黄土塬沟道侵蚀扩张机理与固沟保塬工程的科学性_金钊

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1 引言

黄土塬是黄土高原最为宝贵的宜农、宜居的土地 资源, 也是黄土高原重要的粮果产地和人口聚居地(朱 显谟, 1953). 随着城镇化的快速发展, 大规模的城镇建 设、交通路网扩张和农业发展带来的沟道侵蚀和水土 流失问题日趋严重. 尤其是在高强度人类活动和暴雨 频发的双重作用下, 黄土塬四周沟道不断向塬中心侵 蚀, 使黄土塬变得支离破碎, 严重威胁塬区的国土安 全、民生安全和生态安全(金钊, 2020). 素有“天下黄 土第一塬”之称的董志塬, 其东西宽度已从唐代时的 32km减小至现在的17.5km, 最窄处仅以50m宽的高速 公路衔接(史念海, 1987; 姚文波, 2009; 车小力, 2012). 董志塬水土流失面积已占总土地面积的96%, 年入黄 泥沙达6599万吨, 其中90%以上的泥沙来自塬边溯源 侵蚀(庆阳市水土保持监督局, 2014). 当前, 黄土塬的 沟道侵蚀和塬面萎缩问题已达惊人的程度, 如果不加 以防治, 这片宝贵的土地资源将会逐渐消失.

固沟保塬工程是黄土塬控制溯源侵蚀、减少水土 流失的重要治理措施, 近几十年来一直在不断探索发 展, 如塬边护埂、塬面涝池、坡面林草、沟谷淤地坝 等(李怀有等, 2009; 毕华兴等, 2010; 杨民生, 2017; 闫 焕智, 2018; 聂兴山等, 2019; 王小帆等, 2019; 朱莉莉 等, 2019). 然而, 塬区侵蚀问题一直没有得到全面的控 制和解决, 部分地区溯源侵蚀仍在进一步加剧(庆阳市 水土保持监督局, 2014). 造成这一困境的重要原因是 对黄土塬自然环境的系统性和整体性认识不足, 对黄 土塬面-沟道的水土动力过程缺乏全面深入的理解, 尤 其是对水动力与人类活动双重作用下黄土塬溯源侵蚀 机理的认识尚不充分, 从而在很大程度上削弱了固沟 保塬重大治理工程的科学基础(金钊, 2020). 目前, 固 沟保塬工程正在黄土高原加速实施. 以林草措施为主 的固沟保塬模式, 由于持续时间长、见效慢, 对于抢 救性沟道(严重威胁居民点和城镇安全的沟道)而言在 短时间内难以达到治理效果. 因此, 当前政府部门主要 采用沟头回填固定的方式进行固沟保塬, 阻止沟头前 进(庆阳市水土保持监督局, 2014). 以沟头回填固定为 抓手的固沟保塬工程如果成功实施, 将在很大程度上 缓解和控制黄土塬溯源侵蚀剧烈和沟道扩张的问题. 然而, 如果工程实施不当, 也易引发崩塌、滑坡、泥流 等次生地质灾害, 不仅不能有效抑制沟岸崩塌和沟头

前进, 反而起到负面作用(王小帆等, 2019). 因此, 当前 亟须从历史性、规律性和系统性的角度, 开展黄土塬 沟道侵蚀扩张机理及不合理固沟保塬措施下水土灾变 的动力过程和控制因素研究, 阐明黄土塬水土灾变机 理与固沟保塬工程的互馈效应, 提出可持续的固沟保 塬科学模式.

黄土塬面临的最大问题是沟道侵蚀剧烈导致塬 面破碎化甚至消失. 溯源侵蚀和潜蚀是黄土塬沟道渐 进萎缩的主要破坏模式, 与黄土塬的边坡稳定性、沟 道扩张、地貌演变速率等高度相关(朱显谟, 1956; 景 可, 1986; 陈永宗等, 1988; 伍永秋和刘宝元, 2000; Hessel和van Asch, 2003; 唐克丽, 2004; 王文龙等, 2022). 在宏观方面, 黄土沟道溯源侵蚀特征受汇水区 面积、土地利用方式、降雨特征、沟道宽度、坡度 和比降、沟头形态等因素的综合控制(Savvateev等, 1987; 韩鹏等, 2002; 陈绍宇等, 2009; 史倩华等, 2019; Guo等, 2019); 在微观方面, 土体特征、孔隙构架、节 理裂隙发育等因素直接影响沟道溯源侵蚀的类型和 模式(彭建兵等, 2014; Guo等, 2020; Feng等, 2021a). 如 潜蚀对沟道演化的影响主要集中在两方面: 一是物理 潜蚀, 包括黄土颗粒、骨架、优势流等因素(耿鹤良和 杨成斌, 2009; Ke和Takahashi, 2014; Xu等, 2020); 二是 化学潜蚀, 包括可溶盐矿物质的溶解导致黄土骨架结 构的溃散, 从而加剧黄土重力侵蚀等现象(Zhang等, 2013; 张磊等, 2014). 黄土溯源侵蚀和潜蚀的根本原 因是水对黄土的物理和化学作用, 导致其强度降低, 从而发生土体形变和位移(Gao, 1988; Zhuang等, 2017). 与其他岩土体相比, 黄土具有如下鲜明的特色: 一是节理裂隙发育具有类喀斯特特性( 彭建兵等, 2008; Peng等, 2018a), 结构疏松多孔, 胶结强度低, 流 变性强, 是一种易发生灾害的特殊土类; 二是具有水 敏性, 遇水软化, 易发生崩解、湿陷等灾变现象. 黄土 在天然状态下具有一定的结构强度、低- 中等压缩性 (Zhuang等, 2018), 当遇水浸湿后, 强度显著降低并附 加强烈沉陷(刘祖典, 1997; Chen和Martin, 2002). 实际 上, 黄土的普遍各向异性、强烈结构性和高度水敏性, 都与黄土原生垂直节理发育密切相关. 节理裂隙的存 在快速驱动着物质和能量的流动、地上-地下水文循 环、局部微地貌的演化以及地质灾害发生的规模和 频率等. 由于黄土垂直节理高度复杂, 虽然对其成 因、形态和演化研究意义重大, 但一直没有得到合理

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解答(王正贵等, 1993).

黄土侵蚀灾变机理与人类工程扰动的互馈效应 是当前黄土研究领域的薄弱环节(彭建兵等, 2014 , 2016; 兰恒星等, 2021). 关于黄土侵蚀的灾变机理, 一 直备受中国乃至世界学者的广泛关注, 其本质是在水 动力作用下土体结构的解体和溃散过程( Peng 等, 2018b). 黄土侵蚀研究涉及很多方面, 无论是侵蚀监测 方法、侵蚀过程和机理, 还是侵蚀模型模拟等, 国内 学者均进行了大量的研究(蔡强国和刘纪根, 2003; 郑 粉莉等, 2008; 李锐等, 2009; 刘宝元等, 2013a, 2013b; Yin等, 2018; 张光辉, 2020; 史志华等, 2020; Liu等, 2002; Liu等, 2021), 为土壤侵蚀基础科学的发展和黄 土高原水土流失治理作出了巨大的贡献. 但是, 目前 已建立的黄土侵蚀灾变理论及方法还难以对工程应 用提供实际指导, 尤其是对沟头回填这种人工干预非 常强的固沟保塬工程, 当前的知识体系非常缺乏. 现 有的固沟保塬工程技术, 仅考虑小空间、短时间尺度 的防控效应, 忽略了大尺度、长时序水土过程对固沟 保塬工程的影响. 在基础研究上存在两方面不足: 一 是固沟保塬工程与水土相互作用的动力演化机制不 清, 二是固沟保塬工程灾变防控理论和方法体系还十 分缺乏. 这两方面的不足限制了基础研究成果对具体 工程实践的指导, 也不利于固沟保塬工程在整个黄土 塬区的推广.

过去60多年来, 在水保、水利、农业等领域的长 期研究和探索下, 针对黄土高原水土流失提出了一系 列治理措施(唐克丽, 2004; 姚文艺等, 2005; 李锐等, 2008), 包括提出的“固沟-护坡-保塬”治理模式等(李怀 有等, 2009; 毕华兴等, 2010; 杨民生, 2017). 然而, 过去 的治理模式主要从水土保持角度考虑较多, 虽为固沟 保塬工程提供了不可或缺的理论支撑和经验积累, 但 缺乏工程地质方面的知识延伸和拓展, 使得支撑正在 实施的沟头回填固沟保塬工程仍显不足. 由于沟头回 填完全改变了原有的水文地质结构和水循环路径, 重 构了新的场地水循环模式, 重塑黄土与水的相互作用 容易引发一些不可预见的灾变过程(Yin X等, 2016). 特别是大型沟头回填工程形成的高填方体, 在压实度 不够和底部排水不畅的条件下, 有可能产生与2015年 深圳光明新区红坳渣土场类似的灾难性滑坡事件Yin Y等(2016).

因此, 本研究以董志塬为例, 通过野外原位观测、

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室内外试验和数值模拟等手段, 开展了黄土塬沟道侵 蚀扩张机理和固沟保塬工程科学性的研究, 在四方面 取得了系统性进展和认识, 包括: (1) 黄土垂直节理的 形成演化及其对塬边侵蚀的影响; (2) 黄土塬沟道侵蚀 演变过程及其机理; (3) 水对固沟保塬工程侵蚀灾变的 影响; (4) 固沟保塬工程的科学性和系统治理思路. 这 些进展和认识能够为固沟保塬工程实践和黄土塬的保 护和治理提供科学指导.

2 黄土垂直节理的形成演化及其对塬边侵 蚀的影响

2.1 黄土原生垂直节理形成演化过程及机制

黄土垂直节理, 尤其是非构造成因形成的原生垂 直节理, 在黄土塬沟道侵蚀发育、地质环境稳定性、 地质灾害发生以及水土保持和生态修复等方面发挥着 关键作用(卢全中等, 2005; 李同录等, 2014; Smalley等, 2016; Li等, 2018). 通过对黄土原生垂直节理的成因机 制和演化模式进行全面的总结分析, Feng等(2021a)提 出了控制原生垂直节理起源、发育和演化的理论框 架, 明确了黄土原生垂直节理的发育受五大因素的共 同影响, 即内部因素、驱动因素、阻抗因素、演化因 素和景观因素(Feng等, 2020, 2021a). 内部因素即黄土 的结构特征, 是原生垂直节理形成所需的物理结构基 础, 如黏土矿物、粒径分布、孔隙度和固结程度等(王 景明和张骏, 1985; Xue等, 2019), 这些因素的不同组合 决定了黄土的孔隙空间配置和变形潜力. 驱动因素即 水-力耦合作用, 是原生垂直节理启动所需的水-力条 件, 受含水率变异下的水平拉张应力和吸力的共同控 制(Morris等, 1992; Lu和Likos, 2006), 它们决定了原 生垂直节理启动所需的驱动力以及力学过程. 阻抗因 素即基于土体黏聚力的抗拉强度, 与驱动力对应, 是 阻碍原生垂直节理发育所固有的黄土结构黏聚力 (Miller等, 2016; Li和Zhang, 2011). 演化因素即黄土历 史沉积效应对土体原位应力状态的改变, 包括黄土沉 积堆厚、干湿循环和风化效应等(Xu等, 2019), 它们 共同控制了黄土中已有原生垂直节理的扩张与退化行 为. 景观因素即微地形和地质背景作用对原生垂直节 理时空分布和形态特征的影响, 是原生垂直节理在黄 土景观系统中呈现多种形态的宏观机制( Peng 等, 2018a). 它们之间的逻辑关系可以描述为: 当水-土-力

作用下产生的驱动力(驱动因素)超过由土体黏聚力提 供的阻抗力(阻抗因素)时, 便沿着土体内部的优势结 构单元边界(内部因素)拉裂形成原生垂直节理; 受演 化因素的影响, 已经在历史黄土中形成的原生垂直节 理不停地退化或扩张, 并在景观因素的作用下形成多 种形态的优势入渗通道.

基于上述理论框架, 联系到原生垂直节理能够形 成的微细观结构基础和多种形态特征之间的继承关 系, Feng等(2021a)从黄土历史沉积过程的角度, 提出 了黄土原生垂直节理的演化轨迹图(图1). 其演化过程 为: 在地质时期, 沙尘沉降形成了以大孔隙、架空孔隙 等为特征的松散黄土沉积(图1a); 初始沉积黄土一方 面发育生物活动孔隙, 一方面在水-力耦合作用驱动的 拉张应力区内发育原生垂直节理(图1b), 其中K0 为静 止侧压力系数, 当K0=0时, 其物理内涵是地表以下水 平应力由压应力转换为拉应力的临界状态, 对应状态

面的埋深采用h0 K 表示; 并在多次干湿循环效应下 使h0 K 的位置深度逐渐向地表迁移并趋于稳定(h0 K 1), 这些已发育的节理会逐渐闭合退化(图1c); 伴随着黄 土持续堆积, 增大的上覆压力使h0 K 的位置再次向上 迁移(h0 K 2; 图1d), 当堆积厚度增加到一定程度时, 初 始黄土层中发育的原生垂直节理全部退化, 此时h0 K 的位置位于新老黄土的交界处(图1e). 新沉积的黄土 重复上述演化过程, 在水-力耦合作用下继续形成新的 原生垂直节理, 并在黄土沉积加厚作用下闭合退化, 循 环往复, 使新黄土的孔隙空间配置如下层黄土一样垂 直分异化(图1f和1e). 因此, 每一层黄土-古土壤都经历 了原生垂直节理的形成与退化过程, 是普遍性的, 而不 是限定于某一特定的黄土地层, 这种演化行为造就了 黄土普遍各向异性的本质.

图 1 基于黄土历史沉积过程的原生垂直节理形成、演化和退化过程

修改自Feng等(2021a)

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2.2 黄土节理裂隙发育对塬边侵蚀的影响

为进一步明晰黄土斜坡景观中节理裂隙分布及斜 坡地质结构对塬边侵蚀的影响机制, 在黄土高原自西 向东, 分别选取甘肃黑方台、董志塬, 陕西泾阳南 塬、洛川塬等地开展了详细深入的调查研究. 研究发 现, 黄土斜坡地带节理裂隙的发育可分为欠发育带和 发育带(图2; Feng等, 2021a). 欠发育带是指远离台塬 边缘的地带, 在空间尺度上呈连续分布且相对平坦, 适 宜人类居住和农业发展(Fu等, 2011; Wu等, 2019). 该 区域黄土地层未出露, 外营力作用较小, 内部由于黄土 沉积堆厚作用导致原生垂直节理被填充和退化, 节理 裂隙发育对侵蚀的影响较小. 该区域存在五类节理裂 隙的发育: (1) 土壤表层发育的浅层垂直节理和裂缝 (图2a); (2) 动植物孔洞网络(图2c和2d); (3) 风化作用 形成的浅层节理裂隙; (4) 由于灌溉或地下水抬升作用 发生的湿陷裂缝或地面坑洞(图2e; Peng D等, 2018);

(5) 由于活动构造形成的构造节理和断层(Peng等, 2019).

发育带是指位于塬边和墚峁边缘的地带, 地形破 碎, 水土流失风险大, 崩滑流等地质灾害频发(Li和Mo, 2019). 该区域节理裂隙发育可分为四类: (1) 由于构 造、卸荷、水的冲-潜蚀作用在距斜坡后缘几十米甚 至上百米范围内发育的多级裂缝带、落水洞和洞穴等 (图2g和2f; Xu等, 2014); (2) 受斜坡特殊应力影响发育 在黄土内部的垂直节理、历史裂隙或水蚀空洞等(图 2h和2i), 多呈隐伏状态, 延展性较差(Peng等, 2018a); (3) 斜坡地带动物孔洞、人工废弃洞穴和植物根系孔 洞等; (4) 由于风化、干湿循环、滑塌等作用在斜坡 峭壁、滑坡后壁、滑坡体等位置形成的垂直节理、风 化节理裂缝、滑塌裂缝等(图2j~2m; Feng等, 2020). 节 理裂隙发育带受自然和人类活动影响强烈, 加之优势 流的普遍发生潜力, 极易在外力作用下发生坡面水力

图 2 黄土塬边垂直节理的形态特征、发育规律及对塬边侵蚀和滑坡的影响

修改自Feng等(2021a)

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侵蚀、局部崩滑灾害等, 加剧沟谷侵蚀和扩张.

沟头溯源侵蚀切割塬面的同时, 临空面的发育导 致沟坡发生崩、滑、流等地质灾害的风险增加(段钊 等, 2019; 张卜平等, 2021). 伴随着沟坡地带优势通道的 高度发育, 极端降雨作用下塬边侧向侵蚀加剧, 进而发 育新的沟头(Feng等, 2021b). 因此, 降雨作用下除发生 坡面侵蚀外, 需要密切关注沟坡整体的失稳滑移机制 及其对固沟保塬工程的影响. 依托黄土高原1:5万地质 灾害详细调查数据集, 结合董志塬沟坡、塬边与裂缝 之间的伴生关系, 将滑坡发生的地质基础归结为由10 种易滑软弱层与4类控滑结构面有效组合的地质斜坡 结构体系(图3; 冯立, 2021). 在该体系中, 易滑软弱层是 软弱层和接触面不同组合的统称, 受地层倾向、滑动 位置、接触关系的综合控制. 10种易滑软弱层包括黄 土层内软弱带、泥岩层内软弱层、基岩层内软弱层和 老滑坡滑动面内4种软弱层(图3b 、3h 、3j 、3k), 以及 黄土- 古土壤、黄土- 红黏土、黄土- 泥岩、黄土- 基 岩、黄土- 阶地、泥岩-基岩6种接触面(图3c~3g 、3i). 这些易滑软弱层提供了黄土滑坡发生的基本地层特征.

除受基本地层特征影响外, 斜坡地带的节理裂隙 对黄土滑坡的形成发育也具有直接作用, 往往与易滑 软弱层贯通形成滑坡的完整滑动面. 因此, 将节理裂 隙形成的分离面作为斜坡的控滑结构面, 主要包括四 种类型(图3): ① 由构造应力发育的构造节理和断层; ② 由水-力相互作用叠加历史沉积效应形成的黄土原 生垂直节理; ③ 由卸荷作用形成的节理和裂缝/裂隙 带; ④ 由风化和温/湿度变化在垂直峭壁或黄土墙上 形成的风化节理、垂直节理和冻胀裂缝. 这四类结构 面共同构成了黄土滑坡发生的控滑结构面. 针对董志 塬的侵蚀灾变特征, 可以将塬边、沟坡节理裂隙与滑 坡发生的机制描述为: 由构造应力、卸荷等作用形成 的裂隙通道构成斜坡的优势结构面, 当外界水-力边界 改变时该优势结构面受到斜坡的蠕滑贯通, 进而发育 为斜坡的控滑结构面, 然后与10种易滑软弱层贯通形 成滑坡滑动面; 在重力或其他外部诱发因素(比如优势 入渗)的持续作用下, 塬边斜坡逐渐失稳滑动.

3 黄土塬沟道侵蚀演变过程及其机理

3.1 历史时期黄土塬沟道侵蚀演变过程及影响因素 地质历史时期黄土高原沟谷发育与气候变化密切

相关(袁宝印等, 1987; Porter和An, 2005). 以洛川塬为 例, 在第五层古土壤形成之前, 洛川塬的冲沟发育不明 显; 自第五层古土壤形成开始, 出现较明显的沟谷侵蚀, 侵蚀强度与气候变化关系密切, 气候湿润时发生冲沟 侵蚀, 距今至少经历了五次较强的侵蚀时期(袁宝印等, 1987). 分析历史资料和已有研究成果表明, 历史时期 人类活动大大加速了黄土塬沟道的侵蚀发育过程. 以 董志塬为例, 董志塬大部分现代侵蚀沟形成于过去 2000年, 沟道数量的增加与人口的增长密切相关(史念 海, 1987; 姚文波, 2009). 历史时期沟道侵蚀的加速, 最 直接的影响因素是古道路、古村庄和古城镇的建设, 在塬面形成了大量的人为硬化路面, 加速了塬面的汇 水作用和溯源侵蚀(姚文波, 2007; 金钊, 2020). 古城镇 建设加剧黄土塬沟道侵蚀发育的一个典型实例是陕西 省洛川县城的搬迁. 公元1768年以前, 洛川县城位于现 今的旧县镇. 由于城镇建设加速了县城周边沟道的侵 蚀扩张, 影响到城市的安全, 使旧县城不得不在1768年 搬迁到现今位置的凤栖镇. 洛川县城搬迁到凤栖镇后, 同样加剧了县城旁边黑木沟沟头的侵蚀速率. 全新世 期间黑木沟沟头的年平均侵蚀速率为0.37m a− 1, 而自

新县城搬来后的1768~1957年间, 沟头侵蚀速率增长至 4.34m a− 1, 大约是原侵蚀速率的12倍(桑广书, 2003).

3.2 现代黄土塬沟道侵蚀演变过程及影响因素

近50年来, 随着人类活动影响的加强和侵蚀性暴 雨频率的增加, 黄土塬的萎缩和破碎化进一步加剧. 通过解译董志塬1972 、2005和2020年高精度地形图和 遥感影像资料, 发现董志塬在加速萎缩. 1972年董志塬 的塬面面积为990.6km2, 2005年为960. 1km2, 2020年为 907 .5km2 , 49年间塬面缩小了83 . 1km2 , 大约以每年 1.7km2 的速度在萎缩; 其中1972~2005年塬面缩小了 30.5km2, 萎缩速率大约为0.9km2 a− 1 ; 2005~2020年塬 面萎缩了52.6km2, 萎缩速率增长至3.3km2 a− 1 .

塬面快速的城镇化和交通路网扩张是现代董志塬 沟道侵蚀剧烈和塬面萎缩的主要原因. 通过解译分析, 发现1975~2015年间董志塬城镇、村庄及道路等建设 用地面积增幅最大, 共增加236.25km2(杨思齐等, 2019; 图4a). 建设用地面积的急剧增长指示着不透水层面积 的快速扩大, 增强了塬面的汇水能力和冲刷强度(图 4c). 以董志塬西峰城区火巷沟为例, 1964年以来火巷 沟沟岸扩张与城市面积的扩大关系密切(杨思齐等,

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图 3 10种易滑软弱层和4类控滑结构面组成的多种斜坡地质结构类型

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图 4 董志塬快速的城镇化和交通路网扩张加速了塬面侵蚀和萎缩

2020). 1964~2003年, 火巷沟以1. 1m a− 1 的速度向外扩 张, 2003~2009年扩张速率增长至2.9m a− 1, 2009~2015 年增长至8.0m a− 1 ; 1964~2017年间, 西峰城区面积由 2. 1km2扩大至19.8km2 . 城区面积的不断扩大与火巷沟 沟岸的扩张呈显著正相关关系(杨思齐等, 2020). 交通 路网的扩张也是加剧沟道侵蚀的一个重要原因, 例如 2005~2020年董志塬道路总长度从3095km增长至 4274km, 道路平均密度从1 . 1km km − 2 增长至1 .5km km−2(图4b). 强降雨期间, 交通道路成为塬面汇水和排 水的重要通道, 形成了巨大的冲刷力, 若排水设计不合

理或缺乏排水设施, 将大大加剧沟头溯源侵蚀和沟岸 崩塌(图4d).

3.3 黄土塬边沟道侵蚀模式及其机理

在自然降雨作用下, 塬边沟道侵蚀过程包括4种模

式: 细沟侵蚀模式、切沟侵蚀模式、孔洞为主的优势 通道模式和掏蚀模式. 细沟侵蚀模式是以水流的冲刷

作用为主导, 指在降雨初期, 地表径流自上而下流向 沟底, 坡面上方和塬面边缘处首先发生片状侵蚀, 然 后发展成细沟侵蚀; 切沟侵蚀模式是以水力侵蚀和径 流作用为主导, 指细沟演变为切沟, 随着切沟形成而 发生的沟头前进, 挟带大量泥沙的径流继续下切沟床; 孔洞为主的优势通道模式是指在坡面形成大量的孔 洞, 这些孔洞成为降雨优势入渗的通道, 导致内部发生 潜蚀和溶蚀; 掏蚀模式是以水力和重力侵蚀交互作用 为主导的侵蚀模式, 随着径流不断下切, 坡脚被掏蚀, 引发沟壁崩塌和滑塌. 在人类活动影响下, 侵蚀主要存 在3种模式, 即不合理的疏排水侵蚀模式、不合理的 削-填工程侵蚀模式以及过度城镇化侵蚀模式. 自然和 人为因素导致的塬边沟道侵蚀存在一个共同点, 即侵 蚀的发生必然会伴生大量裂隙和孔洞的产生, 进而在 重力和水力侵蚀下, 以崩、滑、流等灾害形式溯源沟 头、扩张沟岸、侵蚀沟坡(图5).

自然降雨对塬边沟道的侵蚀过程为: 降雨形成地

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图 5 黄土塬边沟道侵蚀发生和发展过程

表径流冲刷, 片状侵蚀优先发生在坡面上方和塬面连 接处, 然后发展成细沟侵蚀并进一步演变为切沟, 切 沟加剧沟头前进, 挟带大量泥沙进一步下切沟床. 这 一侵蚀过程伴生大量的细沟、裂隙和孔洞, 最后发展 为地表水快速到达斜坡深部的优势通道, 加剧滑坡风 险. 在这一阶段, 物理潜蚀和化学溶蚀作用不可忽视, 两者使黄土颗粒的胶结作用减弱、支架式结构被破 坏, 降低了土壤团聚体之间的黏结性, 从而导致黄土强 度的降低和侵蚀灾变的发生. 随着径流对沟床的不断 下切, 沟坡底脚被不断掏蚀, 沟壁变陡, 若沟壁土体不 足以支撑自身重力时, 便发生了沟壁崩塌和滑塌等重 力侵蚀(Huo等, 2020). 沟壁崩塌和滑塌的结果, 一方 面促使沟道拓宽; 另一方面促使冲沟向上侵蚀, 随着径 流的持续作用又会发生一系列新的崩塌现象, 该阶段 以水力侵蚀和重力侵蚀的交互作用为主( 姜程等,

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2019). 沟头和沟壁处的不稳定斜坡或悬空面在受到干 湿、冷热、冻融作用下随时可能促发重力侵蚀, 且这 种重力侵蚀会持续很长一段时间, 并伴随着塬边优势 通道的大量发育.

人类活动对塬边沟道侵蚀过程的影响为: 在快速 城镇化的背景下, 城市和道路硬化面积的增加导致地 表产汇流过程加快, 径流量显著增加(Huo等, 2021); 在没有排水设施或排水设施设计不合理情况下, 塬边 硬化路面显著增强沟岸冲刷强度, 触发溯源侵蚀和沟 岸崩塌, 威胁城市、道路和人居安全. 针对沟头回填 工程而言, 如果回填沟头时未从小流域、集水区的角 度统筹沟头汇水特征, 导致设置的集、疏、排水工程 设计不合理, 当遭遇极端暴雨时沟头防护脆弱不堪, 直接切沟侵蚀坡面和沟床, 回填沟头也存在发生大范 围垮塌的风险(Huo等, 2020). 例如采用不同坡面处理 措施的边坡, 其稳定性存在显著差异; 回填沟头如果堵 塞地下水排泄口而缺乏疏导措施, 将导致回填土体地 下水位抬升, 土壤含水量和孔压快速升高, 有效应力 减小, 土体抗剪强度降低, 易发生整体失稳和滑坡的 风险.

4 水对固沟保塬工程侵蚀灾变的影响

4.1 水入渗潜蚀作用及其对黄土灾变的影响

水入渗过程对重塑黄土具有物理潜蚀和化学溶蚀 作用, 这一过程是水进入重塑黄土后导致黄土发生灾 变的关键因素. 通过室内实验和野外监测发现, 在水 初始入渗阶段, 起胶结作用的大量易溶盐被溶解和淋 滤, 使胶结物中的黏粒解体, 解体后的黏粒在水力作 用的驱动下通过粗颗粒之间的孔隙向下迁移, 上部流 失的黏粒填充下部的孔隙. 随着深度的增加, 黏粒含 量增多, 砂粒含量减少, 同时孔隙率和孔隙面积也减 小. 在细颗粒迁移的同时, 大量可溶盐随着细颗粒的

迁移发生溶蚀作用, 原生矿物被不断水解, 使得黄土 中可溶盐离子Na+ 、K + 、Ca 2 + 、Mg 2 + 、Cl − 、 SO 4 2 、CO 3 2 被不断溶蚀带走(林高潮, 2017; Fan等, 2017; Zhuang等, 2021a). 这一过程是黄土典型的内部 潜蚀和溶蚀过程.

黄土细颗粒的流失和起胶结作用可溶盐的溶解, 使得黄土中的骨架颗粒发生塌陷, 改变了黄土的结构 特性, 降低了黄土颗粒和团聚体之间的黏结性, 从而

导致黄土强度的降低和侵蚀灾变的发生(Zhuang等, 2021a). 通过室内力学试验, 发现在同一应变、不同围 压下, 水渗透后试验黄土的偏应力和破坏偏应力均小 于未经渗透试验的黄土样品(图6). 在无侧限围压下, 未经渗透试验黄土的无侧限抗压强度为267.95kPa, 而 渗透试验后的黄土无侧限抗压强度为162.95kPa, 强度 显著降低.

4.2 降雨作用下沟头回填工程侵蚀灾变模式

地表水的不合理疏导极易导致沟头回填工程发生 严重的边坡侵蚀, 影响工程的稳定性及其效果(Xu等, 2020; Kou等, 2020). 通过对董志塬驿马镇北胡同沟回 填工程的定位观测表明, 沟头回填压实后降雨很难通 过地表入渗(Jin等, 2023). 但随着降雨强度和历时的增 加, 回填坡面出现不同程度的侵蚀破坏现象. 结合室内 物理模型, 对不同坡面处理的回填措施进行了模拟试 验, 发现不同防护类型的边坡, 其破坏程度和破坏类 型各不相同(图7). 采用平整坡面处理的边坡最易受到 破坏, 在强降雨条件下极易发生坡面侵蚀、局部失稳 甚至是整体失稳破坏(图7a). 采用逐级放缓坡度进行 防护的边坡不易发生整体失稳, 其局部失稳的变形幅 度也相对较小, 但过长的坡面给雨水的汇流提供了良 好的汇集条件, 因此坡面受水流的冲蚀破坏作用要比 其他防护类型的边坡更为严重(图7b). 采用阶梯加排 水渠进行防护的边坡能有效防止坡面汇流, 降低雨水 对坡面的冲刷作用, 但坡面上的横向排水渠为沉降裂 缝和拉张裂缝的产生提供了条件, 边坡容易沿横向排

水渠产生局部的块体滑塌, 且滑面较深, 容易在坡体 前缘形成陡峭的临空面, 从而导致边坡产生持续的蠕 变和多阶段的局部失稳(图7c).

4.3 地下水抬升作用下沟头回填工程灾变过程及 机理

沟头回填完全改造了回填区原有的水文地质结 构, 重构了新的场地水循环模式, 同时也使得渗透介质 的结构与土性特征完全不同于原状黄土. 原有的地下 水排泄口被堵塞, 导致大量的地下水汇集在堆填的重 塑黄土工程体中, 加上地表水的入渗、侵蚀等共同作 用, 极易引起黄土性质发生改变, 直接导致工程失稳 或发生次生灾害, 形成溃散型黄土滑坡灾害(Peng等,

2018b; Feng等, 2021b). 结合董志塬沟头回填高填方 工程, 开展了地下水抬升作用下高填方工程侵蚀灾变 过程模型试验. 结果显示, 随着排水通道的堵塞, 地下 水逐渐增高并进入固沟保塬填方工程, 地下水渗入边 坡后引发土体的湿陷变形, 由于不均匀沉降产生了深 度和大小不一的沉降裂缝. 随着地下水的持续入渗, 水从边坡后部逐渐向前缘渗透, 并在坡面形成稳定的 渗流(Zhuang等, 2021b). 地下水位线以下的土体逐渐 趋向饱和, 土体内部孔压升高, 有效应力减小, 土体抗 剪强度降低. 坡脚处由于应力集中, 是边坡最易发生剪 切破坏的部位, 因此在坡脚饱和后, 边坡底部土体发生 液化现象. 在这个过程中, 由于孔隙水压力的激增致使 土体有效应力降低, 抗剪强度减小, 土体的抗滑力小于 下滑力, 边坡底部土体发生流滑, 形成巨大的拉张裂缝

图 6 压实黄土降雨入渗前后土体强度的变化

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图 7 降雨作用下不同沟头回填措施的边坡失稳特征

并迅速发展为贯穿坡面的侧向临空面. 甘肃永靖黑方 台的野外监测结果证实了地下水抬升作用下黄土台塬 边坡发生流滑灾变的机制, 即地下水抬升使得干黄土 层的下方形成饱和黄土软化带, 饱和黄土在剪切过程 中由于亚稳态结构的坍塌而产生液化, 这是地下水抬 升导致黄土流滑启动的原因, 并控制了黄土滑坡的快 速远程流动(Zhang等, 2022).

由此可见, 地下水进入边坡后导致的底部土体软 化和有效应力减小是诱发边坡失稳的主要原因(Zhang 和Wang, 2018; Peng等, 2019; Zhang等, 2022). 地下水 进入坡体内部并从坡体前缘的临空面渗出, 在边坡坡 脚形成地下水汇流出口, 这一过程会使坡体底部的土 体饱和, 局部孔隙水压力激增, 土体结构损坏, 土体发 生液化, 尤其是坡脚汇流出口处, 其土体液化现象最为 明显(Feng等, 2021b). 当孔压上升至一定值时, 坡脚处 土体有效应力降至最低, 坡体抗剪强度减小, 土体抗滑 力小于下滑力, 坡体发生流滑(图8; 孙萍等, 2019). 当 前, 上述室内试验结果得到了野外实地观测的验证 (Zhang和Wang, 2018; Zhang等, 2019; Zhang等, 2022), 在地下水抬升等强烈的水土相互作用下, 包括固沟保 塬回填边坡在内的黄土台塬边坡, 存在失稳流滑的风 险. 尤其是在极端降雨频发的气候背景下, 需要加强 沟头回填边坡的持续监测和潜在灾害风险评价, 保障

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固沟保塬工程的长期稳定性和安全性, 降低工程发生 次生地质灾害的风险.

5 固沟保塬工程的科学性和系统治理思路

固沟保塬工程是在黄土高原实施的一项重大国土 资源保护工程, 根据其治理方式可分为两类: 一类以林 草植被措施和传统水土保持方法(塬面涝池、坡面梯 田、沟底淤地坝等)为主(李怀有, 2008; 毕华兴等, 2010); 另一类是以沟头回填固定和边坡防护为主(Jin 等, 2019, 2022; 金钊, 2020). 长期以来, 林草植被措施 和传统水土保持方法一直是固沟保塬的主要方法, 对 控制黄土塬区土壤侵蚀和保护黄土塬面的完整性发挥 了至关重要的作用(黄委会西峰水保站, 2005). 然而, 林草植被措施和传统水土保持方法实施的周期长、见 效慢, 难以适应危及城市、道路、学校和居民点安全 的沟头治理. 因此, 近年来以沟头回填固定和边坡防 护为主的刚性固沟保塬工程在黄土塬区广泛实施. 以 甘肃省庆阳市实施的固沟保塬工程为例, 计划对董志 塬118条抢救性沟头进行回填固定.

研究结果表明, 地表水的不合理疏导和地下水位 的抬升是影响沟头回填固沟保塬工程稳定性的两个最 主要问题. 该治理模式能否大规模实施, 取决于董志塬

图 8 地下水抬升导致填方边坡失稳过程和机制

整体的水文地质条件和各个具体沟头的地下水排泄情 况. 董志塬地下含水层主要位于中更新统的离石黄土, 黄土层厚约120~170m, 多在谷坡、沟头及沟壁出露, 上覆上更新统马兰黄土, 厚约10~15m, 大气降水是地 下水的唯一补给源(Huang等, 2020). 董志塬塬心地下 水埋深约30~60m, 向塬边逐渐增大至50~70m, 最深可 达90m(李红溪, 2015). 除人工开采外, 台塬边缘的带状 溢出和泉眼排泄是董志塬地下水排泄的两种主要方 式, 分别占泉水排泄量的98%和2%(李文艳, 2013). 模 拟和观测结果表明, 1981~2010年, 由于地下水补给量 的锐减和人工开采量的大幅增加, 致使董志塬地下水 位平均累计下降15.7m, 泉水溢出量累计减少36.5%(李 文艳, 2013; Li等, 2014). 整体来看, 董志塬塬边的地下 水埋深较深, 并且地下水位下降明显, 泉水溢出量减 少, 因此从水文地质条件来看, 在特定沟头实施沟头 回填固沟保塬工程是科学可行的. 对回填深度较小、 无泉水溢出的沟头, 地下水抬升致灾的风险较小, 需 要重点防范地表水不合理疏导的问题; 对回填深度较 大、有明显泉水溢出的沟头, 存在地下水抬升致灾的

风险, 可通过铺设盲沟, 加强地下水的疏导, 降低回填 沟头整体失稳的风险.

目前, 在董志塬已实施的固沟保塬工程显示, 沟头 回填固定能够快速稳定沟头, 阻止沟头前进和沟岸扩 张, 有效降低沟头周围的地质灾害风险, 如董志塬西 峰城区的火巷沟、庆城市驿马镇的北胡同沟. 以北胡 同沟治理工程为例, 该工程填埋深度为35.5m, 回填长 度为88.5m, 是一项典型的沟头回填固定工程. 该工程 整体效果较好, 塬面排水采用暗管加逐级消能井的方 式将地表径流输送到沟道内排泄, 坡面采用水泥格构 与林草植被相结合的方式进行防护(图9). 目前, 该工 程由于回填坡面横向排水渠排水不通畅, 导致部分区 域出现自下而上的掏蚀, 影响边坡防护的整体效果. 从室内物理模型试验来看, 强降雨条件下采用平整坡 面处理的边坡侵蚀破坏最为严重, 阶梯加排水渠边坡 易沿横向排水渠产生沉降裂缝和拉张裂缝, 而采用逐 级放缓坡面的边坡整体情况较好, 仅坡脚处发生侵蚀. 因此后期工程设计中, 建议采用逐级放缓坡面的方式 进行边坡处理, 但应注意过长坡面产生的汇流疏导问

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图 9 庆阳市驿马镇沟头回填固定和坡面防护模式图

题及降低坡脚处发生的侵蚀破坏. 从固沟保塬工程实 施后流域系统的反馈来看, 利用分布式水文模型 (SWAT)进行情景模拟发现, 董志塬砚瓦川流域实施沟 头回填与林草植被相结合的固沟保塬措施, 将大大降 低流域侵蚀强度和输沙量(69%), 但对径流量的影响 较小(2.4%)(Huo等, 2021). 因此, 在流域系统内采用 “刚性工程”(沟头回填)和“柔性措施”(林草植被)相结 合的方式进行固沟保塬是适宜的, 能够有效降低流域 产沙量, 控制沟谷侵蚀的强度, 保护塬面的完整性. 而 针对沟头回填工程, 需要做到“水文地质条件适宜-工

程设计合理-水土力作用稳定-流域系统协调”的原则, 方可实现工程的持久性和稳定性.

当前, 《董志塬区“固沟保塬”综合治理规划》设 定的目标是实现“塬水不下沟或有序下沟, 沟头不前 进, 沟岸不扩张, 沟床不下切”, 具体措施是按照四道 防线进行布局, 即“塬面径流调控、沟头沟岸加固防 护、坡面植被恢复、沟道水沙集蓄” . 大量研究结果表 明, 固沟保塬的关键是控水, 减少塬面径流冲刷, 实现 塬水不下沟或有序下沟. 在总结前期工作经验的基础 上, 结合已取得的新认识, 提出以“控水”为核心的固

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沟保塬“拦-蓄-排- 固”系统治理思路(图10). 拦(水): 主 要利用塬边护边埂和坡面梯田拦截地表径流, 减少塬 边和坡面侵蚀冲刷, 增加降雨就地入渗; 蓄(水): 主要 在塬面修建人工湖和涝池, 收集地表径流, 减少径流冲 刷, 实现塬水不下沟; 此外, 在沟底修建淤地坝和小型 水库, 进行水沙集蓄, 减轻沟床下切; 排(水): 在塬面和 沟坡修建排水渠或导水管道, 沟坡配套修建消能井, 降 低势能差, 引导径流有序下沟; 固(沟): 实施沟头回填 固定和坡面防护工程, 阻止沟头前进, 降低地质灾害风 险(金钊, 2020).

6 结论与展望

在人类活动加剧和暴雨频发的影响下, 包括董志 塬在内的黄土塬正面临快速破碎化和解体的风险. 针 对这一重大问题, 本文得出如下结论: (1) 黄土原生垂 直节理的普遍发育是黄土易侵蚀变形、崩解流滑和水 敏灾变的本源, 而台塬边缘地带(含沟坡)的节理裂隙 发育对塬边侵蚀、沟谷扩张和崩滑流等地质灾害具有 重要的控制作用; (2) 董志塬正在以惊人的速度萎缩,

图 10 以控水为核心的固沟保塬 “拦-蓄-排- 固”系统治理思路

塬面快速城镇化和交通路网扩张导致的塬边和沟头冲 刷加剧, 是现时期董志塬沟道侵蚀剧烈和塬面萎缩的 主要原因; (3) 当前正在实施的部分沟头回填固沟保 塬工程, 存在地表水不合理疏导和地下水位抬升的问 题, 这两个问题是影响工程稳定性的关键; (4) 固沟保 塬工程是减缓塬边侵蚀的有效工程, 但方法措施上需 要采用“拦-蓄-排- 固”的系统治理模式, 控制塬面萎缩 和碎片化.

当前, 固沟保塬工程不仅仅局限于水土保持或地 质灾害防治工程, 而是水土保持与地质灾害防治相结 合的综合性治理工程, 需要生态、水保、地质和工程 的多学科、多方法和多措施的结合. 当前, 政府部门 已充分认识到黄土塬萎缩的严重性, 并实施了一系列 固沟保塬治理措施. 然而, 国内学者对整个黄土高原 地区黄土塬的萎缩现状缺乏全面系统的了解. 此外, 不同地区的黄土塬, 其人类活动影响的类型和方式各 不相同, 例如董志塬主要受塬面快速的城镇化和交通 路网扩张的影响, 而黑方台台塬主要受长期大水漫灌 的影响. 其他黄土塬主要受什么类型人类活动的影响, 自然因素的影响有多大, 目前还缺乏清晰的认识, 需要 深入研究. 此外, 对以地质灾害防治为主的沟头回填工 程, 其长期稳定性如何, 是否能经受极端降雨事件的影 响, 这方面的监测、模拟和潜在灾害风险评价研究还 需要进一步深入. 因此, 建议及时开展整个黄土塬萎 缩现状和机理及固沟保塬科学模式的基础科学和工程

实践研究, 促进黄土高原水土流失治理和国土资源保 护更加科学和完善.

致谢 责任编委和匿名审稿人对本文提出建设性意见, 陕西黄土高原地球关键带国家野外科学观测研究站提供 了野外工作的支持, 一并致谢.

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