四川寧南水塘村滑坡形成機(jī)理

高靜賢，戴福初，朱雨軒，姚 鑫

(1.北京工業(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)院，北京 100124；2.中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院地質(zhì)力學(xué)研究所國(guó)土資源部新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)與地質(zhì)災(zāi)害實(shí)驗(yàn)室，北京 100081)

0 引言

黃土是一種形成于第四紀(jì)的松散風(fēng)成堆積物，在我國(guó)主要分布于西北、華北地區(qū)，在西南地區(qū)亦有少量分布[1-3]。黃土地區(qū)地質(zhì)環(huán)境脆弱，土體性質(zhì)特殊，加之人類(lèi)活動(dòng)的增加，使得黃土滑坡災(zāi)害頻繁發(fā)生，造成大量的人員傷亡與財(cái)產(chǎn)損失[4]。黃土滑坡形成機(jī)理研究是減緩黃土滑坡災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)的基礎(chǔ)[5]。

眾多學(xué)者對(duì)黃土滑坡的形成機(jī)理進(jìn)行了大量研究。一些學(xué)者[6-7]認(rèn)為，灌溉或降水的入滲，改變了地下水文條件，降低了土體抗剪強(qiáng)度，導(dǎo)致滑坡的發(fā)生；王家鼎[8]提出了黃土滑坡的蠕動(dòng)液化機(jī)理。然而不同的應(yīng)力路徑條件下，土體表現(xiàn)出不同的力學(xué)行為，滑坡的發(fā)育過(guò)程則不盡相同[9]，因此近年來(lái)，從滑坡發(fā)生的實(shí)際應(yīng)力路徑試驗(yàn)出發(fā)滑坡發(fā)生機(jī)理研究受到重視[10-12]。金艷麗、武彩霞等[13-14]研究了飽和黃土的應(yīng)力應(yīng)變特性，認(rèn)為飽和黃土發(fā)生剪縮，產(chǎn)生超孔隙水壓力，導(dǎo)致土體發(fā)生靜態(tài)液化。藺曉燕等[15]認(rèn)為黃土滑坡-泥流的發(fā)生需滿(mǎn)足特殊的地形、疏松的黃土和不透水層等地質(zhì)條件。

以上關(guān)于黃土滑坡機(jī)理的研究主要集中在西北地區(qū)，對(duì)于西南地區(qū)的黃土，一些學(xué)者主要從其年代及成因方面進(jìn)行了研究。蔣復(fù)初等[3]通過(guò)熱釋光測(cè)年，確定華彈地區(qū)黃土狀堆積形成于晚更新世-全新世時(shí)期；王澤麗[16]、陳杰等[17]對(duì)金沙江左岸的黃土進(jìn)行了粒度分析，認(rèn)為其具有風(fēng)成近源堆積特性。

2016年9月21日，四川寧南縣華彈鎮(zhèn)水塘村發(fā)生黃土滑坡，該滑坡具有原地多發(fā)、成因機(jī)制復(fù)雜等特點(diǎn)，因此，研究其滑坡機(jī)理對(duì)減緩該地區(qū)滑坡災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。本文首先通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，分析了該滑坡特征，建立了概化地質(zhì)模型；然后，通過(guò)開(kāi)展原狀飽和黃土應(yīng)力路徑試驗(yàn)，研究地下水位上升過(guò)程土體的變形破壞特征，分析了滑坡流滑的形成機(jī)理；通過(guò)飽和黃土與黏土的環(huán)剪試驗(yàn)、滑坡穩(wěn)定性計(jì)算，分析了滑動(dòng)型滑坡的形成機(jī)理。

1 滑坡概況

1.1 地質(zhì)環(huán)境背景

水塘村滑坡位于四川省與云南省交界的金沙江左岸巧家段的寧南縣華彈鎮(zhèn)北部(圖1)，東距金沙江約2.5 km?；聟^(qū)地處金沙江三級(jí)階地[3,18]，地勢(shì)總體由西北向東南傾斜，相對(duì)高差約150 m，坡度約9°～14°?；聟^(qū)地層自上而下為：(1) 黃土：上部呈非飽和狀態(tài)，褐色、黃褐色，土體疏松多孔，成分以粉粒為主，含少量鈣質(zhì)結(jié)核，厚14～19 m；下部處于飽和狀態(tài)，褐紅色，含鈣質(zhì)結(jié)核，厚5～9 m；底部為鈣質(zhì)結(jié)核層，鈣質(zhì)結(jié)核富集，呈不規(guī)則狀，厚1 m；(2) 沖積層：上部為黏土層，暗紅色，結(jié)構(gòu)致密，厚1～2 m；下部為砂卵石層。

圖1 四川寧南水塘村滑坡地理位置圖Fig.1 Location of Shuitang Village Landslide

研究區(qū)為亞熱帶濕潤(rùn)季風(fēng)氣候，干濕分明。年降雨量600～1 000 mm，5～10月為雨季，降雨量占全年90%以上。因農(nóng)業(yè)需求，當(dāng)?shù)鼐用衲昃喔却螖?shù)達(dá)8～10次，多集中在夏季?；聟^(qū)內(nèi)由于沖積層上部的黏土層透水性差，在上部黃土層形成上層滯水，主要由農(nóng)田灌溉與大氣降水補(bǔ)給，受土體性質(zhì)、地形坡度變化等控制，地下水呈西北高東南低趨勢(shì)變化，水位埋深13～18 m。

1.2 滑坡特征

圖2 水塘村滑坡特征Fig.2 The features of the Shuitang Village Landslide

圖3 水塘村滑坡平面示意圖Fig.3 Planar map of the Shuitang Village Landslide

經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查及當(dāng)?shù)鼐用衩枋?，水塘村滑坡共發(fā)生過(guò)三次滑坡，每次滑坡呈現(xiàn)出不同特征(圖2、圖3)。第一次滑坡發(fā)生在1975年8月的一個(gè)夜晚，為流滑型。滑坡面積約5×104m2、平均厚度24 m，滑坡體積約1.20×106m3(圖3、圖4)。當(dāng)?shù)鼐用衩枋龌掳l(fā)生當(dāng)晚聽(tīng)到似流水聲音，第二天發(fā)現(xiàn)滑體像流體一樣。圖2 (a)中紅色區(qū)域?yàn)槲磾_動(dòng)的原狀土體，滑坡土體沿其兩側(cè)向下流動(dòng)至坡底沖溝。結(jié)合滑前1∶5萬(wàn)的地形圖，可以看出，未擾動(dòng)土體兩側(cè)各發(fā)育一沖溝，右側(cè)沖溝切割深度超過(guò)10 m，致使沖溝及其兩側(cè)土體結(jié)構(gòu)松散，且構(gòu)成了滑坡的臨空面。滑體物質(zhì)組成主要為黃土，前緣近沖溝側(cè)夾少量砂卵石。這些特點(diǎn)說(shuō)明滑坡發(fā)生在黃土層內(nèi)，由于含水量較高，發(fā)生流滑破壞。

第二次滑坡發(fā)生于1995年9月9日，為滑動(dòng)型滑坡?；w沿后壁垂直下錯(cuò)10 m(圖2 e)，滑坡后壁至堆積體前緣長(zhǎng)350 m，寬約180 m，滑體體積約1.40×106m3?；w物質(zhì)組成主要為黃土，夾較多鈣質(zhì)結(jié)核及少許黏土(圖2 d)，推測(cè)滑體主要沿鈣質(zhì)結(jié)核層下部的黏土層發(fā)生滑動(dòng)。

圖4 1975年水塘村滑坡剖面圖Fig.4 Simplified longitudinal profile of the Shuitang Village Landslide in 19751—黃土；2—鈣質(zhì)結(jié)核層；3—黏土；4—砂卵石層；5—滑坡堆積體；6—推測(cè)水位線；7—堆積體復(fù)活區(qū)。

2016年9月21日發(fā)生了第三次滑坡，根據(jù)滑坡滑后的形態(tài)特征可分為圖3所示的A、B、C 三部分。圖3中的A區(qū)為流滑型滑坡源區(qū)及其堆積區(qū)，B區(qū)為滑動(dòng)型滑坡區(qū)，位于A、B前部的C區(qū)為已有滑坡堆積物受本次流滑和滑動(dòng)擠壓影響而形成的堆積體復(fù)活區(qū)。A區(qū)滑坡后壁在平面上呈內(nèi)凹型，具有上陡下緩的剖面形態(tài)特征，平均坡度約55°；黏土層之上形成上層滯水，最高水位距坡頂13.6 m，大量地下水從后壁中下部滲出(圖2 b)；后壁至滑坡堆積體前緣約260 m，滑坡源區(qū)面積約2 200 m2，滑坡體積約5.5×104m3，發(fā)生在黃土層內(nèi)；滑坡堆積物為黃土夾少量鈣質(zhì)結(jié)核，結(jié)構(gòu)松散，呈流態(tài)化特征。B區(qū)為1995年滑坡的部分復(fù)活，其地下水位埋深相對(duì)較深。從圖2 (e) 可以看出，滑體順原滑坡后壁垂直下滑了8 m，滑體在剪出口因推擠而隆起，而前緣部分土體繼續(xù)向前滑動(dòng)約30 m，堆積在之前的堆積體上?；露逊e體中除黃土外，含有較多的鈣質(zhì)結(jié)核與少量黏土，該滑坡應(yīng)為滑體沿黏土層發(fā)生滑動(dòng)。A區(qū)的流滑和B區(qū)的滑動(dòng)對(duì)已有滑坡堆積體形成擠壓發(fā)生復(fù)活，后部主要表現(xiàn)為大量的橫向裂縫、局部隆起等變形特征，東部地形較陡處形成泥流。

基于以上分析，建立了該滑坡的概化地質(zhì)模型(圖5)。

圖5 2016年滑坡概化地質(zhì)模型Fig.5 Generalized geological model of the landslide occurring in 2016

1.3 滑坡土體的物理性質(zhì)

滑坡主要為黃土(包括其下部的鈣質(zhì)結(jié)核層)及沖洪積黏土層。從宏觀特征上，滑坡及鄰區(qū)黃土成厚層連續(xù)分布，無(wú)層理，含鈣質(zhì)結(jié)核并在底部形成鈣質(zhì)結(jié)核層(圖6)，披覆于沖洪積階地之上[3]。土體疏松多孔，落水洞發(fā)育(圖2 c)。沿滑坡后壁不同深度取原狀和擾動(dòng)土樣開(kāi)展室內(nèi)實(shí)驗(yàn)(圖2 b)。采用激光粒度儀進(jìn)行粒度分析，結(jié)果表明，粒組成分以粉粒為主，占67.3%～84.0%，黏粒含量占15.3%～27.9%。與西北地區(qū)典型黃土[15，19-20]進(jìn)行比較(圖7)，具有相似的粒度組成；XRD測(cè)試結(jié)果表明，其礦物成分主要有石英、長(zhǎng)石、方解石、白云石等，黏粒礦物主要為伊利石和蒙脫石，含少量高嶺石、綠泥石，與典型黃土[19]一致。位于鈣質(zhì)結(jié)核層下部的沖積黏土層的黏粒含量比黃土層高10%～22%。采用光釋光測(cè)年法(OSL)測(cè)得黏土層之上不同深度的黃土年齡見(jiàn)表1，形成于晚更新世，與文獻(xiàn)[3]基本一致，為晚更新世黃土。

土的基本物理性質(zhì)指標(biāo)如表2所示?？梢钥闯觯S深度的增加，土體含水率增大，干密度增加，孔隙比降低；黏土層結(jié)構(gòu)致密，干密度高達(dá)1.9 g/cm3。此外，通過(guò)變水頭滲透試驗(yàn)測(cè)得的垂向滲透系數(shù)結(jié)果表明，隨埋深的增加，滲透系數(shù)逐漸減小，黏土層滲透系數(shù)與黃土相差兩個(gè)數(shù)量級(jí)。正是黏土層滲透性差，形成了相對(duì)隔水層，在降雨與灌溉入滲條件下在黏土層之上的黃土層中形成了上層滯水。

圖6 鈣質(zhì)結(jié)核層Fig.6 Calcareous concretions layer

圖7 不同地區(qū)黃土粒度分布曲線對(duì)比圖Fig.7 Comparison of PSD of loess in from different areas

表1 不同深度黃土的光釋光測(cè)年結(jié)果

表2 土的基本物性指標(biāo)

2 滑坡流滑機(jī)理

飽和黃土的變形破壞特征是流滑發(fā)生的內(nèi)在原因。BRAND[11]提出降雨誘發(fā)滑坡的實(shí)際應(yīng)力路徑為總應(yīng)力不變，孔壓逐漸增大的破壞過(guò)程，即偏應(yīng)力q不變，有效應(yīng)力p′ 減小。灌溉導(dǎo)致地下水位上升的過(guò)程亦是如此。因此，通過(guò)開(kāi)展等壓固結(jié)不排水(ICU)試驗(yàn)與常剪應(yīng)力排水剪(CQD)試驗(yàn)，模擬地下水位上升過(guò)程中土體的變形破壞規(guī)律。

試樣采用埋深9.3 m的原狀土，將試樣制成直徑50 mm、高100 mm的圓柱體，飽和時(shí)先進(jìn)行2 h的CO2充氣，再進(jìn)行反壓飽和，當(dāng)孔壓系數(shù)B值大于0.95時(shí)，認(rèn)為試樣達(dá)到飽和。對(duì)于ICU試驗(yàn)，飽和后保持反壓不變，對(duì)試樣分別按有效圍壓 (σ3′) 為50 kPa、100 kPa、200 kPa、400 kPa進(jìn)行等壓固結(jié)，固結(jié)完成后按軸向應(yīng)變速率0.07 mm/min進(jìn)行不排水剪切。對(duì)于CQD試驗(yàn)，飽和后先進(jìn)行等壓固結(jié)，再按照Kc為2(即σ′1=2σ′3)線性增加軸壓進(jìn)行偏壓固結(jié)，固結(jié)后保持試樣總應(yīng)力不變，以4 kPa/h的速率線性增大反壓，直到試樣破壞。

2.1 等壓固結(jié)不排水剪試驗(yàn)(ICU)

等壓固結(jié)不排水剪試驗(yàn)結(jié)果如圖8所示?？梢钥闯?，試樣在軸向應(yīng)變?yōu)?.49%～1.57%時(shí)達(dá)到峰值，之后強(qiáng)度降低，隨應(yīng)變的增加逐漸趨于穩(wěn)定(圖8 a)，表現(xiàn)出明顯的應(yīng)變軟化特征。試樣內(nèi)的超孔隙水壓力在小應(yīng)變條件下急劇上升，然后隨變形的增加逐漸趨于穩(wěn)定，一般能達(dá)到固結(jié)壓力的70%～80%(圖8 b)。圖8 c 為試樣的有效應(yīng)力路徑，可以看出，隨著變形的增加，平均有效應(yīng)力逐漸減小，并趨向破壞線。試驗(yàn)結(jié)果表明，飽和黃土具有靜態(tài)液化特性。

圖8 等壓固結(jié)不排水剪試驗(yàn)結(jié)果Fig.8 Results of ICU tests

2.2 常剪應(yīng)力排水剪試驗(yàn)(CQD)

常剪應(yīng)力排水剪試驗(yàn)結(jié)果如圖9所示，可以看出，初始階段，隨著孔隙水壓力的增大，平均有效應(yīng)力不斷減小，相當(dāng)長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)，軸向應(yīng)變與孔隙比增加非常緩慢，偏應(yīng)力基本不變，在軸向應(yīng)變達(dá)到0.5%時(shí)，軸向應(yīng)變急劇增加，孔隙比減小，偏應(yīng)力突然降低，土體破壞，應(yīng)力路徑逐漸向穩(wěn)態(tài)線靠近，最終達(dá)到穩(wěn)定。

初始應(yīng)力狀態(tài)相對(duì)穩(wěn)態(tài)線的位置是判別土體是否具有液化特征的重要依據(jù)[21-22]。由ICU試驗(yàn)結(jié)果得到的穩(wěn)態(tài)線，與CQD應(yīng)力路徑進(jìn)行對(duì)比，如圖9 c所示，可以看出，原狀黃土的初始e、p′ 位于穩(wěn)態(tài)線的上方，說(shuō)明該應(yīng)力狀態(tài)的土具有液化潛勢(shì)，當(dāng)孔壓增大到某一臨界值時(shí)，會(huì)發(fā)生靜態(tài)液化。

滑坡發(fā)生前，正值灌溉期與集中降雨期。因種植蔬菜、桑樹(shù)等作物，夏秋季節(jié)需要大量澆灌。由于黃土層底部為滲透性差的黏土層，在降雨和灌溉作用下，地表水下滲至黏土層停滯在黃土層底部形成上層滯水，且水位不斷上升。研究區(qū)1981～2016年的年均降雨量為750 mm，2016年的年降雨量達(dá)1 284.2 mm，為36年來(lái)最高(圖10 a)[23]。其中，2016年6月降雨量約400 mm，9月降雨量約236 mm，是同期月均降雨量的兩倍多(圖10 b)?；潞蟊诩爸?chē)l(fā)育的落水洞(圖2 c)為地表水的入滲提供了優(yōu)勢(shì)通道[24]。

在灌溉與降雨作用下，上部非飽和黃土含水量增加，基質(zhì)吸力減??；地表水的大量入滲導(dǎo)致地下水位上升，孔隙水壓力增大，潛在破壞面土體發(fā)生常剪應(yīng)力排水剪切破壞，短時(shí)間內(nèi)孔隙水來(lái)不及完全排泄，形成超孔壓，當(dāng)孔壓增大到臨界值時(shí)，荷載從土骨架完全轉(zhuǎn)移到孔隙水，有效應(yīng)力急劇降低，土體發(fā)生不排水剪切，造成靜態(tài)液化，形成了流滑破壞。

圖10 研究區(qū)降雨量分布圖Fig.10 Mean monthly precipitation in the study area

3 滑動(dòng)型滑坡機(jī)理

B區(qū)為老滑坡的復(fù)活，灌溉水與降雨沿滑體及其后壁裂縫下滲，造成滑帶土的抗剪強(qiáng)度降低，進(jìn)而影響老滑坡的穩(wěn)定性。B區(qū)的老滑坡復(fù)活主要受滑帶土，包括后部黃土滑帶土和發(fā)育于黏土層的滑帶土的殘余強(qiáng)度特性、滑坡體內(nèi)地下水位的影響[25-26]。

3.1 土體殘余強(qiáng)度試驗(yàn)

采用DTA-138型環(huán)剪儀，分別對(duì)飽和黃土及黏土開(kāi)展大位移剪切試驗(yàn)。試樣的內(nèi)外環(huán)直徑分別為100 mm、150 mm，試樣高度為20 mm。黃土采用飽和原狀樣，按照50 kPa、100 kPa、200 kPa和400 kPa的法向應(yīng)力進(jìn)行固結(jié)；黏土采用飽和重塑樣，干密度控制在1.9 g/cm3，與原狀土的干密度一致，法向應(yīng)力分別為75 kPa、150 kPa、300 kPa和600 kPa。固結(jié)完成后保持法向應(yīng)力不變，以1 mm/min的剪切速率剪切，直到剪切強(qiáng)度趨于穩(wěn)定，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖11。

圖11 環(huán)剪試驗(yàn)結(jié)果Fig.11 Results of ring shear tests

黃土的殘余強(qiáng)度參數(shù)為cr=6.69 kPa、φr=19.06°，黏土的殘余強(qiáng)度參數(shù)為cr=8.77 kPa、φr=13.64°?？梢钥闯?，由于黏土的黏粒含量較高，飽和黃土的殘余黏聚力略小于黏土，但其殘余內(nèi)摩擦角顯著高于黏土。

3.2 穩(wěn)定性分析

采用Morgenstern-Price方法，選取B區(qū)復(fù)活前的地形剖面為計(jì)算剖面(圖5 b)，根據(jù)環(huán)剪試驗(yàn)結(jié)果確定滑帶的強(qiáng)度參數(shù)，計(jì)算參數(shù)見(jiàn)表3。地下水位根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查結(jié)果確定(圖12 a)。計(jì)算結(jié)果表明，在該水位條件下滑坡的穩(wěn)定性系數(shù)為0.986(圖12 a)，與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況相符。為了檢驗(yàn)地下水對(duì)滑坡穩(wěn)定性的影響，對(duì)無(wú)地下水條件下老滑坡的穩(wěn)定性進(jìn)行了計(jì)算，穩(wěn)定性系數(shù)由0.986提高到1.313(圖12 b)，說(shuō)明地下水的存在顯著降低了滑坡的穩(wěn)定性。

表3 穩(wěn)定性計(jì)算土體參數(shù)

圖12 穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果Fig.12 Results of stability analyses

現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查結(jié)果表明，B區(qū)為滑動(dòng)型滑坡，且為老滑坡的復(fù)活。1995年滑坡沿黏土層發(fā)生滑動(dòng)后，由于灌溉與持續(xù)降雨使滑坡體內(nèi)含水量增加，黏土層上部的地下水位上升，造成了滑坡體的復(fù)活。

4 結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)四川寧南水塘村滑坡進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查、室內(nèi)試驗(yàn)及穩(wěn)定性分析，分析探討了該滑坡的滑動(dòng)特征及形成機(jī)理，得出以下結(jié)論：

(1)水塘村滑坡具有原地復(fù)發(fā)與機(jī)制復(fù)雜的特點(diǎn)，在同一斜坡發(fā)生了三次滑坡，且滑動(dòng)特征明顯不同。2016年的滑坡包括流滑和老滑坡復(fù)活滑動(dòng)兩部分，并且引發(fā)了滑坡前緣的老滑坡堆積體的復(fù)活。

(2)農(nóng)業(yè)灌溉與持續(xù)降雨是水塘村滑坡發(fā)生的誘發(fā)因素。對(duì)于流滑型滑坡，地表水的入滲造成地下水位上升，土體中孔隙水壓力增大，當(dāng)孔壓增大到臨界值時(shí)，飽和黃土發(fā)生靜態(tài)液化，從而導(dǎo)致流滑的發(fā)生。

(3)滑動(dòng)型滑坡為老滑坡的復(fù)活。強(qiáng)降水的入滲造成黏土層上部地下水位抬升，造成老滑坡順黏土層發(fā)生復(fù)活。