黄土滑坡典型工程地质问题分析

  0 引 言

 

  我国黄土面积6.3×105 km2，约占我国陆地面积的6.6%。黄土滑坡是西北地区最为严重的地质灾害，给人民生命财产带来威胁。历史上，1920 年12 月16 日宁夏海原里氏8.5 级地震，发生较大规模滑坡657 处，滑坡分布面积达5.0×104 km2，造成20 万人死亡[1]。

 

  据不完全统计，陕西省已发生黄土滑坡1131 处，兰州地区1300 处，甘肃省东部4576 处[2]。

 

  随着西部经济的发展及工程活动的加强，黄土滑坡成为近年工程地质研究的热点问题[3]。金艳丽等基于饱和黄土应力路径试验分析了灌溉诱发黄土滑坡机理，雷祥义研究了黄土滑坡与人类活动的关系[5]，吴玮江等[6]研究了黄土滑坡的类型和发育特征，许领等[7]研究了黄土滑坡的地表水入渗途径，王家鼎等研究了黄土滑坡的蠕滑液化机理。然而，有些问题至今还未引起学界的重视，如滑坡后缘裂缝成因及其对黄土滑坡的作用机制、滑坡后壁高陡成因机制、滑坡演化等。研究人员并未将它们作为一个独立的工程地质问题加以思考，仅在分析滑坡发育特征时进行简单介绍或略作讨论，然而，它们是黄土滑坡研究不可回避的内容和重要组成部分。因此，本文以南塬为例，对当前黄土滑坡研究中的几个典型工程地质问题进行分析。

 

  1 研究区概况

 

  泾阳南塬位于陕西省泾阳县城南泾河右岸，是关中盆地渭北黄土台塬的组成部分[9]。南塬横跨太平、蒋刘、高庄3 个行政乡，东西长达27.1 km，塬区面积约70 km2，塬面开阔，高程420～490 m，微向西南倾伏[10]。台塬高差40～90 m，直接与泾河2 级阶地相接。

 

  泾阳南塬处于宝鸡峡引渭灌溉区的下游，自1976年大面积农业灌溉以来，诱发了大量黄土滑坡，造成了严重的经济损失和人员伤亡。如1984 年12 月发生的蒋刘滑坡，压埋159 民房，造成20 人死亡。

 

  2005 年～2007 年6 月份，笔者对南塬黄土滑坡进行了多次现场调查和滑坡特征参数测量，获得了详实的野外资料。图1 为研究区黄土滑坡分布图，由于局部地段滑坡边界不明显，把连续的几个（亚滑坡群）归为一处，但保留滑坡次数，因此，根据最新调查资料，研究区发生黄土滑坡27 处，共50 余起。

 

  2 黄土滑坡典型工程地质问题

 

  2.1 地下水上升诱发黄土滑坡机制

 

  随着农业灌溉的持续和加强，地下水上升诱发黄土滑坡机制的研究，成为黄土滑坡研究亟待解决的问题之一。雷祥义[10]、范立民等[11]、宁社教等[12]对南塬黄土滑坡机制进行了研究，但主要是从地下水、节理等宏观现象以及黄土微观结构特性角度进行的初步分析，但对其中的工程地质问题研究不够深入。

 

  （1）滑坡发生机制

 

  土的力学性质决定于其应力路径[13-15]。近年来，滑坡发生的实际应力路径试验研究受到广泛重视。

 

  Brand[17]首先提出降雨诱发滑坡的实际应力路径为总应力保持不变，孔隙水压力不断增加的破坏过程，其应力路径（CSD）如图2 所示，常规应力路径试验（CU，CD）与实际应力路径相差悬殊。Anderson 等、Dai较早开展了该方面的研究工作。

 

  地下水位的上升实际过程为剪应力近似不变，孔压升高的排水剪切过程，其应力路径可近似用CSD 路径来模拟。金艳丽等[4]开展了饱和黄土CSD 应力路径试验，研究了地下水位上升造成的黄土滑坡发生机理，认为此类黄土滑坡机制为排水剪切—导致不排水破坏—静态液化的滑坡发生机制。同时，由于试验条件的限制，其CSD 路径忽略了负孔隙水压力部分，而黄土属于典型的非饱和土，含水率增加导致基质吸力减小的增湿过程同样可以诱发黄土滑坡。因此，应开展起始非饱和状态的黄土CSD 增湿试验研究，探讨黄土滑坡静态液化发生条件和滑坡发生机制。

 

  （2）滑坡远程滑动机制

 

  Hunchion、王家鼎[24]较早论述了黄土流滑破坏机制。Seed 、Sassa 也都曾提出过滑动液化的观点，认为滑体在剧滑时的振动力能够引起液化。

 

  Hutchinson 等[27]提出了流动性滑坡的滑动机制在于“不排水荷载效应”。图3 为在东风滑坡现场发现的滑动过程局部扰动现象，可能为液化所致。

 

  因此，滑距坡度[30-31]近似黄土内摩擦角。南塬饱和黄土内摩擦角27°，而研究区诱发的高速远程流滑滑动坡度平均值在11.8°，这与Sassa[26]、Higher 等对类似滑坡统计角度一致。因此，我们初步认为，南塬滑坡滑动过程存在动态液化。

 

  关于此类远程滑坡远程滑动机制的试验研究还是空白。由于此类滑坡的滑动场所多为河流阶地，其滑动过程的孔压模式也较为复杂。图4 为泾阳南塬远程黄土滑坡滑面物质组成及可能孔压模式。南塬黄土滑坡启动后，在泾河阶地上滑动，阶地二元结构也具有液化能力，因此，该滑动面孔压产生、消散模式较为复杂，双液化层液化机制是今后研究的难点之一。

 

  2.2 台缘裂缝成因机制

 

  泾阳南塬27.1 km 的塬边发育有28 条裂缝，总延展长度为1424 m（裂缝延展长度为裂缝两端点连线的直线距离）。一般近弧形展布，总体平行塬边走向，贯通性较好（图5）。裂缝分布很不均匀，集中于滑坡发育较强烈的地段，如太平镇寨头村以及东风村等。

 

  台缘裂缝成因机制应上升为黄土滑坡研究的主要工程地质问题而加以认识和开展研究。王家鼎等[8]通过对大量黄土滑坡的考察，发现湿陷坑边缘正好是滑坡的后缘裂缝，因此，认为滑坡后缘裂缝大多是湿陷沉降裂缝，而湿陷性不足以解释“湿陷坑”的线性或者串珠状展布的规律性特征，以及其导致的后缘裂缝线性特征。通过对南塬黄土滑坡裂缝的调查，笔者曾对南塬滑坡裂缝湿陷成因的可能性进行了讨论[7]。受后期滑坡演化、发展的影响，目前，南塬发育有3 类裂缝，其形成机制也不尽相同。因此，这里仅对初始塬边条件下的单一滑坡裂缝成因机制进行讨论，并对裂缝形成后对滑坡的作用机制进行分析。

 

  笔者曾对泾阳东风滑坡后壁取样，开展了基于饱和黄土ICU/ACU 及CSD 三轴试验，见文献[4]，饱和黄土应力应变特征如下：

 

  （1）ICU/ACU 在小应变条件下（﹤2%，ACU更小）即达峰值强度，其后呈强烈应变软化特征，直至稳定状态（FL）。

 

  （2）CSD 增湿路径下起初变形极小，当应力路径穿过破坏线（Kf）到达不稳定区后，土体瞬间发生剪缩破坏，尽管此时CSD 保持排水条件，但孔压水压力突然升高，导致静态液化。

 

  基于饱和黄土应力应变特征，对滑坡裂缝成因初步分析如下：首先，长期农业灌溉导致塬边底部黄土饱水，孔隙水压力升高使得K0 线上的初始应力点a沿CSD 路径进入不稳定区，发生不排水剪切，局部静态液化（图6 中ab）；随着局部土体的破坏及应力转移，状态点c 剪应力增加，应力状态达到穿过峰后状态线edb 时，土体破坏。宏观上看，底部土体的破坏增加顶部非饱和黄土所承受的剪应力，当增加的荷载超过顶部黄土强度时，即形成滑坡裂缝。考虑到黄土在小应变条件的破坏特征，地表滑坡裂缝垂直错距应较小。实测平均值48.0 cm，与理论值较符。

 

  地裂缝的形成初期，尽管q 增加使得应力路径有向破坏线移动（图6 中kh，cd），但是，如果裂缝的形成有利于地下水排泄，发生排水剪，应力路径将远离破坏线（图6 中CD），土体趋于稳定，这就解释了裂缝形成后可长时间存在，而不发生滑坡的原因。随着裂缝的发展以及应力状态继续接近破坏线，很小的局部扰动即可造成土体破坏（图6 中hgf），一旦排泄受阻，土体会立即达到破坏线（FL），发生液化。因此，在后期的农业灌溉、降雨情况下（尤其裂缝开始汇集地表水时），即使很小的孔压上升，或者荷载扰动即可导致滑坡的发生。这也合理解释了裂缝出现后，灌溉、降雨更易诱发滑坡的原因。

 

  2.3 滑坡高陡后壁成因机制与其稳定性评价

 

  图7 为研究区滑坡后壁坡度直方图，考虑到统计数据多是近期滑坡后壁坡度（从演化的角度，坡度变缓）及崩塌堆积等使得测量坡度偏小，研究区滑坡后壁平均坡度在50°左右，而早期流滑型黄土滑坡（为第Ⅰ期的远程黄土滑坡）要大于50°，甚至在60°以上。高陡的滑坡后壁可能再次发生滑坡，从而表现为黄土滑坡的演化特征，图8 为蒋刘Ⅲ期滑坡后壁照片，可见，后壁依然较陡（50°）。

 

  针对滑坡后壁高陡成因机制的研究还没开展。高陡后壁除了作为滑坡重要特征外，其与滑坡演化的相关性足以使其成为黄土滑坡关键工程地质问题。笔者认为：原状黄土力学性质的各方异性[33]对滑坡后壁形态具有一定的影响；考虑到黄土滑坡剖面并不是一个均质的力学单元，其底部饱水，顶部却具有极低含水率，黄土强度参数在滑坡剖面上是变化的。这种变化与滑坡的后壁特征具有极大的相似性，可见，剖面强度参数变化对滑坡后壁形态亦具有一定的影响。因此，建议采用变化的非饱和—饱和黄土强度参数（考虑各项异性）模拟黄土滑坡后壁形成机制，在此基础上进行滑坡后壁稳定性分析和评价。

 

  2.4 黄土滑坡演化与演化平衡

 

  滑坡演化是指在时间尺度上发生过滑坡的地方再次发生滑坡。研究区发育有流滑、滑动和崩塌3 种类型，第Ⅰ期主要为流滑，第Ⅱ期主要为滑动，第Ⅲ期为滑动或者黄土崩塌。这种滑坡类型的差别正是滑坡演化的一种反映。黄土滑坡演化以蒋刘滑坡最为典型，在短短的7～8 a 中，在原地就滑了3 次（图9）。由图8 可见，新的裂缝已经初具规模，目前该处塬边滑坡演化仍在进行。

 

  上述分析可知，滑坡后壁平均坡度50°左右，早期滑坡可能在60°以上。坡度越大越易诱发滑坡。同时，滑坡后缘平面上呈弧形，能够汇集地下水，增加径流强度（径流途径短）。如图8 所示，蒋刘滑坡后缘可见较大面积积水洼地，芦苇重生，水面距塬顶35 m，高出阶地二十余米。因此，高陡的后壁以及滑坡后缘对于地下水径流的增强作用，是黄土滑坡演化的重要机制。

 

  在野外考察时，演化平衡（停止）是当地群众经常问到的一个问题，在滑坡预防和治理成本较高的情况下，也是地方政府进行农业规划的基础。滑坡演化是滑坡活动强度逐渐衰减的过程，反映的是塬边地质条件改变，滑坡趋于平衡态（停止）的一种走势，塬边滑坡类型由流滑到滑动、滑塌的转化实际上是黄土滑坡演化趋于平衡的一种反映。按目前裂缝发育规模估计（塬边高差70 m，最大裂缝延展长度208 m 平均50.9 m，最大距塬边距18.7 m），则裂缝诱发滑坡方量约为2.72×105 m3，其规模较早期频繁发生的远程流滑要小的多，这是不是滑坡演化平衡的反映呢。

 

  因此，滑坡演化既是个理论问题又是个非常现实的问题。目前，除了从上述角度（高陡后壁、地下水径流的增强以及地裂缝）探寻黄土滑坡演化机制外，还要考虑到前期滑坡的不断堆积、后期滑坡的临空条件改变以及滑坡剪出口提高等对黄土滑坡演化的影响。

 

  3 结 论

 

  2005 年～2007 年，笔者对泾阳南塬黄土滑坡进行了多次调查和滑坡特征测量。调查表明，南塬分布着27 处50 余起黄土滑坡。地下水位上升诱发高速远程滑坡机制，塬边地裂缝成因机制，滑坡高陡后壁成因机制及其稳定性评价方法，黄土滑坡演化机制与平衡是黄土滑坡典型工程地质问题。本对上述问题进行了初步分析，结论和建议如下：

 

  （1）地下水上升诱发的黄土滑坡应力路径总体为始于非饱和区的CSD 增湿过程。滑坡的酝酿首先表现为地下水上升孔隙水压力升高，底部黄土发生液化，局部失稳和变形的发展最终造成滑坡的发生。南塬远程黄土滑坡滑距坡度平均为11.8°，远小于饱和黄土内摩擦角，结合现场地貌特征判断，南塬远程黄土滑坡滑动过程发生了液化加载效应。考虑到泾河阶地的二元结构，为双液化层滑动机制。

 

  （2）典型的滑前裂缝是黄土滑坡内部土体微观（小应变）变形的宏观积累，是内部机制的外在表现。

 

  裂缝的形成，一定情况下有利于局部地下水的消散和排泄，使滑坡趋于稳定；但另一方面，使坡体底部土体的应力状态发生转移，向破坏线移动，因此，后期仅需较小超孔压水压力或者外部荷载即可诱发滑坡。

 

  （3）南塬黄土滑坡后壁平均坡度在50°左右，早期黄土滑坡要大于50°。建议采用变化的非饱和—饱和黄土强度参数（考虑各项异性）模拟黄土滑坡后壁形成机制，在此基础上进行滑坡后壁稳定性分析和评价。

 

  （4）前期滑坡高陡后壁及滑坡后缘对于地下水径流的增强作用是黄土滑坡演化的重要机制。滑坡演化平衡（滑坡停止），除了从上述角度探寻黄土滑坡演化机制外，还要考虑到前期滑坡的不断堆积、后期滑坡的临空条件改变以及滑坡剪出口提高等对滑坡演化的影响。