泾阳县泾河南塬黄土滑坡形成机理分析

2018-04-18张秦华张华勋张志沛

地质灾害与环境保护 2018年1期

张秦华,张华勋，张志沛

(1.陕西省地质调查中心，西安 710068；2.中铁七局武汉工程有限公司，武汉 430071；3.西安科技大学，西安 710054)

泾阳县地处陕西省关中平原腹地泾河下游，渭北中部。泾河南塬位于该县西南的黄土塬边，在地貌上属于泾河河谷和黄土塬交接部位。塬面长约27.8 km，分布于太平镇和高庄镇一带。而黄土滑坡发育地段，塬面长约18 km，高出泾河60 m左右。目前，该黄土塬边共发育黄土滑坡11处，已造成1个村庄被埋(1984年12月2日)，死亡20人，重伤20人，财产损失无法估量，塬上的土地资源严重受损。另外，目前受威胁的是土地耕作人员和塬上塬下的土地资源。因而，分析其形成机理对认清该处黄土滑坡至关重要，并对该县的地质灾害防治具有理论指导意义。

1 区域地质环境条件

1.1 气象

该县降水在时空分布上有自东南向西北逐渐减少的规律。在高庄镇、太平镇一带的年降水量在450～500 mm。同时，到9月份为连阴雨天气。

1.2 水文

县内最大的河流为泾河。泾河出谷后河流不断向南岸侵蚀，有的河段紧贴南部黄土台塬。

1.3 地形地貌

为泾河河谷和黄土塬交接部位。塬面高出泾河60 m左右，高程为450～500 m。塬面呈宽度不一的带状分布，与泾河大致平行。同时塬面平坦开阔，坡度较小。

1.4 地层岩性

黄土塬区地层为中上更新统(Q2+3)黄土，其中上更新统黄土土质疏松，垂直节理发育，具孔隙、孔洞，厚度10～15 m；中更新统黄土较疏松，具垂直节理和针状孔隙，其中夹2到4层棕红色古土壤，团粒结构明显，底部断续分布钙质结核层，厚约25 m。河漫滩地区以粘性土为主，主要为粉质粘土夹粉细砂及砂砾卵石层。

1.5 地质构造

黄土台塬处于渭河地堑之内，相对沉降活动较强，新生代以来具有较明显的构造运动。其表现主要有近东西向的局部隆起、断裂带的强烈形变等。

1.6 地下水

主要是第四系松散岩类孔隙水，以潜水、浅层承压水为主，受大气降水、农田灌溉水的渗入以及地表径流的越流补给。

1.7 人类工程活动

县境内水利设施较完善，宝鸡峡引渭上塬工程就在泾河南塬之上。灌溉几乎在全年干旱季节都进行，从而使潜水位上升，加快了黄土滑坡的进程。

1.8 不良地质现象

据本次灾害详查滑坡勘查土工试验结果，塬区黄土的湿陷系数在0.006 8～0.126之间，为中等到强烈的湿陷性黄土。

2 黄土滑坡的分布规律

2.1 黄土滑坡的类型和规模

泾河南塬黄土滑坡物质组成为中上更新统黄土，但可按滑体厚度、运动形式、发生原因等因素分类，具体情况见表1。

2.2 黄土滑坡的滑动特征

推移式滑坡的起初剪出口在河漫滩或阶地附近，且上部斜坡较陡。因此，具有良好的临空条件和滑动势能。等滑坡滑动后，因滑体体积大而塬面高，河漫滩的含水土体的液化、汽化等低摩阻效应，致使

表1 泾河南塬黄土滑坡分类表

滑体以高速远程前行，滑体滑出距离为200～500 m。另外，滑坡体呈饱水状态，从而呈散落状态堆积。滑坡在剖面上呈凹型，一般不定时不定量的发生多期。第二、三次滑动时，剪出口在斜坡体上，距离底部坡体15 m以上。同时，滑体的方量在几十万方以上。如庙店村在泾河边发育2处大型滑坡：2#滑坡在2015年5月26日下午2:40时发生，坡体直接下滑并散落到漫滩区，滑坡体方量约20多万方。该坡体后壁于5月29～30日又下滑两次，滑体方量约40多万方(图1、图2)。这两次的滑坡堆积体在前一次的坡体上覆盖，甚至在滑动过程中把底部的原有堆积体推向前方。该滑坡体总长430 m,宽340 m，平均厚度17 m，体积248.5×104m3。目前滑坡后壁高14 m，呈半圆弧状。滑坡顶部东侧距前缘1～2 m处，有5～7 cm的拉张裂缝产生。同时，在距前缘10 m外，又有2～3 cm的拉张裂缝出现，长约40 m。

3#滑坡在20世纪70～80年代形成，有两次滑动。长260 m，宽560 m，平均厚10 m，体积145.6×104m3。滑坡后壁高约20 m，光滑裸露，风化严重。滑坡堆积体凸凹不平，植被好，目前被村民作为耕地使用。滑坡体顶部土体因长时间灌溉，落水洞发育且上下贯通，裂缝发育，其中从滑坡前缘向后有3条连续的裂缝，并形成错台。裂缝长短不一，宽窄不等(图3、图4)。第一条裂缝从西向东远离前缘，距离由3.2 m增宽至9 m。裂缝宽5～15 cm，由西向东增宽，深达0.3～0.9 m，并形成高20～40 cm的错台；第二条裂缝距离前缘是两头宽中间窄，两头近10 m，中间为2 m。裂缝宽10 cm左右，深度1 m左右，有高10 cm左右的错台；第三条裂缝从西向东距离前缘距离增大，由5.5 m增宽至14 m。裂缝比前两条都宽，宽度达0.7 m左右，由西向东渐窄，深达1.3～3.0 m。错台由西向东降低，从1.2 m变为0.2 m。目前滑坡后壁处于基本稳定状态，但在外力作用下极易滑动。

图1 庙店村2#滑坡和滑坡堆积体

图2 庙店村2#滑坡剖面示意图

图3 庙店村3#滑坡后缘拉张裂缝(从缘边到塬里面)和塬顶带状落水洞

图4 庙店村3#滑坡剖面示意图

图5 泾河南塬黄土滑坡分布图

2.3 黄土滑坡的空间分布规律

主要集中分布在泾河以南黄土塬边，沿缘边呈带状分布。因高差大坡度陡，为黄土滑坡灾害的集中发育区，具体情况见图5。

2.4 黄土滑坡发生的时间规律

泾阳南塬自1976年大面积灌水以来，塬边黄土滑坡频次日益增高。截止1993年底，发生滑坡、滑塌40余起，滑动土体约1 000×104m3，其中体积在30×104m3以上的大型滑坡19起。2000年到2010年，大型黄土滑坡几乎没有发生。在2014年到2015年，连续两年各有一起大型滑坡发生。从漫水大量灌溉到大量发生滑坡相隔17 a，可见，过量灌溉引起的滑坡发生时间有较长的滞后期，而一旦具备滑坡条件后，则具有群发性、频繁性的特点。

3 黄土滑坡形成条件

3.1 地质条件

泾河在新生代以来有较强的构造运动，断裂带强烈形变、局部隆起。泾河南塬在这个时期被抬升，且表面被第四系黄土所覆盖。而中上更新统(Q2+3)黄土，土质疏松，垂直节理发育，工程地质性差，抗拉强度低，极易在临空面附近形成卸荷裂隙。黄土滑坡所处地段的原生地质条件为其形成奠定了基础。

3.2 力学条件

泾河南塬塬面高出河漫滩60 m左右，斜坡平均坡度约50°。同时塬边随季节变化灌溉时间长短不一，因而对土体的自重增加不同。而滑坡是在下滑力大于抗剪力时发生，进而有推移式和牵引式滑动方式。以上条件，都为滑坡形成提供了力学条件。

3.3 地下水的影响

据野外调查，在20世纪70年代、80年代，泾河南塬斜坡体下有自喷水井。随着时间推移，自喷水井消失。目前，在挖开的滑坡堆积体下部有水出露，这个高度跟泾河河床基本一致。因而可以判断，该南塬斜坡体下部1.5～5 m范围已是有河流补给的地下水存在了。而泾河河床离坡体最远500 m外，最近河流侵蚀坡体底部。因而，该部分地下水长期在浸泡斜坡底部坡体，同时使地下水位上升。另外，塬面上具有弱透水的黄土层，地下水沿其节理裂隙面运移渗透，使弱透水层软化、泥化，加之降水入渗，易引起斜坡局部失稳或者整个斜坡滑动。

3.4 引水灌溉

自1976年后，泾河南塬塬区开始大水漫灌，同时灌溉面积不断扩大。随着灌水量不断增多，灌溉对地下水的补给量大大增加，使得地下水位逐年抬升。于是，塬边的地下水文条件发生了深刻的变化，进而导致黄土边坡严重失稳。

4 黄土滑坡的形成机理分析

4.1 形成机理分析

4.1.1 地下水的长期作用使得塬边坡体底部发生蠕动变形和液化破坏

通过塬区地质背景条件和黄土滑坡的运动特征可以看出，滑坡在运动过程中是具有一定液化条件，为灌溉诱发型黄土滑坡。其中灌溉流滑型为塬区滑坡第一次滑动时所表现出来的特征，因滑体脱离滑床于河漫滩或阶地接触时，会直接与饱和砂砾石层接触。由于滑体底部本身饱水，加之河漫滩或阶地表面平整，在滑动过程中滑面附近会形成较高超孔隙水压力，使得附近土体充分液化，形成较远的滑动距离，见图 6a；滑坡第二次、第三次滑动时，因滑动体积较小，或是在原有滑坡基础上再一次发生滑动，滑体将难以产生足够的动能和冲击力，来击穿坡脚厚实的先期黄土堆积层与下部饱水砾石层接触。此外，由于滑面起伏、反翘，滑动过程中不仅会形成较大的摩擦阻力，而且会因下伏堆积体的“架空”结构难以形成闭合的接触面，所以孔压增幅小、消散快，液化程度会显著降低，其滑动距离就相对较近，为灌溉滑动型，见图 6b。从以上的分析中可见，庙店村2#和3#滑坡都具备这些特点。

图6 流滑型与滑动型液化模拟对比

根据详查野外调查和历史资料显示，该塬区的斜坡早期的变形与破坏过程为蠕动变形和液化破坏两个阶段：

(1) 蠕动变形阶段。在早期的灌溉作用下，塬内地下水受灌溉补给缓慢抬升，在塬边逐渐形成一定水力梯度。水流受重力作用沿黄土节理、裂隙进入地下并向塬外排泄。流水通道受动、静水压力的机械侵蚀和溶蚀作用(潜蚀)，斜坡坡顶逐渐形成延展性裂缝和珠帘状落水洞，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。

(2) 液化破坏阶段。随着灌溉量的不断增大，塬区地下水位逐渐抬升并达到一定高度，在塬边斜坡带形成较大的水力梯度。而坡脚饱和黄土层厚度不断加大，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，孔压急增形成静态液化。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。

通过以上分析可知，早期塬边地下水位较低，对塬边的斜坡体影响较小；但随着灌溉量的增加，塬区地下水位逐渐抬升，并在塬边形成较强的水力梯度。在后期灌溉继续补给或短期内集中降雨作用下，在塬边形成较大的静水压力，使得斜坡体在短时间内滑动面贯通进而产生滑坡。

4.1.2 灌溉作用加速了塬边坡体的多次滑动

泾河南塬黄土台塬在灌溉用水沿着各种裂隙和节理裂缝大量下渗到古土壤层后，由于其为相对隔水层，水体因无法继续下渗滞留在土体内。不仅加大了斜坡土体的自重，增加了土体的水压力和土压力，同时也大大软化了土体，促使了滑动面的形成和贯通，导致了土体的失稳。黄土台塬过量灌溉诱发的黄土滑坡的形成机理图，见图7。

图7 过量灌溉诱发黄土滑坡机理框图

该黄土塬区长期沿袭大水漫灌的农业灌溉方式，因而多数黄土滑坡失稳破坏具有塑流-拉裂的形成机制。分3个阶段：

(1) 长期的引水灌溉不仅使黄土层内地下水位逐年上升，也使塬边斜坡坡体内地下水位逐步升高。

黄土具有强烈的水敏性，饱水后强度降低。在地下水的作用下，塬边黄土斜坡下部饱水黄土原生结构遭到破坏，形成低强度饱水黄土软弱层，流塑-软塑状饱水黄土软弱层的形成是该类黄土滑坡产生的先决条件。

(2) 随地下水位不断抬升及水岩作用对黄土强度劣化作用的逐步加深，塬边斜坡下部饱水黄土的强度显著降低，在上覆土体压力作用下，不断压缩、挤出变形并向临空方向塑性流动，此间滑坡前缘伴随有局部变形破坏。同时，上覆土体产生拉裂、不均匀沉降等变形，并在后缘形成拉裂缝。

(3) 随着饱和黄土软弱层塑流的持续发展：已形成的拉裂缝在坡体内部自上而下进一步扩张延伸，与斜坡下部饱和黄土形成一贯通的滑动面。坡体整体产生触发性失稳破坏，上覆滑体以强大的冲击力冲击下伏饱水黄土并在其内产生超孔隙水压力而伴有液化，进而随之产生高速滑动。由于剪出口位置较高、临空条件好，滑体从剪出口高速滑出，并局部伴随有抛射过程。滑坡破坏过程中滑体具有动能大、速度快、运动距离远等特性，为典型的高速远程黄土滑坡。

滑坡失稳破坏后，滑体彻底滑入河漫滩或者一级阶地，并未在滑坡坡脚处堆积。良好的临空条件和陡立的滑坡后壁为滑坡再次发生奠定了良好的地形基础，滑坡进入新一轮的滑动周期。同时随着地下水的作用，斜坡底部软弱层会继续发生塑性挤出变形。在上覆土体作用下滑坡会再次发生变形并产生滑动，形成该黄土塬边特有的逐级后退式高速远程滑动。