黃土滑坡成因機(jī)制分析及穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

王強(qiáng)基

（甘肅省地礦局第四地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院，甘肅 酒泉 735000）

0 引言

黃土滑坡在我國分布較廣，且具有一定的特殊性，因此，開展其針對(duì)性研究具有重要意義[1-3]。目前，穆青翼等[4]對(duì)互層黃土滑坡進(jìn)行穩(wěn)定性分析；常波等[5]通過試驗(yàn)研究了黃土滑坡滑帶土的力學(xué)特征；李陽等[6]分析了黃土滑坡的影響因素；張抒等[7]利用數(shù)值模擬開展黃土滑坡預(yù)警模型研究。

雖然上述研究取得了相應(yīng)成果，但是均未系統(tǒng)地分析黃土滑坡成因機(jī)制及其穩(wěn)定性特征，由于不同滑坡所處地質(zhì)條件存在一定的差異，因此有必要進(jìn)一步對(duì)這兩個(gè)方面進(jìn)行研究。

綜上所述，該文以某巨型黃土滑坡為工程背景，在介紹滑坡地質(zhì)環(huán)境及發(fā)育特征的基礎(chǔ)上，先開展其成因機(jī)制分析，并利用數(shù)值模擬評(píng)價(jià)滑坡穩(wěn)定性，以期為其防治提供一定的理論指導(dǎo)。

1 工程概況

1.1 項(xiàng)目區(qū)地質(zhì)環(huán)境條件

結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查成果，將項(xiàng)目區(qū)周邊地質(zhì)條件如下。

1.1.1 地形地貌條件

項(xiàng)目區(qū)周邊地貌類型主要可劃分為2 類，即黃土丘陵地貌和河谷地貌。①黃土丘陵地貌。該類型地貌分布高程為1250m~1750m，斜坡自然坡度為15°~45°，局部可達(dá)60°，發(fā)育有較多“V”形河谷、陡崖、和落水洞等微地貌，整體地形起伏較大，水土流失也較為嚴(yán)重。②河谷地貌。該類型地貌分布高程為1110m~1200m，最大高差僅50m，起伏較小，較為平坦。

1.1.2 地層巖性條件

在項(xiàng)目區(qū)，下覆基巖主要為新近系泥巖，以棕紅色、褐紅色為主，強(qiáng)風(fēng)化~中風(fēng)化，其中，強(qiáng)風(fēng)化層厚度為5 m~16 m，巖芯形態(tài)多具短柱狀，節(jié)理裂隙較發(fā)育，完整性相對(duì)較差；中風(fēng)化層厚度為6 m~10 m，巖芯可呈長柱狀，局部保留原巖結(jié)構(gòu)，力學(xué)強(qiáng)度較高，完整性相對(duì)較好。

第四系地層主要為黃土、黃土狀土，前者巖性主要為粉土，淺黃色，結(jié)構(gòu)松散，降雨易入滲，垂直節(jié)理較發(fā)育；后者主要是黃土經(jīng)過二次搬運(yùn)后堆積而成，力學(xué)強(qiáng)度較低，一般較薄，土質(zhì)疏松。

1.1.3 地質(zhì)構(gòu)造條件

項(xiàng)目區(qū)歷經(jīng)多次構(gòu)造，構(gòu)造線主要為NWW 向，其中，離該文實(shí)例最近的構(gòu)造為某背斜構(gòu)造，最小距離約35 km；由于構(gòu)造發(fā)育，對(duì)區(qū)內(nèi)地層結(jié)構(gòu)具有較大的影響，主要表現(xiàn)為地層結(jié)構(gòu)面發(fā)育，完整性變差，力學(xué)性質(zhì)變?nèi)酢?/p>

1.1.4 水文條件

項(xiàng)目區(qū)附近未見明顯地表水體。地下水主要為孔隙、裂隙水。前者又可細(xì)分為黃土潛水和溝谷潛水，其中，黃土潛水存在于黃土孔隙中，礦化度為0.65g/l~1.21g/l；溝谷潛水主要位于沖溝內(nèi)地層孔隙中，水質(zhì)一般較差，礦化度為1.15g/l~1.55g/l。后者主要存在于基巖裂隙中，由于泥巖屬相對(duì)隔水層，一般來說，這類地下水的水量較為匱乏，水質(zhì)也較差，因此難以滿足生活用水的要求。

1.1.5 人類工程活動(dòng)條件

滑坡區(qū)范圍內(nèi)的人類工程活動(dòng)較為強(qiáng)烈，活動(dòng)類型主要為農(nóng)業(yè)耕種、房屋建設(shè)等，其中，在農(nóng)業(yè)耕種過程中，除改變?cè)嫉乇硇螒B(tài)外，還存在顯著的灌溉特征；房屋修建主要形成了規(guī)模不一樣的邊坡。

1.2 滑坡發(fā)育特征

1.2.1 滑坡形態(tài)、結(jié)構(gòu)特征

滑坡平面呈“簸箕”狀，主滑方向?yàn)?85°，后緣以Ⅳ級(jí)階地陡坎處為界，前緣直抵Ⅱ級(jí)階地，左、右兩側(cè)以山脊為界，邊界特征清晰。

滑坡前、后緣高程分別為1115m 和1553m，高差438m，縱向長度約1600m，橫向?qū)挾燃s1100m，厚度為20m~30m，最大厚度可達(dá)40m，體積約4000×104m3，屬巨型黃土滑坡。滑坡區(qū)地表也具陡緩起伏特征，其中，后緣相對(duì)較陡，坡度可達(dá)55°~67°，局部還近似直立；前緣相對(duì)較緩，坡度為22°~35°。

根據(jù)鉆探成果，滑坡土體結(jié)構(gòu)特征如下：①滑體。巖性主要為離石黃土、馬蘭黃土，局部夾雜少量碎塊石，厚度為20m~30m，最大厚度可達(dá)40m；土體結(jié)構(gòu)較為松散，存在較大孔隙，潮濕，結(jié)構(gòu)裂隙較為發(fā)育。②滑帶?；瑤е饕挥诨步缑?，傾角為17°~22°，近似圓弧狀，剪出口位于坡腳；滑帶土巖性主要為粉土夾粉質(zhì)黏土，厚度20cm~35cm，含有細(xì)小礫石，磨圓度較優(yōu)。③滑床?；矠樾陆祷鶐r，其巖性特征已在前面的地層巖性中介紹，不再贅述。

滑坡主滑剖面的結(jié)構(gòu)特征示意如圖1 所示。

圖1 滑坡主滑剖面示意圖

1.2.2 滑坡區(qū)地下水特征

在滑坡區(qū)內(nèi)可見一處明顯泉眼，泉眼主要賦存于Ⅳ級(jí)階地地層中，接受大氣降雨補(bǔ)給，水量受季節(jié)性變化較大；在鉆孔過程中，未揭露地下水，因此，推遲滑坡體內(nèi)地下水富集較為集中。

1.2.3 滑坡歷史發(fā)育特征

根據(jù)調(diào)查，該滑坡最早在1920 年出現(xiàn)過裂縫，其成因是地震；在1965 年、1986 年暴雨期間，裂縫有進(jìn)一步擴(kuò)展的特征；進(jìn)入90 年代后，坡體表層常在雨季出現(xiàn)規(guī)模不一的裂縫，多數(shù)可自動(dòng)愈合，但是部分也具有逐年擴(kuò)展特征，尤其是在 2019 年，連續(xù)降雨使滑坡局部出現(xiàn)垮塌，導(dǎo)致房屋垮塌，造成嚴(yán)重威脅。

在滑坡形成歷史上，據(jù)記載的特征裂縫主要為6 條，裂縫特征如下。

裂縫1：延伸長度約105 m，寬度為10~20 cm，可見深度約1.3 m，下錯(cuò)高度約40 cm。

裂縫2：延伸長度約212 m，寬度為8~35 cm，可見深度約0.8 m，下錯(cuò)高度約28cm。

裂縫3：延伸長度約76 m，寬度為20~43cm，可見深度約1.7m，下錯(cuò)高度約20cm。

裂縫4：延伸長度約85m，寬度為16~28cm，可見深度約0.4m，下錯(cuò)高度約18cm。

裂縫5：延伸長度約120m，寬度為22~35cm，可見深度約0.6m，下錯(cuò)高度約25cm。

裂縫6：延伸長度約100 m，寬度為20~40cm，可見深度約0.4m，下錯(cuò)高度約35cm。

綜上所述，充分說明該滑坡的歷史發(fā)育特征顯著。

1.2.4 滑坡現(xiàn)狀特征

目前，滑坡地表的變形特征顯著，變形跡象主要為裂縫、洼地和落水洞等，其中，最大落水洞直徑可達(dá)4 m；同時(shí)，區(qū)內(nèi)居民生產(chǎn)生活仍舊正常進(jìn)行，主要威脅302 戶1540 余人，潛在威脅巨大。

綜合來說，現(xiàn)狀條件下，滑坡穩(wěn)定性相對(duì)較差，存在較大的失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)，危險(xiǎn)性較大。

2 成因機(jī)制分析

綜上所述，該文實(shí)例滑坡屬于典型的黃土滑坡，結(jié)合其地質(zhì)條件，將其成因分析如下。

2.1 降雨成因

降雨時(shí)滑坡變形失穩(wěn)的主要誘因，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，滑坡區(qū)多年平均降雨量為654.15 mm，主要集中于5—9 月，這期間降雨可占年降雨量的77.5%，尤其在7—8 月，這兩個(gè)月的降雨量就占全年的40.5%，因此說明滑坡區(qū)具豐富的降雨量，且強(qiáng)降雨特征顯著。

一方面，降雨會(huì)滲入土體中，提高土體自重，進(jìn)而增加下滑力，并會(huì)減弱土體抗剪參數(shù)，也會(huì)減弱滑坡抗滑力。另一方面，降雨會(huì)沿裂隙入滲至坡體內(nèi)部，會(huì)造成坡體結(jié)構(gòu)裂隙進(jìn)一步擴(kuò)展，減少滑坡完整性。

2.2 地形地貌

成因滑坡地表具有陡緩變化特征，在坡肩縱向節(jié)理發(fā)育基礎(chǔ)上，易出現(xiàn)局部垮塌變形，如此往復(fù)，會(huì)造成滑坡淺表層土體極不穩(wěn)定，一定程度上影響滑坡整體穩(wěn)定性。

2.3 坡體結(jié)構(gòu)成因

由于該滑坡是黃土滑坡，易形成豎向節(jié)理，且黃土雨水易形成微觀裂隙，因此，該滑坡體內(nèi)部結(jié)構(gòu)較為脆弱，完整性較差，這會(huì)嚴(yán)重影響滑坡的整體穩(wěn)定性。

2.4 前緣侵蝕成因

該滑坡前緣河流發(fā)育，其會(huì)長期侵蝕滑坡前緣坡體，形成陡坎。一方面，陡坎自穩(wěn)能力有限，易出現(xiàn)局部垮塌；另一方面，由于河流不斷侵蝕，使前緣土體逐步減少，減弱了前緣抗滑力；綜合這兩個(gè)方面，極大程度地減弱了滑坡自穩(wěn)能力。

2.5 人類工程活動(dòng)成因

該滑坡地表居民分布較多，一方面，房屋修建等會(huì)在一定程度上改變地表形態(tài)，有利于降雨入滲；另一方面，灌溉、生活用水等會(huì)長期滲入土體，即會(huì)長期影響土體自穩(wěn)能力。

2.6 地震成因

由于地震發(fā)生時(shí)會(huì)在坡體內(nèi)引起地震力，將會(huì)改變坡體內(nèi)的應(yīng)力分布，產(chǎn)生新的結(jié)構(gòu)面，減弱土體完整性；地震在造成土體松動(dòng)的基礎(chǔ)上，局部高陡邊坡可能出現(xiàn)局部失穩(wěn)的情況。

黃土滑坡的成因相對(duì)較多，各類成因并不是單一作用使滑坡形成，是上述所有因素綜合作用導(dǎo)致滑坡變形，甚至失穩(wěn)。

3 滑坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

綜上所述，滑坡潛在威脅較大，因此，對(duì)其穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)價(jià)具有重要的意義?？紤]到該滑坡地層結(jié)構(gòu)、規(guī)模均較為復(fù)雜，提出利用數(shù)值模擬開展滑坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)。

3.1 評(píng)價(jià)方法及工況設(shè)計(jì)

3.1.1 評(píng)價(jià)方法

在該文數(shù)值模型的穩(wěn)定性計(jì)算模塊中，穩(wěn)定性評(píng)價(jià)方法主要包括M-P 法和Bishop 法，其中，M-P 法在不同類土質(zhì)滑坡中均有較好的適用性，由于其考慮了力矩及力的平衡，可沿任意滑面開展穩(wěn)定性計(jì)算；Bishop 法同樣適用于不同類土質(zhì)滑坡，雖然可以自動(dòng)搜索最危險(xiǎn)滑面，但是對(duì)滑面要求為圓弧狀。由于上述2 種方法各有優(yōu)勢(shì)，因此，提出利用這兩種方法分別開展滑坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)。

通過軟件模擬可計(jì)算得到滑坡穩(wěn)定系數(shù)Fs，利用其即可開展滑坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)：1）當(dāng)Fs小于1.0 時(shí)，滑坡處于失穩(wěn)狀態(tài)。2）當(dāng)Fs不小于1.0 且小于1.05 時(shí)，滑坡處于欠穩(wěn)定狀態(tài)。3）當(dāng)Fs不小于1.05 且小于1.15 時(shí)，滑坡處于基本穩(wěn)定狀態(tài)。4）當(dāng)Fs不小于1.15 時(shí)，滑坡處于穩(wěn)定狀態(tài)。

3.1.2 工況設(shè)計(jì)

根據(jù)第2 節(jié)成因分析可知，降雨和地震是該文實(shí)例滑坡成災(zāi)的重要誘因，因此，將穩(wěn)定性計(jì)算工況設(shè)置為3 類，即天然工況、暴雨工況和地震工況。

3.1.2.1 天然工況

從天然狀態(tài)角度出發(fā)，滑體、滑帶均采用天然狀態(tài)參數(shù)，且地下水也考慮低于滑帶時(shí)的狀態(tài)，并將該狀態(tài)下的滲流場(chǎng)作為初始滲流場(chǎng)。

3.1.2.2 暴雨工況

由于滑坡區(qū)降雨條件顯著，且降雨具強(qiáng)降雨特征，因此，將降雨工況又進(jìn)行細(xì)分，其中，降雨概率設(shè)置為10 年一遇和50 年一遇；降雨歷時(shí)設(shè)置為1h、6h、和12h。

結(jié)合降雨概率及降雨歷時(shí)，該文暴雨工況又細(xì)分為6 類子工況，見表1。

表1 暴雨工況條件下的子工況（單位：mm）

3.1.2.3 地震工況

在該工況計(jì)算過程中，主要是在坡體內(nèi)附加地震力，且一般只考慮水平地震力；結(jié)合滑坡區(qū)屬Ⅷ度區(qū)，因此其水平峰值加速度取0.25 g。

3.2 穩(wěn)定性評(píng)價(jià)結(jié)果分析

由于滑坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)工況有3 類，因此，在該節(jié)的評(píng)價(jià)過程中，也對(duì)各類工況進(jìn)行逐一分析。

3.2.1 天然工況條件下的穩(wěn)定性評(píng)價(jià)結(jié)果

通過計(jì)算，M-P 法計(jì)算得到的穩(wěn)定性系數(shù)為1.415，Bishop法計(jì)算得到的穩(wěn)定性系數(shù)為1.382，兩者均屬于穩(wěn)定狀態(tài)，相對(duì)來說，Bishop 法的穩(wěn)定性系數(shù)略小，說明其穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果更保守。

3.2.2 暴雨工況條件下的穩(wěn)定性評(píng)價(jià)結(jié)果

由于暴雨工況又細(xì)分了子工況，因此，對(duì)各子工況條件下的穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果均進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果見表2。根據(jù)表2，不同降雨概率、降雨歷時(shí)條件下的穩(wěn)定性系數(shù)存在明顯差異，其中，隨降雨歷時(shí)增加，穩(wěn)定性系數(shù)逐漸變小，1h~6h 的穩(wěn)定性系數(shù)為0.007~0.050，6h~12h 的穩(wěn)定性系數(shù)為0.080~0.104，可以看出，隨著降雨歷時(shí)增加，穩(wěn)定性系數(shù)的減少幅度逐漸增大。在相應(yīng)降雨歷時(shí)條件下50年一遇的穩(wěn)定性系數(shù)要小于10年一遇的穩(wěn)定性系數(shù)，這很好理解，隨著降雨量增加，滑坡穩(wěn)定性減弱，也進(jìn)一步說明降雨時(shí)滑坡失穩(wěn)的重要成因；在相同降雨歷時(shí)、降雨概率條件下，M-P 法的穩(wěn)定性系數(shù)也略大于Bishop 法的穩(wěn)定性系數(shù)，進(jìn)一步驗(yàn)證了后者相對(duì)更保守。

表2 暴雨工況的穩(wěn)定性系數(shù)

為進(jìn)一步掌握不同降雨歷時(shí)、降雨概率對(duì)滑坡穩(wěn)定性的影響程度，經(jīng)統(tǒng)計(jì)，在M-P 法計(jì)算結(jié)果中，50 年一遇降雨概率條件下的穩(wěn)定性與10 年一遇降雨概率條件下的穩(wěn)定性相比，1 h 降雨歷時(shí)情況下穩(wěn)定性系數(shù)減少1.39%，6 h 降雨歷時(shí)情況下穩(wěn)定性系數(shù)減少0.67%，12 h 降雨歷時(shí)情況下穩(wěn)定性系數(shù)減少1.52%，三者的變化差異相近；類比，在Bishop 法計(jì)算結(jié)果中，50 年一遇降雨概率條件下的穩(wěn)定性與10 年一遇降雨概率條件下的穩(wěn)定性相比，1 h 降雨歷時(shí)情況下穩(wěn)定性系數(shù)減少了3.35%，6 h 降雨歷時(shí)情況下穩(wěn)定性系數(shù)減少1.44%，12h降雨歷時(shí)情況下穩(wěn)定性系數(shù)減少1.29%，三者變化也不大，對(duì)比來說，Bishop 法的穩(wěn)定性系數(shù)減少幅度更大，這也進(jìn)一步說明Bishop 法的穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果更保守。

3.2.3 地震工況條件下的穩(wěn)定性評(píng)價(jià)結(jié)果

在地震工況條件下，到的穩(wěn)定性系數(shù)為1.025，Bishop 法計(jì)算得到的穩(wěn)定性系數(shù)為0.983，前者屬于欠穩(wěn)定狀態(tài)，后者屬于不穩(wěn)定狀態(tài)。

3.2.4 不同工況的穩(wěn)定性綜合對(duì)比

綜上所述，不同工況條件下的穩(wěn)定性系數(shù)存在較大的差異，對(duì)比而言，地震工況條件下的穩(wěn)定性系數(shù)相對(duì)最小，其次是暴雨工況和天然工況，說明地震工況是該滑坡的設(shè)計(jì)工況，且在該工況條件下存在較大的失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)。該滑坡設(shè)計(jì)工況不是暴雨工況的原因如下：該滑坡滑體厚度主要為20~30 m，最大厚度可達(dá)40 m，一般來說，降雨難以短時(shí)間滲入滑面，加之滑坡規(guī)模較大，附加地震力隨之較大，因此，該滑坡的設(shè)計(jì)工況才為地震工況，而不是暴雨工況。在該滑坡后續(xù)防治設(shè)計(jì)過程中，建議以地震工況進(jìn)行設(shè)計(jì)，并進(jìn)一步結(jié)合區(qū)內(nèi)氣象資料，增加降雨時(shí)長，設(shè)置合理校核工況。

4 結(jié)論

對(duì)黃土滑坡成因機(jī)制進(jìn)行分析，對(duì)其穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)價(jià)，主要得到以下3 個(gè)結(jié)論：1）黃土滑坡具有其特殊性，其致災(zāi)成因主要包括降雨、地形地貌、坡體結(jié)構(gòu)、前緣侵蝕、人類工程活動(dòng)及地震等，各類成因并非單一作用，是所有因素綜合作用導(dǎo)致滑坡變形，甚至失穩(wěn)。2）三類工況條件下的穩(wěn)定性系數(shù)存在較大差異，相比而言，地震工況條件下的穩(wěn)定性系數(shù)相對(duì)最小，其次是暴雨工況和天然工況，說明地震工況是該滑坡的設(shè)計(jì)工況，且在該工況條件下存在較大的失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)。因此，開展此滑坡防治研究顯得格外重要。3）通過該文研究，掌握滑坡成因及其穩(wěn)定狀態(tài)，可在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步研究滑坡防治措施，保障區(qū)內(nèi)居民的生命財(cái)產(chǎn)安全。