黄土崩塌破坏模式及离散元数值模拟分析_王根龙
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黄土是一种特殊性土，因此黄土崩塌也具有一 系列不同于岩质崩塌的特征。黄土崩塌的破坏模式 不仅受控于陡立的地貌形态、黄土类型与特性和构 造特征（ 垂直节理发育） 等内在因素，并且受控于人 类活动和自然营力等外在因素。如郭力宇等认为黄 土崩塌的形成和发展受土质的结构构造、节理构造、 古土壤层面构造、黄土断层构造及岩界面的构造形 态等控制，根据黄土崩塌的方式及土体集合形态特 点，黄土崩塌可划分为单面崩塌和栅格崩塌［7］。崔 中兴等研究了黄土台塬的边缘地带和黄土丘陵的谷 坡地带，认 为 切 坡 形 成 黄 土 陡 崖，加 之 坡 脚 开 挖 窑 洞，减少了坡脚的支撑力，降低了边坡的稳定性，从 而导致切 坡 型 黄 土 边 坡 崩 塌 的 发 生［8］。 何 红 前 等 对黄土高边坡变形破坏的基本形式及其机理进行了 分析，总结出了坡脚凹进反坡型和黄土洞穴型 2 种 黄土边坡 崩 塌 破 坏 模 式［9］。 雷 祥 义 等 按 照 土 体 受 力状态和起始方式，将陕北黄土高原人为黄土崩塌 分为张裂－滑移式黄土崩塌和坍窑 2 种类型［4］。张 茂省等通过对延安市宝塔区黄土崩塌调查，按照变 形模式将黄土崩塌分为倾倒式、鼓胀式、滑移式、拉 裂式和错断式等 5 种类型［10，11］。
COLLAPSE FAILURE MODES AND DEM NUMERICAL SIMULATION FOR LOESS SLOPES
WANG Genlong①② ZHANG Maosheng① SU Tianming③ ZENG Qingming①
（ ①Xi'an Center of Geological Survey，China Geological Survey，Xi'an 710054） （ ②Key Laboratory of Engineering Geo-Mechanics，Chinese Academy of Sciences，Beijing 100029） （ ③Research Institute of Highway，Ministry of Transport，Beijing 100088）
摘 要 黄土崩塌是黄土高原区最常见、致灾最为严重的一种地质灾害。首先，从黄土地形地貌、黄土类型及结构、黄土垂直 节理、坡脚侵蚀、降雨、人类工程活动等方面分析了黄土崩塌的成因，认为黄土中的垂直节理和坡脚侵蚀作用是造成黄土崩塌 的主要原因； 其次，通过野外黄土崩塌变形破坏特征及地质现象分析，将黄土崩塌归纳为拉裂－坠落式、拉裂－倾倒式、拉裂－ 下挫式和拉裂－滑移式 4 种主要破坏机制，并概化出了各类破坏示意图； 通过离散元数值模拟，对黑龙沟黄土崩塌的形成破坏 过程进行了再现和分析，其破坏过程为侵蚀剥落－坡脚局部凹进－垂直节理张开－下挫解体－堆积坡脚。 关键词 垂直节理 黄土崩塌 坡脚侵蚀 破坏机制 离散元数值模拟 中图分类号：P642. 21 文献标识码：A
高 3 个方面，黄土因具有垂直节理，一般易形成高陡 边 坡，而 陡 立 地 形 是 形 成 黄 土 崩 塌 的 必 要 条 件 （ 图 1） 。通过对陕北延安市宝塔区的 52 个黄土崩 塌地质灾害点的调查，可以揭示出黄土边坡坡形、坡 度和坡高与黄土崩塌的关系。
图 1 黄土陡立地貌特征 Fig． 1 Steep geomorphic features of loess slope
本文以我国西北黄土高原区发育的黄土斜坡、 黄土崩塌为例，在调查基础上探讨了黄土崩塌的形 成条件和破坏模式。借助离散元数值模拟方法，对 延安市宝塔区黑龙沟不稳定黄土斜坡发展为拉 裂 － 下挫式崩塌的变形破坏过程进行了分析，为深入研 究黄土崩塌变形破坏模式提供了一个典型范例。
2. 1 黄土地形地貌 黄土地形地貌主要表现在边坡坡形、坡度和坡
图 2 4 种基本黄土坡型 Fig． 2 Four tpyes of loess slope
1． 晚更新世黄土； 2． 中更新世黄土； 3． 古土壤； a． 庙河村凸型坡； b． 赵家沟阶梯型坡； c． 崖窑村直线型坡； d． 锁崖村凹型坡
图 4 黄土+古土壤地层结构 Fig． 4 Stratum structure of loess ＆ fossil soil
Abstract Loess collapse is a type of very common geological disasters in the loess plateau area of Northwest China． At first，this paper studies loess topography，loess type and structure，loess vertical joints，slope erosion，rainfall and human activities． The results show that both the vertical joints in loess and erosion at the toe of slope are the main causes of loess collapse． Secondly，based on field investigation and analysis on the geological phenomena，four typical failure modesare put forward to describe different types of loess collapses． They are tensile crack-falling，tensile crack-toppling，tensile crack-subsiding and tensile crack-sliding． By means of discrete element method，a typical loess slope of Heilonggou is simulated． The failure process of loess collapse includes erosion flaking，local recessing， vertical joints opening，drop breakup，accumulation at the toe of the slope． Research findings in the paper are significant to prevention and treatment for loess collapse in the loess plateau area of Northwest China． Key words Vertical joints，Loess collapse，Toe erosion，Failure mechanism，DEM numerical simulation
2. 3 黄土垂直节理 黄土垂直节理或近直立节理是分割黄土的优势
544
Journal of Engineering Geology 工程地质学报 2011
图 5 黄土+基岩地层结构 Fig． 5 Stratum structure of loess ＆ bed rock
结构面，是侵蚀土壤、洞穴的优势面，是孕育崩塌地 质灾害的控制和分离面，是地表水下渗、地下水运移 的通道和赋水空间 （ 图 6 ～ 图 7） 。黄土垂直节理在 Q3 黄土最为普遍，当其平行于黄土斜坡走向时，在 降水与地表径流作用下，流水沿节理面渗流，冲蚀土 体，使节理宽度增大变为裂隙，同时水流在一定黄土 深度，下渗速度停滞，转移为对黄土溶蚀使其湿陷， 产生软塌面，在拉张力作用下，最终导致土体崩塌。
2． 1． 1 坡形与黄土崩塌的关系 黄土斜坡坡面形态可以划分为 4 个基本类型，
即凸型、阶梯型、直线型和凹型。前 2 类属正向类 型，后 2 类属负向类 （ 图 2） 。凸凹型、凹凸型以及 波型是 4 种基本坡型的组合形式。在调查的 52 个 崩塌 （ 含 崩 塌 隐 患 ） 中 有 37 个 （ 占 崩 塌 总 数 的 71. 15% ） 发生于正向类，其中直线型坡 21 个，占崩 塌总数 的 40. 38% ； 凸 型 坡 16 个，占 崩 塌 总 数 的 30. 77% 。调查结果表明，坡型对斜坡的稳定性及变 形破坏模式具有控制作用，正向类型直线型和凸起 型斜坡较负向类凹陷型和阶梯型斜坡容易发生崩塌 灾害。 2． 1． 2 坡度与黄土崩塌的关系
19（ 4） 王根龙等： 黄土崩塌破坏模式及离散元数值模拟分析
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2． 1． 3 坡高与黄土崩塌的关系 崩塌多发生在坡高 10 ～ 20m 的斜坡上，占崩塌
总数的 69. 23% ； 其 次 是 发 生 在 20 ～ 30m 的 斜 坡 上，占 17. 31% ，超过这一高度崩塌发生的概率减小 （ 图 3） 。原因是斜坡越高，历经风化已趋于稳定，坡 度越缓； 反之，斜坡越低，越易形成陡坡，也易受到 河流以及人类工程活动的影响，尚处于平衡调整阶 段，发生崩塌的概率增高。
调查的 52 个崩塌全部发生在陡崖，说明斜坡坡 度对于黄土边坡的稳定性影响很大，坡度越大，安全 系数越小。也就是说，斜坡的坡度越大，临空的危势 和斜坡体内应力也越大，斜坡易产生变形坡坏。大 于 60°的陡崖易形成崩塌，随着坡度的减缓，多发生 滑坡。黄土沟谷坡度一般较大，尤其是幼年期冲沟 及切 沟 坡 度 多 在 50° ～ 70°，更 加 有 利 于 崩 塌 的 形成。
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Journal of Engineering Geology 工程地质学报 2011
1引言
2 黄土崩塌的形成条件
黄土（ Loess） 是一种第四纪松散沉积物，在西北 地区主要分布在陕西、甘肃、青海、宁夏等地，面积约 44×104 km2 。黄 土 在 第 四 纪 特 殊 的 气 候 条 件 下 形 成，具有大孔隙、垂直节理发育、湿陷性等特殊性质， 使得黄土高原地区崩塌灾害频繁发生［1 ～ 3］。据雷祥 义、张茂省等的 2 次现场调查和不完全统计，仅在 1985 ～ 2010 年间，在陕北黄土高原的神木、米脂、子 洲、绥德、清涧、子长、安塞、志丹、吴堡、佳县等地共 发生 78 起伤亡性黄土崩塌灾害事故，造成 273 人死 亡［4 ～ 6］。这种伤亡性的突发黄土崩塌地质灾害已引 起了人们的高度重视。
Journal of Engineering Geology 工程地质学报 1004－9665 /2011 /19（ 4） -0541-09
黄土崩塌破坏模式及离散元数值模拟分析*
王根龙①② 张茂省① 苏天明③ 曾庆铭①
（ ①中国地质调查局西安地质调查中心 西安 710054） （ ②中国科学院工程地质力学重点实验室 北京 100029） （ ③交通运输部公路科学研究院 北京 100088）
图 3 崩塌发生数量与坡高关系柱状图 Fig． 3 Histogram between quantity of loess
collapse and height of loess slope
2. 2 黄土斜坡结构
黄土类型是黄土崩塌灾害发育与否的物质基 础。Q3 黄土（ 马兰黄土） 结构较疏松，均匀，多孔隙， 含碳酸盐碎屑，柱状节理发育，具湿陷性，属易崩地 层。Q2 黄土（ 离石黄土） 无层理，质地坚硬，后期垂 直节理发育，普遍含钙质结核为特征，发生崩塌的概 率低。另外，黄土+古土壤层 （ 图 4） 、黄土 +卵砾石 层、黄土+基岩的地层组合结构类型 （ 图 5） ，因下部 形成相对隔水层，所以易于产生黄土崩塌。
* 收稿日期： 2011－05－20； 收到修改稿日期： 2011－06－15． 基金项目：中国博士后科学基金（ 20090450565） 交通部西部交通建设科技项目（ 200831822353） ． 第一作者简介：王根龙，主要从事岩土工程、地质工程等方面研究工作． Email： wang2006@ mail． iggcas． ac． cn
COLLAPSE FAILURE MODES AND DEM NUMERICAL SIMULATION FOR LOESS SLOPES
WANG Genlong①② ZHANG Maosheng① SU Tianming③ ZENG Qingming①
（ ①Xi'an Center of Geological Survey，China Geological Survey，Xi'an 710054） （ ②Key Laboratory of Engineering Geo-Mechanics，Chinese Academy of Sciences，Beijing 100029） （ ③Research Institute of Highway，Ministry of Transport，Beijing 100088）
摘 要 黄土崩塌是黄土高原区最常见、致灾最为严重的一种地质灾害。首先，从黄土地形地貌、黄土类型及结构、黄土垂直 节理、坡脚侵蚀、降雨、人类工程活动等方面分析了黄土崩塌的成因，认为黄土中的垂直节理和坡脚侵蚀作用是造成黄土崩塌 的主要原因； 其次，通过野外黄土崩塌变形破坏特征及地质现象分析，将黄土崩塌归纳为拉裂－坠落式、拉裂－倾倒式、拉裂－ 下挫式和拉裂－滑移式 4 种主要破坏机制，并概化出了各类破坏示意图； 通过离散元数值模拟，对黑龙沟黄土崩塌的形成破坏 过程进行了再现和分析，其破坏过程为侵蚀剥落－坡脚局部凹进－垂直节理张开－下挫解体－堆积坡脚。 关键词 垂直节理 黄土崩塌 坡脚侵蚀 破坏机制 离散元数值模拟 中图分类号：P642. 21 文献标识码：A
高 3 个方面，黄土因具有垂直节理，一般易形成高陡 边 坡，而 陡 立 地 形 是 形 成 黄 土 崩 塌 的 必 要 条 件 （ 图 1） 。通过对陕北延安市宝塔区的 52 个黄土崩 塌地质灾害点的调查，可以揭示出黄土边坡坡形、坡 度和坡高与黄土崩塌的关系。
图 1 黄土陡立地貌特征 Fig． 1 Steep geomorphic features of loess slope
本文以我国西北黄土高原区发育的黄土斜坡、 黄土崩塌为例，在调查基础上探讨了黄土崩塌的形 成条件和破坏模式。借助离散元数值模拟方法，对 延安市宝塔区黑龙沟不稳定黄土斜坡发展为拉 裂 － 下挫式崩塌的变形破坏过程进行了分析，为深入研 究黄土崩塌变形破坏模式提供了一个典型范例。
2. 1 黄土地形地貌 黄土地形地貌主要表现在边坡坡形、坡度和坡
图 2 4 种基本黄土坡型 Fig． 2 Four tpyes of loess slope
1． 晚更新世黄土； 2． 中更新世黄土； 3． 古土壤； a． 庙河村凸型坡； b． 赵家沟阶梯型坡； c． 崖窑村直线型坡； d． 锁崖村凹型坡
图 4 黄土+古土壤地层结构 Fig． 4 Stratum structure of loess ＆ fossil soil
Abstract Loess collapse is a type of very common geological disasters in the loess plateau area of Northwest China． At first，this paper studies loess topography，loess type and structure，loess vertical joints，slope erosion，rainfall and human activities． The results show that both the vertical joints in loess and erosion at the toe of slope are the main causes of loess collapse． Secondly，based on field investigation and analysis on the geological phenomena，four typical failure modesare put forward to describe different types of loess collapses． They are tensile crack-falling，tensile crack-toppling，tensile crack-subsiding and tensile crack-sliding． By means of discrete element method，a typical loess slope of Heilonggou is simulated． The failure process of loess collapse includes erosion flaking，local recessing， vertical joints opening，drop breakup，accumulation at the toe of the slope． Research findings in the paper are significant to prevention and treatment for loess collapse in the loess plateau area of Northwest China． Key words Vertical joints，Loess collapse，Toe erosion，Failure mechanism，DEM numerical simulation
2. 3 黄土垂直节理 黄土垂直节理或近直立节理是分割黄土的优势
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Journal of Engineering Geology 工程地质学报 2011
图 5 黄土+基岩地层结构 Fig． 5 Stratum structure of loess ＆ bed rock
结构面，是侵蚀土壤、洞穴的优势面，是孕育崩塌地 质灾害的控制和分离面，是地表水下渗、地下水运移 的通道和赋水空间 （ 图 6 ～ 图 7） 。黄土垂直节理在 Q3 黄土最为普遍，当其平行于黄土斜坡走向时，在 降水与地表径流作用下，流水沿节理面渗流，冲蚀土 体，使节理宽度增大变为裂隙，同时水流在一定黄土 深度，下渗速度停滞，转移为对黄土溶蚀使其湿陷， 产生软塌面，在拉张力作用下，最终导致土体崩塌。
2． 1． 1 坡形与黄土崩塌的关系 黄土斜坡坡面形态可以划分为 4 个基本类型，
即凸型、阶梯型、直线型和凹型。前 2 类属正向类 型，后 2 类属负向类 （ 图 2） 。凸凹型、凹凸型以及 波型是 4 种基本坡型的组合形式。在调查的 52 个 崩塌 （ 含 崩 塌 隐 患 ） 中 有 37 个 （ 占 崩 塌 总 数 的 71. 15% ） 发生于正向类，其中直线型坡 21 个，占崩 塌总数 的 40. 38% ； 凸 型 坡 16 个，占 崩 塌 总 数 的 30. 77% 。调查结果表明，坡型对斜坡的稳定性及变 形破坏模式具有控制作用，正向类型直线型和凸起 型斜坡较负向类凹陷型和阶梯型斜坡容易发生崩塌 灾害。 2． 1． 2 坡度与黄土崩塌的关系
19（ 4） 王根龙等： 黄土崩塌破坏模式及离散元数值模拟分析
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2． 1． 3 坡高与黄土崩塌的关系 崩塌多发生在坡高 10 ～ 20m 的斜坡上，占崩塌
总数的 69. 23% ； 其 次 是 发 生 在 20 ～ 30m 的 斜 坡 上，占 17. 31% ，超过这一高度崩塌发生的概率减小 （ 图 3） 。原因是斜坡越高，历经风化已趋于稳定，坡 度越缓； 反之，斜坡越低，越易形成陡坡，也易受到 河流以及人类工程活动的影响，尚处于平衡调整阶 段，发生崩塌的概率增高。
调查的 52 个崩塌全部发生在陡崖，说明斜坡坡 度对于黄土边坡的稳定性影响很大，坡度越大，安全 系数越小。也就是说，斜坡的坡度越大，临空的危势 和斜坡体内应力也越大，斜坡易产生变形坡坏。大 于 60°的陡崖易形成崩塌，随着坡度的减缓，多发生 滑坡。黄土沟谷坡度一般较大，尤其是幼年期冲沟 及切 沟 坡 度 多 在 50° ～ 70°，更 加 有 利 于 崩 塌 的 形成。
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1引言
2 黄土崩塌的形成条件
黄土（ Loess） 是一种第四纪松散沉积物，在西北 地区主要分布在陕西、甘肃、青海、宁夏等地，面积约 44×104 km2 。黄 土 在 第 四 纪 特 殊 的 气 候 条 件 下 形 成，具有大孔隙、垂直节理发育、湿陷性等特殊性质， 使得黄土高原地区崩塌灾害频繁发生［1 ～ 3］。据雷祥 义、张茂省等的 2 次现场调查和不完全统计，仅在 1985 ～ 2010 年间，在陕北黄土高原的神木、米脂、子 洲、绥德、清涧、子长、安塞、志丹、吴堡、佳县等地共 发生 78 起伤亡性黄土崩塌灾害事故，造成 273 人死 亡［4 ～ 6］。这种伤亡性的突发黄土崩塌地质灾害已引 起了人们的高度重视。
Journal of Engineering Geology 工程地质学报 1004－9665 /2011 /19（ 4） -0541-09
黄土崩塌破坏模式及离散元数值模拟分析*
王根龙①② 张茂省① 苏天明③ 曾庆铭①
（ ①中国地质调查局西安地质调查中心 西安 710054） （ ②中国科学院工程地质力学重点实验室 北京 100029） （ ③交通运输部公路科学研究院 北京 100088）
图 3 崩塌发生数量与坡高关系柱状图 Fig． 3 Histogram between quantity of loess
collapse and height of loess slope
2. 2 黄土斜坡结构
黄土类型是黄土崩塌灾害发育与否的物质基 础。Q3 黄土（ 马兰黄土） 结构较疏松，均匀，多孔隙， 含碳酸盐碎屑，柱状节理发育，具湿陷性，属易崩地 层。Q2 黄土（ 离石黄土） 无层理，质地坚硬，后期垂 直节理发育，普遍含钙质结核为特征，发生崩塌的概 率低。另外，黄土+古土壤层 （ 图 4） 、黄土 +卵砾石 层、黄土+基岩的地层组合结构类型 （ 图 5） ，因下部 形成相对隔水层，所以易于产生黄土崩塌。
* 收稿日期： 2011－05－20； 收到修改稿日期： 2011－06－15． 基金项目：中国博士后科学基金（ 20090450565） 交通部西部交通建设科技项目（ 200831822353） ． 第一作者简介：王根龙，主要从事岩土工程、地质工程等方面研究工作． Email： wang2006@ mail． iggcas． ac． cn