典型人类工程活动诱发黄土滑坡灾害特征与致灾机理

（1.长安大学西部矿产资源与地质工程教育部重点实验室，陕西西安710054；2.西安科技大学建筑与土木工程学院，陕西西安710054；3.西安科技大学地质与环境学院，陕西西安710054；4.许昌学院土木工程学院，河南许昌461000）

（1.长安大学西部矿产资源与地质工程教育部重点实验室，陕西西安710054；2.西安科技大学建筑与土木工程学院，陕西西安710054；3.西安科技大学地质与环境学院，陕西西安710054；4.许昌学院土木工程学院，河南许昌461000）

为了揭示人类工程活动诱发的黄土滑坡成灾机理，基于典型工程活动触发黄土滑坡案例分析，采用野外调查、物理模型试验和应力路径试验等方法，分析了堆载触发黄土滑坡剪切带形成过程、卸载触发黄土滑坡演化模式和灌溉诱发黄土滑坡的成灾过程.研究结果表明：堆载和卸载触发的黄土滑坡，垂直节理易演化成裂缝带，剪应力作用下剪切蠕变带逐渐由坡脚向坡体内部扩展，直至发展成贯通的剪切带，坡体整体变形破坏，堆载触发黄土滑坡具有典型浅层、深层双滑带特征；灌溉诱发黄土滑坡主要发育在黄土塬边，长期农田灌溉导致地下水抬升，坡体内形成饱和带，重力荷载作用下发生蠕动剪切破坏，滑坡开始启动，大规模的快速覆盖加载导致坡体前部浅层黄土液化，最终触发黄土泥流远程滑坡.

工程活动；黄土滑坡；堆载；卸载；灌溉；成灾机理

黄土地区是我国滑坡地质灾害发生频繁的地区之一.据资料统计，在陕北地区发育有超过23 000个黄土崩塌，超过16 600个黄土滑坡，密度超过10个/km2［1］；在甘肃省陇东和陇西，共发生超过26 000个黄土崩塌，超过15 000个黄土滑坡，密度超过12个/km2［3-4］.据不完全统计，我国三分之二的灾难性滑坡是由采矿、修路、灌溉等人类工程活动引起的.黄土崩塌滑坡常造成群死群伤和重大财产损失并影响社会安全稳定，如1983年3月7日甘肃省东乡县洒勒山高速黄土滑坡，在不到30 s的时间，3 100万m3的滑体摧毁3座村庄，死亡237人，成为上世纪80年代我国最严重的灾难性黄土滑坡［3］.1983年洒勒山滑坡之后，我国掀起了一股黄土滑坡研究的热潮，大量的研究成果相继问世［3，6-8］.在滑坡的成因机理、成灾模式和风险防控等方面开展了大量的研究［2-5，9-16］.同时针对黄土滑坡的特殊性，开展了黄土的水敏性、湿陷性、结构性等方面的研究［17-27］.黄土的结构性、水敏性等特性，决定了黄土灾害的孕灾机制、成灾模式、成因机理、演化过程、链生规律等明显有别于其他地区和其他岩土体中的灾害［28］.有关加载蠕变致灾机理，学者们对不同特殊土体开展了大量的蠕变试验研究，针对各种岩体、软土和其它岩土体，提出了经验蠕变模型，如Singh-Mitchell模型、Mesri模型等.一些学者从试验和力学分析的角度对黄土滑坡进行了研究，提出了灌溉诱发黄土蠕、滑动液化机理.水在边坡裂隙中如何运动，优势渗流过程中水-土的耦合作用是否促成黄土软化和潜蚀并向灾害演化等细微观过程依然处于人们的视线之外［29-30］.

目前国内外对工程性滑坡的研究主要在一些水利工程、铁路工程和公路工程等国家大型工程建设中展开.在人类活动影响下，工程性黄土滑坡的研究成果还较少.由于黄土独特的力学特征，加上黄土地区山地多、平地少，工程活动对坡体的扰动更加剧烈.本文通过大量的野外调查、物理模型试验和应力路径试验，对不同人类活动导致的黄土滑坡灾害形成机理进行了总结，并对典型滑坡特征进行分析，为黄土滑坡防控提供参考.

1 典型工程型黄土滑坡

1.1 吴起马连城滑坡——工程堆载型滑坡

该滑坡体位于延安市吴起县薛岔乡马连城村，距离吴起县县城约35 km.2008年8月31日，长庆油田吴起作业区430-30井场突然发生大面积滑坡，造成4口油井报废的巨大经济损失.滑坡长223 m，宽249 m，最大厚度约56 m，滑体体积约1.0×106m3.滑坡表面整体表现为上陡、中平、下陡的地表形态，滑坡主滑方向为77°，垂直错距超过10 m（图1）.

图1 马连城滑坡工程地质平面图Fig.1 Geological plane map of Maliancheng landslide

图2为马连城滑坡含水率分布剖面图.钻探揭示，滑坡滑体主要由马兰黄土构成，滑床为新近纪保德组泥岩（N2b），滑面主要为马兰黄土与泥岩的接触面.滑体上部发现7条裂缝，总体为弧形拉张裂缝，宽度10～30 cm，垂直位移20～30 cm，下部发现26条裂缝，包括侧壁的剪切裂缝和前部的拉张裂缝，坡体前部塑流-拉裂现象明显（图2（a）、（b））.

图2 马连城滑坡含水率分布剖面图Fig.2 Moisture content distribution profile of Maliancheng landslide

1.2 刘万家沟滑坡——工程卸载型滑坡

刘万家沟滑坡位于延安飞机场后面山坡. 2011年6月山体发生错动，剪出口沿上部平台基岩面剪出（图3（a）、（e）、（f））.2011年8月调查时发现，在基岩面上有土体向前推挤呈现“棚”状隆起（图3（b））.图3（c）、（d）反映坡体后期的破坏更为剧烈，该滑坡体仍在运动，根据监测数据，该滑坡运动速度0.5～1.0 cm/d；坡顶呈现多级裂缝，主裂缝贯通，裂缝张开度10～100 cm，错落20～200 cm，长200 m，滑坡后缘裂缝距坡口25 m.滑体为Q2、Q3黄土地层，Q2地层下界与侏罗纪地层相接触，其地层为砂泥岩互层，遇水易软化，抗剪强度低，岩层产状近水平，透水性差，易形成相对隔水层，是主要的诱发滑坡地层.

根据影像图，该场地已经开挖多年，整体坡体稳定.后为扩大场地用地面积进行了大尺度的坡体开挖，使得坡体有向下移动的趋势.滑坡体的左侧壁与流水冲沟重合，冲沟深5～8 m.冲沟的存在，加大了降雨的入渗量，在古土壤层形成局部的高含水带，降低了土体的强度.降雨加剧了坡体的不稳定性，该滑坡属于短期内对坡体进行大尺度开挖后，引起沿基岩接触面滑动，是典型的由开挖所引起的牵引式黄土滑坡.

1.3 泾阳西庙店滑坡——工程灌溉型滑坡

该滑坡位于陕西省泾阳县太平镇西庙店村塬边斜坡带，斜坡原始坡度较陡，平均坡度大于60°，于2013～2014年共计发生了4起滑动（图4（a））.其中，2013年6月10日发生的第一起滑坡规模最大（图4中L1滑坡），约2.6×105m3，滑动距离约305 m，滑坡下滑时速度较快，破坏耕地约40亩.该斜坡处随后分别于2013年8月、10月和2014年7月发生了3起滑动.西庙店滑坡（L1）平面呈舌形，中部厚、边界薄，在滑动过程中对东侧老滑体刮铲作用明显，在接触带形成顺滑向洼，滑体中部至前缘发育大量鼓胀裂缝及“醉汉林”（图4（b））.通过槽探揭示，阶地饱和粉砂层中表现出显著的液化现象.

此外，滑坡还表现出坡脚深部破坏、前缘多层高倾角剪出和逆冲剪断等滑体结构特征，进一步说明滑坡在下滑过程中滑体对阶地饱和砂土层发生了“冲击、刮铲、推覆”等作用（图4（c）），饱和砂土层发生液化，并为滑坡的远距离滑动提供了必要条件.

图3 延安刘万家沟滑坡地质剖面图Fig.3 Geological section of Liuwanjiagou landslide in Yan'an

图4 西庙店滑坡Fig.4 Ximiaodian landslide

2 工程型黄土滑坡形成模式和机理

2.1 工程加载型滑坡

堆载触发的黄土滑坡，与边坡的应力变化有关，堆载触发黄土层内滑坡形成主要受控于坡顶拉应力和坡体内剪应力的集中程度.通过物理模型试验（图5）揭示堆载型黄土层内滑坡的形成经历有以下过程：

（1）应力重分布阶段.在堆载过程中，坡体内土体应力应变随之响应，竖向应力急剧增大，水平应力增幅相对较小，导致偏应力增大（图6，τ、σ、C分别为抗剪强度、主应力和内聚力）.随着应变的增加，坡体蓄积的应变能逐渐增大，堆载区边缘形成拉应力集中带，坡体中下部形成剪应力集中带.

（2）滑带形成阶段.荷载作用下，边坡土体首先在应力最集中的部位发生蠕变，黄土的抗剪强度随着蠕变的发展逐渐减小，为了释放逐渐增加的应变能，坡体蠕变的范围也逐渐扩大.随着荷载增加，荷载区边缘拉应力区出现拉张裂隙.堆载触发边坡破坏的实质是由于偏应力增大，导致土体发生剪切破坏，边坡土体内形成剪切破坏带.堆载作用下，堆载区前后两侧形成拉张破坏区，拉张区裂缝逐渐向下延展，剪应力集中带出现剪切裂缝，随着拉张裂缝和剪切裂缝的相向延展，滑带的雏形基本形成，具有典型的双滑带特征（图7）.

图5 堆载触发黄土滑坡滑带特征Fig.5 Characteristics of the slip zone of loess landslide induced by heaped load

图6 堆载作用下边坡土体的应力变化Fig.6 Stress variation of slope soil under heaped load

图7 堆载触发黄土层内滑坡形成过程Fig.7 Formation of landslides in loess layer caused by heaped load

（3）滑动破坏阶段.随着拉张裂缝向下延展，由于剪应力作用而形成的剪切蠕变带逐渐由坡脚向坡体内部扩展.当拉张裂缝带与剪切带在空间上联通以后，整个滑带贯通，进而导致斜坡的整体破坏.

工程加载在滑坡形成过程中起到了重要的促发作用，该滑坡的成因机制如下：

（1）饱水软弱带的形成.地表水通过滑体入渗和后缘裂隙灌入，使得滑体中含水量增大，同时由于滑床的隔水作用，形成了饱和带，在坡体重力及上覆荷载作用下，饱水层黄土蠕滑变形，促进了滑带的形成（图2（c））.

（2）饱水软弱层蠕滑变形.在工程堆载作用下，饱水层黄土蠕滑变形，随着蠕滑变形的加剧，由于黄土的抗拉强度很低，容易形成拉张裂缝.拉张裂缝一方面降低了土体的强度，更重要的是为地表水的灌入提供了导水通道.

（3）工程堆载加速了饱水层黄土的蠕滑变形，促进了滑面的形成.在长期的工程堆载作用下，饱水层黄土蠕滑变形加剧，随着累计变形量的增加，坡脚处首先蠕滑-拉裂，发生倾倒式的崩塌或塑性流动，当软弱层带的应变能通过蠕滑变形不能完全释放时，软弱层带发生塑性破坏，继而滑带形成，坡体发生整体滑动.

2.2 工程卸载型滑坡

卸载型黄土滑坡的发生，与边坡开挖后的应力变化有关.在施工中，短时间内大量坡脚土体被挖去，坡脚处应力集中带剪应力增大，进入屈服状态，产生回弹和松弛作用.局部的剪切屈服，向内向上扩展到其他部位，并逐渐向坡顶发展，牵引坡面或坡顶产生张裂缝.坡顶裂缝解除了部分土体束缚力，又加强坡脚挤压应力.裂缝与压应力交替增大，互为因果，直到发展成一条连贯的屈服面，整体失稳破坏［29、31-32］.开挖诱发滑坡的主要力学特征表现在其位移随时间延续所呈现的不同阶段：蠕动变形阶段、滑移变形阶段、裂隙扩展阶段和滑坡失稳阶段.其位移的变化表现为由缓慢逐渐加快，在剧滑之后，坡体的能量得到释放，坡体则逐渐趋于稳定.这4个阶段由于每个滑坡地质条件的不同，使得有些滑坡的阶段不是特别明显.

每个阶段的特点如下：

蠕动变形阶段.由于坡体被开挖，坡体内部局部出现蠕动变形，在边坡眉峰或顶部出现拉张裂缝，坡脚开挖区发生移动变形.

滑移变形阶段.坡脚开挖改变了土体内部的应力和重力场，同时由于开挖土体，引起了降雨入渗路径，对开挖表面产生一定的侵蚀破坏，开挖表面坡度较大，表面径流对开挖表面也会产生一定的影响［30］.由于应力集中和降雨的影响，再加上边坡重力作用和黄土自身特性，在边坡顶部形成一个拉张区域，裂隙随着时间的变化在深度和宽度上也会发生变化，并不断向深处扩展（图8（a））.

裂隙扩展阶段.黄土裂隙形成后，在持续性强降雨作用下，降雨表面径流进入裂隙中，由于黄土强度因子极低，裂隙便会在雨水作用下持续向下延伸［33］.在宏观上，这一过程也是渗流导致土体强度渐进劣化损伤的过程，土体应力的改变和土体裂隙的损伤扩展，导致裂隙土体的渗透特性变化，将改变渗流场的分布.同时，裂隙产生后，降雨入渗会沿开裂路径优先入渗，诱发裂隙扩展并促使位移持续发生，土体应力的损伤演化与渗流之间的作用是相互耦合的［34-35］.在裂隙附近产生应力集中，集中的程度一旦超过土的峰值强度时，该点开始破坏，裂隙便会向下一个应力集中方向扩展，直到裂隙没有水灌入为止（图8（b））.

图8 开挖诱发黄土滑坡演化阶段模式Fig.8 Evolution modes of loess landslide induced by excavation

滑坡失稳阶段.裂隙贯通，在持续性强降雨作用下，雨水沿坡体裂隙渗透进入坡体内部，并形成暂时的渗流场，一方面增大了坡体重量，产生了不利于边坡稳定的渗透压力；另一方面雨水的入渗，使土体软化，降低了土体的抗剪强度.随着大量雨水的持续性灌入，在以上两种因素以及其他因素共同作用下，裂隙快速向下延伸并最终贯通，诱发滑坡（图8（c））.

2.3 工程灌溉型滑坡

黄土台塬居民长年从事农业灌溉，塬区地下水受灌溉补给影响，水位持续抬升，并以径流和泉的形式向塬外不完全排泄.坡脚土体受水位抬升影响逐渐产生变形，并于近年来陆续发生破坏，造成斜坡失稳.斜坡坡脚土体的应力状态变化过程类似于常剪应力排水剪切试验过程，本文通过CTC（conventional triaxial compression）试验确定的不稳定区和CSD（constant shear drained）试验得出应力路径曲线如图9所示.当孔压水平较低时，应力路径位于破坏面右侧，随着孔压的增大，有效主应力比降低，平均有效应力逐渐减小，在偏应力为常压条件下，应力路径向左侧偏移.该阶段轴向变形和体缩现象微弱，液化风险较低，但是在轴向加载、侧向卸载、动力荷载或长期静态加载等应力状态改变条件下，其应力路径也有可能进入不稳定区，触发液化.随着孔压继续增大，应力路径穿过破坏面进入不稳定区，此时孔压及有效主应力比已经接近极限水平，土体应力状态极不稳定，任何超孔隙水压力的产生都有可能造成土体发生静态液化，一旦液化发生，土体结构将迅速破坏，强度也会突然降低.

图9 CSD应力路径和不稳定区Fig.9 CSD stress paths and unstable regions

参照CSD应力路径试验结果，将斜坡的变形与破坏过程分为蠕动变形和液化破坏两个阶段：

（1）蠕动变形阶段.在早期的灌溉条件下，塬内地下水受灌溉补给影响，缓慢抬升，在塬边斜坡带逐渐形成一定水力梯度.在水流受重力作用沿黄土节理、裂隙进入地下，反复向塬外排泄的过程中，流水通道受动、静水压力的机械侵蚀和溶蚀作用（潜蚀）影响，斜坡坡顶逐渐形成延展性裂缝和珠帘状落水洞，坡脚土体结构逐渐破坏，不仅为降雨的快速入渗提供了直接通道，也为黄土滑坡的形成提供了物质条件.同时，受水位抬升影响，坡脚饱和黄土层增厚且土体抗剪强度不断降低，在上覆土体的压力作用下，斜坡内部土体逐渐产生塑性鼓胀变形，而靠近外侧的土体逐渐产生塑性剪切变形，虽然该阶段历时较长，但斜坡仅表现出微小变形.由于应力状态的差异和土体变形的不均匀性，斜坡后缘在优势结构面的控制下会逐渐形成拉张裂缝，坡脚附近也会逐渐形成剪切蠕滑面，因此，随着地下水位的抬升，斜坡的稳定性会持续降低，在斜坡失稳前较长的一段时间内稳定性较差.

（2）液化破坏阶段.图10为灌溉触发黄土层内滑坡形成过程.随着灌溉量的不断增大，塬区地下水逐渐抬升并达到一定高度，塬边斜坡带形成较大的水力梯度，坡脚饱和黄土层不断增厚，土体抗剪强度显著降低，地下水潜蚀作用加剧.当有灌溉继续补给，或短期内集中降雨沿入渗通道直接补给地下水时，坡脚饱和黄土因塑性变形加剧产生显著的体缩现象，造成土体孔隙水排泄不畅，孔压激增形成静态液化.斜坡在短时间内发生不完全排水剪切破坏，变形量迅速增大，滑动面贯通，形成整体滑动.斜坡液化破坏的过程说明，处于不稳定状态的土体，不排水并不是触发液化的唯一条件，在排水条件下同样可以造成液化.根据现场调查和数值试验结果，因灌溉触发斜坡静态液化失稳形成的黄土滑坡是一种具有潜伏期短、发生突然、滑体薄、“L”型滑面等特征的牵引式滑坡（图10）.

图10 灌溉触发黄土层内滑坡形成过程Fig.10 Formation of landslides in loess layer induced by irrigation

3 结 论

随着削山填沟的大规模新城建设和大量矿产开采平台的建设，堆填加载诱致黄土滑坡案例将日益增多.迫切需要对黄土体的宏细观加载变形特性及多尺度致灾效应的关系进行深入研究.重大灾难性黄土滑坡的滑带土多数存在液化现象，这是造成黄土滑坡超低角度、超远程、并演化成泥流形成灾害链的主要原因.本文基于典型工程型黄土滑坡的野外调查、试验和模拟手段，对工程堆载、开挖卸载和灌溉诱发的黄土滑坡的成灾模式和机理进行了总结，并对典型滑坡案例进行剖析，主要结论如下：

（1）堆载和卸载触发的黄土滑坡与边坡的应力变化有关，荷载作用下垂直节理先演化成裂缝带，直到发展成贯通的屈服面时，坡体整体变形破坏.

（2）通过物理模型试验发现堆载触发黄土滑坡具有典型双滑带特征，并进一步揭示了堆载触发黄土滑坡剪切带形成过程和卸载触发黄土滑坡演化模式.

（3）灌溉诱发黄土滑坡主要发育在黄土塬边，长期农田灌溉导致地下水抬升，在坡体一定深度形成饱和带，重力荷载作用下发生蠕动剪切破坏，滑坡开始启动，大规模的快速覆盖加载导致坡体前部浅层黄土液化，最终触发黄土泥流远程滑坡.

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典型人类工程活动诱发黄土滑坡灾害特征与致灾机理

彭建兵1， 吴 迪2， 段 钊3， 唐东旗4，成玉祥1， 车文越1， 黄伟亮1， 王启耀1， 庄建琦1

Disaster Characteristics and Destructive Mechanism of Typical Loess Landslide Cases Triggered by Human Engineering Activities

PENG Jianbing1， WU Di2， DUAN Zhao3， TANG Dongqi4，CHENG Yuxiang1， CHE Wenyue1， HUANG Weiliang1， WANG Qiyao1， ZHUANG Jianqi1
（1.Key Laboratory of Western China's Mineral Resources and Geological Engineering，Ministry of Education，Chang'an University，Xi'an 710054，China；2.College of Architecture and Civil Engineering，Xi'an University of Science and Technology，Xi'an 710054，China；3.College of Geology and Environment，Xi'an University of Science and Technology，Xi'an 710054，China；4.College of Civil Engineering，Xuchang College，Xuchang 461000，China）

In order to reveal the mechanism of loess landslide hazards induced by human engineering activities，typical loess landslide cases were studied using field investigations，physical model tests，and stress path tests.Analyses were made for the formation of shear zones triggered by heap loading，the evolution patterns of loess landslides triggered by unloading，and the development process of loess landslides induced by irrigation.The results show that in loess landslides triggered by heap loading and unloading，vertical joints and cracks easily evolve into a fracture belt.Under the action of shear stresses，shear creep zones expand from the toe to the internal of a slope gradually and develop into shear zones that penetrate the slope，which leads to the overall deformation and failure of slopes. Physical model tests reveal that the loess landslides triggered by heap loading have a typical feature of two sliding zones in shallow and deep layers.The loess landslides triggered by irrigation mainly develop in the loess tableland edge.The long-term irrigation will uplift the groundwater and cause the formation of a saturated zone in the slope body.The creep shear failure then occurs to the slope under the gravity load，resulting in the start of a landslide.In addition，the large-scale fast loading process will cause the liquefaction of the shallow loess in the front section of the slope body，and eventually triggers longrange loess mud flow landslides.

engineering activities；loess landslide；heap loading；unloading；irrigation；disaster mechanism

0258-2724（2016）05-0971-10

10.3969/j.issn.0258-2724.2016.05.021

P642.15

A

2016-06-22

国家重点基础研究计划资助项目（2014CB744700）；国家自然科学基金资助项目（41572272，4113075）；中国博士后基金资助项目（2016M592816）

彭建兵（1953—），男，博士，教授，研究方向为工程地质，E-mail：dicexy_1@chd.edu.cn

彭建兵，吴迪，段钊，等.典型人类工程活动诱发黄土滑坡灾害特征与致灾机理［J］.西南交通大学学报，2016，51（5）：971-980.

（中文编辑：秦 瑜 英文编辑：兰俊思）