渭北黃土塬邊大型黃土滑坡成因分析研究

李 濱，吳樹仁，石菊松

（1.國土資源部新構(gòu)造運動與地質(zhì)災(zāi)害重點實驗室，北京100081；2.中國地質(zhì)科學(xué)院 地質(zhì)力學(xué)研究所，北京100081）

陜西省寶雞市渭河北岸黃土塬邊是我國有名的黃土滑坡災(zāi)區(qū)之一[1－4]，自寶雞市金臺區(qū)六川河河口開始至眉縣常興鎮(zhèn)北呂塬長約98km的黃土塬邊，滑坡成群成帶集中分布，大型滑坡或滑坡群有170個以上，約占塬邊總長度的50%[2－4]，其中寶雞市區(qū)金臺區(qū)北坡塬邊長22km，寬0.5～0.9km的塬邊地帶更是分布有大型滑坡體38處，占塬邊斜坡面積的96.8%。1955年8月臥龍寺滑坡將隴海線向南推移110m，中斷鐵路運營數(shù)日；1971年5月滑坡局部再次滑動，導(dǎo)致28人死亡[2]；隨著寶雞城市建設(shè)和大規(guī)模經(jīng)濟建設(shè)的快速發(fā)展，20世紀(jì)80年代以來，位于寶雞主城區(qū)北坡的滑坡帶出現(xiàn)明顯的變形跡象，如長壽山滑坡、寶雞中學(xué)滑坡、簸箕山滑坡[5]、八角寺滑坡、狄家坡滑坡[6]、摩天院滑坡、金臺觀滑坡、二十一軍部、福利院等大型－巨型滑坡體，這些滑坡危及市區(qū)近10萬人和城市基礎(chǔ)設(shè)施的安全，嚴(yán)重影響城市建設(shè)的和諧發(fā)展。

因此，為了分析渭河北岸黃土塬邊大型滑坡形成影響因素，本文基于多年在寶雞地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查、工程勘察、遙感解譯以及室內(nèi)試驗等的大量實際資料基礎(chǔ)上，經(jīng)研究分析，提出大型滑坡滑動的主要成因。

1 大型滑坡形成影響因素分析

寶雞市渭河北岸大型滑坡形成影響因素分為靜態(tài)和動態(tài)兩大方面，靜態(tài)因素主要包括：地形地貌、地質(zhì)構(gòu)造、地層巖性、斜坡結(jié)構(gòu)、水文地質(zhì)等；動態(tài)因素主要包括：人類活動、降雨、河流沖蝕、地震等。下面從地形地貌、地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造、斜坡結(jié)構(gòu)、地下水以及人類工程活動等方面分析滑坡形成的主要影響因素。

1.1 地形地貌與滑坡形成的關(guān)系

寶雞渭北大型滑坡發(fā)育區(qū)基本地形地貌為黃土臺塬地貌，深切河谷沖溝極為發(fā)育，斜坡高陡且臨空好，為滑坡發(fā)育提供有利的條件，主要控滑因素包括：坡高、坡度、坡形。

（1）坡高。坡高的差異主要與區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造運動和河流侵蝕切割作用相關(guān)。將研究區(qū)坡高分為50～100，100～200，200～300m三個區(qū)間，統(tǒng)計各區(qū)間段內(nèi)滑坡發(fā)育情況發(fā)現(xiàn)，滑坡多發(fā)育的坡高范圍是100～200m，約占統(tǒng)計滑坡災(zāi)害總數(shù)的75%左右，與滑坡體積相比，坡高在100～200m范圍內(nèi)的滑坡多是大型、特大型滑坡，規(guī)模巨大，危害性也大，這說明了坡高對滑坡災(zāi)害發(fā)育規(guī)模和發(fā)生率有明顯的影響。

（2）坡度。坡度是斜坡穩(wěn)定性的重要影響因子，將坡度分為0°～25°，25°～35°，35°～45°，45°～60°，60°～90°五個區(qū)間，統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，滑坡災(zāi)害主要集中在35°～45°和25°～35°這兩個坡度區(qū)間，分別占統(tǒng)計總數(shù)的63.8%和25.5%，25°～45°坡度區(qū)間可稱為滑坡災(zāi)害的優(yōu)勢坡角。

（3）坡形。將斜坡的形態(tài)分為直線坡、凸形坡和凹形坡三種坡形，對研究區(qū)滑坡坡形特征和災(zāi)害發(fā)育情況調(diào)查發(fā)現(xiàn)，凸形坡穩(wěn)定性最差，發(fā)育滑坡最多，約占災(zāi)害的72.3%，凹形坡穩(wěn)定性最好，災(zāi)害數(shù)量最少，僅占災(zāi)害的8.5%。造成這樣結(jié)果的原因主要是凸形坡坡體內(nèi)的水平應(yīng)力減弱，拉應(yīng)力出現(xiàn)，不利于斜坡的穩(wěn)定。

1.2 地層巖性和斜坡結(jié)構(gòu)對滑坡的控制作用

地層巖性是滑坡發(fā)生、發(fā)展的重要內(nèi)因和物質(zhì)基礎(chǔ)，對滑坡的控制作用主要體現(xiàn)在易滑地層和巖土體結(jié)構(gòu)兩個方面。不同力學(xué)性質(zhì)的巖土體組合及斜坡結(jié)構(gòu)類型具有不同的穩(wěn)定性，發(fā)育的滑坡災(zāi)害類型亦不盡相同，而易滑地層巖組的空間分布則控制著滑坡的分布。

（1）斜坡結(jié)構(gòu)。寶雞渭河北岸黃土塬邊斜坡是由多套巖性地層組成的非均質(zhì)體，主要地層包括厚層的黃土、渭河及金陵河階地、上新世的三門組砂礫石和硬黏土互層及三趾馬紅土、白堊系砂巖等。在對研究區(qū)大型滑坡詳細調(diào)查、工程勘察和試驗測試分析后，研究區(qū)大型滑坡的主要斜坡結(jié)構(gòu)類型大致分為兩類：一類是黃土—階地—三門組紅黏土斜坡（圖1A），上新世三門組紅黏土是控滑地層；另一類斜坡是黃土—三趾馬紅土—基巖斜坡（圖1B），三趾馬紅土是主要控滑地層，滑床位于三趾馬紅土層內(nèi)或表層接觸面。

圖1 寶雞渭河北岸黃土塬邊大型滑坡主要斜坡結(jié)構(gòu)類型

（2）易滑地層。通過大型滑坡勘察的鉆孔巖芯測試分析、野外滑坡滑動面的調(diào)查，認(rèn)為寶雞渭河北岸黃土塬邊大型滑坡的主要易滑地層包括上新世三門組紅色硬黏土層和三趾馬紅土層，其工程地質(zhì)特性如下：

①上新世三門組紅色硬黏土（圖2A）。該套地層屬中等混層比的膨脹性黏土，有效蒙脫石含量高（15%～24.42%），比表面積一般為161.7～258.3m2／g，黏粒含量（＜0.005mm）30.2%～48.72%；含水量一般為19.4%～24.2%，容重2.06～2.15g／cm3，干容重1.66～1.80g／cm3，液限36.1%～44.95%，塑限指數(shù)15.8～25.5，天然狀態(tài)下抗剪強度c值為95～271 kPa，內(nèi)摩擦角φ為25.4°～39.5°，殘余剪強度c值為24.7～58.7kPa，內(nèi)摩擦角φ為13.7°～29.9°，飽和情況下c值為39～153.3kPa，內(nèi)摩擦角φ為16.7°～32.4°，殘余剪強度c值為16.5～47kPa，內(nèi)摩擦角φ為8.1°～24.1°；該套地層干燥時致密較堅硬，透水性差，成為區(qū)域隔水層，遇水飽和后即軟化，抗剪強度銳減，是大型滑坡最主要的滑動地層。

②三趾馬紅黏土（圖2B）。主要的黏土礦物為伊利石與蒙脫石混層黏土礦物，伴生少量高嶺石，且蒙脫石所占比例高于伊利石，有效蒙脫石含量高（15.5%～27.56%），比表面積一般為151.2～262.9m2／g，黏粒含量（＜0.005mm）37.12%～54.40%，是高混層比的膨脹性黏土，因而具有較高的物理化學(xué)活性，顯著的收縮性、膨脹性。研究區(qū)三趾馬紅土含水量一般為16.8%～28.9%，容重2.00～2.13g／cm3，干容重1.55～1.90g／cm3，液限36.2%～57.34%，塑限指數(shù)15.5～24.34，天然狀態(tài)下抗剪強度c值為68～250kPa（一般100～200kPa），內(nèi)摩擦角φ為25°～38°，殘余剪強度c值為34～60.7kPa，內(nèi)摩擦角φ為8.2°～29°，飽和情況下c值為42.6～164.5kPa，內(nèi)摩擦角φ為15.2°～35°，殘余剪強度c值為28.5～47.7 kPa，內(nèi)摩擦角φ為10.7°～23.3°，三趾馬紅土抗剪強度隨含水量增高，密度的減少和塑性指數(shù)的增大而減小。

通過上述數(shù)據(jù)可以看出，研究區(qū)兩套易滑地層具有成巖時間短，膠結(jié)程度差、強度低、顯著脹縮等特性，遇水極易崩解，從強度而言，無論是天然狀態(tài)還是飽水狀態(tài)，易滑地層黏土均會出現(xiàn)突發(fā)性脆性破壞，其天然狀態(tài)差值為48%～61%，飽和狀態(tài)差值58%～68%，很好地解釋了渭河北岸大型滑坡產(chǎn)生的原因。

圖2 寶雞渭河北岸黃土塬邊大型滑坡易滑地層的滑動面及擦痕

1.3 地質(zhì)構(gòu)造對滑坡的控制作用

地質(zhì)構(gòu)造對滑坡災(zāi)害的控制作用主要體現(xiàn)在活動斷裂的作用，像渭河北緣斷裂、秦嶺北緣斷裂、渭河斷裂等，由于區(qū)域新構(gòu)造運動的整體抬升和間歇性活動的特點，研究區(qū)南部秦嶺山區(qū)及北部黃土塬區(qū)相對渭河斷陷大面積抬升，形成了寶雞渭河地塹盆地的現(xiàn)今地貌格局[7－10]。南部秦嶺的隆升速率總體上大于北部塬區(qū)，且北部塬區(qū)總體向北發(fā)生掀斜，使得渭河主流向北遷移，尤其是中更新世末期強烈的差異性新構(gòu)造運動隆起加劇了渭河的垂直和側(cè)向侵蝕作用，使渭河北岸階地前緣被掏蝕，上新世軟弱地層在斜坡底部出露或臨空；同時受其影響伴生的小型斷層和構(gòu)造節(jié)理裂隙破壞了坡體的整體性和穩(wěn)定性，為水的快速下滲提供了前提，大量次級斷層面（圖3）的存在也為滑坡發(fā)生提供了軟弱面，促進滑坡的發(fā)生。

此外，據(jù)資料統(tǒng)計，歷史上寶雞渭河北岸塬邊受來自東部和西部200km外的各地震帶的強震波及，對區(qū)內(nèi)滑坡產(chǎn)生不同程度的誘發(fā)作用。

1.4 水對滑坡的誘發(fā)作用

水是滑坡發(fā)育最為活躍的動力因素之一，大氣降雨、灌溉、河流側(cè)蝕以及地下水的作用都影響著滑坡的形成與分布。寶雞渭河北岸黃土塬邊大型滑坡形成是不同水作用組合共同誘發(fā)影響的。首先在古老滑坡早期形成階段，由于渭河向北強烈的側(cè)蝕，使塬邊坡腳階地堆積物遭到侵蝕，渭河北岸岸坡高陡且臨空，形成有利于滑坡發(fā)生的地形條件；其次因渭河侵蝕，塬邊斜坡基座上新世紅黏土出露，在地下水的潤滑和潛蝕作用下，黏土強度大大降低，形成潛在的滑動面；最后在暴雨條件下斜坡發(fā)生滑動，形成了大量的古老滑坡。目前塬邊地帶大型滑坡變形依然是地下水和降雨的誘發(fā)作用，塬邊是黃土塬區(qū)遠處基巖裂隙水匯集排泄區(qū)，地下水在塬邊斜坡中的第四系階地和上新世砂礫石層中儲存，形成多套含水層（圖4），地下水在塬邊地帶水力坡度大，滲流速度快，產(chǎn)生較大的靜水壓力和動水壓力，還對基座底層中上新世紅黏土產(chǎn)生機械潛蝕和化學(xué)溶蝕作用，使土體強度降低，形成塑流軟化帶，進而形成滑動面；在連陰雨季，雨水沿黃土節(jié)理裂隙迅速下滲，增大了斜坡荷重，促使裂縫擴張，加速斜坡平衡的破壞，從而沿產(chǎn)生新的滑坡。

圖3 寶雞渭河北岸黃土塬邊活動構(gòu)造剖面圖（眉縣郭何村）

圖4 寶雞渭河北岸黃土塬邊水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)

1.5 人類工程活動對滑坡的觸發(fā)作用

研究區(qū)全新世以來，地殼活動變緩，氣候干旱少雨，谷坡經(jīng)過地質(zhì)歷史時期的各種侵蝕作用，應(yīng)力釋放和調(diào)整基本完成，斜坡或老滑坡體一般處于穩(wěn)定或基本穩(wěn)定狀態(tài)，自然條件下，一般不會發(fā)生重大滑坡災(zāi)害。然而隨著社會經(jīng)濟的迅猛發(fā)展，人類工程經(jīng)濟活動，如削坡、加載、灌溉等作用，破壞了原有的斜坡平衡狀態(tài)，成為觸發(fā)大型滑坡的主要因素之一。

2 滑坡的穩(wěn)定性分析

2.1 渭北塬邊典型大型滑坡穩(wěn)定性分析

本文選取渭河北岸較為典型的滑坡類型－寶雞市區(qū)金頂寺大型滑坡展開極限平衡計算與數(shù)值分析，驗證目前渭河北岸大型滑坡體的穩(wěn)定性情況。金頂寺滑坡位于寶雞市金臺區(qū)渭河北岸，滑體中部是高家堡村，前緣是寶雞市區(qū)及隴海、寶成鐵路線。金頂寺滑坡呈近南北向，后緣位于五級階地前部，前緣可達渭河北岸高漫灘，滑坡南北長520m，寬350m，最大厚度109m，平均厚度約70m，總體積約1 300萬m3。金頂寺滑坡后緣斜坡主要地層結(jié)構(gòu)是上部為更新世黃土，其下是渭河五級階地沖積砂礫石、黏土和砂質(zhì)黏土層，下伏上新世紅色硬黏土及砂礫石互層。目前滑坡體出現(xiàn)多處淺表層開裂變形跡象。

本文選用滑坡主滑剖面（圖5），通過Fellennius法、Bishop法及Sarma法進行滑坡極限平衡分析。計算參數(shù)根據(jù)室內(nèi)試驗結(jié)果，結(jié)合參數(shù)反演和綜合工程類比分析，確定金頂寺滑坡滑體常用參數(shù)表和滑帶的物理參數(shù)取值表，見表1。

圖5 金頂寺滑坡主滑剖面

表1 金頂寺滑坡滑體物理力學(xué)參數(shù)選用表

（1）計算工況的選擇。根據(jù)滑坡目前發(fā)生的主要誘發(fā)因素，穩(wěn)定性計算考慮以下4種工況。工況1屬于天然工況，地下水位為天然狀態(tài)的水位線；工況2為降雨，考慮長時間降雨入滲，降雨強度按10a一遇和50a一遇設(shè)計，水位分別為0.1H和0.5H（H為各剖面條塊高度）；工況3為地震，主要考慮地震水平慣性力作用，考慮地震烈度分別為6度、7度、8度的情形，即取地震加速度分別為0.05，0.1，0.2g進行敏感性分析；工況4為降雨＋地震組合，考慮10a一遇、50a一遇降雨的地下水水頭及地震加速度分別為0.05，0.1，0.2g不同組合，共6種情況。

（2）計算結(jié)果分析?；路€(wěn)定性計算結(jié)果如表2所示。

表2 金頂寺滑坡穩(wěn)定性計算結(jié)果

根據(jù)穩(wěn)定性計算結(jié)果，可以看出：

①工況1——天然狀態(tài)下，滑坡穩(wěn)定系數(shù)K＝1.608～1.850，整體處于穩(wěn)定狀態(tài)。

②工況2——考慮降雨情況下，降雨情況分為10年一遇和50年一遇兩種情況，滑體穩(wěn)定系數(shù)K＝1.302～1.691，表明在降雨環(huán)境下滑坡整體是穩(wěn)定的。

③工況3——考慮地震力作用，地震加速度為0.05g、0.1g時，滑坡穩(wěn)定系數(shù) K＝1.162～1.479，滑坡穩(wěn)定；汶川地震時寶雞地震烈度劃為7度，相應(yīng)地震加速度為0.1g，這種情況下，金頂寺滑坡保持穩(wěn)定，上述計算結(jié)果與實際一致；地震加速度0.2g時，滑體穩(wěn)定系數(shù)K＝0.785～0.909，滑坡整體將發(fā)生滑動。

④工況4——降雨加地震的情況下，降雨＋地震力為0.05g情況下，滑坡穩(wěn)定系數(shù)K＝1.139～1.351，滑坡處于穩(wěn)定狀態(tài)；降雨＋地震力為0.1g情況下，滑坡穩(wěn)定系數(shù)K＝0.859～1.120，滑坡處于臨界至失穩(wěn)狀態(tài)；在降雨＋地震力為0.2g情況下，滑坡失穩(wěn)，K＝0.637～0.831。

（3）數(shù)值模擬。結(jié)合前面分析，利用FLAC3D模擬金頂寺滑坡目前狀態(tài)下的應(yīng)力應(yīng)變、位移，計算工況主要考慮天然和考慮地下水兩種情況。

①天然工況。運用FLAC3D對天然狀態(tài)下金頂寺滑坡進行數(shù)值模擬，圖6為滑坡天然狀態(tài)下整體的位移云圖，可以看出滑坡體整體變形較小，僅在滑坡后緣上部陡坡處和中前部陡崖處變形稍大，此時穩(wěn)定系數(shù)為1.14，說明滑坡整體穩(wěn)定較好。

②考慮地下水工況。圖7為滑坡在地下水狀態(tài)下的剪應(yīng)力增量云圖，反映滑坡后緣陡坡坡腳處剪應(yīng)力增量和軟弱層的剪應(yīng)力增量，后緣斜坡由于較高較陡和軟弱層在地下水情況下的強度降低，出現(xiàn)明顯應(yīng)力集中和剪應(yīng)力增量，說明此時滑坡整體已經(jīng)開始出現(xiàn)蠕滑變形，同時后緣及局部陡崖穩(wěn)定較差。

圖6 金頂寺滑坡天然狀態(tài)下整體位移云圖

圖7 金頂寺滑坡考慮地下水作用下剪應(yīng)力增量云圖

綜上所述，金頂寺滑坡在目前階段處于穩(wěn)定狀態(tài)；考慮降雨時，滑坡體基本不受影響，是穩(wěn)定的；天然狀態(tài)加地震時，一般滑坡體也是穩(wěn)定的；只有當(dāng)降雨及強震綜合作用時，滑坡體會發(fā)生滑動，就目前而言滑坡體具有超穩(wěn)性，地下水的作用和地震依然是主要誘發(fā)因素。需要注意的是，后緣塬邊淺層滑坡及較大拉裂縫，大的拉裂縫會造成降雨入滲，后緣深層蠕動，持續(xù)發(fā)展會推動滑坡整體滑動。金頂寺滑坡基本代表了渭河北岸大型滑坡的基本現(xiàn)狀，以小規(guī)?；瑒訛橹?，大規(guī)?；瑒虞^小，僅在極端情況或人類擾動下出現(xiàn)大規(guī)模活動。

2.2 渭北塬邊大型滑坡識別特征

在研究區(qū)災(zāi)害詳細調(diào)查、工程勘察、遙感解譯、室內(nèi)試驗以及穩(wěn)定分析的基礎(chǔ)上，考慮了渭北塬邊大型黃土滑坡的物質(zhì)結(jié)構(gòu)和運動特征，總結(jié)提出了渭北大型黃土滑坡的地面形態(tài)特征識別、失穩(wěn)模式識別、滑坡動力效應(yīng)等識別類型，詳見表1。

3 結(jié)論

本文在對寶雞渭河北岸黃土塬邊大型滑坡災(zāi)害詳細調(diào)查、工程勘察等工作基礎(chǔ)上，對滑坡形成的地形地貌、地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造、水的作用以及人類工程活動等影響因素進行了分析，提出滑坡滑動的主要因素和識別特征。

表1 渭北塬邊滑坡成災(zāi)模式及特征識別表

（1）渭北黃土臺塬塬邊100～200m的斜坡坡高、25°～45°的坡度和凸形坡形為滑坡發(fā)育提供有利的地形地貌條件。

（2）地層巖性和地質(zhì)構(gòu)造是渭北大型塬邊古老黃土滑坡發(fā)生的控制性因素。寶雞渭河北岸黃土塬邊控制滑坡發(fā)生的結(jié)構(gòu)包括黃土—階地—三門組紅黏土斜坡和黃土—三趾馬紅土—基巖斜坡，上新世三門組紅黏土和三趾馬紅土是易滑地層，這兩套易滑地層具有成巖時間短，膠結(jié)程度差、遇水顯著膨脹和極易崩解等特性，從強度而言，無論是天然狀態(tài)還是飽水狀態(tài)，易滑地層均會出現(xiàn)突發(fā)性脆性破壞，剪強度的瞬時損失差值在50%以上；地質(zhì)構(gòu)造對滑坡的控制作用體現(xiàn)新構(gòu)造活動及斷裂等的影響，新構(gòu)造活動孕育滑坡發(fā)生的地形地貌環(huán)境，而伴生的小型斷層和構(gòu)造節(jié)理裂隙則破壞了坡體的完整性，為水的快速下滲和軟弱結(jié)構(gòu)面提供了前提，控制了滑坡的發(fā)生。

（3）渭北大型滑坡目前發(fā)生的主要誘發(fā)因素是水的作用和人類工程活動。塬邊地帶為地下水排泄區(qū)，水力坡度大，滲流速度快，對基座底層中上新世紅黏土產(chǎn)生軟化作用，而連陰雨及灌溉使地表水沿節(jié)理裂隙快速下滲，增大坡體重量，促使裂縫擴張，加速斜坡平衡的破壞，在削坡、加載、灌溉等人類工程活動作用，易發(fā)生新滑坡。

（4）從穩(wěn)定性分析角度看，渭河北岸大型滑坡整體基本穩(wěn)定，多以小型滑塌為主，地下水和人類工程活動對其整體穩(wěn)定性影響較大。

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