天水锻压机床厂滑坡变形破坏机制及形成演化

田 尤，杨为民，刘 廷，，李 浩，，程小杰

(1.中国地质大学地球科学与资源学院，北京100083;2.中国地质科学院地质力学研究所，北京100081)

0 引言

天水锻压机床厂滑坡 (以下简称锻压机床厂滑坡)紧邻天水市麦积区西端锻压机床厂北侧，陇海线铁路以北的斜坡上。该滑坡发生于1990年8月11日上午11时45分，滑坡致天水锻压机床厂西半部分6个车间瞬间成为废墟，7名职工被埋于黄土之中，损毁坡上公路超过1000 m，造成了重大的生命财产损失。

锻压机床厂滑坡的发生引起了国内学者广泛关注和研究。吴玮江［1］、曲永新等［2］、文宝萍［3］分别以锻压机床厂滑坡为例，对黄土地区典型滑坡灾害的分类、成因和防治等进行了研究;马崇武等［4］、李杰［5］、刘忠玉等［6］研究认为锻压机床厂滑坡为典型的高速滑坡，并在此基础上分析了高速滑坡的动力来源和动力模型，提出了高速滑坡活动强度预测的不同方法;薛振勇等［7］对滑坡的形成原因进行了初步分析，认为人类工程活动是导致滑坡形成的根本原因，提出工程和生物相结合的治理方案。以上研究主要集中在滑坡成因、分类和治理等方面，对滑坡变形破坏机制和形成演化模式的相关研究尚不多见。本文基于野外调查和工程钻探结果，深入剖析锻压机床厂滑坡的变形破坏机制和形成演化模式，以期为该类滑坡的防治预警提供科学依据。

1 滑坡区环境地质条件

天水市地处陇西黄土高原，南邻西秦岭山区，属渭河流域，地势整体呈西高东低。区内按岩土体性质可划分为黄土区和基岩区。黄土区地形坡度变化较大，坡顶至坡脚相对高差100～400 m;基岩区坡度多在30°以上，相对高差200～500 m。锻压机床厂滑坡发生区地貌上表现为黄土梁单斜顺向坡，坡顶高程1280 m，坡底为天水市麦积城区，最低点为渭河河床，高程1080 m。滑坡区坡向约210°，地表坡度25°—30°，植被较发育，主要为农用耕地和果园，天—陇公路 (天水至陇县)由此斜坡蜿蜒而上。

滑坡区地层主要为第四系、新近系和下古生界牛头河群。其中牛头河群岩性为片岩、片麻岩，新近系岩性为杂色泥岩，它们作为第四系风成黄土堆积的基底，厚度较大;第四系主要为Q4堆积物、Q3马兰黄土、Q2离石黄土，呈披覆式分布在新近系泥岩之上，其中，Q4堆积物厚度小于2 m，Q3马兰黄土厚5～10 m，Q2离石黄土厚20～30 m，夹多层古土壤，整体节理裂隙发育。

天水地区新构造运动具有差异性升降运动明显、运动速率不均匀和新构造运动强度空间上不均匀、断裂活动性强等特征。全新世以来，区内新构造运动处相对上升阶段，上升速率4 ～8 mm/1000 a［8～9］。

天水市地处六盘山南北地震带中段天水—武都地震带和秦岭北缘东西地震带中部天水—兰州地震带的交汇复合部位，历史地震频繁。大地震会强烈改变地形并且在很长一段时间内影响山坡稳定性［10］，进而诱发大量滑坡、泥石流灾害。

滑坡区属大陆半湿润季风气候，年平均气温10.5℃。降雨多以暴雨和连阴雨形式为主，且主要集中在7—9月。据麦积区气象站降水资料 (1998-2013年)统计，年平均降水量525.2 mm，最大817.3 mm(2013年)，最小347.7 mm(2004年)。区内主要河流为渭河，由西向东从麦积区城区中部穿过，平均径流量12.7×108m3，流量随季节变化明显。

2 滑坡基本特征

锻压机床厂滑坡发生于渭河左岸三级阶地前沿，由滑坡壁组成的“圈椅状”地貌明显。滑坡平面形态呈南南西方向敞开的簸箕形，上下宽度相近，最大宽度400 m(见图1)。滑坡剖面上呈“勺”形，主滑方向210°，平均坡度16°，后缘高程1190 m，前缘剪出口出现在高程为1080～1090 m的缓坡上 (见图2)。滑坡长350 m，宽300～400 m，厚度1～35 m，平均厚度约20 m，体积约1.4×106m3，为大型黄土滑坡。滑坡整体边界清晰，后壁高40～45 m，侧壁延伸不远，陡坎高1～30 m。受地形影响，西边界侧壁陡坎较高，东边界侧壁陡坎较低。

图1 天水锻压机床厂滑坡综合平面图Fig.1 Planar graph of Tianshui Forging Machine Plant

图2 天水锻压机床厂滑坡剖面图Fig.2 Profile graph of Tianshui Forging Machine Plant

图3 天水锻压机床厂滑坡ZK2、ZK4钻孔柱状图Fig.3 Columnar sections of the drill holes of ZK2 and ZK4 in Tianshui Forging Machine Plant

滑坡体内见一次级平台，长约350 m，宽约100 m，高程为1125～1130 m，台阶下发育一次级陡坎，高约25 m，平均坡度45°。滑坡体后缘见残留拉张洼地，呈长条状，芦苇生长茂盛，反映现今仍积水。滑体勘探资料表明，滑坡体主要由次生黄土及多层古土壤团块组成，底部见少量强风化泥岩 (见图3a)。滑坡体结构基本可分为2层:上层以粉土、粉质黏土为主的次生黄土与古土壤团块混杂堆积层，结构松散，黏粒含量少，含水量低;下层以黏土为主，含水量高，具可塑性和弱膨胀性，厚1～3 m。滑体物质具有上粗下细的特点，相应地其透水性自上而下变小，但含水量自上而下逐渐增大。滑体初见水位高程为1120 m，但很快水即消失殆尽，水量小，推测为滑坡体局部裂隙残留水。说明滑坡岩土体本身不能储水，仅能通过大气降水进行补给。

钻孔ZK1揭露主滑面埋深8～10 m，滑带厚1.5～2.1 m，ZK2揭露主滑面埋深约35 m，滑带厚0.8～1.6 m。受滑床形态控制，滑带厚度剖面上有起伏变化。滑坡主滑面前缘位于泥岩顶部与离石黄土的接触面处，后部位于黄土层内，滑带由强风化物和黏土组成，滑带土结构松散，含水率高，滑带软弱面的形成与降雨直接相关。

从滑坡后壁顶部钻孔柱状图 (见图3b)可见，滑坡滑床为第四系黄土和新近系泥岩，滑床基岩产状近水平，厚度较大，滑坡滑动对滑床的影响较小。

3 变形特征

现场调查结果表明，锻压机床厂滑坡 (见图4a)目前处于缓慢蠕滑变形状态，受地形地貌和滑坡体物质组成差异的影响，滑坡体各部分变形不一。

①滑坡中后部拉张裂缝发育。在滑坡体后缘次级台阶上发育一长20 m，宽2～5 m的拉张裂缝，裂缝上芦苇生长茂盛，现今积水量大 (见图4b);在滑坡后缘平台上发育2条宽度20～30 cm的拉张裂缝 (见图4c)，且后壁陡坎后部多个半径50～80 cm的落水洞 (见图4d)也是拉张裂缝变形经雨水冲刷后的结果。它们为水的下渗提供了通道。

图4 天水锻压机床厂滑坡全貌及变形破坏特征Fig.4 View and the characteristics of deformation damage of Tianshui Forging Machine Plant

②滑坡体上公路产生下挫变形。在滑坡东侧壁下，滑坡体上公路发生长12 m、宽3.5 m下挫，下挫距离5～10 cm;在滑坡体中后部，滑坡体上公路发生长20 m、宽4 m的局部下挫，下挫距离2～5 cm(见图4e)。

③滑坡前缘发生蠕滑变形。滑坡体前缘位于公路下方的厂房挡土墙发生倾倒;滑坡前缘西侧壁中下部的简易挡土墙发生损坏 (见图4f)。

④滑坡局部发生复活，产生小滑坡。如:1990年8月滑坡体下滑后，形成高陡后壁，同年11月，受地震影响，在滑坡后壁西侧发生长80 m，宽50 m，滑向150°的次级小滑坡;2014年11月，受降雨影响，滑坡前缘西侧壁发生滑向为165°的小崩滑;此外，滑坡后壁地带斜坡陡坎处发生次级小滑坡，斜坡上树木呈“醉汉林”现象 (见图4g)。

上述变形特征表明，锻压机床厂滑坡目前整体处于缓慢变形状态，局部呈加速变形。

4 锻压机床厂滑坡变形破坏机制

4.1 二元斜坡结构是滑坡形成的充分条件

天水地区自全新世以来，风成黄土在区内呈“披覆式”广泛堆积于新近系泥岩之上，厚度较大。同时，地壳抬升致使渭河下切形成高陡岸坡，为锻压机床厂滑坡的形成提供了重力条件和运动空间。

锻压机床厂滑坡区斜坡坡度近30°，斜坡结构为上部黄土、下部泥岩的单斜顺向层特殊二元结构。黄土与泥岩力学性质差异较大，其接触面往往构成软弱结构面。由于新近系泥岩顶部强风化带抗剪强度较弱风化泥岩降低十倍乃至数十倍之多 (见表1)，因此，这一强风化带常构成软弱带 (夹层)(见图5a)。同时，位于上部的黄土节理裂隙发育，一方面可作为地表水流下渗直接通道;另一方面使得原先稳定状态下的黄土组成不稳定土体，进而加剧了锻压机床厂滑坡的失稳。

表1 天水地区易滑地层物理力学性质统计表［1］Table 1 Statistics of physical and mechanical properties of easy sliding layers in Tianshui area

图5 天水锻压机床厂滑坡形成机理Fig.5 Formation mechanism of Tianshui Forging Machine Plant

4.2 工程切坡是导致滑坡形成的主要原因

天陇公路修建和锻压机床厂厂房扩建过程中，将坡脚的二级阶地绝大部分开挖，使坡脚前缘形成坡度约70°的临空面。坡面变陡改变了边坡原有的稳定自然形态，使得坡体内部应力场发生改变，在坡脚处形成剪应力集中区，坡顶形成拉张应力，而在中部则处于水平卸荷状态下的拉张和剪切状态 (见图6)，此时，软弱带土体发生明显剪切作用 (见图5b)。坡脚土体剪切坡坏后，坡脚的变形牵引作用会加强坡顶的拉张应力，且未等剪切带延伸至坡顶，便会在坡顶上距离坡面由远及近形成数条拉张裂缝［11～12］，坡体稳定开始降低。拉张裂缝的形成一方面是因拉张应力集中所致，另一方面也来自于黄土自身节理裂隙发育的特点。

图6 天水锻压机床厂边坡开挖受力示意图Fig.6 Free-body diagram of slope excavation of Tianshui Forging Machine Plant

随着坡脚土体的进一步破坏，剪切带会随剪应力分布向坡体后缘及上部扩展，后缘拉张裂缝也会在坡脚剪切带向后扩展牵引坡顶变形和坡顶张应力的共同作用下向深部扩展［13～14］，拉张裂缝的深部扩展反过来又加大剪切作用，工程切坡使得坡体稳定性显著降低。

4.3 降水是锻压机床厂滑坡形成的直接诱因

1983年开始，当地村民通过灌溉水渠，对坡体产生长时间浸泡，使坡体沿后缘拉张裂缝方向发育多个落水洞，扩宽了地下水的补给通道。1990年8月上旬，天水市麦积区发生大强度的连续降水，降水量高出往常年份30%～40%;而在8月11日滑坡发生当天，2 h内降水就高达110 mm。这一阶段的强降雨直接导致了滑坡的启动下滑。

大量的雨水快速入渗，使得滑体地下水位显著升高。地下水位的上升一方面改变了坡体内部的暂态渗流场，降低了土体的基质吸力，在应变弱化区形成应力集中点，而后裂缝不断向下扩展［15～20］，又反过来增大了坡体对地表水的吸收，产生恶性循环。裂缝在这种情况下的扩展也是渗流场改变和黄土自身强度降低共同作用的结果。另一方面，由于黄土下伏的泥岩层透水性低，雨水的渗入易在黄土与泥岩接触面形成滞水区，接触面处强风化泥岩和黄土产生软化、泥化现象，弱化了土体的力学性质 (见表1)。实验结果表明，位于接触面上部的黄土和下部的泥岩遇水后抗剪强度均发生明显降低 (见表2)。此时，这一接触面将进一步演化成潜在滑坡面 (带)，而潜在滑动面通常是地下水营力活跃带，且常常有黏土矿物集中的现象［21］。黏土矿物的存在，使其遇水更易发生软化、泥化现象，黏土矿物含量越高，其软化泥化效应就越显著。随着灌溉用水和雨水的下渗，滑带的力学性质进一步弱化，研究［22］表明，当含水率超过11%后，滑带的强度将随含水率的增大而迅速降低。

表2 天水锻压机床厂滑坡区岩土的抗剪强度指标［23］Table 2 Shear strength of rock and soil in Tianshui Forging Machine Plant

另一方面，高强度降雨沿裂隙下渗，遇土-岩接触面排泄受阻，将会对裂隙周围岩土体产生一个横向压力，使裂隙发生扩容变形，而扩容变形又加剧了水体的下渗，降低了岩土体的强度，加快了坡体变形。同时，黄土遇水后重度增加，增大了坡体下滑力，使其沿着主滑面形成更大的剪切破坏，在后壁形成更大的拉裂破坏，一旦剪应力超过接触面抗剪强度，便形成滑坡 (见图5c)。

综上所述，锻压机床厂滑坡形成机理表现为滑移-拉裂式。

5 滑坡形成演化

依据锻压机床厂滑坡特征和变形发展特点，其形成演化过程大致可分为以下5个阶段:

①高陡边坡形成期。中—晚更新世，滑坡区接受厚度约70 m的风成黄土沉积，呈“披覆式”覆盖在新近系泥岩之上 (见图7a)，二元斜坡结构形成。而全新世以来的新构造运动，使渭河不断发生下切迁移，高陡边坡形成。

图7 天水锻压机床厂滑坡形成演化过程Fig.7 Formation process of Tianshui Forging Machine Plant

②滑坡孕育期。工程开挖引起坡体应力改变，在开挖处 (公路、厂房平台)坡脚处剪应力集中，斜坡后缘拉应力增大，继而产生拉张裂缝。随灌溉水和降雨的入渗，裂缝向下扩展，至黄土和新近系接触面，水的渗透受阻 (泥岩风化带渗透性低极差)，新近系泥岩风化带岩土体饱和软化，抗剪强度减小，坡体稳定性降低，坡体处于下滑孕育期 (见图7b)。

③滑动面贯通临界期。年复一年的降雨和灌溉，使得坡体后缘拉裂缝向下扩展，并逐渐沿黄土与泥岩接触面 (带)扩展贯通，形成潜在滑动面，此时坡体处于滑动临界状态，遇触发因素将会失稳下滑 (见图7c)。

④滑坡启动下滑-堆积期。1990年8月，处于临界状态的坡体遭遇了持续性降雨作用。一方面，大量雨水沿后缘拉裂缝贯入坡体，沿贯通的滑动面渗流，对潜在滑动面产生冲刷侵蚀，滑坡面抗剪强度降低;此时，沿滑动面产生渗透力，增加了滑坡面 (带)的滑动力，坡体稳定性进一步降低。另一方面，持续性降雨引起坡体重度增加，加大了坡体向下的下滑力，当坡体下滑力超过其抗剪强度，坡体失稳下滑 (见图7d)。

⑤滑坡复活变形期。滑坡形成后，在滑坡后缘形成了高达40 m的近直立陡坎，形成高陡边坡，其后又在陡坎坡脚处重建天陇公路和恢复厂房切坡，使得陡坎坡脚处剪应力集中，滑坡发生复活变形;同时，滑坡后壁北侧多处仍发育拉张裂缝和落水洞，使得坡体在降雨或受振动影响 (如地震)局部重新复活下滑;此外，滑坡下滑后，部分滑坡体残留于滑坡体上部，形成滑坡次级平台和洼地，滑体土体裂隙发育，局部积水，导致坡体局部蠕滑变形(见图7e)。

6 结论

天水锻压机床厂滑坡属黄土接触面滑坡，滑坡体主要为次生黄土。滑床为第四系黄土和新近系泥岩，下伏牛头河群，具典型的二元斜坡结构。

滑坡现今表现为整体缓慢变形、局部加速变形特点，变形破坏机制为滑移-拉裂式。

区内特殊二元斜坡结构是滑坡形成的充分条件，工程切坡是滑坡形成的主要原因，水是滑坡启动下滑的直接诱因。

滑坡的形成演化模式为高陡边坡形成期→滑坡孕育期→滑动面贯通临界期→滑坡启动下滑-堆积期→滑坡复活变形期。

锻压机床厂滑坡后壁高陡，坡体现今处于欠稳定状态，遇强降雨或地震等因素诱发，仍有可能失稳下滑。因此，加强对滑坡的全方位监测，进一步开展滑坡稳定性随时间发展的动态变化趋势的研究是很有必要的。

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