涇陽縣涇河南塬黃土滑坡形成機(jī)理分析

張秦華,張華勛，張志沛

(1.陜西省地質(zhì)調(diào)查中心，西安 710068；2.中鐵七局武漢工程有限公司，武漢 430071；3.西安科技大學(xué)，西安 710054)

涇陽縣地處陜西省關(guān)中平原腹地涇河下游，渭北中部。涇河南塬位于該縣西南的黃土塬邊，在地貌上屬于涇河河谷和黃土塬交接部位。塬面長約27.8 km，分布于太平鎮(zhèn)和高莊鎮(zhèn)一帶。而黃土滑坡發(fā)育地段，塬面長約18 km，高出涇河60 m左右。目前，該黃土塬邊共發(fā)育黃土滑坡11處，已造成1個村莊被埋(1984年12月2日)，死亡20人，重傷20人，財產(chǎn)損失無法估量，塬上的土地資源嚴(yán)重受損。另外，目前受威脅的是土地耕作人員和塬上塬下的土地資源。因而，分析其形成機(jī)理對認(rèn)清該處黃土滑坡至關(guān)重要，并對該縣的地質(zhì)災(zāi)害防治具有理論指導(dǎo)意義。

1 區(qū)域地質(zhì)環(huán)境條件

1.1 氣象

該縣降水在時空分布上有自東南向西北逐漸減少的規(guī)律。在高莊鎮(zhèn)、太平鎮(zhèn)一帶的年降水量在450～500 mm。同時，到9月份為連陰雨天氣。

1.2 水文

縣內(nèi)最大的河流為涇河。涇河出谷后河流不斷向南岸侵蝕，有的河段緊貼南部黃土臺塬。

1.3 地形地貌

為涇河河谷和黃土塬交接部位。塬面高出涇河60 m左右，高程為450～500 m。塬面呈寬度不一的帶狀分布，與涇河大致平行。同時塬面平坦開闊，坡度較小。

1.4 地層巖性

黃土塬區(qū)地層為中上更新統(tǒng)(Q2+3)黃土，其中上更新統(tǒng)黃土土質(zhì)疏松，垂直節(jié)理發(fā)育，具孔隙、孔洞，厚度10～15 m；中更新統(tǒng)黃土較疏松，具垂直節(jié)理和針狀孔隙，其中夾2到4層棕紅色古土壤，團(tuán)粒結(jié)構(gòu)明顯，底部斷續(xù)分布鈣質(zhì)結(jié)核層，厚約25 m。河漫灘地區(qū)以粘性土為主，主要為粉質(zhì)粘土夾粉細(xì)砂及砂礫卵石層。

1.5 地質(zhì)構(gòu)造

黃土臺塬處于渭河地塹之內(nèi)，相對沉降活動較強(qiáng)，新生代以來具有較明顯的構(gòu)造運動。其表現(xiàn)主要有近東西向的局部隆起、斷裂帶的強(qiáng)烈形變等。

1.6 地下水

主要是第四系松散巖類孔隙水，以潛水、淺層承壓水為主，受大氣降水、農(nóng)田灌溉水的滲入以及地表徑流的越流補給。

1.7 人類工程活動

縣境內(nèi)水利設(shè)施較完善，寶雞峽引渭上塬工程就在涇河南塬之上。灌溉幾乎在全年干旱季節(jié)都進(jìn)行，從而使?jié)撍簧仙?，加快了黃土滑坡的進(jìn)程。

1.8 不良地質(zhì)現(xiàn)象

據(jù)本次災(zāi)害詳查滑坡勘查土工試驗結(jié)果，塬區(qū)黃土的濕陷系數(shù)在0.006 8～0.126之間，為中等到強(qiáng)烈的濕陷性黃土。

2 黃土滑坡的分布規(guī)律

2.1 黃土滑坡的類型和規(guī)模

涇河南塬黃土滑坡物質(zhì)組成為中上更新統(tǒng)黃土，但可按滑體厚度、運動形式、發(fā)生原因等因素分類，具體情況見表1。

2.2 黃土滑坡的滑動特征

推移式滑坡的起初剪出口在河漫灘或階地附近，且上部斜坡較陡。因此，具有良好的臨空條件和滑動勢能。等滑坡滑動后，因滑體體積大而塬面高，河漫灘的含水土體的液化、汽化等低摩阻效應(yīng)，致使

表1 涇河南塬黃土滑坡分類表

滑體以高速遠(yuǎn)程前行，滑體滑出距離為200～500 m。另外，滑坡體呈飽水狀態(tài)，從而呈散落狀態(tài)堆積?；略谄拭嫔铣拾夹?，一般不定時不定量的發(fā)生多期。第二、三次滑動時，剪出口在斜坡體上，距離底部坡體15 m以上。同時，滑體的方量在幾十萬方以上。如廟店村在涇河邊發(fā)育2處大型滑坡：2#滑坡在2015年5月26日下午2:40時發(fā)生，坡體直接下滑并散落到漫灘區(qū)，滑坡體方量約20多萬方。該坡體后壁于5月29～30日又下滑兩次，滑體方量約40多萬方(圖1、圖2)。這兩次的滑坡堆積體在前一次的坡體上覆蓋，甚至在滑動過程中把底部的原有堆積體推向前方。該滑坡體總長430 m,寬340 m，平均厚度17 m，體積248.5×104m3。目前滑坡后壁高14 m，呈半圓弧狀。滑坡頂部東側(cè)距前緣1～2 m處，有5～7 cm的拉張裂縫產(chǎn)生。同時，在距前緣10 m外，又有2～3 cm的拉張裂縫出現(xiàn)，長約40 m。

3#滑坡在20世紀(jì)70～80年代形成，有兩次滑動。長260 m，寬560 m，平均厚10 m，體積145.6×104m3?；潞蟊诟呒s20 m，光滑裸露，風(fēng)化嚴(yán)重?；露逊e體凸凹不平，植被好，目前被村民作為耕地使用?；麦w頂部土體因長時間灌溉，落水洞發(fā)育且上下貫通，裂縫發(fā)育，其中從滑坡前緣向后有3條連續(xù)的裂縫，并形成錯臺。裂縫長短不一，寬窄不等(圖3、圖4)。第一條裂縫從西向東遠(yuǎn)離前緣，距離由3.2 m增寬至9 m。裂縫寬5～15 cm，由西向東增寬，深達(dá)0.3～0.9 m，并形成高20～40 cm的錯臺；第二條裂縫距離前緣是兩頭寬中間窄，兩頭近10 m，中間為2 m。裂縫寬10 cm左右，深度1 m左右，有高10 cm左右的錯臺；第三條裂縫從西向東距離前緣距離增大，由5.5 m增寬至14 m。裂縫比前兩條都寬，寬度達(dá)0.7 m左右，由西向東漸窄，深達(dá)1.3～3.0 m。錯臺由西向東降低，從1.2 m變?yōu)?.2 m。目前滑坡后壁處于基本穩(wěn)定狀態(tài)，但在外力作用下極易滑動。

圖1 廟店村2#滑坡和滑坡堆積體

圖2 廟店村2#滑坡剖面示意圖

圖3 廟店村3#滑坡后緣拉張裂縫(從緣邊到塬里面)和塬頂帶狀落水洞

圖4 廟店村3#滑坡剖面示意圖

圖5 涇河南塬黃土滑坡分布圖

2.3 黃土滑坡的空間分布規(guī)律

主要集中分布在涇河以南黃土塬邊，沿緣邊呈帶狀分布。因高差大坡度陡，為黃土滑坡災(zāi)害的集中發(fā)育區(qū)，具體情況見圖5。

2.4 黃土滑坡發(fā)生的時間規(guī)律

涇陽南塬自1976年大面積灌水以來，塬邊黃土滑坡頻次日益增高。截止1993年底，發(fā)生滑坡、滑塌40余起，滑動土體約1 000×104m3，其中體積在30×104m3以上的大型滑坡19起。2000年到2010年，大型黃土滑坡幾乎沒有發(fā)生。在2014年到2015年，連續(xù)兩年各有一起大型滑坡發(fā)生。從漫水大量灌溉到大量發(fā)生滑坡相隔17 a，可見，過量灌溉引起的滑坡發(fā)生時間有較長的滯后期，而一旦具備滑坡條件后，則具有群發(fā)性、頻繁性的特點。

3 黃土滑坡形成條件

3.1 地質(zhì)條件

涇河在新生代以來有較強(qiáng)的構(gòu)造運動，斷裂帶強(qiáng)烈形變、局部隆起。涇河南塬在這個時期被抬升，且表面被第四系黃土所覆蓋。而中上更新統(tǒng)(Q2+3)黃土，土質(zhì)疏松，垂直節(jié)理發(fā)育，工程地質(zhì)性差，抗拉強(qiáng)度低，極易在臨空面附近形成卸荷裂隙。黃土滑坡所處地段的原生地質(zhì)條件為其形成奠定了基礎(chǔ)。

3.2 力學(xué)條件

涇河南塬塬面高出河漫灘60 m左右，斜坡平均坡度約50°。同時塬邊隨季節(jié)變化灌溉時間長短不一，因而對土體的自重增加不同。而滑坡是在下滑力大于抗剪力時發(fā)生，進(jìn)而有推移式和牽引式滑動方式。以上條件，都為滑坡形成提供了力學(xué)條件。

3.3 地下水的影響

據(jù)野外調(diào)查，在20世紀(jì)70年代、80年代，涇河南塬斜坡體下有自噴水井。隨著時間推移，自噴水井消失。目前，在挖開的滑坡堆積體下部有水出露，這個高度跟涇河河床基本一致。因而可以判斷，該南塬斜坡體下部1.5～5 m范圍已是有河流補給的地下水存在了。而涇河河床離坡體最遠(yuǎn)500 m外，最近河流侵蝕坡體底部。因而，該部分地下水長期在浸泡斜坡底部坡體，同時使地下水位上升。另外，塬面上具有弱透水的黃土層，地下水沿其節(jié)理裂隙面運移滲透，使弱透水層軟化、泥化，加之降水入滲，易引起斜坡局部失穩(wěn)或者整個斜坡滑動。

3.4 引水灌溉

自1976年后，涇河南塬塬區(qū)開始大水漫灌，同時灌溉面積不斷擴(kuò)大。隨著灌水量不斷增多，灌溉對地下水的補給量大大增加，使得地下水位逐年抬升。于是，塬邊的地下水文條件發(fā)生了深刻的變化，進(jìn)而導(dǎo)致黃土邊坡嚴(yán)重失穩(wěn)。

4 黃土滑坡的形成機(jī)理分析

4.1 形成機(jī)理分析

4.1.1 地下水的長期作用使得塬邊坡體底部發(fā)生蠕動變形和液化破壞

通過塬區(qū)地質(zhì)背景條件和黃土滑坡的運動特征可以看出，滑坡在運動過程中是具有一定液化條件，為灌溉誘發(fā)型黃土滑坡。其中灌溉流滑型為塬區(qū)滑坡第一次滑動時所表現(xiàn)出來的特征，因滑體脫離滑床于河漫灘或階地接觸時，會直接與飽和砂礫石層接觸。由于滑體底部本身飽水，加之河漫灘或階地表面平整，在滑動過程中滑面附近會形成較高超孔隙水壓力，使得附近土體充分液化，形成較遠(yuǎn)的滑動距離，見圖 6a；滑坡第二次、第三次滑動時，因滑動體積較小，或是在原有滑坡基礎(chǔ)上再一次發(fā)生滑動，滑體將難以產(chǎn)生足夠的動能和沖擊力，來擊穿坡腳厚實的先期黃土堆積層與下部飽水礫石層接觸。此外，由于滑面起伏、反翹，滑動過程中不僅會形成較大的摩擦阻力，而且會因下伏堆積體的“架空”結(jié)構(gòu)難以形成閉合的接觸面，所以孔壓增幅小、消散快，液化程度會顯著降低，其滑動距離就相對較近，為灌溉滑動型，見圖 6b。從以上的分析中可見，廟店村2#和3#滑坡都具備這些特點。

圖6 流滑型與滑動型液化模擬對比

根據(jù)詳查野外調(diào)查和歷史資料顯示，該塬區(qū)的斜坡早期的變形與破壞過程為蠕動變形和液化破壞兩個階段：

(1) 蠕動變形階段。在早期的灌溉作用下，塬內(nèi)地下水受灌溉補給緩慢抬升，在塬邊逐漸形成一定水力梯度。水流受重力作用沿黃土節(jié)理、裂隙進(jìn)入地下并向塬外排泄。流水通道受動、靜水壓力的機(jī)械侵蝕和溶蝕作用(潛蝕)，斜坡坡頂逐漸形成延展性裂縫和珠簾狀落水洞，土體結(jié)構(gòu)逐漸破壞，不僅為降雨的快速入滲提供了直接通道，也為黃土滑坡的形成提供了物質(zhì)條件。同時受水位抬升影響，坡腳飽和黃土層增厚且土體抗剪強(qiáng)度不斷降低。在上覆土體的壓力作用下，斜坡內(nèi)部土體逐漸產(chǎn)生塑性鼓脹變形，而靠近外側(cè)的土體逐漸產(chǎn)生塑性剪切變形。雖該階段歷時較長，但斜坡僅表現(xiàn)出微小變形。由于應(yīng)力狀態(tài)的差異和土體變形的不均勻性，斜坡后緣在優(yōu)勢結(jié)構(gòu)面的控制下會逐漸形成拉張裂縫，坡腳附近也會逐漸形成剪切蠕滑面。因此，隨著地下水位的抬升，斜坡的穩(wěn)定性會持續(xù)降低。

(2) 液化破壞階段。隨著灌溉量的不斷增大，塬區(qū)地下水位逐漸抬升并達(dá)到一定高度，在塬邊斜坡帶形成較大的水力梯度。而坡腳飽和黃土層厚度不斷加大，土體抗剪強(qiáng)度顯著降低，地下水潛蝕作用加劇。當(dāng)有灌溉繼續(xù)補給或短期內(nèi)集中降雨沿入滲通道直接補給地下水時，坡腳飽和黃土因塑性變形加劇產(chǎn)生顯著的體縮現(xiàn)象，造成土體孔隙水排泄不暢，孔壓急增形成靜態(tài)液化。斜坡在短時間內(nèi)發(fā)生不完全排水剪切破壞，變形量迅速增大，滑動面貫通，形成整體滑動。

通過以上分析可知，早期塬邊地下水位較低，對塬邊的斜坡體影響較小；但隨著灌溉量的增加，塬區(qū)地下水位逐漸抬升，并在塬邊形成較強(qiáng)的水力梯度。在后期灌溉繼續(xù)補給或短期內(nèi)集中降雨作用下，在塬邊形成較大的靜水壓力，使得斜坡體在短時間內(nèi)滑動面貫通進(jìn)而產(chǎn)生滑坡。

4.1.2 灌溉作用加速了塬邊坡體的多次滑動

涇河南塬黃土臺塬在灌溉用水沿著各種裂隙和節(jié)理裂縫大量下滲到古土壤層后，由于其為相對隔水層，水體因無法繼續(xù)下滲滯留在土體內(nèi)。不僅加大了斜坡土體的自重，增加了土體的水壓力和土壓力，同時也大大軟化了土體，促使了滑動面的形成和貫通，導(dǎo)致了土體的失穩(wěn)。黃土臺塬過量灌溉誘發(fā)的黃土滑坡的形成機(jī)理圖，見圖7。

圖7 過量灌溉誘發(fā)黃土滑坡機(jī)理框圖

該黃土塬區(qū)長期沿襲大水漫灌的農(nóng)業(yè)灌溉方式，因而多數(shù)黃土滑坡失穩(wěn)破壞具有塑流-拉裂的形成機(jī)制。分3個階段：

(1) 長期的引水灌溉不僅使黃土層內(nèi)地下水位逐年上升，也使塬邊斜坡坡體內(nèi)地下水位逐步升高。

黃土具有強(qiáng)烈的水敏性，飽水后強(qiáng)度降低。在地下水的作用下，塬邊黃土斜坡下部飽水黃土原生結(jié)構(gòu)遭到破壞，形成低強(qiáng)度飽水黃土軟弱層，流塑-軟塑狀飽水黃土軟弱層的形成是該類黃土滑坡產(chǎn)生的先決條件。

(2) 隨地下水位不斷抬升及水巖作用對黃土強(qiáng)度劣化作用的逐步加深，塬邊斜坡下部飽水黃土的強(qiáng)度顯著降低，在上覆土體壓力作用下，不斷壓縮、擠出變形并向臨空方向塑性流動，此間滑坡前緣伴隨有局部變形破壞。同時，上覆土體產(chǎn)生拉裂、不均勻沉降等變形，并在后緣形成拉裂縫。

(3) 隨著飽和黃土軟弱層塑流的持續(xù)發(fā)展：已形成的拉裂縫在坡體內(nèi)部自上而下進(jìn)一步擴(kuò)張延伸，與斜坡下部飽和黃土形成一貫通的滑動面。坡體整體產(chǎn)生觸發(fā)性失穩(wěn)破壞，上覆滑體以強(qiáng)大的沖擊力沖擊下伏飽水黃土并在其內(nèi)產(chǎn)生超孔隙水壓力而伴有液化，進(jìn)而隨之產(chǎn)生高速滑動。由于剪出口位置較高、臨空條件好，滑體從剪出口高速滑出，并局部伴隨有拋射過程。滑坡破壞過程中滑體具有動能大、速度快、運動距離遠(yuǎn)等特性，為典型的高速遠(yuǎn)程黃土滑坡。

滑坡失穩(wěn)破壞后，滑體徹底滑入河漫灘或者一級階地，并未在滑坡坡腳處堆積。良好的臨空條件和陡立的滑坡后壁為滑坡再次發(fā)生奠定了良好的地形基礎(chǔ)，滑坡進(jìn)入新一輪的滑動周期。同時隨著地下水的作用，斜坡底部軟弱層會繼續(xù)發(fā)生塑性擠出變形。在上覆土體作用下滑坡會再次發(fā)生變形并產(chǎn)生滑動，形成該黃土塬邊特有的逐級后退式高速遠(yuǎn)程滑動。

4.2 黃土滑坡的運動方式

黃土滑坡的運動方式有滑動拋出型、錯動擠壓型和錯落平鋪型3種，見圖8。就該南塬邊的黃土滑坡，也就具有這3種運動方式。其中錯動擠壓型為滑坡第一次滑動時的運動方式，剩余兩種為第二次或者第三次滑動的運動方式。

圖8 黃土滑坡運動過程簡化圖

3種運動方式的特點如下：

(1) 滑動拋出型：滑坡剪出口一般在斜坡面上，位置較高，具有較好的臨空條件。運動特征是：滑動速度高，滑體首先沿滑動面向下滑移，在越過剪出口時拋出，脫離滑床后，在重力作用下作高速斜拋體運動，其運動軌跡為一拋物線，如廟店村2#滑坡。

(2) 錯動擠壓型：滑坡剪出口位置低于地面。運動特征是：滑坡體沿斜坡中抗剪強(qiáng)度最低的連線面下錯滑動，滑體前緣滑面反傾坡內(nèi)，滑動速度不高，如東風(fēng)村1、2組滑坡。

(3) 錯落平鋪型：滑坡剪出口位置在地面線以上一定高度，滑床一般較陡。滑體沿黃土中陡傾的垂直裂縫向下錯動，與地面撞擊后彈射平鋪，滑體再落地后基本解體，原貌全失，滑動后的高陡后壁為再次形成滑坡創(chuàng)造了條件，如廟店村3#滑坡。

5 結(jié)論

(1) 涇河南塬黃土滑坡按運動形式分為推移式滑坡和牽引式滑坡，且規(guī)模以大-中型為主?；瑒悠诖螢槎啻?，至少1次。

(2) 在灌溉與地下水的作用下，斜坡基底形成飽水黃土軟弱層，在上覆土體自重作用下，軟弱層土體壓縮變形并向臨空方向塑性擠出，造成該類黃土滑坡的直接失穩(wěn)且滑體規(guī)模很大。

(3) 涇河南塬的黃土滑坡為逐級后退式高速遠(yuǎn)程滑坡，其形成過程概括為：地下水位上升—飽水黃土軟弱層形成—軟弱層壓縮、塑性擠出變形—拉裂縫產(chǎn)生—變形加劇—滑坡產(chǎn)生，并多期次滑動。

(4) 涇河南塬黃土滑坡具有典型的塑流一拉裂形成機(jī)制，并有3種運動方式：滑動拋出型、錯動擠壓型和錯落平鋪型。

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