延安北连接线黄土滑坡变形机制地质分析与模型试验研究

李玉瑞，程晓伟，赖天文，吴红刚

(1.兰州交通大学土木工程学院，甘肃 兰州 730070；2.中交第二公路勘察设计研究院有限公司，湖北 武汉 430056;3.中铁西北科学研究院有限公司，陕西 西安 710000；4.中铁西北科学研究院有限公司，甘肃 兰州 730030)

0 引 言

随着西部大开发政策实施以来，在我国西部一些基础设施建设如火如荼的进行，尤其是各种交通线的建设。由于多种限制性因素，道路选线难以规避山川河流，基于不同的地形地貌、地层结构、特殊土及自然环境的影响，滑坡灾害变得较为常见。

众多国内外研究工作者对黄土滑坡的变形机制以及致滑因素进行了研究：王兰民等[1]通过振动台试验研究了在地震和降雨耦合作用下黄土边坡的动力响应特征、变形演化过程以及失稳破坏机制；苗发盛等[2]通过离心模型试验揭示了库岸牵引式滑坡在库水位升降条件下的破坏模式和变形失稳机制；许强等[3]通过对泾阳南塬蒋刘村黄土滑坡的地质调查分析，得出由引水灌溉以及冻融影响的黄土滑坡成因机制；SASSA等[4]通过对降雨和地震综合作用对边坡的稳定性影响，得出此类型滑坡的变形机制；WU等[5]通过分析影响滑坡的降雨临界条件(强度与持续时间)，研究了降雨条件下滑坡的成因机制；张国栋等[6]结合专业监测、库水位和降雨等资料，分别提取降雨和库水位变化因子，深入分析滑坡变形特性，并给出该滑坡的变形演化模式；卢应发等[7]在分析滑坡破坏机制的基础上，提出推移式滑坡2种破坏模式，分析了每一种破坏模式的决定影响因素；杨何等[8]通过分析二道河滑坡的变形演化过程及变形机制，得出滑坡经历了由推移式转化为牵引式、由悬浮减重型转化为动水压力滞后型的过程，滑坡变形的地质力学模式为蠕滑—拉裂型；黄达等[9]通过地质、位移监测及数值模拟方法，得出降雨主要影响库水位变动带以上部分滑体的变形以及滑坡体反复受到“推-拉”作用，导致滑坡的位移-时间曲线呈现台阶状阶跃特征；还有部分学者[10-12]研究了不同影响因素下的滑坡变形失稳机制，并得出一系列研究成果，同时提出了一些防治措施。

以上学者提供了研究滑坡形成机制的多种研究方法，本文在学习以上各学者研究方法的基础上，采用地质分析与模型试验相结合的方法，并对坡脚开挖以及降雨工况对黄土滑坡的整体影响与单独影响权重进行分析，以期揭示此黄土滑坡的变形机制并得到各工况的影响作用，对于认识开挖和降雨作用影响下的滑坡成因及变形机制具有重要的意义。

1 滑坡基本特征

北连接线黄土滑坡位于延安富县县城以南的洛阳村西侧洛河西岸，是延能化西厂区北连接线NK1+900～NK2+050段右侧路堑边坡。此次滑坡位于一黄土山梁东侧的一老滑坡体上，该老滑坡周界清晰，后缘呈圈椅状，上陡下缓，后壁明显，倾角50°～60°，滑坡卫星图如图1所示。北连接线道路从老滑坡体中前部通过，在北连接线道路右侧形成高约20 m的路堑边坡。据富县气象局降水资料，全县1960-2009年50年的平均降水量550.8 mm，最大降水量(1961年)为732.0 mm，最小降水量499.1 mm。降雨多集中于7、8、9三个月，可占全年降水量的60%，且多暴雨。2016年7月19日，由于路堑边坡开挖，加上强降雨的影响，滑坡体首先在坡后缘产生张拉裂缝，滑体下错前移，在滑坡后缘形成高约4 m的陡坎，在短时间内滑坡体滑移5 m左右，导致道路中断。该滑坡体长度约150 m，滑坡体最大厚度约17 m，总滑移体积约7×104m3，滑坡体物质主要为黄土、古土壤及粉质黏土，滑面埋深最大约20 m，滑面倾角后缘55°左右，中前缘8°，滑坡主轴倾向NE76°，综合各钻孔滑面特征判断，该滑坡滑面呈上陡下缓的形态。

图1 滑坡卫星图Fig.1 Satellite image map of the loess landslide

1.1 地形地貌

原始地貌属于黄土梁峁沟壑地带单元，总体地势西高东低，自然山坡坡度20°～30°，局部坡度大于40°，坡面较多陡坎。边坡上部为黄土质坡体，边坡下部为砂泥岩互层的岩质坡体，为典型的二元地层结构，沟谷下切较深，存在多处老滑坡。

1.2 地层岩性

滑坡体及其周围分布的地层岩性主要为耕植土、第四纪全新世坡、洪积黄土状土，第四纪晚更新世风积黄土、残积古土壤，第四纪中更世风积黄土、残积古土壤，三叠系下统瓦窑堡组砂岩及砂、泥页岩互层体。其中滑坡后壁山坡、滑坡体中后部及滑坡两侧主要出露黄土状土、黄土及古土壤，滑坡前部坡脚主要分布三叠系下统瓦窑堡组砂岩及砂、泥岩互层体。

1.3 地质构造

北连接线黄土滑坡地处陕北黄土高原丘陵沟壑地带。在区域大地构造位置上位于中朝准地台陕甘宁台坳陕北台凹，新构造运动在本区中、新生代地层中变化不明显，褶皱断裂构造不发育，属新构造运动相对稳定区。近厂区范围内，受构造作用影响，岩土体内形成两组贯通节理，产状分别为340°∠83°、240°∠88°，将岩石切割成块状结构。由此造成岩体内地下水垂直渗流通道发育，有利于地表水向坡体内的下渗及赋存。

图2 滑坡体形成示意图Fig.2 Schematic diagram of the formation of the loess landslide

1.4 地表水与地下水

地表水：洛河为区域内唯一河流，属黄河水系，发源于白于山郝庄梁，自北向南贯穿富县全境。滑坡区年平均降雨量550.8 mm，较为丰富，且多暴雨。由于黄土抗冲蚀能力差，在坡体易形成明显的冲沟和坡面冲刷、切割现象。地下水：厂区内地下水可分为浅部土层中的地下水和碎屑岩类孔隙—裂隙潜水。浅部土层中的地下水属暂时性上层滞水，受控于地表水体、大气降水、地面蒸发等多种因素的影响，并随气候的变化而变化；部分基岩裂隙水从基岩面与第四系覆盖层接触面、滑体滑移面剪出口及坡脚基岩出露的地方以下降泉的形式排泄。

1.5 地质条件对滑坡形成的控制作用

该滑坡体的形成主要是受道路开挖施工形成高路堑边坡，坡体失去前缘支撑，临空应力释放，使得坡体产生卸荷裂缝，给地表降雨以及灌溉水下渗提供了直接的通道。

区内地下水主要受基岩风化层厚度、地貌、岩性控制，其中砂岩类孔隙较发育，垂直节理发育，为地下水的赋存提供了条件，形成含水层；而泥岩类孔隙不发育，透水性较差，构成了相对隔水层。大气降水入渗、地表灌溉入渗等是地下水的主要补给来源。此外，由于地下水下渗至泥岩层(隔水层)后，汇集于基岩顶面附近，降低滑带土体强度，为滑坡的发生提供了有利条件。

坡体滑动前当地曾持续多天降雨，连续降雨后，加之路基边坡开挖后排水系统未能及时完善，大量雨水沿卸荷裂缝进入坡体内，使坡体含水量增大，土体重量加大，又同岩层裂隙水共同软化滑带土体，导致裂隙土体渗透特性发生变化，土体强度渐进劣化损伤，滑带土渐进饱和形成饱和带，激发超孔隙水压力，再加上黄土的湿陷性以及冲蚀扩缝作用，最终促发了坡体的失稳(图2)。综合分析得出由坡脚开挖以及降雨综合影响的滑坡变形机制可大体归纳为：原始地貌-开挖卸荷-卸荷裂缝-降雨及地表水入渗-土体抗剪强度降低-土体软化形成滑带-坡体滑塌。

2 开挖和降雨条件下滑坡变形过程模型试验

2.1 试验目的

通过模型试验定量研究坡脚开挖以及降雨工况对滑坡变形量的整体影响与单独影响进行分析，并揭示北连接线黄土滑坡的孕育、发展过程。

2.2 试验设计

(1)模型设计：本次模型试验设计以北连接线滑坡4-4＇断面为依托，断面图如图3所示，设计断面如图4所示。模型试验在由角钢与钢化玻璃制作而成的模型试验箱中进行，试验箱尺寸1 400 mm×600 mm×1 100 mm，几何相似比C=1∶20。

图3 滑坡原型4-4＇断面图Fig.3 4-4＇ section map of landslide prototype

图4 模型设计断面图(单位：mm)Fig.4 Cross-section diagram of the physical model (unit: mm)

(2)试验材料设计：滑体材料采用黄土；滑带材料采用薄层饱和细砂(河砂)，细砂下面铺设一层聚氯乙烯塑料薄膜；基岩材料采用水∶水泥∶砂子=1∶3∶9(砂岩)和水∶水泥∶黄土=1∶3∶9(泥岩)交替铺设模拟砂泥岩互层(图5)。

图5 模型铺设图Fig.5 Photo of the physical model

图6 传感器布设图(单位：mm)Fig.6 Layout of the monitoring sensors during the model test (mm)

2.3 试验量测系统

为了获取坡体位移的变化，在坡面布置三个百分表测点，每个测点选用两个百分表分别进行竖直与水平观测；为了了解坡体变形的发展过程，此次试验采用了两个891型拾振器来采集坡体移动加速度。传感器布设如图6所示，拾振器的实时信号采集系统采用嘉兴市振恒电子技术有限责任公司的DA1000通用数据采集仪，结合ZH-DAS数据采集分析软件，可以实时对采集的数据进行时域分析，方便搜索整个测试历程中信号的最大、最小、极大或极小值的位置。

2.4 试验工况模拟

考虑到模型试验箱与土体的摩擦，首先在坡顶加载40 kg重物以削弱边界效应。

利用坡脚两次开挖的方式来模拟路基不同阶段开挖(图7)；滑带材料(细砂)铺设时，中间放入三根不同长度的PVC管，周身扎满小孔，依次注水来模拟基岩裂隙水；最后在坡顶后部开挖小槽注水模拟降雨，通过注水开关控制注水速率，用量筒量测每分钟注水量，得出注水速率为178 mL/min；试验过程及工况阶段模拟如表1所示。

表1 试验过程及工况阶段模拟Table 1 Process of the model test and different working conditions

2.5 试验现象

试验利用PVC管注水模拟基岩裂隙水时，每次都要注水至坡脚看见有细小水流流出；坡脚分两次开挖(图7)，坡脚第二次开挖后，坡体两侧首先出现了明显的卸荷裂缝(图8)；随着第二次PVC管注水以及最后的降雨阶段，坡体卸荷裂缝增多，并出现贯通，裂缝宽度逐渐增加，最终坡体出现整体蠕滑变形，如图9坡顶变形所示。

图7 坡脚开挖图Fig.7 Excavation of the slope toe

图8 坡体变形图Fig.8 Deformation photos of the slope body

图9 坡顶变形图Fig.9 Deformation photos of the slope top

图10 坡体测点位移曲线图Fig.10 The slope measurement point displacement curve

2.6 试验结果分析

2.6.1坡体位移

(1)测点位移随时间整体累计变化趋势

分析整个试验过程中坡体测点位移随时间变化趋势(图10)，三测点曲线总体变化近似表现出同样的趋势，但在不同的试验阶段又表现出各自不同的特点。最初的加载(工况一)和第一次开挖(工况二)过程中，坡体没有明显的竖直沉降，仅表现出微小的水平位移，在前两种工况扰动下，坡体虽然没有产生实质性的位移变化量，但是坡顶加载加重了坡体的总自重，坡脚开挖减小了坡体前缘支撑力，这都为坡体的滑动提供了有利的条件，但此阶段下滑力还不足以抵抗抗滑力，因此坡体处于短暂的平衡状态；在第一次注水阶段(工况三)，三测点均在初始注水阶段发生了位移突变，但后期位移变化量逐渐减小，这表明由于注水一方面增加了坡体的自重，另一方面减小了滑带的抗剪强度，坡体发生了微弱的滑动，由于注水工况在坡脚出现水流便停止，因此坡体也慢慢处于稳定状态，此工况阶段，坡顶至坡脚的位移变化量依次减小；坡脚第二次开挖(工况四)对坡体的扰动变形并不大，但同样减小了坡脚的前缘支撑，为坡体的下滑提供有力的基础；第二次注水阶段(工况五)初始，坡体水平位移和沉降均发生了突变，之后增长趋势稍变缓，同时坡中、坡脚的水平位移超过了坡顶位移，坡顶沉降量始终最大，且在此阶段与其它两测点处差值增大，这说明坡体已发生了蠕滑变形。 最后降雨阶段(工况六)，各测点位移曲线变化率达到最大，坡体最终出现滑塌。

(2)测点位移各工况阶段净变化趋势

为了分析各种工况单独作用对坡体位移的影响，现计算各测点位移在不同工况阶段下的净变形量，考虑降雨后坡体发生了整体滑塌，变形量超过百分表量程，因此只计算前五种工况下坡体位移净变形量(表2)，用以分析对比不同工况对坡体位移的影响权重。

由表2作各工况阶段坡体位移净变形量曲线图(图11)。图中明确表示出坡顶加载和坡脚首次开挖对于坡体的变形起到微弱的作用，结合表2，以测点1为代表，两阶段对坡体的沉降影响分别为0.02 mm和0.09 mm，坡脚第二次开挖对坡体位移的影响稍大于首次开挖，其沉降为0.29 mm，这表明坡脚开挖形成的临空面高度对坡体的稳定性起到一定的作用，而从两阶段开挖工况对坡体位移总变形量影响程度上来看，其作用并不明显，但其均为坡体致滑的潜在影响因素，为坡体变形奠定了基础。两次注水工况对坡体的位移影响明显大于加载和开挖，同样以测点1为代表，两次注水致使坡体沉降变化分别为1.69 mm和2.46 mm，且第二次注水的影响量大于第一次注水，这表明水是坡体致滑的直接影响因素，且存在时间累积效应[13]。

表2 各工况阶段坡体位移净变形量(单位：mm)Table 2 Deformation values of the slope in different working conditions of the model test (unit: mm)

图11 各工况阶段坡体位移净变形量曲线图Fig.11 Curve diagram of slope deformation in different working conditions

2.6.2坡体加速度

利用拾振器采集坡体测点运动加速度，由于采集时间较长，数据整体处理较为繁琐，结合图10所示，第三工况阶段开始位移出现突变，因此提取测试时间65 min(对应3 900 s)始30 s的数据进行计算绘图(图12)。图示明显表现出两测点坡体移动速度的变化趋势并不在同一时间，坡上测点(A)速度变化较为敏感，时间略早于坡下测点(B)，这说明坡体的移动速度变化率短时间为自上而下进行；由图11、图12所示，A、B两测点拾振器加速度最大值分别为0.822 3 mm/s2、0.362 4 mm/s2,坡上的速度变化率为坡下速度变化率的2.269倍，这与图10中测点位移曲线相呼应，同样说明了坡体的移动速度变化率在短时间内是自上而下传递，为推动式滑坡的典型特征。

图12 坡体测点加速度波形图Fig.12 The waveform graphs of acceleration sensor in the physical model

3 结 论

本文通过现场实地地质调查、地质分析以及模型试验的方法对延安北连接线黄土滑坡的变形机制进行了分析，得到如下主要结论及建议：

(1)由坡脚开挖以及降雨综合影响的滑坡变形机制可大体归纳为：原始地貌-开挖卸荷-卸荷裂缝-降雨及地表水入渗-土体抗剪强度降低-土体软化形成滑带-坡体滑塌。

(2)坡脚开挖为坡体滑移提供了有利条件，但并非坡体致滑的直接影响因素，坡体开挖形成的临空面高度对坡体稳定性起到一定的影响作用。

(3)水是致使坡体发生滑动的直接影响因素，具有时间累积效应。降雨及地表水入渗一方面增加了坡体的自重，另一方面降低岩土体抗剪强度，软化岩土体形成滑带，是致使坡体滑动的决定性因素。因此，无论是对原边坡的工程扰动还是人为填方形成的具有潜在危险性的边坡，修建引排水系统显得尤为重要。

(4)受降雨影响，坡体下滑过程中，坡上相对于坡脚的速度变化率较为敏感，表现出自上而下传递的过程，因此坡顶堆载成为影响坡体滑动的潜在影响因素，其能进一步加速坡体的下滑。