延安北連接線黃土滑坡變形機(jī)制地質(zhì)分析與模型試驗研究

李玉瑞，程曉偉，賴天文，吳紅剛

(1.蘭州交通大學(xué)土木工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730070；2.中交第二公路勘察設(shè)計研究院有限公司，湖北 武漢 430056;3.中鐵西北科學(xué)研究院有限公司，陜西 西安 710000；4.中鐵西北科學(xué)研究院有限公司，甘肅 蘭州 730030)

0 引 言

隨著西部大開發(fā)政策實施以來，在我國西部一些基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)如火如荼的進(jìn)行，尤其是各種交通線的建設(shè)。由于多種限制性因素，道路選線難以規(guī)避山川河流，基于不同的地形地貌、地層結(jié)構(gòu)、特殊土及自然環(huán)境的影響，滑坡災(zāi)害變得較為常見。

眾多國內(nèi)外研究工作者對黃土滑坡的變形機(jī)制以及致滑因素進(jìn)行了研究：王蘭民等[1]通過振動臺試驗研究了在地震和降雨耦合作用下黃土邊坡的動力響應(yīng)特征、變形演化過程以及失穩(wěn)破壞機(jī)制；苗發(fā)盛等[2]通過離心模型試驗揭示了庫岸牽引式滑坡在庫水位升降條件下的破壞模式和變形失穩(wěn)機(jī)制；許強等[3]通過對涇陽南塬蔣劉村黃土滑坡的地質(zhì)調(diào)查分析，得出由引水灌溉以及凍融影響的黃土滑坡成因機(jī)制；SASSA等[4]通過對降雨和地震綜合作用對邊坡的穩(wěn)定性影響，得出此類型滑坡的變形機(jī)制；WU等[5]通過分析影響滑坡的降雨臨界條件(強度與持續(xù)時間)，研究了降雨條件下滑坡的成因機(jī)制；張國棟等[6]結(jié)合專業(yè)監(jiān)測、庫水位和降雨等資料，分別提取降雨和庫水位變化因子，深入分析滑坡變形特性，并給出該滑坡的變形演化模式；盧應(yīng)發(fā)等[7]在分析滑坡破壞機(jī)制的基礎(chǔ)上，提出推移式滑坡2種破壞模式，分析了每一種破壞模式的決定影響因素；楊何等[8]通過分析二道河滑坡的變形演化過程及變形機(jī)制，得出滑坡經(jīng)歷了由推移式轉(zhuǎn)化為牽引式、由懸浮減重型轉(zhuǎn)化為動水壓力滯后型的過程，滑坡變形的地質(zhì)力學(xué)模式為蠕滑—拉裂型；黃達(dá)等[9]通過地質(zhì)、位移監(jiān)測及數(shù)值模擬方法，得出降雨主要影響庫水位變動帶以上部分滑體的變形以及滑坡體反復(fù)受到“推-拉”作用，導(dǎo)致滑坡的位移-時間曲線呈現(xiàn)臺階狀階躍特征；還有部分學(xué)者[10-12]研究了不同影響因素下的滑坡變形失穩(wěn)機(jī)制，并得出一系列研究成果，同時提出了一些防治措施。

以上學(xué)者提供了研究滑坡形成機(jī)制的多種研究方法，本文在學(xué)習(xí)以上各學(xué)者研究方法的基礎(chǔ)上，采用地質(zhì)分析與模型試驗相結(jié)合的方法，并對坡腳開挖以及降雨工況對黃土滑坡的整體影響與單獨影響權(quán)重進(jìn)行分析，以期揭示此黃土滑坡的變形機(jī)制并得到各工況的影響作用，對于認(rèn)識開挖和降雨作用影響下的滑坡成因及變形機(jī)制具有重要的意義。

1 滑坡基本特征

北連接線黃土滑坡位于延安富縣縣城以南的洛陽村西側(cè)洛河西岸，是延能化西廠區(qū)北連接線NK1+900～NK2+050段右側(cè)路塹邊坡。此次滑坡位于一黃土山梁東側(cè)的一老滑坡體上，該老滑坡周界清晰，后緣呈圈椅狀，上陡下緩，后壁明顯，傾角50°～60°，滑坡衛(wèi)星圖如圖1所示。北連接線道路從老滑坡體中前部通過，在北連接線道路右側(cè)形成高約20 m的路塹邊坡。據(jù)富縣氣象局降水資料，全縣1960-2009年50年的平均降水量550.8 mm，最大降水量(1961年)為732.0 mm，最小降水量499.1 mm。降雨多集中于7、8、9三個月，可占全年降水量的60%，且多暴雨。2016年7月19日，由于路塹邊坡開挖，加上強降雨的影響，滑坡體首先在坡后緣產(chǎn)生張拉裂縫，滑體下錯前移，在滑坡后緣形成高約4 m的陡坎，在短時間內(nèi)滑坡體滑移5 m左右，導(dǎo)致道路中斷。該滑坡體長度約150 m，滑坡體最大厚度約17 m，總滑移體積約7×104m3，滑坡體物質(zhì)主要為黃土、古土壤及粉質(zhì)黏土，滑面埋深最大約20 m，滑面傾角后緣55°左右，中前緣8°，滑坡主軸傾向NE76°，綜合各鉆孔滑面特征判斷，該滑坡滑面呈上陡下緩的形態(tài)。

圖1 滑坡衛(wèi)星圖Fig.1 Satellite image map of the loess landslide

1.1 地形地貌

原始地貌屬于黃土梁峁溝壑地帶單元，總體地勢西高東低，自然山坡坡度20°～30°，局部坡度大于40°，坡面較多陡坎。邊坡上部為黃土質(zhì)坡體，邊坡下部為砂泥巖互層的巖質(zhì)坡體，為典型的二元地層結(jié)構(gòu)，溝谷下切較深，存在多處老滑坡。

1.2 地層巖性

滑坡體及其周圍分布的地層巖性主要為耕植土、第四紀(jì)全新世坡、洪積黃土狀土，第四紀(jì)晚更新世風(fēng)積黃土、殘積古土壤，第四紀(jì)中更世風(fēng)積黃土、殘積古土壤，三疊系下統(tǒng)瓦窯堡組砂巖及砂、泥頁巖互層體。其中滑坡后壁山坡、滑坡體中后部及滑坡兩側(cè)主要出露黃土狀土、黃土及古土壤，滑坡前部坡腳主要分布三疊系下統(tǒng)瓦窯堡組砂巖及砂、泥巖互層體。

1.3 地質(zhì)構(gòu)造

北連接線黃土滑坡地處陜北黃土高原丘陵溝壑地帶。在區(qū)域大地構(gòu)造位置上位于中朝準(zhǔn)地臺陜甘寧臺坳陜北臺凹，新構(gòu)造運動在本區(qū)中、新生代地層中變化不明顯，褶皺斷裂構(gòu)造不發(fā)育，屬新構(gòu)造運動相對穩(wěn)定區(qū)。近廠區(qū)范圍內(nèi)，受構(gòu)造作用影響，巖土體內(nèi)形成兩組貫通節(jié)理，產(chǎn)狀分別為340°∠83°、240°∠88°，將巖石切割成塊狀結(jié)構(gòu)。由此造成巖體內(nèi)地下水垂直滲流通道發(fā)育，有利于地表水向坡體內(nèi)的下滲及賦存。

圖2 滑坡體形成示意圖Fig.2 Schematic diagram of the formation of the loess landslide

1.4 地表水與地下水

地表水：洛河為區(qū)域內(nèi)唯一河流，屬黃河水系，發(fā)源于白于山郝莊梁，自北向南貫穿富縣全境?；聟^(qū)年平均降雨量550.8 mm，較為豐富，且多暴雨。由于黃土抗沖蝕能力差，在坡體易形成明顯的沖溝和坡面沖刷、切割現(xiàn)象。地下水：廠區(qū)內(nèi)地下水可分為淺部土層中的地下水和碎屑巖類孔隙—裂隙潛水。淺部土層中的地下水屬暫時性上層滯水，受控于地表水體、大氣降水、地面蒸發(fā)等多種因素的影響，并隨氣候的變化而變化；部分基巖裂隙水從基巖面與第四系覆蓋層接觸面、滑體滑移面剪出口及坡腳基巖出露的地方以下降泉的形式排泄。

1.5 地質(zhì)條件對滑坡形成的控制作用

該滑坡體的形成主要是受道路開挖施工形成高路塹邊坡，坡體失去前緣支撐，臨空應(yīng)力釋放，使得坡體產(chǎn)生卸荷裂縫，給地表降雨以及灌溉水下滲提供了直接的通道。

區(qū)內(nèi)地下水主要受基巖風(fēng)化層厚度、地貌、巖性控制，其中砂巖類孔隙較發(fā)育，垂直節(jié)理發(fā)育，為地下水的賦存提供了條件，形成含水層；而泥巖類孔隙不發(fā)育，透水性較差，構(gòu)成了相對隔水層。大氣降水入滲、地表灌溉入滲等是地下水的主要補給來源。此外，由于地下水下滲至泥巖層(隔水層)后，匯集于基巖頂面附近，降低滑帶土體強度，為滑坡的發(fā)生提供了有利條件。

坡體滑動前當(dāng)?shù)卦掷m(xù)多天降雨，連續(xù)降雨后，加之路基邊坡開挖后排水系統(tǒng)未能及時完善，大量雨水沿卸荷裂縫進(jìn)入坡體內(nèi)，使坡體含水量增大，土體重量加大，又同巖層裂隙水共同軟化滑帶土體，導(dǎo)致裂隙土體滲透特性發(fā)生變化，土體強度漸進(jìn)劣化損傷，滑帶土漸進(jìn)飽和形成飽和帶，激發(fā)超孔隙水壓力，再加上黃土的濕陷性以及沖蝕擴(kuò)縫作用，最終促發(fā)了坡體的失穩(wěn)(圖2)。綜合分析得出由坡腳開挖以及降雨綜合影響的滑坡變形機(jī)制可大體歸納為：原始地貌-開挖卸荷-卸荷裂縫-降雨及地表水入滲-土體抗剪強度降低-土體軟化形成滑帶-坡體滑塌。

2 開挖和降雨條件下滑坡變形過程模型試驗

2.1 試驗?zāi)康?/h3>

通過模型試驗定量研究坡腳開挖以及降雨工況對滑坡變形量的整體影響與單獨影響進(jìn)行分析，并揭示北連接線黃土滑坡的孕育、發(fā)展過程。

2.2 試驗設(shè)計

(1)模型設(shè)計：本次模型試驗設(shè)計以北連接線滑坡4-4＇斷面為依托，斷面圖如圖3所示，設(shè)計斷面如圖4所示。模型試驗在由角鋼與鋼化玻璃制作而成的模型試驗箱中進(jìn)行，試驗箱尺寸1 400 mm×600 mm×1 100 mm，幾何相似比C=1∶20。

圖3 滑坡原型4-4＇斷面圖Fig.3 4-4＇ section map of landslide prototype

圖4 模型設(shè)計斷面圖(單位：mm)Fig.4 Cross-section diagram of the physical model (unit: mm)

(2)試驗材料設(shè)計：滑體材料采用黃土；滑帶材料采用薄層飽和細(xì)砂(河砂)，細(xì)砂下面鋪設(shè)一層聚氯乙烯塑料薄膜；基巖材料采用水∶水泥∶砂子=1∶3∶9(砂巖)和水∶水泥∶黃土=1∶3∶9(泥巖)交替鋪設(shè)模擬砂泥巖互層(圖5)。

圖5 模型鋪設(shè)圖Fig.5 Photo of the physical model

圖6 傳感器布設(shè)圖(單位：mm)Fig.6 Layout of the monitoring sensors during the model test (mm)

2.3 試驗量測系統(tǒng)

為了獲取坡體位移的變化，在坡面布置三個百分表測點，每個測點選用兩個百分表分別進(jìn)行豎直與水平觀測；為了了解坡體變形的發(fā)展過程，此次試驗采用了兩個891型拾振器來采集坡體移動加速度。傳感器布設(shè)如圖6所示，拾振器的實時信號采集系統(tǒng)采用嘉興市振恒電子技術(shù)有限責(zé)任公司的DA1000通用數(shù)據(jù)采集儀，結(jié)合ZH-DAS數(shù)據(jù)采集分析軟件，可以實時對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行時域分析，方便搜索整個測試歷程中信號的最大、最小、極大或極小值的位置。

2.4 試驗工況模擬

考慮到模型試驗箱與土體的摩擦，首先在坡頂加載40 kg重物以削弱邊界效應(yīng)。

利用坡腳兩次開挖的方式來模擬路基不同階段開挖(圖7)；滑帶材料(細(xì)砂)鋪設(shè)時，中間放入三根不同長度的PVC管，周身扎滿小孔，依次注水來模擬基巖裂隙水；最后在坡頂后部開挖小槽注水模擬降雨，通過注水開關(guān)控制注水速率，用量筒量測每分鐘注水量，得出注水速率為178 mL/min；試驗過程及工況階段模擬如表1所示。

表1 試驗過程及工況階段模擬Table 1 Process of the model test and different working conditions

2.5 試驗現(xiàn)象

試驗利用PVC管注水模擬基巖裂隙水時，每次都要注水至坡腳看見有細(xì)小水流流出；坡腳分兩次開挖(圖7)，坡腳第二次開挖后，坡體兩側(cè)首先出現(xiàn)了明顯的卸荷裂縫(圖8)；隨著第二次PVC管注水以及最后的降雨階段，坡體卸荷裂縫增多，并出現(xiàn)貫通，裂縫寬度逐漸增加，最終坡體出現(xiàn)整體蠕滑變形，如圖9坡頂變形所示。

圖7 坡腳開挖圖Fig.7 Excavation of the slope toe

圖8 坡體變形圖Fig.8 Deformation photos of the slope body

圖9 坡頂變形圖Fig.9 Deformation photos of the slope top

圖10 坡體測點位移曲線圖Fig.10 The slope measurement point displacement curve

2.6 試驗結(jié)果分析

2.6.1坡體位移

(1)測點位移隨時間整體累計變化趨勢

分析整個試驗過程中坡體測點位移隨時間變化趨勢(圖10)，三測點曲線總體變化近似表現(xiàn)出同樣的趨勢，但在不同的試驗階段又表現(xiàn)出各自不同的特點。最初的加載(工況一)和第一次開挖(工況二)過程中，坡體沒有明顯的豎直沉降，僅表現(xiàn)出微小的水平位移，在前兩種工況擾動下，坡體雖然沒有產(chǎn)生實質(zhì)性的位移變化量，但是坡頂加載加重了坡體的總自重，坡腳開挖減小了坡體前緣支撐力，這都為坡體的滑動提供了有利的條件，但此階段下滑力還不足以抵抗抗滑力，因此坡體處于短暫的平衡狀態(tài)；在第一次注水階段(工況三)，三測點均在初始注水階段發(fā)生了位移突變，但后期位移變化量逐漸減小，這表明由于注水一方面增加了坡體的自重，另一方面減小了滑帶的抗剪強度，坡體發(fā)生了微弱的滑動，由于注水工況在坡腳出現(xiàn)水流便停止，因此坡體也慢慢處于穩(wěn)定狀態(tài)，此工況階段，坡頂至坡腳的位移變化量依次減小；坡腳第二次開挖(工況四)對坡體的擾動變形并不大，但同樣減小了坡腳的前緣支撐，為坡體的下滑提供有力的基礎(chǔ)；第二次注水階段(工況五)初始，坡體水平位移和沉降均發(fā)生了突變，之后增長趨勢稍變緩，同時坡中、坡腳的水平位移超過了坡頂位移，坡頂沉降量始終最大，且在此階段與其它兩測點處差值增大，這說明坡體已發(fā)生了蠕滑變形。 最后降雨階段(工況六)，各測點位移曲線變化率達(dá)到最大，坡體最終出現(xiàn)滑塌。

(2)測點位移各工況階段凈變化趨勢

為了分析各種工況單獨作用對坡體位移的影響，現(xiàn)計算各測點位移在不同工況階段下的凈變形量，考慮降雨后坡體發(fā)生了整體滑塌，變形量超過百分表量程，因此只計算前五種工況下坡體位移凈變形量(表2)，用以分析對比不同工況對坡體位移的影響權(quán)重。

由表2作各工況階段坡體位移凈變形量曲線圖(圖11)。圖中明確表示出坡頂加載和坡腳首次開挖對于坡體的變形起到微弱的作用，結(jié)合表2，以測點1為代表，兩階段對坡體的沉降影響分別為0.02 mm和0.09 mm，坡腳第二次開挖對坡體位移的影響稍大于首次開挖，其沉降為0.29 mm，這表明坡腳開挖形成的臨空面高度對坡體的穩(wěn)定性起到一定的作用，而從兩階段開挖工況對坡體位移總變形量影響程度上來看，其作用并不明顯，但其均為坡體致滑的潛在影響因素，為坡體變形奠定了基礎(chǔ)。兩次注水工況對坡體的位移影響明顯大于加載和開挖，同樣以測點1為代表，兩次注水致使坡體沉降變化分別為1.69 mm和2.46 mm，且第二次注水的影響量大于第一次注水，這表明水是坡體致滑的直接影響因素，且存在時間累積效應(yīng)[13]。

表2 各工況階段坡體位移凈變形量(單位：mm)Table 2 Deformation values of the slope in different working conditions of the model test (unit: mm)

圖11 各工況階段坡體位移凈變形量曲線圖Fig.11 Curve diagram of slope deformation in different working conditions

2.6.2坡體加速度

利用拾振器采集坡體測點運動加速度，由于采集時間較長，數(shù)據(jù)整體處理較為繁瑣，結(jié)合圖10所示，第三工況階段開始位移出現(xiàn)突變，因此提取測試時間65 min(對應(yīng)3 900 s)始30 s的數(shù)據(jù)進(jìn)行計算繪圖(圖12)。圖示明顯表現(xiàn)出兩測點坡體移動速度的變化趨勢并不在同一時間，坡上測點(A)速度變化較為敏感，時間略早于坡下測點(B)，這說明坡體的移動速度變化率短時間為自上而下進(jìn)行；由圖11、圖12所示，A、B兩測點拾振器加速度最大值分別為0.822 3 mm/s2、0.362 4 mm/s2,坡上的速度變化率為坡下速度變化率的2.269倍，這與圖10中測點位移曲線相呼應(yīng)，同樣說明了坡體的移動速度變化率在短時間內(nèi)是自上而下傳遞，為推動式滑坡的典型特征。

圖12 坡體測點加速度波形圖Fig.12 The waveform graphs of acceleration sensor in the physical model

3 結(jié) 論

本文通過現(xiàn)場實地地質(zhì)調(diào)查、地質(zhì)分析以及模型試驗的方法對延安北連接線黃土滑坡的變形機(jī)制進(jìn)行了分析，得到如下主要結(jié)論及建議：

(1)由坡腳開挖以及降雨綜合影響的滑坡變形機(jī)制可大體歸納為：原始地貌-開挖卸荷-卸荷裂縫-降雨及地表水入滲-土體抗剪強度降低-土體軟化形成滑帶-坡體滑塌。

(2)坡腳開挖為坡體滑移提供了有利條件，但并非坡體致滑的直接影響因素，坡體開挖形成的臨空面高度對坡體穩(wěn)定性起到一定的影響作用。

(3)水是致使坡體發(fā)生滑動的直接影響因素，具有時間累積效應(yīng)。降雨及地表水入滲一方面增加了坡體的自重，另一方面降低巖土體抗剪強度，軟化巖土體形成滑帶，是致使坡體滑動的決定性因素。因此，無論是對原邊坡的工程擾動還是人為填方形成的具有潛在危險性的邊坡，修建引排水系統(tǒng)顯得尤為重要。

(4)受降雨影響，坡體下滑過程中，坡上相對于坡腳的速度變化率較為敏感，表現(xiàn)出自上而下傳遞的過程，因此坡頂堆載成為影響坡體滑動的潛在影響因素，其能進(jìn)一步加速坡體的下滑。