渭北塬区黄土滑坡成因机制及稳定性分析——以韩城市城北村黄土滑坡为例

张新宇，陶福平

(陕西省地质环境监测总站，西安 710054)

渭北塬区黄土滑坡成因机制及稳定性分析
——以韩城市城北村黄土滑坡为例

张新宇，陶福平

(陕西省地质环境监测总站，西安 710054)

通过地面调查和探井勘察，采用传统人工计算方法，结合软件分析，对陕西省韩城市城北村黄土滑坡进行宏观分析。定量计算极端工况下的稳定性和危险区边界，为此类滑坡的后期防治提供参考。

黄土滑坡；宏观分析；定量计算；边界

随着国内经济飞速发展，各地经济建设进程加速，伴随着部分不良人类工程活动，地质灾害进入活跃期。陕西省属地质灾害多发易发区，每年造成多起不同程度的人员伤亡。在地质灾害类型中，黄土滑坡特点明显，结合已有伤亡性黄土崩塌案例，其具有突发性强、危害性大和不易预报预警等特点[1]。

陕北地区和关中渭北塬区属黄土台塬地貌，滑坡规模大，所造成的伤亡往往十分惨重。针对黄土滑坡开展特征总结和机理分析，形成足够认识，有助于开展对此类地质灾害的研究和防治工作，为解决该区域内类似滑坡提供参考经验。

1 工程地质条件

1.1 地形地貌

韩城市龙亭镇城北村滑坡位于韩城市南约10 km的城北村，地貌类型分为黄土台塬和河谷阶地。

黄土台塬：呈狭长带状展布黄河西岸，塬面平缓，天然植被少，相对高差大，坡形陡立，整体坡面破碎，完整性和稳定程度较差。

河谷阶地：位于台塬东侧，为黄河滩地，开阔平坦，多为砂质淤泥土，河流切削坡脚，坡体悬空，岸壁滑塌泻溜时常发生。

1.2 地质构造

韩城地处祁吕贺山字形构造的前弧东翼与新华夏构造体系的第三沉降带的复合部位，以东北-西南向的山前大断裂(韩城断裂)为界，东南属渭河地堑，西北处于鄂尔多斯台向斜的南缘[2]。

1.3 地层岩性

城北村滑坡位于渭河地堑，出露地层主要为全新统冲洪积土、第四系上更新统风积黄土、第四系中更新统风积黄土、第四系下更新统湖积粉细砂。按时代自新到老分述如下：

为冲洪积黄土状粉土，土质较均匀，大孔隙，局部可见水平层理，局部可见古老的陶片等人类活动遗物。分布厚度4～6 m。

为风成灰黄色黄土(马兰黄土)，有钙质结核,粉砂质具大孔隙,分布厚度15～17 m。

为棕黄色、浅黄色黄土层(离石黄土)，含有钙质结核，夹棕红色古土壤层。分布厚度80 m。

为湖积灰黄色粉细砂(三门组)，滑坡区域已被堆积土所覆盖，未见出露，在灾害防治区域向北500 m处的黄河西岸边可见，砂质较均，分布于黄河西岸，厚度20～25 m。

1.4 水文地质

滑坡区地下水主要是储存在黄土中的孔隙潜水，水位埋深约130 m，以垂直下渗为主，向黄河排泄。

1.5 特殊性岩土

根据探井取样的室内湿陷试验结果及进行湿陷量计算显示，该工程地区黄土湿陷性严重。塬顶面黄土湿陷等级为Ⅳ级自重湿陷，塬下台地黄土湿陷等级为Ⅲ级自重湿陷。

1.6 新构造运动与地震

区域发育东北-西南向的山前大断裂韩城断裂，为新构造活动带，断裂西北上升，东南下降，北东向新构造活动相当强烈。

韩城是一个地震多发区，历史上地震活动比较频繁。根据《中国地震动参数区划图》(GB18306-2001)和《建筑抗震设计规范》(GB50011-2010)确定本地区属抗震设计第二组，地震烈度Ⅶ度，特征周期0.4 s，设计基本地震加速度值为0.15 g。

2 滑坡特征及影响因素分析

2.1 滑坡特征

城北村滑坡中下部由数级错台与台地组成，塬边顶部及边坡上部分布9处裂缝及大小不等的塌陷坑。整体平面形态舌形，长约350 m，宽约290 m，滑向90°，其滑体厚度约35 m，滑体厚度均匀，体积约355×104m3，属巨型黄土滑坡。

2.2 变形破坏特征

滑坡两侧以南北两侧沟壑为界，前缘剪出口位于临近黄河滩地陡崖。主要由马兰黄土和离石黄土组成，上部马兰黄土具强烈湿陷性。

坡体共有2级平台：一级平台在滑坡中轴线附近展布，距坡顶约20 m，坡度约70°，短且窄；二级平台位于前缘剪出口上部，距坡底垂直高度40 m,长约200 m，宽约7～8 m，村民辟为花椒树种植区。坡顶及一、二级平台广泛出露落水洞，各级平台边缘有细微拉张裂隙，伴有累进性小规模垮落。前缘临空面30～40 m，垂直陡立，局部垮落；探井中发现垂直于滑坡滑动方向的竖向裂缝，根据现场调查分析，该滑坡属于黄土层内错落式滑坡，同地层内，土层分级下错滑移，滑面后部呈弧形。

城北村调查发现9处陷坑、裂缝，多处房屋拉张裂缝。连续陷坑、裂缝和房屋拉裂是城北村滑坡后缘下错的主要特征。

2.3 最不利滑面的确定

据揭露的地层物理性质，用边坡稳定极限平衡法计算该类黄土饱水的极端不利情况(取稳定系数<1.1区域)，参考类似黄土滑坡的防治经验，确定最不利滑面剪入口的位置。

最不利滑面在后缘黄土中倾角较陡呈弧状；中部受最大剪应力作用滑面单一，较为平直，倾角约30°；前缘受下伏离石黄土软弱结构面影响，滑面较为平缓。根据勘查情况及滑体形态特征综合分析，滑面在整体上呈似圆弧状分布，中部深，两侧较浅[3]。

2.4 滑坡形成机理及影响因素分析

2.4.1 滑坡形成机理

黄河侧蚀、降雨及人工活动是城北村滑坡的诱发主因。黄河以0.8～1.8 m/a的速率侧蚀塬边，导致黄土塬边越来越陡，黄土塬边在长期降雨或暴雨情况下就会滑移崩落。城北村在20世纪60年代塬边滑移崩落近100 m。半个世纪过去了，崩落形成的塬下台地和错台逐渐水土流失，上部塬边又出现裂缝陷坑和变形迹象，再加上村民建房堆载，在长期降雨或暴雨情形下，黄河发洪水冲蚀塬下，塬上降雨汇流灌入裂缝和陷坑导致塬边岩土体强度降低，塬边随时都有可能会再次发生百余米的滑移崩落。

2.4.2 影响因素分析

(1) 黄河侧蚀

据《韩城县志》，侧蚀率0.8～1.8 m/a。城北村滑坡处于黄河侧蚀区域。黄河不断侵蚀坡脚，是滑坡形成和加剧的主要因素。

(2) 降水

雨季或连阴雨时下渗的大气降水易入渗，导致土体含水饱和，不仅软化上部粉质黄土，降低其抗剪强度，且极大加重上覆土体重量，上覆饱和土体易沿土体内部产生蠕动变形。

(3) 岩性条件

滑坡表层主要以风积马兰黄土为主，滑体性质较为单一，湿陷系数最大为0.87，湿陷等级Ⅳ级。夹有数层古土壤，下伏的离石黄土为相对隔水层。受风化作用影响，土体呈粉质，粘结力差，土体垂直节理极度发育。当上部粉质粘土富水时，裂隙水带走部分粉土，随着时间迁移，空穴越来越大，最终形成大量落水洞，当相隔落水洞之间形成联通，造成天然的水流通道，坡体内部的水流侵蚀，造成滑体结构稳定性的破坏，从而形成局部塌陷和垮落[4]。这种土体特征加剧了滑坡的形成和快速发展。

(4) 人类活动

坡顶部修建的大量民居和人类耕种活动，生活污水随意排放，使得局部土体始终处于饱和程度，造成落水洞的大量形成。

(5) 地貌

城北村滑坡位于黄土台塬地区，自然状态下，土体垂直节理发育，抗压强度高，但抗剪强度低，各平台边缘处现累进性拉张裂缝。加之前缘临近黄河西岸，长期受河流侵蚀坡脚产生的前缘临空面，在后缘的自重推动力和前缘的临空面牵引力的合力作用下，造成坡体的变形。滑坡坡顶至坡底河床处高差约150 m，在降雨、冻融作用下，极易发生小规模垮落。

综上，一方面特有的地层岩性、水文及地貌情况，使得该坡体处于极易诱发的状态；另一方面人类的耕种和建筑等工程活动，如建房加载、废水排放，推动坡体的蠕动变形；更重要的是降水，长期降水或强降水使坡体马兰黄土处于饱和状态，因此该坡体属处于蠕动阶段的黄土滑坡。

3 滑坡稳定性评价

3.1 定性评价

城北村滑坡后部可见无数陷坑与裂缝，下部平台可见无数裂缝与落水洞。由于黄河的侧蚀和长期降雨或暴雨作用，城北村滑坡整体目前处于蠕动变形阶段。城北村滑坡具有高差大，坡体陡峻，黄土湿陷很强烈，裂缝、陷坑、落水洞、暗沟纵横。同时地处黄河西岸，黄河侧蚀作用明显，人类活动导致降水易灌入坡顶裂缝。城北村滑坡在长期降雨或暴雨情形下黄河涨水浸泡冲蚀坡脚，上部降水汇集灌入，随时都有滑移的可能。

3.2 定量评价

黄土滑坡滑动面接近圆弧形，稳定性验算采用圆弧形滑面瑞典条分法计算方法。计算分天然工况、饱和工况以及饱和加地震3种状况分别计算滑坡的稳定性。

3.2.1 参数取值

根据探井采取原状土样的室内试验结果并结合本地区相关工程经验，所需土层的抗剪强度参数和天然重度分如下3种：

(1) 天然工况(表1)

(2) 饱和工况(表2)

(3) 饱和+地震工况

此工况岩土物理力学参数按照(2)长期降雨或暴雨滑面被降水灌入湿透取值，场地位于Ⅶ度区，设计基本地震加速度值为0.15 g，计算时考虑0.037 5水平地震系数。

3.2.2 滑坡稳定性计算

滑坡稳定性计算采用圆弧形滑面瑞典条分法计算方法。借助GeoStudio2007软件进行滑面搜索与计算以及剖面危险分区，得出了可靠的结果。随机搜索寻找最危险圆弧型破裂面并计算相应的稳定系数。

计算公式如下：

式中，Kf为稳定系数；Wi为第i块段滑体所受的重力(kN/m)；αi为第i块段的底滑面倾角(°)；ci为第i块段土的粘聚力(kPa)；φi为第i块段土的内摩擦角(°)；li为第i块段滑动面长度(m)。

选取城北村滑坡勘查时的三个剖面Ⅰ-Ⅰ′、Ⅱ-Ⅱ′、Ⅲ-Ⅲ＇，每个剖面的范围从黄河滩至稳定安全区域。对3个剖面进行3种工况的稳定性计算，得出最危险滑动面和稳定系数(表3)。

注：坐标原点位于黄河岸边坡脚

3.2.3 稳定性结果分析

根据稳定性分析结果，城北村滑坡在天然状态下处于基本稳定状态，在长期降雨或暴雨情况下处于不稳定状态，只要雨水沿陷坑灌入，滑面湿透，随时都有可能产生滑动。

计算结果中搜索的最危险滑裂面剪入口在城北村东边缘边1～2 m范围，这与现场调查结果剖面Ⅱ-Ⅱ＇塬边裂缝位置吻合。

此滑坡在长期降雨下沿塬边滑动稳定系数在0.65左右，稳定系数较小。城北村中陷坑与裂缝纵横，雨水在长期降雨或暴雨情况下雨水易沿裂缝灌入。将各个剖面中长期降雨或暴雨工况下稳定系数小于1.1的所有滑动面组合起来，就可以形成如图4所示的不安全区域，3个剖面分别确定不安全区域，从而结合现场调查结果确定威胁范围。Ⅰ-Ⅰ＇剖面的威胁范围为从塬边向东140 m，Ⅱ-Ⅱ＇剖面的不安全区域范围为从塬边向东130 m，Ⅲ-Ⅲ＇剖面的不安全区域范围为从塬边向东110 m。

3.2.4 滑坡推力计算

推力计算采用《滑坡防治工程勘查规范》(DZ/T0218-2006)附录E中推荐的圆弧形滑面推力计算方法，剩余推力计算公式如下：

Hs=(Ks-Kf)×∑(Ticosαi)

式中，Hf为推力；Wi为第i块段滑体所受的重力(kN/m)；Ks为设计安全系数；Kf为滑坡稳定系数；Ti为第i块条块重量在滑面切线方向的分力(kN/m)。

滑坡推力计算参数取值选取按照长期降雨或暴雨滑面湿透工况考虑。

选取稳定性计算中黄土塬上可能滑动最大范围的圆弧形滑动面， 滑坡推力计算结果见表4。

此滑坡推力数值非常大，不适合进行支挡，应以搬迁为主。

4 结论与建议

4.1 结论

综上分析研究，可以得出以下结论和认识：

(1) 城北村滑坡宽约290 m，长约350 m，厚度一般为35 m，体积约355×104m3，主滑方向90°，属巨型黄土滑坡。

(2) 城北村滑坡坡体主要由马兰黄土和离石黄土组成，滑坡平面形态整体上成半圆弧形，未形成明显的滑界。根据井、槽探揭露结合现场踏勘，确定底部滑带在离石黄土层中。

(3) 该滑坡主要变形破坏形式为蠕动滑移。由于坡脚前缘黄河侧蚀形成临空面，使坡体失去支撑，为滑坡形成创造了良好的临空条件，从而使得坡体物质在重力作用下发生蠕动变形；坡体表层为马兰黄土，下伏离石黄土，土体垂直节理发育，导致坡体陡立，高差大；土体渗透性较好，具有极强的黄土湿陷性，加之村民就地排放的废水导致局部土壤长期饱水，抗剪强度显著下降；后缘人类生活生产活动使得滑体土质疏松，并在建房等情况下造成后缘加载，综合作用下形成滑坡。

(4) 通过稳定性计算可知，天然状态下城北村滑坡整体处于基本稳定状态，局部处于不稳定状态；饱水条件下坡体整体处于不稳定状态。逢连阴雨或暴雨时坡体有整体失稳的可能。一旦整体失稳，直接威胁滑坡危险区居民的生命财产安全。此外，滑体还可能造成局部黄河河道堵塞，使得二台上的花椒树种植区滑入河道，从而造成经济损失，并危及务农村民的生命安全。

(5) 城北村滑坡推力数值大，不适合进行支挡。

4.2 建议

考虑滑坡工程地质和水文地质条件、岩土体特性等因素，应采取地表截排水、回填裂缝、长期监测等应急性措施。根据滑坡稳定性计算结果，城北村滑坡推力十分巨大，不适宜开展工程治理，最佳解决方案为人员搬迁撤离。

[1] 王念秦.黄土滑坡发育规律及其防治措施研究[D].成都:成都理工大学,2004.

[2] 代革联.地质构造对韩城矿区水文地质特征的影响[J].干旱区资源与环境,2010,(7):62-68.

[3] 丁勇.人工降雨模拟作用下的黄土高边坡稳定性研究[D].西安:西北大学,2011.

[4] 杨晶.影响黄土湿陷性因素的试验及微观研究[D].太原:太原理工大学,2007.

FORMATION MECHANISM AND STABILITY OF LOESS LANDSLIDES IN WEIBEI PLATEAU: A CASE STUDY OF THE LANDSLIDE IN CHENGBEI VILLAGE OF HANCHENG

ZHANG Xin-yu, TAO Fu-ping

(Shaanxi Institute of Geo-Environment Monitoring, Xi’an 710054, China)

A macro analysis is made of loess landslides in Chengbei Village of Hancheng through ground and underground investigations, manual calculation and software analysis. Quantitative calculation is made for the stability and the boundary of zones in risk under extreme conditions. This work sheds light on the prevention and control of such landslides.

loess landslide; macro analysis; quantitative calculation; boundary

1006-4362(2015)02-0003-06

2015-03-03改回日期：2015-04-17

P642.22

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