延安淹土安滑坡監(jiān)測預警及變形特征

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(中國地質(zhì)調(diào)查局西安地質(zhì)調(diào)查中心，陜西 西安 710054)

2013年7月延安地區(qū)遭遇自1945年有氣象記錄以來強度最大、暴雨日最多、持續(xù)時間最長的一次降雨過程。強降雨引發(fā)了大量的滑坡崩塌等地質(zhì)災害。此次強降雨導致延安市甘泉縣淹土安老滑坡體出現(xiàn)數(shù)條橫向拉張裂縫，滑坡前緣蠕動變形，穩(wěn)定性差，危險程度大，威脅滑坡下方170余人的生命財產(chǎn)安全。為了及時捕捉滑坡的變形特征，進行滑坡預警預報，保護受滑坡威脅群眾生命財產(chǎn)安全，并為滑坡的工程治理提供可靠的資料和科學依據(jù)，筆者對淹土安滑坡開展了實時專業(yè)監(jiān)測(薛強等，2013)。通過監(jiān)測，于2014年5月14日成功預警預報，避免了人員生命財產(chǎn)損失，隨即提出了應急除險措施及治理工程措施建議，并得到地方政府采納。根據(jù)監(jiān)測結(jié)果，分析了滑坡變形過程及其影響因素。

1 滑坡概況

淹土安滑坡位于延安市甘泉縣城關(guān)鎮(zhèn)瓦窯溝，地理坐標：東經(jīng)109°21′24.9″，北緯36°16′49.4″。滑坡后壁界限清晰，后緣呈圈椅狀錯臺陡坎；中部突起，坡度20°～25°；前緣較陡立，坡度60°～70°?；麦w平面上呈近似半橢圓形，長320m，寬280m，主滑方向315°，整體高差142m(圖1)。

圖1 淹土安滑坡全貌圖Fig.1 Panorama of Yantu’an landslide

滑坡區(qū)地層巖性自上而下依次為第四系上更新統(tǒng)黃土、中更新統(tǒng)黃土、新近系紅黏土、侏羅系石英砂巖夾深灰色砂質(zhì)泥巖?；w主要由第四系黃土和新近系紅黏土組成，滑床由紅黏土和基巖組成，滑帶土厚15～25cm(圖2、圖3)。

圖2 淹土安滑坡滑帶圖Fig.2 Sliding zone of Yantu’an landslide

1.晚更新世黃土；2.中更新世黃土；3.砂巖；4.砂質(zhì)泥巖；5.滑體；6.人工填土；7.滑面及滑向；8.裂縫位移監(jiān)測；9.土壤水分監(jiān)測探坑圖3 淹土安滑坡剖面圖Fig.3 Profile of Yantu’an landslide

2013年7月延安地區(qū)出現(xiàn)極端強降雨，導致淹土安滑坡體前緣變形，變形區(qū)發(fā)育數(shù)條拉張裂縫，裂縫寬5～10cm，下錯臺高10～15cm，滑坡有復活跡象。變形區(qū)南北向長70m，東西向?qū)?20m，高差為44m，滑體厚約8m，體積為12.3×104m3，穩(wěn)定性差，危險程度大，威脅滑坡下方170余人的生命財產(chǎn)安全，如果再遇強降雨，滑坡有大面積下滑的可能。

2 滑坡監(jiān)測預警及防治措施建議

2.1 監(jiān)測內(nèi)容

為了研究滑坡變形失穩(wěn)機制，及時進行預警預報，筆者對淹土安滑坡進行實時動態(tài)監(jiān)測，監(jiān)測內(nèi)容為：滑坡表面裂縫位移監(jiān)測、土壤含水率監(jiān)測、土壤水勢(基質(zhì)吸力)監(jiān)測、土壤溫度監(jiān)測。降雨量采用延安市氣象局區(qū)域雨量站監(jiān)測數(shù)據(jù)。

2.2 監(jiān)測系統(tǒng)布設(shè)

淹土安滑坡監(jiān)測系統(tǒng)總體布設(shè)見圖4。在滑坡體上沿主要裂縫帶共布置3個一體化表面位移監(jiān)測站(LF1、LF2、LF3)，2處土壤水分監(jiān)測探坑(TK1、TK2)。在探坑深度0.3m、0.8m處布設(shè)土壤含水率、土壤水勢(基質(zhì)吸力)、土壤溫度監(jiān)測儀器(表1)。

監(jiān)測開始時間為2013年10月16日。2014年6月20日，開始對滑坡體進行施工治理，因此拆除了監(jiān)測儀器，停止監(jiān)測。

圖4 淹土安滑坡監(jiān)測平面布置圖Fig.4 Monitoring plan of Yantu’an landslide

表1 淹土安滑坡土壤水分監(jiān)測儀器安裝位置表Tab.1 Installation position of soil moisture monitoring instruments

2.3 預警預報及防治措施建議

2013年10月16日開始實時監(jiān)測。2014年5月9日～5月10日2日內(nèi)甘泉縣累計降雨量為40.5 mm，滑坡體變形加劇(圖5)，5月14日LF3測點正下方坡腳擋土墻出現(xiàn)鼓脹變形(圖6)。險情發(fā)生后，筆者及時向甘泉縣國土資源局發(fā)出災害預警信息，當?shù)卣块T組織群眾緊急撤離。5月15日LF3測點下方發(fā)生局部滑塌，方量約200 m3，居民院墻及坡腳擋墻部分損毀(圖7)。由于預警預報及時，未造成人員傷亡。

圖5 滑坡體裂縫下錯變形圖Fig.5 The deformation of the crack of landslide

圖6 2014年5月14日LF3測點下方坡腳擋土墻鼓脹變形圖Fig.6 Drum deformation of retaining wall in the lower LF3 on May 14, 2014

圖7 2014年5月15日LF3測點下方滑塌圖Fig.7 Collapse in the lower LF3 on May 15, 2014

根據(jù)災害險情，西安地質(zhì)調(diào)查中心專家組(筆者為專家組成員)于5月21日向甘泉縣人民政府提出了“分級削坡+護坡?lián)鯄?截排水+植被恢復”的應急治理方案。6月20日，當?shù)卣块T按照應急治理方案對滑坡進行治理(圖8)，監(jiān)測儀器被拆除，停止監(jiān)測。經(jīng)治理后，滑坡處于穩(wěn)定狀態(tài)。

圖8 分級削坡治理圖(2014年8月)Fig.8 Landslide control using slope cutting(August 2014)

3 監(jiān)測結(jié)果分析

3.1 變形特征分析

通過對淹土安滑坡的監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，自2014年3月以來，滑坡各監(jiān)測點開始蠕動變形(圖9)。2014年5月9日～5月10日2日內(nèi)甘泉縣累計降雨量40.5 mm，滑坡體變形加劇，其中LF3測站5月14日～5月15日累計變形量達16.2 mm，滑坡體出現(xiàn)局部變形破壞，5月15日LF3測點下方發(fā)生局部滑塌，損壞居民院墻及坡腳擋墻。

圖9 淹土安滑坡各測點累計位移-時間曲線圖Fig.9 Accumulated displacement-time curve of each monitoring point of Yantu’an landslide

對變形量最大的LF3測點進行重點分析。根據(jù)淹土安滑坡累計位移和變形速率(日變形量)曲線(圖10、圖11)，并結(jié)合宏觀變形特征，可知淹土安滑坡變形經(jīng)歷了以下4個變形階段(許強等，2008，2009；劉小珊等，2014)。

圖10 LF3測點累計位移-時間曲線圖Fig.10 Accumulated displacement-time curve of LF3

圖11 LF3測點變形速率-時間曲線圖Fig.11 Deformation rate-time curve of LF3

第一階段：初始變形階段(2014年3月8日～4月20日)。淹土安滑坡從2014年3月8日開始蠕動變形，累計位移曲線斜率開始增大(圖10)，至4月20日，此階段累計位移7.5 mm，變形速率曲線出現(xiàn)波動(圖11)。

第二階段：加速變形階段(2014年4月21日～5月9日)。2014年4月21日滑坡進入加速變形階段，此后20天內(nèi)，累計位移曲線斜率明顯變大(圖10)，變形速率也呈現(xiàn)出不斷加速增長的趨勢(圖11)。

第三階段：變形破壞階段(2014年5月10日～5月15日)。2014年5月10日滑坡進入變形破壞階段，累計位移曲線斜率繼續(xù)增大(圖10)，變形速率變?yōu)槎钢睜顟B(tài)(圖11)，受5月9日～10日降雨(降雨量40.5 mm)的影響，5月9日～15日累計變形量37.8 mm。5月14日當日變形量7.0 mm，LF3測點正下方坡腳擋土墻鼓脹變形。5月15日當日變形量9.2 mm，LF3測點正下方發(fā)生局部滑塌，方量約200 m3，損壞居民院墻及坡腳擋墻。

第四階段：減速變形階段(2014年5月16日～6月20日)。2014年5月15日滑坡發(fā)生局部變形破壞之后，由于甘泉縣未出現(xiàn)強降雨，累計位移曲線逐漸平穩(wěn)，變形速率逐漸減小。

3.2 影響因素分析

淹土安滑坡變形失穩(wěn)的主要影響因素有降雨、坡腳開挖和凍融作用。

2.2.1 開挖土地剖面。對普通的土地資源，土地剖面的尺寸要求是長1.5米、寬1米、深1.2米，針對鹽漬土壤要挖至地下水層。開挖土地剖面時，要注意如下幾點內(nèi)容：觀察面要朝陽，便于觀察；底土與表層土要分類堆放，便于填坑時更好復原；觀察面頂部不能堆土和隨意走動，避免損壞表層構(gòu)造，影響剖面外形的描述與采樣；剖面處理好后應立即修正，一側(cè)修成光面，便于監(jiān)測顏色、新生體等，一側(cè)修成粗糙毛面，便于監(jiān)測結(jié)構(gòu)。

3.2.1 降雨對滑坡的影響

在延安黃土地區(qū)，水的作用是誘發(fā)黃土滑坡的最重要因素，土體的土-水特征曲線反映了土體含水率和基質(zhì)吸力之間的關(guān)系，對于分析非飽和土變形破壞至關(guān)重要(張茂省等，2011；許旭堂等，2015)。本次在野外通過EC-5和MPS-2監(jiān)測淹土安滑坡滑體的土-水特征曲線(圖12)。同時通過室內(nèi)試驗獲取了淹土安滑坡體上不同類型土體的粘聚力對含水率的反應曲線(圖13)。通過監(jiān)測和室內(nèi)試驗發(fā)現(xiàn)，降水期間或降雨之后斜坡巖土體內(nèi)含水率升高，基質(zhì)吸力降低，使得潛在滑動面上的有效應力及抗剪強度降低，斜坡穩(wěn)定性降低，從而誘發(fā)滑坡。淹土安滑坡中后部發(fā)育數(shù)條拉張裂縫，為降雨的下滲提供了有利的優(yōu)勢入滲通道；滑帶為紅黏土夾風化泥巖，為相對隔水層，降雨下滲雨水可在此聚集，更有利于滑坡的變形失穩(wěn)。

圖12 淹土安滑坡滑體土-水特征曲線圖Fig.12 Soil-water characteristic curve of Yantu’an landslide body

圖13 淹土安滑坡不同類型土體粘聚力對含水率的反應圖Fig.13 Cohesion of different types soil reaction to moisture of Yantu’an landslide

通過對淹土安滑坡含水率與變形速率(每日變形量)的分析發(fā)現(xiàn)，在土壤含水率增大的時間段內(nèi)，滑坡變形速率也有增大的趨勢，但具有一定的滯后性(圖14)。2014年3月8日之前，滑坡體各測點含水率較低，滑坡變形速率為0；從3月9日開始，含水率逐漸升高，滑坡開始蠕動變形。至4月18日，各測點含水率均達峰值，4月24日，LF3測點變形加速，滯后時間6 d。5月9日～5月10日2 d內(nèi)甘泉縣累計降雨量40.5 mm，各測點含水率在5月10日達到峰值，5月15日，LF3測點變形速率達到最大值9.2 mm/d，滯后時間5 d?；伦冃蔚募铀賹实姆磻哂袦笮?。

圖14 淹土安滑坡土體含水率-變形速率曲線圖(LF3測點)Fig.14 Soil moisture-deformation rate curve of LF3 of Yantu’an landslide

因此，降水之后隨著含水率的增大，黃土的基質(zhì)吸力相應地減弱，抗剪強度降低是淹土安滑坡變形失穩(wěn)的主要力學機制。

3.2.2 坡腳開挖對滑坡的影響

坡腳開挖改變了斜坡原有的應力狀態(tài)，促使斜坡發(fā)生變形，并逐漸向坡體后部擴展，在長期變形積累下，應力集中，從而誘發(fā)滑坡。淹土安滑坡位于甘泉縣城周邊，近年來村民大面積開挖坡腳建窯建房，坡腳開挖嚴重，局部甚至直立，為滑坡的發(fā)生提供了有利的臨空條件。在降雨的作用下，雨水沿裂縫等通道快速下滲，滑坡中后部蠕滑變形對坡腳產(chǎn)生擠壓，促使坡腳發(fā)生滑塌，同時坡腳的滑塌對滑坡中后部產(chǎn)生拉裂作用，使滑坡變形加劇。強烈的坡腳開挖是滑坡變形的影響因素，滑坡的形成機制主要表現(xiàn)為蠕滑-拉裂式。

3.2.3 凍融作用對滑坡的影響

在黃土地區(qū)，凍融作用也對滑坡的發(fā)生起著重要的作用(張茂省等，2013；王念秦等，2010)。淹土安滑坡變形的加劇也與凍融有關(guān)。2013年7月，延安經(jīng)歷一次持續(xù)性強降雨過程，使得外部地表水大量進入滑坡體，滑體飽水程度增大，在短期內(nèi)滑體內(nèi)水分并未完全消散。2014年3月以來，氣溫開始回升，強降雨期間下滲的雨水經(jīng)過一個凍結(jié)期，土壤逐漸解凍，抗剪強度降低，滑坡發(fā)生蠕動變形。通過監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，滑坡變形速率與土壤溫度也有著顯著的相關(guān)性。自2014年3月以來，隨著土壤溫度的逐漸升高，滑坡變形速率也逐漸增大(圖15)。凍融作用導致土體力學性質(zhì)變差，抗剪強度降低，從而誘發(fā)滑坡。

圖15 土壤溫度-變形速率曲線圖(2014年)Fig.15 Soil temperature-deformation rate curve in 2014

4 結(jié)論

(2)通過對淹土安滑坡監(jiān)測成果和宏觀變形跡象的分析，可知淹土安滑坡變形經(jīng)歷了4個變形階段：初始變形階段、加速變形階段、變形破壞階段和減速變形階段。

(3)根據(jù)監(jiān)測結(jié)果對滑坡的影響因素進行了分析，認為降水之后隨著含水率的增大，黃土的基質(zhì)吸力相應地減弱，抗剪強度降低是淹土安滑坡變形失穩(wěn)的主要力學機制；強烈的坡腳開挖是滑坡變形的主要影響因素；凍融作用也對滑坡的變形起著重要的作用。

致謝：中國地質(zhì)調(diào)查局西安地質(zhì)調(diào)查中心張戈對本文進行了修改并提出寶貴的意見，在此表示感謝。

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