泾河南塬黄土的渗透特征及孕灾机制

2019-07-23杜少少李喜安王少林张航泊

水土保持通报 2019年3期

洪勃，杜少少，李喜安，王力，王少林，张航泊

(1.矿山地质灾害成灾机理与防控重点实验室，陕西西安 710054；2.长安大学地质工程与测绘学院，陕西西安 710054； 3.陕西省地质调查中心，陕西西安 710054)

中国是世界上滑坡灾害最为严重的地区之一，特别是20世纪80年代以来，随着经济的飞速发展以及自然因素的影响，滑坡灾害发生的频率越来越高，所造成的经济损失和人员伤亡也不断加大[1]。尤其是中国中西部地区滑坡灾害极为发育，这些滑坡规模大、损失惨重、机理复杂等特点而成为诸多研究学者重点关注对象。

据统计90%以上的滑坡都与水的作密切相关[2]。因此，降雨入渗、大面积灌溉均是非饱和土边坡产生滑坡的重要因素。自1976年以来，大面积引水灌溉致使泾河南塬约30 km的塬边成了黄土滑坡的频发带[3]。据不完全统计，1980年至2016年泾河南塬已发生的有记录的滑坡43起，太平镇23起，蒋刘乡16起，高庄镇3起，小滑坡(滑坡体积小于0.5×104m3)不计其数[3-10]。其中以1984年12月2日发生于蒋刘乡河滩村的滑坡损失最为惨重，滑坡体积约1.13×106m3造成整个村庄被掩埋，20人死亡，20人重伤，摧毁民房159间[11]。截至目前，泾河南塬滑坡已造成31死25伤，摧毁农田达数千亩和无法估量的经济损失[8,12]。泾河南塬黄土滑坡已成为关中地区最具代表性的地质灾害问题之一[12]。

目前，很多研究学者就泾河南塬滑坡成因机制以及滑坡特征进行了大量研究。雷祥义[3]、金艳丽等[13]、许领等[14-16]、段钊等[8,9]等研究表明，大面积灌溉导致地下水位大幅抬升是泾河南塬滑坡的重要原因。许领等[15-17]还指出灌溉也是塬边裂缝形成的重要成因，同时裂缝的发育又是滑坡发展和发生的重要内在动力机制。唐东旗等[18]的研究表明，在有裂隙状态下边坡安全系数较无裂隙条件下要降低23.3%。显然，裂隙不但降低边坡的稳定性，而且也成为雨水入渗的优势渗流通道[14,16,19-20]。而泾河南塬塬边由于长期受泾河侧蚀、滑塌以及灌溉作用的影响，已经遍布裂缝。许领等[17]2005—2007年对太平—蒋刘段的调查发现，塬边裂缝发育28条，总延展长度达1 424 m。2015年，杨华[20]再对经河南塬裂缝进行调查统计时，裂缝发育达90条，累积长达6.5 km。长度超过150 m的巨型裂缝一共发育有7条，最长裂缝可达330 m，分布于太平镇寨头—西庙店塬边[19]。同时，裂缝常常在渗流作用下，形成导水孔、落水洞，从而陷入缝生洞、洞生缝的恶性循环，加剧边坡的破坏。

可见，雨水入渗依然是该地区黄土滑坡的重要因素，同时黄土本身的性质也使得其研究内容更加复杂，如渗透各向异性、节理裂隙发育以及湿陷性。因此，本文拟以泾河南塬黄土(裂隙土、不同土层土)的渗透特征为研究对象，在总结前人成果的基础上，结合室内试验，对泾河南塬黄土的渗透各向异性特征进行分析，同时对其孕灾机理进行探讨，以期为黄土分布地区雨水入渗型滑坡的灾害防治提供重要的理论指导意义。

1 研究区概况与试验方法

泾河南塬位于陕西省泾阳县境内，受新构造运动及不同形式的侵蚀活动作用，呈现出西北高、东南低，且高低起伏较大的地形地貌特征，海拔最高1 614 m，最低361 m[7]。境内地貌主要分为基岩山地、黄土台塬和冲洪积阶地3类。而泾河南塬地势平坦开阔，黄土覆盖厚度较大，塬面高程约在420 m～490 m左右。上部为厚度约10～15 m的上更新世马兰黄土，下覆地层为厚度约45～70 m左右的中更新世离石黄土，底部为早更新世午城黄土(高庄镇钻孔已揭露午城黄土厚度49.4 m，未见底)，各层之内均夹杂着厚度不等的古土壤层。

2 结果与分析

双环法、试坑法和抽水试验都可以测得土的原位饱和渗透系数。由于野外双环试验操作简单，较试坑法和抽水试验代价低，因此被广泛使用。

2.1 均质土与裂隙土试验

根据大量野外观测资料显示，黄土地区降雨入渗深度一般不超过1.5 m。当黄土中裂隙发育时，雨水可以通过优势渗流通道至土体深部，引起土的体积和抗剪强度变化，从而诱发滑坡、崩塌和泥流等地质灾害。因此，以蒋刘乡大堡子村塬边附近含有裂隙的农田为裂隙土试验场地(裂隙宽度2 cm，走向平行于塬边)，以无裂隙的场地为对照组(称均质土)，进行双环渗透试验，对裂隙处采用相同含水率的细砂土填充[20]。试验土层为Q3马兰黄土，天然含水率12%，液限27.1%，塑限19.5%，天然干密度为1.56 g/cm3。

由图1可以看出，均质土和裂隙土的渗透系数大致可以分为快渗阶段、缓渗阶段和稳渗阶段。由于裂隙的存在，裂隙土的渗透系数一直较均质土要高，进入稳渗阶段均质土的稳定渗透系数为4.05×10-4cm/s，而裂隙土的稳定渗透系数约为均质土的3倍，为1.27×10-3cm/s。同时，二者的渗透系数与入渗时间具有较好的幂函数关系，且相关系数很好。由于土体不均匀性的存在，使得入渗速率上下波动是容易理解的[20]。

图1 裂隙土和均质土渗透系数(k)与入渗时间(t)关系[20]

2.2 不同土层渗透试验

以泾阳高庄镇王家村滑坡台阶为试验场地，分别对表层黑垆土(L0)、马兰黄土(L1)、第一层古土壤(S1)以及S1下伏的离石黄土(L2)进行野外双环试验[21]。不同土层土壤的基本物理性质具体如表1所示。

表1 不同土层土壤的基本物理性质

由图2可以看出，黑垆土、马兰黄土和离石黄土入渗速率与入渗时间也具有较好的幂函数关系，都随着入渗时间的持续而逐渐趋于平稳。然而古土壤由于干密度大，土颗粒排列地更加密实，其渗透系数最小。与上述几种土比较，其渗透系数随入渗时间更具线性关系，且渗透系数基本保持不变。稳渗阶段，以马兰黄土的渗透系数最大，其原因应该是马兰黄土由于大、中孔隙以及垂直节理裂隙发育有关[21]。而黑垆土由于腐殖质的存在，在高温与多雨季节有利于原生矿物的分解和次生黏土矿物的形成，并使黑垆土因残积黏化而具有隐黏化特征；另外土壤中水溶性盐类的溶解并随下渗水流迁移，又使明显下移的钙、镁等盐类在剖面下部形成淀积层。因此，这也是黑垆土渗透系数较马兰黄土较小的原因。而离石黄土渗透系数<黑垆土<马兰黄土，则是因其埋深厚，固结应力大，结构更加紧密所致。

图2 不同土层渗透系数(k)与入渗时间(t)关系[21]

2.3 三轴渗透试验

考虑到三轴渗透试验能够较真实的反映土体在地层中所处的应力环境，因此三轴渗透试验测得的渗透系数较其他渗透试验结果更加真实可靠。谢超[21]将泾阳高庄镇王家村滑坡台阶场地的原状试样进行室内三轴常水头渗透试验，测量其垂直向和水平向渗透系数。

由图3可以看出，随着围压的增大，不论垂直向还是水平向，3种土的渗透系数呈现逐渐减小并趋于稳定。

图3 垂直向和水平向三轴渗透试验[21]

同一围压下，3种土都具有明显的渗透各向异性性质，垂直向渗透系数均大于水平向。这显然是土颗粒的微观各向异性决定的，风成黄土在沉降、沉积以及成土过程受风力诱导或重力诱导作用而具有优选方向，即土颗粒排列具有定向性从而导致土体产生各向异性行为[22]。

对比图2和图3的3种土的垂直向渗透系数值可以发现，双环法的测量值与三轴试验测量值存在数量级上的差异，最大约102量级。这种差异是由于双环试验必须要铲除上覆土层至试验土层，这势必会改变试验土层原始应力状态而产生卸荷裂隙，从而增大了试验误差。而室内三轴试验则能较好地复原试验土层的真实应力环境。

3 讨论

泾河南塬地区，水对边坡的不利作用主要包括地表水(灌溉、降雨、融雪)入渗、地下水位抬升、河流侵蚀等。自1976年大面积灌溉以来，地下水位不断抬升泾阳南塬大量的滑坡、崩塌已使其塬边拉裂隙大量发育，以致该地区滑坡灾害连年不断，塬面不断后退，土地资源损失严重[19]。

然而，泾河南塬地下水位不再是受大气降雨单一补给，引水灌溉已然成为主控因素[3]。1976—2016年太平镇和蒋刘乡6个村的地下水位变化情况为：自1976年以来地下水位持续抬升，其中1992年蒋刘村的地下水位较1976年上涨达37 m[6]，地下水位年均上升速度达2.313 m/a，其他各村地下水位也均有不同程度的抬升。2010—2014年的年灌溉量有增多的趋势，5年灌溉量均值为2.71×106m3。庙店村的钻孔资料也证实了这种趋势，其2016年的地下水位较1992年上涨37.4 m，地下水位年均上升速度达1.558 m/a。

地下水位的不断抬升也致使该地区滑坡灾害不断，1976—1980年灌溉初期，地下水位主要受大气降雨补给，灌溉并未造成地下水位大幅抬升。随着灌溉强度的不断增大，到1980—1992年灌溉区塬边滑坡灾害已经不断发生，同时也促使了更多滑坡的孕育。1996年太平镇和蒋刘乡年累计滑坡达5次之多，累积滑坡体积2.03×106m3。自2000年后，虽然政府部门采取了控制措施，但2000—2016年累计发生中大型滑坡16次，平均1次/a。

诸多研究表明，地下水位的抬升已是泾河南塬滑坡灾害的主导因素[3,8,9,13-16]，而地表水入渗则是滑坡发生的诱发因素[3]，塬边裂隙、裂缝是滑坡发展和发生的重要内在动力机制[15-17]。泾阳县雨季主要集中在7—9这3个月，对应1976—2016年滑坡月统计这3个月滑坡达13起。但这3个月却不是滑坡最频繁的月份，春夏之交的3，4，5月滑坡达17起。这则是与南塬农业活动密切相关，3—5月份果树现蕾开花，冬小麦返青拔节、灌浆乳熟[6]，均需要长时间大面积灌溉。而大面积灌溉必然导致地下水位快速升高，地下水位的抬升不仅降低了坡体的抗剪强度，同时也增加了坡体的下滑力[3]，进而促使滑坡灾害的发生。

综上所述，泾河南塬北侧由于长期受泾河强烈的侧蚀作用，塬边形成了高度约50～90 m的黄土陡崖、陡坎，为黄土滑坡、崩塌提供了有利的场地条件。由节理、裂隙发育的黄土-古土壤序列构成的陡峭边坡为滑坡灾害的发展和发生提供了有利的地层地貌及地质构造条件[3]，而灌溉和降雨又为滑坡提供了气候水文条件。因此，泾河南塬滑坡依然形成了一种恶性循环的灾害链模式：雨、水入渗→裂隙扩大、地下水位抬升→产生静水、动水压力，增大下滑力；软弱带软化，抗剪强度降低；浮托力增大，抗滑力降低→滑动面贯穿→滑坡→致使滑坡后缘产生拉张裂隙→雨、水入渗→…。

显然，水与裂隙诱发地质灾害并进一步恶化地质环境，而地质环境的恶化又导致更为严重的地质灾害的发生。可见，水与裂隙共同作用模式已成为泾河南塬滑坡的一种机制。