黃土坡頂裂縫成因及演化過(guò)程分析

抗興培，劉 曉，王彪龍，韋宏寬

(中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢) 教育部長(zhǎng)江三峽庫(kù)區(qū)地質(zhì)災(zāi)害研究中心，湖北 武漢 430074)

黃土覆蓋區(qū)地質(zhì)災(zāi)害以滑坡為主，研究黃土滑坡誘發(fā)因素、成因機(jī)制對(duì)區(qū)域防災(zāi)減災(zāi)具有重要的意義。大量的研究表明，黃土滑坡的誘因主要有地下水位變化[1-2]、降雨[3-5]、農(nóng)業(yè)灌溉[6-8]、坡腳開(kāi)挖、地震等，其中尤以降雨、灌溉誘發(fā)滑坡的研究最為豐富，而黃土坡坡頂裂縫發(fā)育對(duì)黃土滑坡的影響研究較少。Iverson[9]、Tang等[10]基于原位監(jiān)測(cè)和實(shí)地調(diào)查，發(fā)現(xiàn)黃土區(qū)降雨入滲深度一般不超過(guò)地下3 m，而塬邊各種裂縫或漏洞常形成雨水快速入滲的優(yōu)勢(shì)通道；武彩霞等[11]在現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和監(jiān)測(cè)的基礎(chǔ)上，發(fā)現(xiàn)短期的農(nóng)業(yè)灌溉并不能有效地補(bǔ)給地下水，而塬邊裂縫加速了地下水位的抬升。這說(shuō)明對(duì)結(jié)構(gòu)完好的黃土而言，短暫的降雨或灌溉入滲的影響深度都是非常有限的，而塬邊裂縫的發(fā)育使邊坡朝著有利于滑坡的方向發(fā)展。以甘肅黑方臺(tái)滑坡群[12]、陜西涇陽(yáng)南塬滑坡群[13]等為例，發(fā)現(xiàn)黃土滑坡具有一個(gè)普遍的特征：后緣裂縫發(fā)育，且具有數(shù)量多、延伸遠(yuǎn)、分布范圍廣等特點(diǎn)。這表明研究后緣裂縫對(duì)黃土滑坡的孕育、發(fā)展、產(chǎn)生、分布具有重要的意義。

對(duì)于黃土坡頂裂縫形成機(jī)理的研究，目前尚處于探索階段，主要的成因觀點(diǎn)有：①?gòu)埨⒐?jié)理成因，許領(lǐng)等[13]、Xu等[14]在對(duì)涇陽(yáng)南塬裂縫大量調(diào)查統(tǒng)計(jì)的基礎(chǔ)上，按照邊坡形態(tài)將塬邊裂縫分為“W”型(側(cè)向拉張形成)、“U”型(前期滑坡?tīng)恳瓘埿纬?、“Z”型(節(jié)理的側(cè)向拉張形成)；②坡腳誘發(fā)成因，Wu等[15]認(rèn)為降雨軟化了坡腳，使其發(fā)生破壞，誘使坡頂出現(xiàn)裂縫;③濕陷成因，廖紅建等[16]認(rèn)為塬邊黃土具有強(qiáng)烈的濕陷性，在降雨或灌溉的條件下會(huì)產(chǎn)生濕陷性裂縫;④降雨沖蝕成因，陳偉等[17]通過(guò)室內(nèi)人工邊坡降雨模擬，發(fā)現(xiàn)坡肩處易形成沖蝕溝和張拉裂縫。這些研究多是就塬邊裂縫的現(xiàn)象進(jìn)行說(shuō)明，缺乏對(duì)裂縫發(fā)育成因、發(fā)展過(guò)程的系統(tǒng)研究，致使這些解釋均存在一定的局限性。如濕陷性多形成串珠狀分布的落水洞，這不足以解釋裂縫在塬邊較為集中、塬邊裂縫成線性且延伸較遠(yuǎn)的分布現(xiàn)象;再如裂縫均是由前次滑坡?tīng)恳龔埨饔眯纬傻恼f(shuō)法，則忽略了未發(fā)生滑坡的區(qū)域也大量存在裂縫的現(xiàn)象。

本文以陜西涇陽(yáng)南塬廟店西村黃土滑坡為例，在黃土坡頂裂縫勘測(cè)、觀察的基礎(chǔ)上，提出五階段(龜裂→發(fā)展→拉張→貫通→成型)的黃土坡頂裂縫的孕育發(fā)展過(guò)程，并分析了各階段坡頂裂縫的演化特征、發(fā)展機(jī)理，以期為黃土滑坡的防治提供理論依據(jù)。

1 黃土坡頂裂縫的發(fā)育過(guò)程分析

從大量黃土滑坡實(shí)例中不難發(fā)現(xiàn)：滑坡發(fā)生的區(qū)域，坡頂裂縫較為發(fā)育，且延伸較遠(yuǎn)、張開(kāi)度大、深度較深；而在未發(fā)生滑坡的區(qū)域，坡頂裂縫雖同樣存在，但規(guī)模小、延伸不遠(yuǎn)、裂縫張開(kāi)度有限，且在降雨、擾動(dòng)等情況下，部分消失。這說(shuō)明裂縫的孕育、產(chǎn)生在黃土區(qū)普遍存在，而裂縫的發(fā)育程度受前次滑坡的影響。此外，黃土坡頂裂縫在豎向上多呈楔體狀，即上寬下窄，直至尖滅；在橫向上，寬大裂縫多與坡緣走向一致，與滑坡方向呈近似垂直的關(guān)系，而遠(yuǎn)離塬邊的窄小裂縫則沒(méi)有這一規(guī)律。

黃土坡頂裂縫的形成是一個(gè)動(dòng)態(tài)發(fā)展的漸進(jìn)過(guò)程，諸如用“拉張”等“一次成因”的解釋來(lái)囊括整個(gè)發(fā)展過(guò)程是粗糙且欠合理的。本文在大量邊坡勘測(cè)、力學(xué)分析的基礎(chǔ)上，提出黃土坡頂裂縫的發(fā)展過(guò)程可分為明顯的5個(gè)階段，即：①龜裂階段，地表破裂；②發(fā)展階段，裂縫擴(kuò)展；③拉張階段，裂縫迅速發(fā)展，環(huán)狀裂縫生成；④貫通階段，坡頂裂縫與坡內(nèi)裂縫聯(lián)通；⑤成型階段，裂縫穩(wěn)定。黃土坡頂裂縫的演化過(guò)程見(jiàn)圖1，下面就各階段的形成機(jī)理、發(fā)展特征做進(jìn)一步闡述。

1.1 龜裂階段

龜裂主要是土體在干燥條件下失水，體積發(fā)生不均勻收縮變形而形成[18]。目前，土體龜裂的研究主要集中于膨脹土[19]，而在黃土區(qū)研究較少，將其與黃土坡頂裂縫發(fā)展相聯(lián)系的研究則更鮮有論述。本文在地質(zhì)詳勘、受力分析與演化的基礎(chǔ)上，認(rèn)為：黃土臺(tái)塬坡頂?shù)乇睚斄褧?huì)促使土體進(jìn)一步破壞，是黃土坡頂裂縫發(fā)展的起始孕育階段。

在一次降雨或灌溉等飽水工況下，原非飽和的黃土?xí)诘乇韺有纬啥虝猴査畢^(qū)，表層飽水區(qū)和地下水位線之間則為非飽和黃土層[見(jiàn)圖2(a)]。當(dāng)降雨或灌溉等飽水工況停止，轉(zhuǎn)為干燥環(huán)境時(shí)，黃土水分持續(xù)減少，表層土顆粒之間的彎液面曲率增加，即收縮膜曲度增大。收縮膜的存在使得其內(nèi)外表面存在氣壓(ua)與水壓(uw)的壓力差[即基質(zhì)吸力(s)[20]]，基質(zhì)吸力在土體中產(chǎn)生張拉應(yīng)力，收縮膜能夠承受并在土體中傳導(dǎo)張拉應(yīng)力[見(jiàn)圖2(b)]。非飽和區(qū)黃土層中，基質(zhì)吸力s可表示為[21]：

圖1 黃土坡頂裂縫的演化過(guò)程Fig.1 Evolution of cracks on top of Loess slope

s=μa-μw=2Ts/Rs

(1)

式中：s為基質(zhì)吸力(kPa);Ts為收縮膜的表面張力(N/m)；Rs為收縮膜的曲率半徑(m)。

隨著干燥環(huán)境的持續(xù)，土顆粒之間的間距變小，收縮膜的曲率半徑Rs減小，則由公式(1)可知基質(zhì)吸力s增加，表層土體產(chǎn)生收縮變形趨勢(shì)。該收縮變形受到土顆粒之間的抗拉強(qiáng)度制約[22]，這時(shí)在土層表面形成張拉應(yīng)力場(chǎng)，并在局部形成應(yīng)力集中。隨著干燥環(huán)境的持續(xù)，一旦該水平方向合力超過(guò)土顆粒間的抗拉強(qiáng)度，則表層裂縫產(chǎn)生[見(jiàn)圖2(c)]。

圖2 黃土坡頂裂縫發(fā)育的龜裂階段示意圖Fig.2 Schematic diagram of cracking stage of crack development

龜裂階段裂縫的孕育主要為彈塑性張拉斷裂，為裂縫的起始孕育階段，但該階段裂縫的發(fā)育程度十分有限，其張開(kāi)度較小、延伸不遠(yuǎn)，僅存在地表層。

1.2 發(fā)展階段

因龜裂裂縫的產(chǎn)生，地表應(yīng)力場(chǎng)聚集的應(yīng)變能得到釋放，土體失去側(cè)向變形約束，而上寬下窄的楔形體裂縫形態(tài)，使得土顆粒之間的膠結(jié)介質(zhì)和收縮膜可將應(yīng)力傳導(dǎo)至裂縫下部尖端，產(chǎn)生應(yīng)力集中(見(jiàn)圖3)，作用在裂隙尖端水平方向的分力對(duì)尖端土體產(chǎn)生“撕裂”效果，迫使裂縫向下發(fā)展。因此，隨著蒸發(fā)過(guò)程的進(jìn)行，龜裂階段形成的地表裂縫在水平張拉等因素作用下有進(jìn)一步向下延展、寬度擴(kuò)大的趨勢(shì)。

圖3 裂縫尖端應(yīng)力集中Fig.3 Stress concentration at crack tip

由于土體材料的不均勻性，在前期形成眾多的裂縫中總是存在相對(duì)最薄弱的一部分，表現(xiàn)為其尖端應(yīng)力集中更為顯著，且這些部位土體材料強(qiáng)度更低，因此這一部分裂縫獲得了快速發(fā)展，成為優(yōu)勢(shì)裂縫，其成長(zhǎng)以侵吞非優(yōu)勢(shì)裂縫的發(fā)展空間為代價(jià)，而部分非優(yōu)勢(shì)裂縫在擾動(dòng)、降雨或自身發(fā)展的過(guò)程中逐漸終止發(fā)育、愈合、甚至消亡。

此外，龜裂階段形成的楔形體裂縫，加大了干燥工況下水分蒸發(fā)的面積，使得在裂隙部位水分蒸發(fā)的速度大于其他部位，這種不均勻蒸發(fā)加速了沿垂直裂隙面方向土體含水率的降低，有利于裂縫的快速發(fā)展、成型。而基于裂縫線型延伸的形態(tài)，因地形條件不完全一致，在裂縫線方向同樣存在不均勻干燥，裂縫發(fā)育的深淺不同，深裂縫部位土體發(fā)展過(guò)程中，對(duì)裂縫線方向淺裂縫部位土體有“撕裂”效果，產(chǎn)生側(cè)向剪切作用，使得部分裂縫面上的土體不僅受拉張作用，還受到剪切力的影響，有利于土體破壞。黃土坡頂裂縫發(fā)育的發(fā)展階段示意圖，見(jiàn)圖4。

圖4 黃土坡頂裂縫發(fā)育的發(fā)展階段示意圖Fig.4 Schematic diagram of development stage of crack development

隨著干燥環(huán)境的持續(xù)，蒸發(fā)與應(yīng)力集中效應(yīng)逐漸向遠(yuǎn)離裂隙面的方向發(fā)展，直至對(duì)其不產(chǎn)生影響，裂縫發(fā)展階段結(jié)束。這一階段在黃土區(qū)普遍存在，主要受裂縫自身形態(tài)、環(huán)境、地形等多種綜合因素共同作用，擴(kuò)展了裂縫的延伸距離和深度。Morris等[23]基于線彈性力學(xué)，假設(shè)基質(zhì)吸力從地表至地下水位呈線性遞減，則裂縫的預(yù)測(cè)深度為

(2)

式中:Z為裂縫深度(m)；S0為地表處的基質(zhì)吸力(kPa)；t為抗拉強(qiáng)度(kPa)；v為泊松比；h為地下水位深度(m)；γ為單位土體的重度(kN/m3)。

1.3 拉張階段

深大裂縫往往發(fā)育于滑坡后緣，分析認(rèn)為：前期次滑坡在滑動(dòng)過(guò)程中對(duì)后緣坡體既有因土體破裂而產(chǎn)生的水平方向拉張，也有因滑體向下運(yùn)動(dòng)，與滑床摩擦而產(chǎn)生的沿滑面方向的牽引。這種拉張、牽引作用在裂縫部位產(chǎn)生應(yīng)力集中，迫使裂縫張開(kāi)度增大、深度加深。此外，前期次滑坡致使邊坡應(yīng)力重分布，對(duì)滑坡后緣具有卸荷作用，相當(dāng)于滑坡后緣坡體σ2保持不變，施加與σ3相反方向的拉應(yīng)力。而黃土坡在地貌演化過(guò)程中存在許多由各類地質(zhì)作用形成但在邊坡應(yīng)力作用下處于閉合狀態(tài)的微小結(jié)構(gòu)面[24],拉應(yīng)力致使坡體內(nèi)的原生結(jié)構(gòu)面張開(kāi)，坡體內(nèi)形成環(huán)狀裂縫。黃土坡頂裂縫發(fā)育的拉張階段示意圖，見(jiàn)圖5。

圖5 黃土坡頂裂縫發(fā)育的拉張階段示意圖Fig.5 Schematic diagram of extension stage of crack development

1.4 貫通階段

拉張階段形成的環(huán)狀裂縫具有向長(zhǎng)軸兩端發(fā)展的趨勢(shì)，上部裂縫在降雨或灌溉等工況下成為地表水快速入滲的優(yōu)勢(shì)通道。當(dāng)坡體內(nèi)的環(huán)狀裂縫與坡頂裂縫距離較近時(shí)，由于環(huán)形裂縫附近的滲流速度大于周邊土體，能夠?qū)⑺w通過(guò)裂縫間隙迅速?gòu)浬ⅲ@就使得坡頂裂縫內(nèi)的水流浸潤(rùn)鋒有優(yōu)先向環(huán)形裂縫方向滲流擴(kuò)張的趨勢(shì)。黃土坡頂裂縫發(fā)育的貫通階段示意圖，見(jiàn)圖6。

圖6 黃土坡頂裂縫發(fā)育的貫通階段示意圖Fig.6 Schematic diagram of penetration stage of crack development

基于土-水特征曲線的V-G模型[25]可知，地表水沿坡頂裂縫向下運(yùn)移過(guò)程中，因裂縫部位飽和度較大、基質(zhì)吸力較小，使得裂縫部位滲透系數(shù)遠(yuǎn)大于周邊土體，裂隙水不僅對(duì)土體產(chǎn)生靜水壓力，還在兩個(gè)裂縫之間向下快速運(yùn)移時(shí)產(chǎn)生動(dòng)水壓力，對(duì)坡頂裂縫與坡體內(nèi)環(huán)形裂縫的貫通產(chǎn)生積極作用。

1.5 成型階段

裂縫擴(kuò)張的過(guò)程也是應(yīng)變能逐步釋放的過(guò)程，部分裂縫的發(fā)育隨著應(yīng)變能完全釋放而停止，裂縫為楔形體形態(tài)。部分裂縫在向坡體深部擴(kuò)張的過(guò)程中，遇到強(qiáng)度較大的古土壤層，當(dāng)應(yīng)變能不足以導(dǎo)致古土壤層的破裂時(shí)，裂縫發(fā)展也就隨之停止，即古土壤的“阻裂”作用，形成的這種裂縫為梯形體形態(tài)。黃土坡頂裂縫發(fā)育的成型階段示意圖，見(jiàn)圖7。

圖7 裂縫發(fā)育的成型階段示意圖Fig.7 Schematic diagram of formation stage of crack development

此外，由于古土壤層強(qiáng)度較大而滲透系數(shù)遠(yuǎn)低于黃土層[26]，水體得不到及時(shí)的排泄，沿裂縫不斷聚集在古土壤層的上部層面，形成上層滯水，即古土壤的“阻滲”作用。當(dāng)該裂縫距坡面較近時(shí)，有向坡面外滲流排泄的趨勢(shì)，滲流過(guò)程軟化土體，長(zhǎng)期作用下則產(chǎn)生軟弱層，而軟弱層有消散應(yīng)力的性質(zhì)，使得裂縫發(fā)展至此時(shí)應(yīng)變能被消耗。

2 實(shí)例分析

陜西涇陽(yáng)南塬位于涇陽(yáng)縣城南，距咸陽(yáng)市北偏東約28 km，臺(tái)塬以陡坡、高坎的形式與涇河二級(jí)階地相連，為滑坡孕育提供了有利條件。陜西涇陽(yáng)南塬黃土滑坡群沿涇河呈現(xiàn)“帶狀群發(fā)”，具有規(guī)模大、數(shù)量多、沿臺(tái)塬呈線性分布和成因復(fù)雜等特點(diǎn)，成為研究黃土滑坡的天然試驗(yàn)場(chǎng)，其中廟店西村滑坡為典型的厚層黃土滑坡。該滑坡表現(xiàn)為“后移式”多期次滑動(dòng)，滑坡后壁、側(cè)壁特征明顯，坡頂、側(cè)壁裂縫發(fā)育，滑坡西側(cè)約120 m處平硐內(nèi)可清晰觀察坡體內(nèi)部裂縫的發(fā)育情況，見(jiàn)圖8。

涇陽(yáng)南塬廟店西村平硐(見(jiàn)圖8)位于滑坡東側(cè)，平硐平行于地表，走向?yàn)?00°，開(kāi)挖于地下約40 m，洞深約35 m，洞高約1.6 m，洞寬約1.5 m。通過(guò)平硐，可觀察到坡體內(nèi)部存在大量裂縫，其方向與平硐垂直，即和塬邊走向一致(見(jiàn)圖9)。分析認(rèn)為該裂縫的形成是由于前期次滑坡的卸荷作用，坡體內(nèi)部原生結(jié)構(gòu)面張開(kāi)，該實(shí)例證明了上述裂縫拉張階段坡體內(nèi)環(huán)狀裂縫的形成。

圖8 陜西涇陽(yáng)廟店西村滑坡全貌Fig.8 Panorama of West Miaodian Village Loess landslide in Jingyang,Shanxi province

圖9 平硐內(nèi)觀察到的環(huán)狀裂縫Fig.9 Annular cracks in adit

圖10 廟店西村黃土滑坡側(cè)壁剖面Fig.10 Side wall of Miaodian West Village Loess landslide

該黃土滑坡側(cè)壁剖面出露清晰，上部為15.5 m的Q3黃土，中部為4.5 m的古土壤層，下部為Q2黃土和河漫灘沉積層，見(jiàn)圖10。該黃土滑坡側(cè)壁剖面出露裂縫3條，裂縫深度沿坡面方向遞增。分析認(rèn)為，前期次滑坡張拉坡頂裂縫的過(guò)程，也是應(yīng)變能釋放的過(guò)程，隨著遠(yuǎn)離坡面，應(yīng)變能逐步衰減，導(dǎo)致了裂縫深度的遞減。此外，當(dāng)應(yīng)變能不足以擊穿高強(qiáng)度的古土壤層時(shí)，裂縫的發(fā)展也隨之停止，這是裂縫成型階段的一個(gè)例證。

3 結(jié) 論

本文在野外地質(zhì)詳勘和力學(xué)分析的基礎(chǔ)上，分析了黃土坡頂裂縫孕育發(fā)展的過(guò)程，并以陜西涇陽(yáng)南塬廟店西村黃土滑坡為例，實(shí)證了黃土坡頂裂縫發(fā)育的過(guò)程，并得到如下結(jié)論：

(1) 提出了“五階段”黃土坡頂裂縫的發(fā)育過(guò)程，即：龜裂→發(fā)展→拉張→貫通→成型。

(2) 黃土坡頂裂縫的發(fā)育成型，屬于水土耦合作用下的混合成因，受到地表水的蒸發(fā)、入滲，坡體內(nèi)部滲流運(yùn)移，古土壤層的“阻滲”、“阻裂”等多因素共同作用。

(3) 持續(xù)的不均勻蒸發(fā)干燥，使部分裂縫尖端受水平張拉、側(cè)向剪切共同破壞作用，這個(gè)過(guò)程就是裂縫發(fā)育的發(fā)展階段。

(4) 前期次滑坡不僅拉張坡頂裂縫，還使坡內(nèi)原生結(jié)構(gòu)面張開(kāi)，形成坡內(nèi)環(huán)狀裂縫，這個(gè)過(guò)程就是裂縫發(fā)育的拉張階段。

(5) 坡頂裂縫匯水下滲有優(yōu)先向坡內(nèi)環(huán)狀裂縫滲流的趨勢(shì)，長(zhǎng)期作用下使兩者貫通，極大地?cái)U(kuò)展了裂縫的深度，這個(gè)過(guò)程就是裂縫發(fā)育的貫通階段。

(6) 古土壤層的高強(qiáng)度，具有“阻裂”效果，使部分楔形體裂縫轉(zhuǎn)換為梯形體裂縫，而古土壤層的低滲透性特征，則具有“阻滲”效果，使地下水匯集于其層頂，長(zhǎng)期浸泡，形成軟弱層。