甘肃黑方台黄土滑坡地表水入渗机制初步研究*

亓　星　许　强　李　斌　彭大雷　周　飞

(地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室(成都理工大学)　成都　610059)



甘肃黑方台黄土滑坡地表水入渗机制初步研究*

亓星许强李斌彭大雷周飞

(地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室(成都理工大学)成都610059)

黑方台黄土底部的地下水对滑坡的发生起了重要作用，地下水的来源主要为台塬大面积灌溉，灌溉水通过孔隙、裂隙进入黄土内部并在底部向台塬四周渗出。通过探地雷达确认了台塬中部与台塬边同样发育大量裂隙延伸至黄土深部。根据灌水和开挖探槽可见裂隙为地表水的主要优势入渗通道，地表水可沿裂隙快速入渗至黄土深部。在台塬四周的陡壁和典型滑坡后壁取样测含水率发现黄土底部只有裂隙渗水点附近含水率较高，其余区域含水率增大不明显，黄土底部含水率大小分布受节理裂隙控制。

黑方台裂隙特征土体含水率入渗机制

0　引言

我国黄土分布面积广阔，其中黄河中游的黄土高原区成为世界黄土分布的典型地区，黄土厚度可达百米以上，最大厚度250～300m(乔平定等， 1990)。黄土沉积于整个第四纪时期，具有多层性、非均质性、各向异性的特点(李云峰， 1994)。甘肃省永靖县盐锅峡镇黑方台地处干旱少雨的西北黄土地区， 20世纪70年代由于水库修建使大量居民移居至黑方台上，并修建了多个引水灌溉点对整个台塬进行农业灌溉，长期灌溉使大量地表水进入黄土内部，造成黑方台大面积强烈湿陷，黄土底部土体含水率增大，抗剪强度明显降低，导致大规模的滑坡接连不断，并形成密集的滑坡群。

图1　黑方台全貌Fig. 1　Heifangtai panorama

对降雨和灌溉诱发的黄土滑坡，地表水入渗对滑坡稳定性起着重要的影响，如黑方台地区、泾阳南源地区等出现的大量黄土滑坡，都有水的参与。目前大量学者通过各类入渗试验进行了黄土的入渗研究(施德鸿等， 1985； 张之淦等， 1990； 李明香等， 2000； 詹良通等， 2003； 张士宇等， 2004； Tu et al.， 2009)，通过入渗试验发现地表水在完整黄土中入渗深度有限，水分如何通过巨厚的黄土层到达黄土底部以及可能的优势入渗通道对滑坡的影响作用还不完全清楚，地表水在黄土中的入渗也成为地质灾害研究中的关键问题(彭建兵等， 2014)。黄土中一般具有大量的孔隙和裂隙，本文结合已有资料以及探地雷达数据，探讨了黑方台地表水进入台塬黄土内部的主要入渗方式，初步分析了黑方台地表水的入渗机制和地表水在优势裂隙通道中的快速下渗机理。

1　黑方台地质环境特征

黑方台地处湟水河与黄河交会口上游，包括黑台和方台两个台塬及其边坡，西起方台，东至黑台湟水桥头，南界为黄河北岸，北界为磨石沟(图1)。其台缘为黄河Ⅳ级阶地，台面地形平坦，东西长约10.7km，南北宽约1～3km，面积13.7km2。黑方台为八盘峡库区移民所在地，移民前基本无人居住，现台塬上已有多个村庄，人类活动较为活跃。区域内的地层近似水平，主要岩性由上往下分别为：Q3黄土，Q2粉质黏土，砂卵石层，砂质泥岩(Xu et al.，2014)。其中上层的Q3黄土呈东厚西薄的特征，厚度为26～48m； 粉质黏土厚度3～19m，砂卵石层厚度约1～6m，基岩顶面呈西高东低的特征 (图2)。

2　水在黄土中的入渗

地表水在完整黄土中入渗深度有限，对于入渗通道发育的地表水入渗过程前人做了大量研究，从黄土的节理分类(孙建中， 2005)、节理裂隙的特点(王恭先等， 2004)、水在节理裂隙中的入渗特征(王景明等， 1994； 赵英杰等， 1994； 李云峰， 1994； 李喜安等， 2010； 张建丰等， 2012； 张常亮等， 2014)以及黄土落水洞的发育过程(卢全中等， 2005)等方面进行了分析，当有节理裂隙等优势入渗通道存在时，地表水可快速进入黄土内部。

图4　探槽开挖裂隙对比Fig. 4　Comparison with trench excavation

图2　黑方台典型岩性剖面Fig. 2　Typical lithologic section in Heifangtai

黑方台区域内无构造运动，是由冲积层和风积黄土组成的黄土台塬，具有Q3黄土的典型特征，即大孔隙骨架结构，孔隙度一般为42%～55%，孔隙比可达0.8～1.2(王永焱等， 1990)，厚度达数十米。台塬除发育一般原生节理裂隙和卸荷裂隙外，塬边还发育有拉张和剪切裂隙，塬面内也多发育湿陷裂隙。现台塬每年平均灌溉量超过500×104m3(张茂省， 2013)，当地表水通过入渗通道进入黄土底部后由于相对隔水的粉质黏土层阻挡而产生阻滞，形成较快的横向渗透速率从塬边渗出，饱和底部黄土并降低其抗剪强度诱发滑坡。

3　黑方台裂隙特征

黑方台台塬的黄土厚度大，节理裂隙发育，现有研究主要认为台塬节理裂隙分布呈中间少，塬边多的特征，主要的孔隙、裂隙和溶洞等均发育在台塬边，而灌溉集中的台塬中间孔隙、孔洞等大体积通道数量比台塬边少，通过孔洞进入土体深部的地表水较少。

图3　探地雷达影像数据(左为台塬中部，右为台塬边)Fig. 3　Ground penetrating radar image data

对于巨厚层的黄土，为研究黄土内部裂隙的分布，采用探地雷达探测地下裂隙发育情况具有较大的优势。目前SIR-20探地雷达在隧道开挖过程中应用较多(王正成等， 2005)，对地下结构面和裂隙等具有较好的探测效果，因此采用了SIR-20探地雷达对黑台台塬中部和台塬北部塬边两区域内进行了物探，参考这类地质探测中雷达天线的频率，综合黄土地区场地特征和探测深度要求，中心天线频率选用100MHz天线，能有效兼顾黄土深度和裂隙大小的精度。

物探点分别位于黑台台塬中部和台塬北侧陈家2#滑坡后缘，面积为25m×50m，表面无宏观孔洞和大裂隙。雷达探测有效深度为15m，通过雷达获得典型剖面数据处理后的影像(图3)。

据探地雷达数据可见，黑台黄土为均质土层，表层1m范围内影像起伏明显，虽然探测区域内没有落水洞、土洞等大通道，但黄土中存在了大量的孔隙和裂隙，部分裂隙发育超探地雷达的有效探测深度。对比台塬中部和台塬边裂隙可见，黑方台台塬中部裂隙发育比台塬边更少，这与塬边卸荷应力作用产生更多裂隙有关。

4　现场灌溉试验

为研究黑方台裂隙对地表水入渗的影响，明确地表灌溉水究竟以何种主要方式补给地下水，笔者选择了黑台北侧磨石沟右岸陈家2#滑坡后缘探地雷达探测区域进行灌水试验，随后开挖探槽观测裂隙的渗水特征并验证探地雷达的探测准确性。

陈家2#滑坡后缘地层由上往下为38m厚Q3黄土， 7m厚Q2粉质黏土， 3m厚砂卵石层，表层为耕地，附近耕地两个月未进行灌溉和浇水，地表干燥。灌溉区域最近距滑坡后缘45m，为4m×22m农田，采用水渠引水方式进行灌溉，灌溉至平均浸水高度为10cm后停止引水，待其自然入渗。2014年10月6日下午和10月7日上午各引水灌溉一次，两次灌溉量相等，总灌溉量约105.6m3。10月7日下午开挖探槽，探槽从滑坡后缘开始纵向开挖至灌溉耕地内，其中，物探区域内探槽长20m，平均深度3.5m，最大深度4m。

探槽开挖后可见探槽纵向范围内分布有多条横向裂隙，贯穿整个探槽。探槽内裂隙密度，平均间隔不足5m，裂隙发育特征与探槽开挖得到的实际数据对比虽然个别有偏差，但主要裂隙特征和位置解译结果与实际裂隙发育基本一致 (图4)，说明探地雷达获得的黄土深部裂隙信息是可靠的。

开挖探槽后在探槽侧壁从离灌溉区0m， 5m， 10m 3处位置由上至下取样测定含水率，并在灌溉区开挖出的裂隙中由上至下取样测定裂隙中土体含水率(图5)。

图5　灌溉区域含水率值Fig. 5　Water content value in irrigation area

由图5 可见离灌区越远表层土体含水率越小，灌区内土体含水率随深度增加而减小，逐渐与非灌区深部土体含水率一致，短时灌溉的渗透作用影响范围很有限。根据台塬灌水试验(武彩霞等， 2011)得到的黄土饱和渗透系数计算， 18h的土体入渗深度仅为0.37m，可见黄土渗透入渗速度非常缓慢，而现场由于表层有较多的浅部裂隙，地表水渗入超过2m后土体含水率才明显减小，裂隙的导水作用非常明显。

探槽开挖可见，黄土中土体裂隙大致垂直发育，裂隙中土体由于水迹影响而颜色更深，宽度1～3cm，含水率也明显大于裂隙旁土体，并延伸至探槽底部 (图6)，水迹带中上部和下部的土体含水率变化不大，说明水分通过裂隙入渗影响深度大于探槽深度，裂隙将地表水引入了黄土内部，成为灌溉水入渗至深部的重要通道。

图6　裂隙中水分运移痕迹Fig. 6　Moisture migration vestige in the crack

图7　典型剖面含水率分布Fig. 7　Typical section water content distribution

图8　裂隙控制滑坡分布示意图Fig. 8　Landslide controlled by distribution of fracture

5　地下水入渗机制

黑方台多年平均降水量 287.6mm，多年平均蒸发量为1593.4mm，降雨仅以渗透入渗为主，主要影响地表，而地下水的富集为灌溉产生的大量地表水通过渗透通道进入。现场灌水实验发现，黑方台地表水进入土体深部的直接通道为黄土中发育的裂隙，尤其以深度较大的原生节理裂隙为主，提供了主要的地下水补给通道。

灌溉导致的地下水位上升、黄土强度降低是黑方台地区高密度高频率滑坡发生的主要诱因(张茂省等， 2011； 马健全， 2012； 董英等， 2013)。据已有地下水资料(张茂省等， 2011)， 20世纪70年代开始黑方台地下水缓慢上升， 90年代地下水位已达1684m，高于基岩顶部，此时大部分区域地下水位均到达黄土底部(马建全， 2012)。地下水在黄土底部多年的渗透使台塬四周大量渗水，对此作者在黑台北侧、西侧和南侧的4处滑坡后壁和侧壁剖面取样测定含水率进行对比(图7)。

区域内黄土的饱和含水率为34%，根据含水率特征可见滑坡后壁含水率在黄土下部有突增并近饱和，对应滑坡后壁底部黄土呈软塑至流塑特性，并有点状泉水出露，而滑坡侧壁剖面同一高程含水率增加并不大。调查发现黑方台黄土滑坡后缘底部均有渗水点，且在泉水渗出点附近土体含水率近于饱和，而未渗水区域土体含水率均小于25%，可见，含水率超过25%后滑坡更容易发生。

由于黄土裂隙发育的广泛性，地表水可通过大量的裂隙通道进入土体内部，并沿裂隙和孔隙从黄土层底部渗出，造成渗出点附近黄土软化产生滑坡，而裂隙间的稳定区域渗水不明显，地下水由于裂隙的不发育产生了阻隔，土体含水率明显偏小，这可合理解释台塬边相同地形地质条件下，渗水处更易产生滑坡(图8)。

可见，黑方台的黄土底部含水率较中部高，台塬边底部含水率由于裂隙控制呈不均匀分布，节理裂隙发育而成的优势入渗通道处黄土含水率较高，反之则较低。优势通道与地下水渗出点相对应，由于优势通道使地表水形成泉水渗出，软化附近土体，最终导致滑坡。

6　结　论

通过对黑方台黄土特征和灌溉入渗的分析，探讨了黑方台地表水入渗机制和地下水对滑坡稳定性的影响。

(1)黑方台灌溉水是台塬黄土底部形成地下水的主要来源，台塬上黄土裂隙发育，其中表层孔隙、裂隙密布，以垂直孔洞、溶洞以及浅部裂隙为主，同时也存在较多的深部裂隙，深部裂隙以垂直发育为主，深度可超过15m。

(2)黄土中孔隙、孔洞可成为重要的导水通道，台塬中部孔隙和孔洞较少，节理裂隙发育。通过现场灌溉试验发现灌溉水可沿裂隙快速入渗，取样测得黄土中裂隙内土体的含水率明显增大，并延伸至黄土深部，黑方台的节理裂隙成为了重要的地表水入渗通道。

(3)黑方台黄土含水率由上至下逐渐增加，地下水在底部富集并向台塬边渗出，使黄土底部裂隙和孔隙渗水处含水率明显大于无裂隙区域，裂隙的分布和导水作用影响黄土底部的含水率分布，也成为形成滑坡的重要控制因素。

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PRELIMINARY STUDY ON MECHANISM OF SURFACE WATER INFILTRATION AT HEIFANGTAI LOESS LANDSLIDES IN GANSU

QI XingXU QiangLI BinPENG DaleiZHOU Fei

(StateKeyLaboratoryofGeo-hazardsPreventionandGeo-environmentProtection，ChengduUniversityofTechnology，Chengdu610059)

The groundwater at the bottom of loess plays an important role on the occurrence of Heifangtai landslides. The main source of groundwater comes from irrigation water. Irrigation water can infiltrate into the loess through cracks， then seep around to the bottom of loess. A large number of cracks are confirmed in deep loess at middle and edge tableland through ground penetrating radar. According to the irrigation and trench excavation， it is found the cracks are the main infiltration channel for surface water. Surface water along the cracks can rapidly infiltrate into the deep loess. At the tableland around the steep and typical landslide， sampling and measuring moisture content are conducted. It is found that high water content only exists at seepage points of cracks. The remaining area of the increase of water content is not obvious. The distribution of water content at the bottom of loess is controlled by joints， fissures and cracks．

Heifangtai， Crack characteristic， Soil moisture content， Infiltration mechanism

10.13544/j.cnki.jeg.2016.03.011

2015-03-19;

2015-10-04.

国家重点基础研究发展计划项目(2014CB744703， 2013CB733200)，国家杰出青年科学基金(41225011)资助.

亓星(1988-)，男，博士生，地质工程专业. Email: qixing2009@163.com

P642.13+1， P642.22

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