图2 1 ) 图2 1 吴起县交通位置圈 吴起县地处中纬度，属中温带半湿润一半干旱气候区，具明显的温带大陆性季风气 候特征。冬季寒冷干燥。春季干旱多风，夏季旱涝相问秋季温凉湿润。据金佛坪气 象站1 9 6 9 2 0 0 6 年观测资料，年平均气温7 8 c ，元月份最冷，平均气温 一7 8 v ，7 月份晟热，平均气温2 l6 ；极端最低气温2 5 1 ，无霜期1 4 6 天。 由于吴起县位于西北内陆高原，东南季风影响较弱，成为延安地区的少雨中心t 多 年平均降水量仅4 8 34 m m 而且时空分布差异较大。 ” 1 、， 、 ，j三 h i 第2 章吴起地区区域地质环境和黄土特性研究 ( 1 ) 降水相对集中。七、八、九三个月降水量约占全年6 2 ，其余九个月降水量 仅为年总量3 8 ，( 见图2 2 ) 。 图2 2 吴起县多年平均降水量年内分配曲线( 1 9 6 9 2 0 0 6 ) ( 2 ) 年际变化大。1 9 8 5 年降水量为3 4 年来观测最大值，达6 3 1 4 m m ，而1 9 8 7 年 全年降水量仅为2 7 0 m m ，相差2 3 倍。 ( 3 ) 多年降水量变化曲线显示，降水量变化具有一定周期性，一般小周期约为4 5 年，大周期变化约在1 2 年左右( 见图2 3 ) 。 图2 3 吴起县多年( 1 9 7 1 2 0 0 6 ) 降水量曲线 6 长安大学顽上学位论文 ( 4 ) 同期降水量在空间分布上差异明显，总的趋势由北而南，自西向东，随地势 的降低有增加的趋势。如西部和北部铁边城、王洼子、周湾、长城等乡镇，降水量多小 于4 0 0 r a m ，而同期中南部吴起、白豹两镇降水量则为4 5 0 4 8 34 m m 。吴起县年降水量 分布见图2 4 。 z 4 吴起县年等降水量及承系分布图 第2 章吴起地区区域地质环境和黄土特性研究 1 9 6 9 , - - , 2 0 0 6 年吴起县境内日降水量达5 0 m m 以上暴雨共出现4 0 次，年平均1 2 次。 7 月份最多，共出现1 7 次，频率为4 2 5 。总的来看境内暴雨年平均频率不高，但强度 较大，如1 9 7 2 年8 月1 7 日王洼子日降水量为1 0 7 4 m m ，白豹1 9 7 7 年7 月5 日降水量 1 4 9 7 m m ；同期，楼房坪则达到1 5 6 7 m m 。1 9 6 9 - - 2 0 0 2 年县境内日降水l o o m m 以上的 暴雨除一次发生在西部王洼子外，其余三次都发生在中南部。 从1 9 6 9 - - 2 0 0 2 年，境内共出现连阴雨2 5 次，其中出现机率一次的1 4 年，二次的 3 年。连阴雨多发生在8 1 0 月份，发生频率约占8 0 ，此期间尤其是滑坡灾害高发期。 2 1 2 地形地貌 吴起县地形地貌的轮廓系中生代早白垩世地壳抬升后形成的，在其后的漫长地质年 代中，在内外地质营力的作用下，形成了现今沟壑纵横，梁峁起伏，坡面陡峭，地形残 破，陷穴遍坡的黄土峁梁和梁垌地形。黄土峁梁构成吴起县境内地貌的主体。境内地形 海拔在1 2 3 3 1 8 0 9 m 之间。区内白于山近东西向横亘于县境北部，地势总体西北高、东 南低，地形大体划分为两个地貌区。 1 黄土梁垌区 位于白于山分水岭北坡包括周湾、长城两个乡镇的大部分地区，皆属此地貌区。地 形高程1 4 6 0 - - 1 5 1 0 m ，相对高差5 0 - - l o o m 。以厚层黄土披覆的缓梁，宽谷为主要地貌 特征。黄土梁宽缓多为凸形坡，坡面上有细沟、浅沟发育。垌地平展宽阔，两侧向垌心 和下游倾斜，宽数十米至千米，长1 0 0 0 - - 一2 0 0 0 m 。垌地分两级，一级垌地平坦，宽5 0 0 - 1 0 0 0 m ，垌面高出河床5 0 - - - 8 0 m ，由黄土状粉土和粉砂组成；二级垌地零星残存，宽度 也仅有数十米至百余米，谓之“破凋”，垌面向主河沟倾斜，由粉土含量为主的黄土组成。 破垌形状不规则，多呈杖形或掌形。垌地的形态有利于水的汇集，成为黄土地区主要赋 水地段。介于墒地之间的黄土梁长达千米，宽7 0 - - l o o m ，两侧沟谷呈“u ”形或“v ”形， 切深5 0 1 0 0 m ，沟坡较陡，约4 0 0 左右。 2 黄土峁梁沟壑区 境内除周湾，长城两乡镇外，皆为此种地貌类型，高程1 4 0 0 - 1 8 0 9 m ，相对高差 1 5 0 - 2 0 0 m 。这些地区是白于山和子午岭南延部分，约占全县总面积的8 5 。黄土梁一 般宽5 0 - - l o o m ，侵蚀强烈地段宽度仅为2 0 一- 3 0 m 。黄土梁的宽窄、延伸及排列，受地 表水网制约。水文网密度大的地段，一般梁窄坡陡；反之，地表水网密度小的地段梁宽 坡缓。梁顶纵坡一般3 - 5 0 ，向沟道延伸逐渐变陡；沟道边缘可增至1 5 - - 2 0 0 。由于黄 8 长安大学硕士学位论文 土梁大部辟为梯田，植被稀少，冲刷强烈，面蚀和沟蚀均处于加速发展阶段，不利于稳 定。黄土峁为园形或椭园形，峁间以鞍状黄土梁相连，多呈串珠状展布，方向性不明显。 黄土峁宽约5 0 1 0 0 m ，峁顶高程一般1 5 0 0 - - - 1 7 0 0 m 。境内九川( 颗颗川、宁赛川、石拐 子川、乱石头川、头i 酋j l i 、二道川、三道川、杨青川、白豹川、) ，河( 洛河) 支流散布其间， 从而形成山大沟深、地形支离破碎、千沟万壑、纵横交错的地貌景观。 2 1 3 地层岩性 吴起县境内地表广为第四系中、上更新统黄土所披覆，由于黄土堆积厚度大，前第 四系地层仅在深切沟谷和陡峻梁峁斜坡下部有所出露。兹将地层岩性特征由老至新分述 如下： ( 1 ) 白垩系下统环河一华池组( k l h ) 境内仅出露该组上部地层，岩性为紫红色砂岩，棕红色砂质泥岩、蓝色泥岩的不等 厚互层( 砂泥岩比约2 ：1 ) ，砂岩为钙、泥质胶结，单层厚o 5 1 m ；泥岩多为钙质胶结， 小型交错层理发育，单层厚o 1 - - 0 3 m 。由于地层软硬相间，含泥量高，强度较低，易 软化。7 2 4 部队在五谷城乡施工的钻孔揭露厚度3 0 0 m 左右。该岩组多出露于深切沟谷 底部和梁峁陡峻斜坡下部，可见厚度5 - - 3 0 m 。 ( 2 ) 新近系上新统( n 2 ) 岩性为含砂质的粘土岩，紫红色、半胶结、强度低、易软化。覆于区内分布的一切 老地层之上，后期多遭侵蚀，仅在冲沟沟头部位小片出露，厚度一般5 - 3 0 m ，局部地 段如五谷城四河堡附近出露厚度近5 0 m 。 ( 3 ) 第四系中更新统黄土( q 2 鲥) 褐黄色、褐色，粉质粘土为主，垂直节理较发育，区内广泛分布，厚度5 0 m 左右。 ( 4 ) 第四系上更新统黄土( q 3 鲥) 黄灰色，岩性为黄土质粉土，砂质含量高，垂直节理发育，土质疏松，厚1 0 - - 3 5 m 。 多披覆于梁峁顶部及其斜坡上。在白于山北坡垌地中有次黄土分布，具薄层理夹砂层。 由于上更新统黄土是披覆在梁峁及其斜坡上，与下伏老黄土界线不易准确划分。 ( 5 ) 第四系全新统( q 4 ) 全新统地层成因很不一致，冲洪积层多零星分布在河床和大的冲沟内，重力地质作 用的产物分布在自然斜坡和人工边坡的坡脚附近。 吴起县境内地质地貌见图2 5 。 9 第2 章吴起蛾区区墟瞳质翠境和黄土特性研究 目2 , 5吴起县地质地貌略图 l i 二；i = j 回 _ z 回。口一 sf e i i 、第o u 秉中，上更新统黄土2 ，新第三系3 、白墨最环河华蛆4 、黄土集辩医 5 、黄土集峁淘壑区6 、地层界拽7 、地貌异蛾 214 地质构造与新构造活动 吴起县地层为一向西缓倾的单斜构造，地层倾角1 3 。构造变形轻微，未发现断 层构造。构造变形程度，随地层时代的由老至新而明显减弱。境内仅见两组共轭裂隙发 1 0 长安大学硕士学位论文 育，第一组走向n n e 与n w w ，第二组走向n n w 与n e e ，裂隙倾角一般7 0 0 左右，发育 密度一般1 - - 2 条m ，裂隙多闭合，近东西向裂隙见有微小张开。 吴起县境内从晚白垩世开始缓慢上升，第三纪晚期局部相对沉降，沉积了不厚的新 第三系地层。第三纪末继续抬升剥蚀。第四纪以来，由于持续上升，河流溯源侵蚀和不 断下切，形成现今沟壑密布，地形支离破碎的地貌景观。 吴起县境内地震活动强度低，有记载的十四次级以上的地震分布大体呈北东一南 西向。根据国家标准中国地震动参数区划图( g b l 8 3 0 6 _ _ 2 0 0 1 ) 吴起县地震动峰值 加速度a = 0 0 5 9 ，反应谱特征周期t = 0 4 0 s 。 2 1 5 岩土体类型及工程地质特征 吴起县境内按岩石强度，岩体结构类型及工程地质特征，将岩土体分为三类，即软 硬相间层状碎屑岩、密实红色粘土岩和风积黄土三类。 1 软硬相间层状碎屑岩 砂岩、泥岩、不等厚互层叠置，砂岩层厚，泥、页岩层薄，软硬相间，泥岩、页岩 质软，易风化和软化，在坡面上多向内凹进，甚至形成负坡。砂岩较坚硬，抗风化能力 较强，多形成正坡地形，因而坡面地形多凹凸不平，局部因泥、页岩风化剥落，砂岩悬 空探出，形成危岩、危石，促使基岩边坡坍塌变形。 2 密实红色粘土岩 红色粘土岩含砂和钙核，下部含砂量明显增加。钙核局部集中形成薄的钙板。粘土 岩干时较硬，易风化剥落，在水的浸润下易软化甚至泥化，抗滑能力明显降低，上覆土 层沿粘土岩的顶面易产生滑动。吴起县境内某些大型滑坡的形成，皆因于此。 3 黄土 黄土由两部分组成，上部5 - - 2 0 m 为上更新统黄土，其下为中更新统黄土。上更新 统黄土，成份以粉土为主，粘土颗粒含量很低，多见大孔隙，土颗粒间粘结力弱，土质 疏松，手捻即碎，强度低，根据本次调查取样测试，天然土抗剪强度c = 1 5 3 - - 一2 1 5 k p a ， 内摩擦角9 = 1 9 6 - 2 3 6 0 ，饱和土抗剪强度c = 5 3 8 4 k p a ，内摩擦角p = 1 2 7 , - - , 1 3 6 0 ； 自重湿陷系数6 z s = o 0 0 3 - - 0 0 4 1 ，湿陷系数6 s = o 0 5 8 - 0 0 8 4 ，具较强湿陷性。下部中更 新统黄土成份以黄土质粉土为主，粘粒含量较上部黄土明显增加，具大孔隙，土质较密 实。天然土抗剪强度c = 4 1 4 - - 4 4 5 k p a ，内摩擦角呻1 7 , - 一2 6 3 0 ；饱和土抗剪强度 c = 9 2 9 4 k p a ，内摩擦角q = 13 8 14 2 0 ，饱和土的抗剪强度明显降低；湿陷 第2 章吴起地区区域地质环境和黄土特性研究 系数5 s = 0 0 1 3 ，不具湿陷性。厚约5 0 m 左右。中上更新统黄土，抗冲刷能力差，多形 成水蚀沟槽及陷穴，落水洞。是本调查区内主要的致灾地层。岩土体工程地质特征见表 2 1 。 表2 1 岩土体工程地质特征表 岩土体石结构 类型类类型 岩性及主要工程地质特征分布范围 软硬 砂岩与泥岩不等厚互层，砂岩与泥岩多分布在大沟底 相间 厚度比约为2 ：1 。砂岩较坚硬，单层厚部或高陡梁峁斜坡 碎屑 层状 o 5 1 0 m ，分布稳定，泥岩厚度变化较大下部，可见厚度 岩或为透镜体状。 5 3 0 m 。 岩体 红色 厚层 紫红色粘土岩干时较硬，含砂及钙核，仅在大沟沟头部 粘土 状或 下部含砂量明显增加，钙核密集形成钙板，位零星出露，厚度 遇水易软化或泥化，沿其顶面往往形成滑一般5 3 0m ，局部 岩 块状 坡。厚度近5 0m 。 上部为上更新统黄土厚5 2 0m ，成份 以粉土为主，垂直节理较发育，具大孔隙， 疏松。天然土抗剪强度内聚力 c = 1 5 3 2 1 5 k p a 、内摩擦角9 = 1 9 6 一之3 6 0 ； 饱和土抗剪强度内聚力c = 5 3 8 4 k p a 、内 摩擦角日p = 1 2 7 1 3 6 0 ；湿陷系数 6 s 司0 5 8 - 4 ) 0 8 4 ，自重湿陷系数 土体 黄土块状 5 u = 0 0 0 3 - 4 ) 0 4 1 ，具较强湿陷性。 遍布全区。 下部中更新统黄土，成份以黄土质粉 土为主，具大孔隙，垂直节理发育，土质 较密实。天然土抗剪强度内聚力 c = 4 1 扣4 4 5 k p a 、内摩擦角9 - - - 2 1 7 2 6 3 0 ： 饱和土抗剪强度内聚力c - - 9 2 9 4 k p a 、内 摩擦角9 = 1 3 8 - 1 4 2 0 ；湿陷系数6 矿0 0 1 3 ， 不具湿陷性。厚5 0 m 左右。 2 1 6 水文地质条件 2 1 6 1 地表水特征 境内河流以白于山为界分成两大流域，均属黄河水系。白于山以北属无定河流域， 以南为洛河流域。两大流域的地表水系，呈树枝状发育，流域面积在1 0 0 平方公里以上 的河流有9 条，干流深切，支流密布。吴起县水系平面分布见图2 6 。 1 2 川i 、l 、 千上镫 班 7 通。 3 “ 器鬯i i 慝1 静出r 了山 产卅鞯蹀 够 7 三 祭ta 骄 孑令 w ) 洛河为黄河的二级支流，是境内地表水文网的主体t 境内绝大部分支流皆纳入其中。 洛河流域在境内河网密度大，支毛沟皇树枝状展布，汇水面积大于i 时以上的沟谷密 度达0 9 k m ，k m 2 。淘峁相对高差1 2 0 5 7 6 m ，支流沟道平均纵坡降在2 5 9 1 3 之i 司。 除支毛淘外，丈都切入基岩。境内河流流量小，台砂量普遍很高 洛河为过境河流，源于定边县王盘山乡，在凉水井村 吴起县境，即为乱石头川河7 流至吴起镇，汇头道川后南流即谓洛河，纳二道川、三道川、颗颗j l i 、白豹川等大小 2 0 多条支流后至金汤村出吴起县境，境内流长2 2 1 i o n 2 ，流域面积3 3 8 81 口n 。平均径 流量1 0 7 矗除浩河外境内其余流域面积在1 0 0 l “n 2 以上河流概况见表2 2 。 第2 章吴起地区区域地质环境和黄土特性研究 表2 2 流域面积1 0 0 1 ：a n 2 以上的主要支流概况表 河流名称 长度( k m )流域面积( k m2 )平均流量( m 3 s )说明 头道川 8 3 41 5 7 8 0o 5 4 部分在县外 八里庄河 2 5 o1 7 5 30 2 0 石拐子川 2 3 62 0 1 90 2 0 乱石头川 5 5 o9 4 20 3 2 二道川4 7 93 7 4 7o 3源于定边县 颗颗川 3 5 41 9 30 0 7 宁塞川 4 7 65 2 9 2o 1 8 薛岔川1 6 o1 0 6 50 0 4 三道川 3 4 02 6 20 0 9 杨青川 2 4 5 1 3 2 90 0 5 白豹川 3 6 54 0 5 30 1 2 5 源于甘肃省 2 i 6 2 地下水特征 吴起县境内主要有第四系松散层孔隙水，孔隙、裂隙水和白垩系基岩裂隙水三种类 型，现分述于下： ( 1 ) 第四系松散层孔隙水 主要赋存在大的河道沟谷的一级阶地堆积物中，由于区内阶地发育较差，又多为基 座阶地，堆积层厚度小，一般l o m 左右，一般大河冲沟多切入基岩，阶地很少见泉水 出露，富水性差。 ( 2 ) 黄土孔隙裂隙水 此类含水层分垌地堆积物和黄土两种类型，垌地堆积层地下水多分布于白于山以 北，富水程度取决于堆积物物质组成，如1 9 7 5 年9 - - - 1 0 月7 2 4 部队在周湾施工的z 2 0 号孔垌地堆积的粘质砂土厚7 3 4 m ，与下白垩系砂岩混合抽水降深3 3 o m ，涌水量仅为 1 1 8 4l s ，究其原因是由于所夹淤泥质土阻隔了降水下渗补给，说明在有利地形条件下， 堆积物物质成份不利于降水的下渗补给，地下水也难以富集。广泛分布全区的第四系中 更新统黄土多分布于狭窄的梁峁上，植被不发育，两侧谷坡陡峻，大气降水多形成地表 径流泄于沟道，不利于下渗补给，黄土谷坡上也少有泉水出露，富水性差。 ( 3 ) 白垩系下统砂岩裂隙水 由于基岩在区内倾斜平缓，近于水平，下白垩系地层中砂岩、泥岩互层迭置，裂隙 1 4 长安大学硕士学位论文 稀疏，且很少张开，补给条件差，因而基岩裂隙水也难于富集，一般所见的基岩裂隙泉 流量估测多在0 1 i j s 左右。区内地下水主要接受大气降水补给，深部基岩裂隙水局部有 侧向地下径流补给。地下水主要以泉和小片渗水形式向临近沟谷排泄。大多数冲沟之所 以枯水季节尚有涓涓细流皆源于此，故沟水的水化学特征与基岩裂隙水几近一致。 2 1 7 人类工程活动 吴起县境内主要为黄土峁梁沟壑地貌，雨少、风大、植被不发育，生态环境脆弱， 随着人口的增加和乡镇趋于城市化的发展，民用建筑的大量增加，公路网络的形成，对 自然环境进行了高强度的改造。黄土高陡切坡和公路切断滑坡等不规范人类工程活动比 较突出。这些不规范的人类工程活动诱发滑坡灾害产生。 吴起县境内生态环境原本脆弱，随着人口增加，人口对粮食和其它活用品的需要也 日益增加。为了满足粮食和其它农产品的需要，多在黄土梁开垦种植，促使地形由缓变 陡，加大水土流失，使坡面上的沟道逐渐加深扩大，降低和破坏了天然斜坡的稳定性。 在人类工程经济活动中诱发滑坡地质灾害相关因素有石油开采、修路、修建窑洞、新修 水利，筑库、塘、堰等。 近年来随着群众环保意识的增强，在县委、县政府领导下，较早的开展了退耕还林 等一系列恢复植被的措施，已收到初步效果。随着这些措施逐步扎实深入的落实，吴起 县的生态环境必将得到改善。 2 2 黄土特性研究 2 2 1 黄土的结构和构造 2 2 1 1 黄土的颗粒组成 黄土的颗粒组成以粉粒为主【1 1 】，其含量可以达5 0 以上，其中粗粉粒( o 0 5 - 0 0 1 r a m ) 含量大于细粉粒( o 0 1 一 0 0 0 5 m m ) 含量。黄土中的粘粒、细粉粒和腐殖质胶体，大部分 被胶结成集粒或附在粗粉粒的表面，或聚集在大颗粒间的接触点处。黄土中的粉粒和集 粒共同构成了支承结构的骨架，较大的砂粒“浸”在结构体中。由于其排列比较疏松，接 触连接点少，构成了一定数量的架空孔隙，而在接触连接处没有或只有少量的胶结物质。 常见的胶结物质有聚集在连接点处的粘粒、易溶盐及沉积在该处的c a c 0 3 、m g c 0 3 等。 黄土的矿物成分可分为粗粒矿物( 0 0 0 5 ) 和粘土矿物( 1 6 u r n ，肉眼可辩识； 孔隙半径4 r 1 6 为中孔隙，1 r 4 为小孔隙，均是架空结构中大颗粒的粒间 孔隙，肉眼不可见，可在放大镜下观察到； 微孔隙，r l u m ，由附在其大颗粒表面的小颗粒所形成的粒间孔隙，肉眼更不 可见。 由前三种孔隙形成了黄土的高孔隙性，故又将黄土称为“大孔隙土”。黄土孔隙率一 般在3 5 , - - - 6 0 之间，具有良好的透水性，有利于降雨的入渗，也是滑坡形成的主要因 素，黄土孔隙分类见表2 3 。 表2 3 黄土孔隙的分类 分类微孔隙小孔隙中孔隙大孔隙 孔隙半径( u r n )r 11 r 4 4 r 1 6 2 2 1 3 黄土中的节理 黄土中存在各种各样的节理，包括原生节理，构造节理，风化节理和卸荷节理等， 风化节理和卸荷节理只展布在暴露于黄土沟谷、陡崖表层几米厚之内的黄土中，范围较 小【1 4 】；而黄土的构造节理和原生节理遍布于黄土各地层中，几乎无处不有。黄土中的原 生节理，在各时代黄土层中，均有发育。而黄土的构造节理在干燥、固结的老黄土中最 为典型( 见照片2 1 2 2 ) ，q 2 老黄土密实坚硬，其构造节理的力学性质显而易见，它们 不受岩层控制一般贯穿黄土各分层，成为雨水下渗的通道，构成黄土体的软弱结构面， 成为黄土边坡变形破坏的边界条件。 1 6 长安太学顿十学位论文 匮 照片2 1 黄土中的辩节理 照片2 0 黄土中的构造斜节理 2 22 黄土的湿陷性 湿陷性是土体在自重压力或土附加压力与自重压力共同作用下，受水浸湿时产生急 剧而大量的附加下沉现象。由于各地区黄土形成的自然环境和气候条件各异，因此，同 一时代黄土的温陷性差别甚大。某些黄土受水浸湿后在自重压力作用下即产生湿陷，称 为自重湿陷性黄土；另一些黄土受水浸湿后只有在自重压力和附加压力共同作用f 才产 生湿陷，称为非自重湿陷性黄土。 黄土湿陷程度可用湿陷变形系数6 。描述。湿陷变形系数是指单位厚度土样在自重 压力或自重与附加压力共同作用f 受水浸湿后所产生的湿陷量，由室内浸水压缩试验确 定。6 ；的大小反映了黄土对水