灌渠滲漏誘發(fā)的黃土滑坡泥流觸發(fā)機(jī)理分析

習(xí)羽+李同錄+邢鮮麗

摘要：20世紀(jì)70年代以來，中國黃土地區(qū)興建了大量的灌溉系統(tǒng)，以促進(jìn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。與此同時(shí)，由灌渠滲漏誘發(fā)的黃土滑坡也越來越多，并造成巨大的人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失。發(fā)生于2006年10月6日的陜西華縣高樓村滑坡泥流就是由灌渠滲漏引發(fā)的。為了弄清楚此類滑坡泥流的觸發(fā)機(jī)理，首先根據(jù)非飽和滲流理論，建立了滑坡發(fā)生前原始邊坡模型模擬灌渠滲漏水分下滲的過程。為了了解邊坡變形破壞的應(yīng)力狀態(tài)，取滑坡后緣原狀黃土試樣在飽和狀態(tài)下進(jìn)行不同應(yīng)力路徑的三軸試驗(yàn)，分別為模擬水位上升過程中潛在滑面上的應(yīng)力路徑試驗(yàn)和常規(guī)加載應(yīng)力路徑試驗(yàn)。結(jié)果表明：隨著間歇性的滲漏水下滲，邊坡內(nèi)形成上層滯水并不斷上升，使邊坡內(nèi)飽和區(qū)的孔隙水壓力增加，非飽和區(qū)基質(zhì)吸力減??；持續(xù)上升的水位引起了邊坡土體的初始變形和破壞，土體結(jié)構(gòu)破壞，產(chǎn)生超孔隙水壓力；斜坡頂層黃土結(jié)構(gòu)疏松，飽和含水率大于液限，使得飽和黃土由固態(tài)瞬間轉(zhuǎn)化為流態(tài)，滑坡轉(zhuǎn)化為泥流。

關(guān)鍵詞：黃土；滑坡泥流；三軸試驗(yàn)；非飽和滲流；孔隙水壓力；觸發(fā)機(jī)理；灌渠滲漏；高樓村滑坡

中圖分類號(hào)：P642.2文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

Abstract： A lot of irrigation systems have been established to promote agricultural production since the 1970s in the loess area of China. At the same time， the loess landslides increase because of the canal leakage. Gaoloucun landslide， located in Hua county of Shaanxi， China， is one of those landslides. In order to find the initiation mechanism， based on unsaturated permeability theory， a finite element model of the prefailure slope was established to simulate the process of infiltration induced by water canal leakage. In order to find the stress state of slope failure， the loess samples were collected from the back edge of Gaoloucun landslide， and the triaxial tests of different stress paths under the saturation condition were performed. The triaxial tests include the stress path test on the possible sliding surface in the process of the increase of simulated water level， and the common load stress path test. The results show that because of the intermittent leakage， the perched water forms and rises in the slope， so that the pore water pressure in the saturated area increases， and the matric suction in the unsaturated area decreases； the rise of water level causes the initial deformation and damage， and the excess pore water pressure forms； the structure of loess soil at the top of the slope is loose， and the saturated water content is higher than the liquid limit， so that the saturated loess soil instantaneously changes from solid state to flow state， and the landslide is transformed into flowslide.

Key words： loess； flowslide； triaxial test； unsaturated seepage； pore water pressure； initiation mechanism； water canal leakage； Gaoloucun landslide

0引言

中國沉積黃土一般分布于干旱和半干旱地區(qū)，年降水量不超過650 mm。為了促進(jìn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，自1970年以來在有條件的黃土地區(qū)修建了大量灌溉系統(tǒng)。然而灌溉或水渠泄漏引發(fā)了一系列黃土災(zāi)害，其中黃土滑坡最為頻繁[15]，造成了嚴(yán)重的財(cái)產(chǎn)損失和人員傷亡。自1976年大面積灌溉至1993年底，陜西涇陽南塬發(fā)生滑坡、滑塌40余起，造成26人喪生、30人受傷、300間（孔）房（窯）被毀，超過167 km2耕地被毀，直接經(jīng)濟(jì)損失近1 000萬元[6]；而甘肅永靖黑方臺(tái)灌區(qū)自大面積灌溉以來發(fā)生滑坡災(zāi)害50余次，7人死亡，4人受傷，直接經(jīng)濟(jì)損失超過2 000萬元[7]。黃土滑坡泥流是灌溉引發(fā)的滑坡災(zāi)害中的重要形式。在黑方臺(tái)灌區(qū)主要滑坡類型中，滑坡泥流占滑坡總數(shù)的41%[8]。黃土滑坡泥流因其流經(jīng)距離較遠(yuǎn)和覆蓋面積較廣，成為最具災(zāi)難性的滑坡地質(zhì)災(zāi)害。

滑坡泥流在國外被稱為流動(dòng)性滑坡，中國黃土滑坡和黃土泥流一直是分別研究的。2007年，李同錄等分析了黃土地區(qū)滑坡的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)，將黃土滑坡按運(yùn)動(dòng)學(xué)特征分為4類，即快速錯(cuò)落式滑坡、高速遠(yuǎn)程滑坡、低速蠕動(dòng)滑坡和高速滑坡泥流[9]。但黃土滑坡泥流大部分是由灌溉或水渠泄漏引發(fā)的，在自然條件下鮮有發(fā)生，因此，對(duì)其觸發(fā)機(jī)理的研究較少。早在1971年，Hutchinson等就發(fā)現(xiàn)具有疏松結(jié)構(gòu)的斜坡土體在外荷載的作用下產(chǎn)生結(jié)構(gòu)陷落，并形成不排水條件，孔隙壓力增加，從而使滑坡呈現(xiàn)流動(dòng)化[10]；武彩霞等通過試驗(yàn)以及IKONOS影像等對(duì)黑方臺(tái)灌區(qū)黃土滑坡泥流發(fā)生機(jī)制進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)灌溉使黃土頂部含水率升高，基質(zhì)吸力降低，底部黃土飽和發(fā)生不完全排水剪切破壞，造成靜態(tài)液化，從而形成黃土滑坡泥流[11]；藺曉燕等利用Sassa K滑坡運(yùn)動(dòng)模型對(duì)陜西華縣高樓村滑坡泥流進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)學(xué)模擬，反映了黃土滑坡泥流的流動(dòng)過程[12]。本文以陜西華縣高樓村滑坡為研究對(duì)象，通過對(duì)滑坡的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查建立非飽和滲流模型，模擬灌渠滲漏時(shí)水分下滲的過程，并利用三軸試驗(yàn)分析邊坡變形破壞的應(yīng)力狀態(tài)，研究滑坡泥流的觸發(fā)機(jī)理。

1高樓村滑坡概況

2006年10月6日，高樓村滑坡發(fā)生于陜西華縣高樓村（圖1）。滑坡如長舌狀，從破壞區(qū)延伸至流通區(qū)和堆積區(qū)，形成區(qū)位于黃土塬邊沖溝的頂端，后緣近垂直，呈圈椅狀?；w先向前滑動(dòng)，之后沿著溝底向左拐再向下沖，停留在溝口。溝口有高樓村4個(gè)村民小組24戶，該滑坡造成94間房屋倒塌以及7戶12人死亡?；w體積約為2.7×104 m3，從后緣至堆積區(qū)運(yùn)行距離為320 m。只有薄層土留在源區(qū)和流通區(qū)，大部分物質(zhì)滑移至溝口。該滑坡規(guī)模小但致災(zāi)性強(qiáng)，對(duì)其機(jī)理的研究有助于類似滑坡的排查和預(yù)警[1315]。

圖2展示了高樓村滑坡全貌。從圖2可以看出，滑坡后緣出露地層為晚更新世（Qp3）到中更新世（Qp2）沉積黃土的黃土古土壤序列。黃土結(jié)構(gòu)松散，大孔隙和垂直節(jié)理發(fā)育?；w沿第3層古土壤（S3）的頂部剪出。

2滑坡區(qū)黃土基本物理參數(shù)

從滑坡后緣頂部至底部每間隔2 m取原狀土樣進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)，測(cè)量土體密度、天然含水率、相對(duì)密度、液限和塑限。通過計(jì)算得到孔隙比、干密度、飽和含水率和塑性指數(shù)。不同深度下土的物理性質(zhì)指標(biāo)見表1。

此外，根據(jù)場(chǎng)地條件，用雙環(huán)法測(cè)定各黃土地層的滲透系數(shù)，在滑坡后緣選取地形平坦未受滑坡擾動(dòng)地區(qū)作為試驗(yàn)場(chǎng)地，按照滲水試驗(yàn)的要求，安裝試驗(yàn)裝置，試驗(yàn)結(jié)果見表2。由表2可知，古土壤的滲透系數(shù)較黃土小，埋深越大，土體的滲透系數(shù)越小?？紫侗取⒁合?、塑限、天然含水率及飽和含水率隨深度的變化見表1。

從表1、2可知：L1、L2、L3地層黃土結(jié)構(gòu)疏松，孔隙比大于0.900；古土壤層結(jié)構(gòu)相對(duì)致密，孔隙比小于0.720。對(duì)比液限和飽和含水率可知：黃土層的飽和含水率遠(yuǎn)大于液限，當(dāng)飽和黃土受到擾動(dòng)時(shí)，土體容易從固態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)，從而發(fā)生泥流；如果土層結(jié)構(gòu)比較緊密，飽和含水率低于液限，當(dāng)其被擾動(dòng)時(shí)，土體會(huì)由固態(tài)變?yōu)樗苄誀顟B(tài)，只產(chǎn)生蠕動(dòng)變形。因此，滑坡泥流只發(fā)生在結(jié)構(gòu)相對(duì)松散的飽和黃土層中。

3灌渠滲漏入滲模擬

從圖2可以看出，滑坡切斷了位于坡頂?shù)墓嗲?，灌渠下的黃土被浸濕，水分由灌渠滲漏，并下滲至滑坡底部，下部滑體浸水飽和。為了反映漏水過程中邊坡水分場(chǎng)的變化，采用非飽和滲透模型模擬滲漏水的下滲過程。

非飽和滲流受水力特性和邊界條件的影響。水力特性包括持水性和滲透性，持水性由土水特征曲線（SWCC）反映，滲透性取決于基質(zhì)吸力及滲透系數(shù)函數(shù)（HCF）[1618]；邊界條件包括灌溉時(shí)間、灌溉方式和透水、不透水邊界等。

3.1土水特征曲線的確定

采用張力計(jì)法和烘干法測(cè)定各層土基質(zhì)吸力與含水率，并擬合土水特征曲線；分別取L1、S1、L2、S2、L3、S3地層原狀土樣進(jìn)行測(cè)試。試驗(yàn)步驟為：將原狀土樣削成25 cm×25 cm×25 cm立方體，在頂面正中鉆一深8 cm、直徑3 cm的圓孔，將張力計(jì)陶瓷頭飽和并充滿水插入孔中。為了保證張力計(jì)陶瓷頭與土樣完全接觸，用與土樣相同含水率的細(xì)沙填充張力計(jì)與孔壁的空隙，隨后用橡膠膜將土樣四周密封以防止水分蒸發(fā)。每間隔1 h記錄張力計(jì)讀數(shù)，當(dāng)張力計(jì)讀數(shù)穩(wěn)定在0.5 kPa的誤差內(nèi)時(shí)，此讀數(shù)即為該狀態(tài)下的基質(zhì)吸力。記錄基質(zhì)吸力值，解封土樣并取小部分土樣用烘干法測(cè)含水率，由此可得到一組含水率及其對(duì)應(yīng)基質(zhì)吸力值。將土樣進(jìn)行增濕，重復(fù)上述步驟，則可測(cè)得多組含水率及基質(zhì)吸力值。試驗(yàn)所得各地層不同含水率下的基質(zhì)吸力見表3。

由于張力計(jì)的測(cè)量范圍為0～100 kPa，所以采用Fredlund&Xing公式[19]擬合試驗(yàn)數(shù)據(jù)，以得到更大范圍內(nèi)的土水特征曲線。公式為

式中：θw為體積含水率；θs為飽和體積含水率；ψ為基質(zhì)吸力；a為與進(jìn)氣值有關(guān)的參數(shù)；n為與土的孔徑分布相關(guān)的參數(shù)；m為與殘余含水率有關(guān)的參數(shù)；e為自然對(duì)數(shù)2.718 28；C（ψ） 為修正因子；Cr為與殘余體積含水率對(duì)應(yīng)的基質(zhì)吸力，通常取值1 500 kPa。

不同地層擬合的土水特征曲線見圖3。

3.2滲透系數(shù)函數(shù)的確定

非飽和土滲透系數(shù)函數(shù)的確定是一個(gè)非常耗時(shí)費(fèi)力的工作，盡管目前已有多種測(cè)試技術(shù)，然而測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性卻不盡如人意[2021]。目前，通常采用土水特征曲線和飽和滲透系數(shù)來擬合非飽和土滲透系數(shù)。本文利用表2中不同黃土層的飽和滲透系數(shù)與圖3中土水特征曲線，根據(jù)Fredlund&Xing公式[19]來擬合非飽和土滲透系數(shù)曲線（圖4）。

3.3非飽和滲流場(chǎng)的模擬

根據(jù)滑坡破壞前原始邊坡的地質(zhì)剖面，模擬分析灌渠滲漏引起的邊坡中水分場(chǎng)的變化。模型的網(wǎng)格及邊界條件見圖5。該場(chǎng)地地下水位深，模型中每層土的初始含水率根據(jù)表1中的天然含水率確定。底層參數(shù)設(shè)置與S3地層相同。模擬中，通過土水特征曲線將含水率轉(zhuǎn)換為基質(zhì)吸力，作為模型初始條件。

灌渠僅在灌溉期有水流。據(jù)調(diào)查，灌渠每年灌溉4次，灌渠時(shí)間分別在5月、6月、8月和12月，每次灌溉期為1 d。根據(jù)原位滲透試驗(yàn)，灌溉期灌渠的單位流量滲流邊界設(shè)置為0.6 m。模擬忽略了降雨的影響，只考慮灌渠泄漏引起的附加效應(yīng)。

圖6顯示了1978、1980、1986和2006年孔隙水壓力線和流線模擬結(jié)果。由圖6可以看出：浸潤線在較早年份（1978～1980年）向下移動(dòng)，最后接近相對(duì)隔水層S3地層；自第4年起，浸潤線在S3地層頂部橫向移動(dòng)，上層滯水面開始形成并不斷上升（1986～2006年）。另外，從等勢(shì)線可以看出，S3地層以下的

孔隙水壓力隨深度線性增加，而S3地層之上的孔隙

水壓力則不隨深度變化，而是受水分下滲的影響。隨著水分的逐年下滲，上層滯水積累于相對(duì)隔水層S3地層之上，并持續(xù)上升；在灌渠停止灌溉期間，水位仍會(huì)繼續(xù)上升，使邊坡內(nèi)飽和區(qū)的孔隙水壓力增加，非飽和區(qū)基質(zhì)吸力減小。根據(jù)飽和與非飽和土強(qiáng)度理論[22]，這兩方面的原因造成了土體抗剪強(qiáng)度的減小，從而導(dǎo)致邊坡失穩(wěn)。

為了進(jìn)一步研究孔隙水壓力的變化，根據(jù)模擬結(jié)果，提取破壞面上節(jié)點(diǎn)A～K的孔隙水壓力（圖7），節(jié)點(diǎn)位置標(biāo)于圖5中。從圖7可以看出不同年份滑動(dòng)面上孔隙水壓力自上而下的變化情況。前兩年孔隙水壓力變化不明顯；到第3年時(shí)，邊坡L3地層的孔隙水壓力開始顯著增加，說明水分入滲至L3地層，在S3地層頂部聚積；到第4年時(shí)，L3地層逐漸飽和，孔隙水壓力大于0，說明上層滯水形成；第4年之后，L3地層繼續(xù)飽和，但在S2地層及以上的地層，孔隙水壓力隨年份的增加趨于一穩(wěn)定值。

4滑坡泥流觸發(fā)機(jī)理試驗(yàn)

現(xiàn)場(chǎng)原位試驗(yàn)以及模擬結(jié)果表明，水位以上為非飽和區(qū)，水位以下（包括S3地層）為飽和區(qū)。邊坡變形破壞的應(yīng)力狀態(tài)可以通過三軸試驗(yàn)?zāi)M。由于飽和帶是邊坡失穩(wěn)的關(guān)鍵部分，所以著重進(jìn)行了飽和黃土的三軸試驗(yàn)。飽和帶的孔隙水壓力隨水位的升高而增大，因此，試驗(yàn)中保持土樣總應(yīng)力狀態(tài)不變，并增加孔隙水壓力。

在滑坡后緣深度16 m處取原狀土樣（L3地層）。在測(cè)試中，給定側(cè)壓力系數(shù)（K0），加初始圍壓以及軸向壓力對(duì)飽和土樣進(jìn)行各向異性固結(jié)。側(cè)壓力系數(shù)由GJYK0 固結(jié)儀測(cè)定，結(jié)果見圖8。邊坡的〖WTBX〗σ′[KG-30x]3σ′[KG-30x]1線側(cè)壓力系數(shù)等于043。其中，σ′[KG-30x]3[KG-30x]為有效側(cè)向壓力，σ′[KG-30x]1[KG-30x]為有效軸向壓力。

將原狀土樣制成高度1250 cm、直徑618 cm的圓柱形三軸試樣。試驗(yàn)前將試樣浸水抽真空飽和24 h，然后在三軸儀上加10 kPa反壓，使孔隙水壓力系數(shù)高于095[23]。

分別在圍壓100、200、300、400 kPa下將試樣進(jìn)行固結(jié)，與之對(duì)應(yīng)，由側(cè)壓力系數(shù)所確定的軸向壓力分別為232、465、697、930 kPa。試驗(yàn)過程中保持總應(yīng)力狀態(tài)恒定，同時(shí)增加孔隙水壓力。

圖9為試驗(yàn)應(yīng)力路徑。其中，有效平均主應(yīng)力 有效偏應(yīng)力 從圖9可以看出：隨著孔隙水壓力的增大，應(yīng)力路徑由初始位置向左移動(dòng)，意味著由水位上升引起的應(yīng)力狀態(tài)水平移動(dòng)到破壞線；該應(yīng)力路徑下，黃土的內(nèi)聚力接近0。當(dāng)水位上升到一定程度，滑動(dòng)面上的有效應(yīng)力接近破壞線，斜坡處于臨界狀態(tài)。

邊坡由穩(wěn)定狀態(tài)到臨界狀態(tài)是由靜水壓力的增長引起的；而在邊坡破壞的瞬間，滑帶上的黃土發(fā)生剪切，剪切作用在結(jié)構(gòu)松散的黃土中可能導(dǎo)致超孔隙水壓力；這與固結(jié)不排水剪切的工況類似，用飽和固結(jié)不排水三軸試驗(yàn)來證實(shí)。分別以100、200、300、400、500 kPa的圍壓對(duì)試樣進(jìn)行固結(jié)，固結(jié)完成后施加軸向應(yīng)力進(jìn)行剪切，剪切速率為0.004 mm·min-1，直到軸向應(yīng)變達(dá)到20%結(jié)束。

由圖10可以發(fā)現(xiàn)，隨著變形的發(fā)展，超孔隙水壓力逐漸增大，有效應(yīng)力顯著降低。當(dāng)軸向應(yīng)變范圍為10%～15% 時(shí)，孔隙水壓力達(dá)到一個(gè)峰值。圍壓為100、200、300、400、500 kPa時(shí)的孔隙水壓力占總平均應(yīng)力的50%、65%、83%、75%、72%。其強(qiáng)度遠(yuǎn)低于最初的臨界狀態(tài)，因此，飽和滑帶土體可能會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)榱鲬B(tài)。綜合以上兩種路徑的試驗(yàn)結(jié)果， 陜西華縣高樓村滑坡的觸發(fā)機(jī)理可以分為兩個(gè)階段：首先是滑坡的觸發(fā)，然后是滑坡轉(zhuǎn)化為泥流。前者是由于地表水入滲在相對(duì)隔水層古土壤S3地層形成了上層滯水，滯水位上升形成飽和帶，在外力作用下產(chǎn)生形變，使得上部地層應(yīng)力重新分布，局部開裂或形成剪切面；后者是由于具有松散結(jié)構(gòu)的黃土在上部地層開裂產(chǎn)生的荷載作用下發(fā)生剪縮，形成超孔隙水壓力并產(chǎn)生液化，使飽和帶呈現(xiàn)流動(dòng)狀態(tài)，產(chǎn)生高速流動(dòng)。

5結(jié)語

（1）陜西華縣高樓村黃土滑坡泥流是在特定的地形和地質(zhì)條件下形成的，在地形上屬于高位滑坡，發(fā)生滑動(dòng)的淺層黃土結(jié)構(gòu)松散，飽和含水率大于液限，土體飽和后一旦結(jié)構(gòu)擾動(dòng)，則由固態(tài)轉(zhuǎn)化為流態(tài)。該區(qū)存在相對(duì)不透水層，在地表水下滲時(shí)發(fā)生截流，形成上層滯水。

（2）灌渠滲漏的非飽和滲流分析表明：地下滯水的形成是一個(gè)漫長的過程，由于間歇性的滲漏，地下水流入得多，流出得少，長期積累形成滯水位，使斜坡中的有效應(yīng)力和強(qiáng)度發(fā)生改變。

（3）兩種應(yīng)力路徑的三軸試驗(yàn)結(jié)果表明：上層滯水的水位上升觸發(fā)滑坡滑動(dòng)，松散黃土的剪切行為使得超孔隙水壓力升高，飽和滑帶土轉(zhuǎn)化為流態(tài)，造成滑坡轉(zhuǎn)為泥流并高速下滑。

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收稿日期：20160509

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（41372329，41502286）；國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃（“九七三”計(jì)劃）項(xiàng)目（2014CB744701）

作者簡(jiǎn)介：習(xí)羽（1984），女，陜西咸陽人，工學(xué)博士研究生，Email：48162160@qq.com。

通訊作者：李同錄（1965），男，甘肅正寧人，教授，博士研究生導(dǎo)師，工學(xué)博士，Email：dcdgx08@chd.edu.cn。