黃土滑坡典型工程地質(zhì)問(wèn)題分析

  0 引 言

 

  我國黃土面積6.3×105 km2，約占我國陸地面積的6.6%。黃土滑坡是西北地區最為嚴重的地質(zhì)災害，給人民生命財產(chǎn)帶來(lái)威脅。歷史上，1920 年12 月16 日寧夏海原里氏8.5 級地震，發(fā)生較大規模滑坡657 處，滑坡分布面積達5.0×104 km2，造成20 萬(wàn)人死亡[1]。

 

  據不完全統計，陜西省已發(fā)生黃土滑坡1131 處，蘭州地區1300 處，甘肅省東部4576 處[2]。

 

  隨著(zhù)西部經(jīng)濟的發(fā)展及工程活動(dòng)的加強，黃土滑坡成為近年工程地質(zhì)研究的熱點(diǎn)問(wèn)題[3]。金艷麗等基于飽和黃土應力路徑試驗分析了灌溉誘發(fā)黃土滑坡機理，雷祥義研究了黃土滑坡與人類(lèi)活動(dòng)的關(guān)系[5]，吳瑋江等[6]研究了黃土滑坡的類(lèi)型和發(fā)育特征，許領(lǐng)等[7]研究了黃土滑坡的地表水入滲途徑，王家鼎等研究了黃土滑坡的蠕滑液化機理。然而，有些問(wèn)題至今還未引起學(xué)界的重視，如滑坡后緣裂縫成因及其對黃土滑坡的作用機制、滑坡后壁高陡成因機制、滑坡演化等。研究人員并未將它們作為一個(gè)獨立的工程地質(zhì)問(wèn)題加以思考，僅在分析滑坡發(fā)育特征時(shí)進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹或略作討論，然而，它們是黃土滑坡研究不可回避的內容和重要組成部分。因此，本文以南塬為例，對當前黃土滑坡研究中的幾個(gè)典型工程地質(zhì)問(wèn)題進(jìn)行分析。

 

  1 研究區概況

 

  涇陽(yáng)南塬位于陜西省涇陽(yáng)縣城南涇河右岸，是關(guān)中盆地渭北黃土臺塬的組成部分[9]。南塬橫跨太平、蔣劉、高莊3 個(gè)行政鄉，東西長(cháng)達27.1 km，塬區面積約70 km2，塬面開(kāi)闊，高程420～490 m，微向西南傾伏[10]。臺塬高差40～90 m，直接與涇河2 級階地相接。

 

  涇陽(yáng)南塬處于寶雞峽引渭灌溉區的下游，自1976年大面積農業(yè)灌溉以來(lái)，誘發(fā)了大量黃土滑坡，造成了嚴重的經(jīng)濟損失和人員傷亡。如1984 年12 月發(fā)生的蔣劉滑坡，壓埋159 民房，造成20 人死亡。

 

  2005 年～2007 年6 月份，筆者對南塬黃土滑坡進(jìn)行了多次現場(chǎng)調查和滑坡特征參數測量，獲得了詳實(shí)的野外資料。圖1 為研究區黃土滑坡分布圖，由于局部地段滑坡邊界不明顯，把連續的幾個(gè)（亞滑坡群）歸為一處，但保留滑坡次數，因此，根據最新調查資料，研究區發(fā)生黃土滑坡27 處，共50 余起。

 

  2 黃土滑坡典型工程地質(zhì)問(wèn)題

 

  2.1 地下水上升誘發(fā)黃土滑坡機制

 

  隨著(zhù)農業(yè)灌溉的持續和加強，地下水上升誘發(fā)黃土滑坡機制的研究，成為黃土滑坡研究亟待解決的問(wèn)題之一。雷祥義[10]、范立民等[11]、寧社教等[12]對南塬黃土滑坡機制進(jìn)行了研究，但主要是從地下水、節理等宏觀(guān)現象以及黃土微觀(guān)結構特性角度進(jìn)行的初步分析，但對其中的工程地質(zhì)問(wèn)題研究不夠深入。

 

  （1）滑坡發(fā)生機制

 

  土的力學(xué)性質(zhì)決定于其應力路徑[13-15]。近年來(lái)，滑坡發(fā)生的實(shí)際應力路徑試驗研究受到廣泛重視。

 

  Brand[17]首先提出降雨誘發(fā)滑坡的實(shí)際應力路徑為總應力保持不變，孔隙水壓力不斷增加的破壞過(guò)程，其應力路徑（CSD）如圖2 所示，常規應力路徑試驗（CU，CD）與實(shí)際應力路徑相差懸殊。Anderson 等、Dai較早開(kāi)展了該方面的研究工作。

 

  地下水位的上升實(shí)際過(guò)程為剪應力近似不變，孔壓升高的排水剪切過(guò)程，其應力路徑可近似用CSD 路徑來(lái)模擬。金艷麗等[4]開(kāi)展了飽和黃土CSD 應力路徑試驗，研究了地下水位上升造成的黃土滑坡發(fā)生機理，認為此類(lèi)黃土滑坡機制為排水剪切—導致不排水破壞—靜態(tài)液化的滑坡發(fā)生機制。同時(shí)，由于試驗條件的限制，其CSD 路徑忽略了負孔隙水壓力部分，而黃土屬于典型的非飽和土，含水率增加導致基質(zhì)吸力減小的增濕過(guò)程同樣可以誘發(fā)黃土滑坡。因此，應開(kāi)展起始非飽和狀態(tài)的黃土CSD 增濕試驗研究，探討黃土滑坡靜態(tài)液化發(fā)生條件和滑坡發(fā)生機制。

 

  （2）滑坡遠程滑動(dòng)機制

 

  Hunchion、王家鼎[24]較早論述了黃土流滑破壞機制。Seed 、Sassa 也都曾提出過(guò)滑動(dòng)液化的觀(guān)點(diǎn)，認為滑體在劇滑時(shí)的振動(dòng)力能夠引起液化。

 

  Hutchinson 等[27]提出了流動(dòng)性滑坡的滑動(dòng)機制在于“不排水荷載效應”。圖3 為在東風(fēng)滑坡現場(chǎng)發(fā)現的滑動(dòng)過(guò)程局部擾動(dòng)現象，可能為液化所致。

 

  因此，滑距坡度[30-31]近似黃土內摩擦角。南塬飽和黃土內摩擦角27°，而研究區誘發(fā)的高速遠程流滑滑動(dòng)坡度平均值在11.8°，這與Sassa[26]、Higher 等對類(lèi)似滑坡統計角度一致。因此，我們初步認為，南塬滑坡滑動(dòng)過(guò)程存在動(dòng)態(tài)液化。

 

  關(guān)于此類(lèi)遠程滑坡遠程滑動(dòng)機制的試驗研究還是空白。由于此類(lèi)滑坡的滑動(dòng)場(chǎng)所多為河流階地，其滑動(dòng)過(guò)程的孔壓模式也較為復雜。圖4 為涇陽(yáng)南塬遠程黃土滑坡滑面物質(zhì)組成及可能孔壓模式。南塬黃土滑坡啟動(dòng)后，在涇河階地上滑動(dòng)，階地二元結構也具有液化能力，因此，該滑動(dòng)面孔壓產(chǎn)生、消散模式較為復雜，雙液化層液化機制是今后研究的難點(diǎn)之一。

 

  2.2 臺緣裂縫成因機制

 

  涇陽(yáng)南塬27.1 km 的塬邊發(fā)育有28 條裂縫，總延展長(cháng)度為1424 m（裂縫延展長(cháng)度為裂縫兩端點(diǎn)連線(xiàn)的直線(xiàn)距離）。一般近弧形展布，總體平行塬邊走向，貫通性較好（圖5）。裂縫分布很不均勻，集中于滑坡發(fā)育較強烈的地段，如太平鎮寨頭村以及東風(fēng)村等。

 

  臺緣裂縫成因機制應上升為黃土滑坡研究的主要工程地質(zhì)問(wèn)題而加以認識和開(kāi)展研究。王家鼎等[8]通過(guò)對大量黃土滑坡的考察，發(fā)現濕陷坑邊緣正好是滑坡的后緣裂縫，因此，認為滑坡后緣裂縫大多是濕陷沉降裂縫，而濕陷性不足以解釋“濕陷坑”的線(xiàn)性或者串珠狀展布的規律性特征，以及其導致的后緣裂縫線(xiàn)性特征。通過(guò)對南塬黃土滑坡裂縫的調查，筆者曾對南塬滑坡裂縫濕陷成因的可能性進(jìn)行了討論[7]。受后期滑坡演化、發(fā)展的影響，目前，南塬發(fā)育有3 類(lèi)裂縫，其形成機制也不盡相同。因此，這里僅對初始塬邊條件下的單一滑坡裂縫成因機制進(jìn)行討論，并對裂縫形成后對滑坡的作用機制進(jìn)行分析。

 

  筆者曾對涇陽(yáng)東風(fēng)滑坡后壁取樣，開(kāi)展了基于飽和黃土ICU/ACU 及CSD 三軸試驗，見(jiàn)文獻[4]，飽和黃土應力應變特征如下：

 

  （1）ICU/ACU 在小應變條件下（﹤2%，ACU更?。┘催_峰值強度，其后呈強烈應變軟化特征，直至穩定狀態(tài)（FL）。

 

  （2）CSD 增濕路徑下起初變形極小，當應力路徑穿過(guò)破壞線(xiàn)（Kf）到達不穩定區后，土體瞬間發(fā)生剪縮破壞，盡管此時(shí)CSD 保持排水條件，但孔壓水壓力突然升高，導致靜態(tài)液化。

 

  基于飽和黃土應力應變特征，對滑坡裂縫成因初步分析如下：首先，長(cháng)期農業(yè)灌溉導致塬邊底部黃土飽水，孔隙水壓力升高使得K0 線(xiàn)上的初始應力點(diǎn)a沿CSD 路徑進(jìn)入不穩定區，發(fā)生不排水剪切，局部靜態(tài)液化（圖6 中ab）；隨著(zhù)局部土體的破壞及應力轉移，狀態(tài)點(diǎn)c 剪應力增加，應力狀態(tài)達到穿過(guò)峰后狀態(tài)線(xiàn)edb 時(shí)，土體破壞。宏觀(guān)上看，底部土體的破壞增加頂部非飽和黃土所承受的剪應力，當增加的荷載超過(guò)頂部黃土強度時(shí)，即形成滑坡裂縫?？紤]到黃土在小應變條件的破壞特征，地表滑坡裂縫垂直錯距應較小。實(shí)測平均值48.0 cm，與理論值較符。

 

  地裂縫的形成初期，盡管q 增加使得應力路徑有向破壞線(xiàn)移動(dòng)（圖6 中kh，cd），但是，如果裂縫的形成有利于地下水排泄，發(fā)生排水剪，應力路徑將遠離破壞線(xiàn)（圖6 中CD），土體趨于穩定，這就解釋了裂縫形成后可長(cháng)時(shí)間存在，而不發(fā)生滑坡的原因。隨著(zhù)裂縫的發(fā)展以及應力狀態(tài)繼續接近破壞線(xiàn)，很小的局部擾動(dòng)即可造成土體破壞（圖6 中hgf），一旦排泄受阻，土體會(huì )立即達到破壞線(xiàn)（FL），發(fā)生液化。因此，在后期的農業(yè)灌溉、降雨情況下（尤其裂縫開(kāi)始匯集地表水時(shí)），即使很小的孔壓上升，或者荷載擾動(dòng)即可導致滑坡的發(fā)生。這也合理解釋了裂縫出現后，灌溉、降雨更易誘發(fā)滑坡的原因。

 

  2.3 滑坡高陡后壁成因機制與其穩定性評價(jià)

 

  圖7 為研究區滑坡后壁坡度直方圖，考慮到統計數據多是近期滑坡后壁坡度（從演化的角度，坡度變緩）及崩塌堆積等使得測量坡度偏小，研究區滑坡后壁平均坡度在50°左右，而早期流滑型黃土滑坡（為第Ⅰ期的遠程黃土滑坡）要大于50°，甚至在60°以上。高陡的滑坡后壁可能再次發(fā)生滑坡，從而表現為黃土滑坡的演化特征，圖8 為蔣劉Ⅲ期滑坡后壁照片，可見(jiàn)，后壁依然較陡（50°）。

 

  針對滑坡后壁高陡成因機制的研究還沒(méi)開(kāi)展。高陡后壁除了作為滑坡重要特征外，其與滑坡演化的相關(guān)性足以使其成為黃土滑坡關(guān)鍵工程地質(zhì)問(wèn)題。筆者認為：原狀黃土力學(xué)性質(zhì)的各方異性[33]對滑坡后壁形態(tài)具有一定的影響；考慮到黃土滑坡剖面并不是一個(gè)均質(zhì)的力學(xué)單元，其底部飽水，頂部卻具有極低含水率，黃土強度參數在滑坡剖面上是變化的。這種變化與滑坡的后壁特征具有極大的相似性，可見(jiàn)，剖面強度參數變化對滑坡后壁形態(tài)亦具有一定的影響。因此，建議采用變化的非飽和—飽和黃土強度參數（考慮各項異性）模擬黃土滑坡后壁形成機制，在此基礎上進(jìn)行滑坡后壁穩定性分析和評價(jià)。

 

  2.4 黃土滑坡演化與演化平衡

 

  滑坡演化是指在時(shí)間尺度上發(fā)生過(guò)滑坡的地方再次發(fā)生滑坡。研究區發(fā)育有流滑、滑動(dòng)和崩塌3 種類(lèi)型，第Ⅰ期主要為流滑，第Ⅱ期主要為滑動(dòng)，第Ⅲ期為滑動(dòng)或者黃土崩塌。這種滑坡類(lèi)型的差別正是滑坡演化的一種反映。黃土滑坡演化以蔣劉滑坡最為典型，在短短的7～8 a 中，在原地就滑了3 次（圖9）。由圖8 可見(jiàn)，新的裂縫已經(jīng)初具規模，目前該處塬邊滑坡演化仍在進(jìn)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。坡度越大越易誘發(fā)滑坡。同時(shí)，滑坡后緣平面上呈弧形，能夠匯集地下水，增加徑流強度（徑流途徑短）。如圖8 所示，蔣劉滑坡后緣可見(jiàn)較大面積積水洼地，蘆葦重生，水面距塬頂35 m，高出階地二十余米。因此，高陡的后壁以及滑坡后緣對于地下水徑流的增強作用，是黃土滑坡演化的重要機制。

 

  在野外考察時(shí)，演化平衡（停止）是當地群眾經(jīng)常問(wèn)到的一個(gè)問(wèn)題，在滑坡預防和治理成本較高的情況下，也是地方政府進(jìn)行農業(yè)規劃的基礎?；卵莼腔禄顒?dòng)強度逐漸衰減的過(guò)程，反映的是塬邊地質(zhì)條件改變，滑坡趨于平衡態(tài)（停止）的一種走勢，塬邊滑坡類(lèi)型由流滑到滑動(dòng)、滑塌的轉化實(shí)際上是黃土滑坡演化趨于平衡的一種反映。按目前裂縫發(fā)育規模估計（塬邊高差70 m，最大裂縫延展長(cháng)度208 m 平均50.9 m，最大距塬邊距18.7 m），則裂縫誘發(fā)滑坡方量約為2.72×105 m3，其規模較早期頻繁發(fā)生的遠程流滑要小的多，這是不是滑坡演化平衡的反映呢。

 

  因此，滑坡演化既是個(gè)理論問(wèn)題又是個(gè)非?，F實(shí)的問(wèn)題。目前，除了從上述角度（高陡后壁、地下水徑流的增強以及地裂縫）探尋黃土滑坡演化機制外，還要考慮到前期滑坡的不斷堆積、后期滑坡的臨空條件改變以及滑坡剪出口提高等對黃土滑坡演化的影響。

 

  3 結 論

 

  2005 年～2007 年，筆者對涇陽(yáng)南塬黃土滑坡進(jìn)行了多次調查和滑坡特征測量。調查表明，南塬分布著(zhù)27 處50 余起黃土滑坡。地下水位上升誘發(fā)高速遠程滑坡機制，塬邊地裂縫成因機制，滑坡高陡后壁成因機制及其穩定性評價(jià)方法，黃土滑坡演化機制與平衡是黃土滑坡典型工程地質(zhì)問(wèn)題。本對上述問(wèn)題進(jìn)行了初步分析，結論和建議如下：

 

  （1）地下水上升誘發(fā)的黃土滑坡應力路徑總體為始于非飽和區的CSD 增濕過(guò)程?；碌尼j釀首先表現為地下水上升孔隙水壓力升高，底部黃土發(fā)生液化，局部失穩和變形的發(fā)展最終造成滑坡的發(fā)生。南塬遠程黃土滑坡滑距坡度平均為11.8°，遠小于飽和黃土內摩擦角，結合現場(chǎng)地貌特征判斷，南塬遠程黃土滑坡滑動(dòng)過(guò)程發(fā)生了液化加載效應?？紤]到?jīng)芎与A地的二元結構，為雙液化層滑動(dòng)機制。

 

  （2）典型的滑前裂縫是黃土滑坡內部土體微觀(guān)（小應變）變形的宏觀(guān)積累，是內部機制的外在表現。

 

  裂縫的形成，一定情況下有利于局部地下水的消散和排泄，使滑坡趨于穩定；但另一方面，使坡體底部土體的應力狀態(tài)發(fā)生轉移，向破壞線(xiàn)移動(dòng)，因此，后期僅需較小超孔壓水壓力或者外部荷載即可誘發(fā)滑坡。

 

  （3）南塬黃土滑坡后壁平均坡度在50°左右，早期黃土滑坡要大于50°。建議采用變化的非飽和—飽和黃土強度參數（考慮各項異性）模擬黃土滑坡后壁形成機制，在此基礎上進(jìn)行滑坡后壁穩定性分析和評價(jià)。

 

  （4）前期滑坡高陡后壁及滑坡后緣對于地下水徑流的增強作用是黃土滑坡演化的重要機制?；卵莼胶猓ɑ峦Ｖ梗?，除了從上述角度探尋黃土滑坡演化機制外，還要考慮到前期滑坡的不斷堆積、后期滑坡的臨空條件改變以及滑坡剪出口提高等對滑坡演化的影響。