灌溉诱发黄土滑坡的发育机制研究*

朱立峰　谷天峰　胡　炜　刘亚明　冯　立　毕银强

(①中国地质调查局西安地质调查中心　西安　710054)

(②西北大学地质学系/大陆动力学国家重点实验室　西安　710069)



灌溉诱发黄土滑坡的发育机制研究*

朱立峰①谷天峰②胡炜①刘亚明②冯立②毕银强②

(①中国地质调查局西安地质调查中心西安710054)

(②西北大学地质学系/大陆动力学国家重点实验室西安710069)

黄土滑坡机理是黄土地质灾害领域研究的热点，而黄土介质干湿演替水-力特性变化、地下水动力场响应以及由此造成的斜坡稳定性变化是其形成的关键。本文在黑方台非饱和黄土水-力特性测试的基础上，结合斜坡地带灌溉引起的非饱和渗流演化过程与发展趋势，探讨了这种滑坡的发育机制。结果表明：随着灌溉持续，长期的正水均衡场引起地下水位上升，包气带增湿后非饱和黄土的吸力下降，强度显著降低，同时饱和区孔压上升，斜坡地带水力梯度增大，提高了水流的渗透力，致使斜坡稳定性下降，斜坡稳定系数随地下水位上升呈线性降低，当地下水位升至55m时达到坡体极限平衡状态，遇有利触发条件即可能失稳滑动，但地下水位变化对最危险滑面位置影响较小。

灌溉基质吸力渗流场黄土滑坡稳定性

图1　滑坡分布图Fig.1　Landslides distribution map

0　引　言

黄土高原因强烈的水土流失而呈千沟万壑的破碎地貌景观，黄土台塬以其相对开阔平坦的地形成为黄土高原区的农业主产区，但受青藏高原及季风气候影响，气候干燥降雨量小，自先周公刘在芮鞫(今甘肃庆阳、泾川一带)始创引水灌溉(《史记·周本纪》)已有四千多年的灌溉史。灌溉在大幅提高农业单产的同时，也导致台塬周边滑坡带状群发，如甘肃永靖黑方台滑坡群、陕西泾阳泾河右岸滑坡群(雷祥义，1995；王家鼎等，2001a；Zhang et al.，2009；张茂省等，2011；Xu et al.，2011；罗浩等，2014；杨璠等，2014)。黑方台自20世纪60年代安置“黄河三峡”库区移民引水灌溉伊始，历经长达40余年的大面积大水漫灌，四周台缘滑坡密集发育，据不完全统计，自20世纪80年代以来累计滑坡120余次，2000年至今，每均3～5次。Derbyshire et al.(1994)、Dijkstra et al.(1994)、吴玮江等(1999)、王家鼎等(2001a，2001b，2002)、金艳丽等(2007)、许领等(2008)、张茂省(2013)、张茂省等(2013)、朱立峰等(2013a，2013b)、谷天峰等(2015)从不同角度对黑方台滑坡群发育机制进行了分析，这些研究多从灌溉条件下有效应力变化及典型滑坡形成启动机制角度论述灌溉对斜坡稳定性的影响。受限于试验条件及计算方法，在黄土非饱和特性测试的基础上，结合斜坡的渗流特征及因此引起的斜坡失稳过程方面，探讨灌溉诱发黄土滑坡机制的研究相对较少。而灌溉诱发黄土滑坡的发育过程实质是灌溉导致地下水位上升，导致渗流强度增大，非饱和黄土基质吸力下降，强度降低，发生变形及破坏，进而诱发斜坡失稳的过程，故本文在分析长期灌溉效应对黄土斜坡流场分布及基质吸力影响基础上，计算了地下水位上升引起的非饱和土强度变化对黄土斜坡稳定性的影响，进而探讨了这种滑坡的发育机制。

1　研究区黄土滑坡特征

黑方台周缘共发育35处滑坡(图1)，形成了连绵十余公里的滑坡群。黄土滑坡集中于野狐沟口东侧，共24处，系黄土沿粉质黏土层顶面滑动，因控滑结构面高悬斜坡中上部，均为高位滑坡，虽其规模较小，但以高速远程滑坡为主，致灾严重，如2015年1月29日陈家东南滑坡滑距达460m，黄土-基岩滑坡共11处，系顺层滑坡，规模较大，以低速近程为主，如2006年黄茨滑坡从启动至停积历时7h，最大滑距仅20m。

图4　黑方台水文地质剖面图Fig.4　The hydrogeologic profile of Heifangtai

2　黑方台非饱和黄土水-力作用特性

2.1土水特征曲线与渗透性

采用TRIM(土水特征快速测试系统)进行黄土土水特征测试，采用试验装置中自带的Hydrus-1D程序分别对脱湿和吸湿过程数据采用Van Genuchten模型、Mualem模型和吸应力模型进行拟合，分别得到完整的脱湿、吸湿状态下的土水特征曲线(SWCC)、渗透系数函数曲线(HTC)(图2)。

图2　土水特征及渗透系数曲线图Fig.2　Soil water characteristic curve and permeability coefficient function graph

2.2非饱和土强度

采用挖探方式采集原状黄土样品，在GDS三轴仪上开展了不同基质吸力下的剪切试验，根据Fredlund强度理论，拟合得到了抗剪强度包络面(图3)，得到了这种黄土的强度参数，见式1。

(1)

式中，τf为抗剪强度(kPa)；σ为主应力(kPa)；ua-uw为基质吸力(kPa)。

3　灌溉引起的地下水位变化

3.1灌溉引起的地下水位上升

图3　非饱和黄土抗剪强度包络面Fig.3　The shear strength envelope of unsaturated loess

黑方台水文地质条件为典型河间地块(图4)，黄土底板出露远高于侵蚀基准面，灌溉之前，黄土含水系统无地表水及侧向地下径流补给，降水为唯一补给源，但多年平均降水量仅282.6mm，干旱指数达5.6，故地下水资源匮乏，无区域性统一水位。由地下水流数值模拟可知，灌溉前，黄土潜水层地下水位低于含水层底板，无稳定地下水位。自1968年以来，年均引水灌溉量(560～720)×104m3，灌溉改变了水均衡场的源汇项，长期正均衡引起地下水位持续抬升，至今地下水位平均升幅0.27m·a-1，至2010年地下水位累计上升20～22m。

3.2典型斜坡非饱和渗流特征

3.2.1计算断面

图5　JH13号滑坡工程地质剖面图Fig.5　Engineering geology section map of JH13 landslide

结合图5建立了该段黄土斜坡的有限元模型(图6)，进行了不同地下水位工况下的饱和-非饱和渗流分析。模型高80m，顶宽135m，底宽223m。模型左侧采用定水头边界，根据地下水位变幅，设置不同的地下水位，以模拟不同历史期的灌溉效应。

结合抽水试验、室内渗透试验、TRIM试验成果，黄土的饱和渗透系数分别取2.4×10-2m·d-1(水平)、0.12m·d-1(竖直)，孔隙率取0.51，非饱和抗剪强度见式(1)，不考虑抗拉强度，其他参数(表1)。

表1　材料参数表

Table 1　Material parameters

名称重度ρ/kN·m-3弹性模量E/MPa泊松比μ孔隙率渗透系数/m·d-1黏聚力c/kPa内摩擦角φ/(°)吸力摩擦角φb/(°)垂直水平黄土15.2460.350.510.122.4e-214.516.815.1粉质黏土19.5900.30.302e-42e-460.022.0—砂卵石层20.01400.30.402.02.0———砂泥岩22.02000.30.101e-51e-5———

图6　计算模型Fig.6　Calculation model①黄土；②粉质黏土；③砂卵石层；④互层砂泥岩

根据勘察、地下水流数值模拟成果，地下水位取31～56m(对应高程1651～1676m，对应黄土层0～25m)，通过不同边界条件，分析长期灌溉过程中黄土斜坡内部孔压分布及渗流场变化。

3.2.2斜坡的渗流特征

考虑到黑方台灌溉引起的地下水位上升持续了40多年，是一个缓慢的过程，故采用稳定流的分析方法，通过设置不同的水位，以模拟不同灌溉时期黄土斜坡内流场的变化。因1968年以前，黄土层内无稳定地下水位，故黄土潜水位取值范围介于31～56m。孔压分布(图7)。

由图7可知，初期黄土层内饱和区域较小，随着灌溉时间的持续，黄土层底部饱和带的厚度逐渐增大(图7(b-f))，饱和区孔压上升，坡脚处渗透力增强。水流在吸力的作用下逐渐流入非饱和区，使非饱和黄土区面积减小，负孔压降低，吸力下降。

图8给出了不同灌溉条件下斜坡内部基质吸力变化。由图8a，地下水位由内侧向外侧逐渐降低，在坡脚形成排泄，随着地下水位的上升，浸润线抬高，坡脚排泄量也逐渐增大。基质吸力的分布趋势与地下水位的分布趋势类似(图8(b-f))。非饱和黄土吸水，基质吸力降低，引起非饱和黄土的总黏聚力变小，进而使黄土斜坡的稳定性下降，最终导致滑坡形成。

图7　孔压分布图Fig.7　Pore pressure mapsa.31m；b.36m；c.41m；d.46m；e.51m；f.56m

图8　地下水位与基质吸力关系Fig.8　Groundwater level vs matric suctiona.0kPa；b.50kPa；c.100kPa；d.200kPa

4　水位上升对斜坡稳定性的影响

4.1非饱和斜坡稳定性分析

斜坡稳定性分析一般不考虑负孔压的强度贡献，即将地下水位线以上的土体视为一个整体，采用饱和强度或原状强度。这种处理方法，对滑面在地下水位线下或者不考虑水作用的斜坡来说是合适的，但对于由于地下水位上升，黄土增湿强度降低所导致，且大部分滑面在地下水位线之上的黄土滑坡来说，这样的处理不是很合理。因此，在黄土斜坡尤其是由于灌溉或降雨引起的斜坡失稳分析中，应考虑斜坡的基质吸力变化以及非饱和黄土的抗剪强度变化。基于此，本文以Fredlund抗剪强度理论为基础，采用有限元方法得出不同灌溉条件下坡体内部孔隙水压力分布，根据孔隙水压力计算各单元的基质吸力，进而确定各单元的强度参数，并采用FLAC3D程序的强度折减方法进行斜坡稳定性分析。

强度折减的计算使用FLAC3D程序，由于FLAC3D没有非饱和渗流分析及非饱和材料性质，因此采用FLAC自带的Fish语言，对FLAC程序进行调整，使其具有非饱和稳定性分析的功能。具体实现过程如下：

(1)利用非饱和渗流有限元软件进行饱和-非饱和渗流分析，导出不同地下水位工况下，节点单元数据及节点孔压数据。

(2)编写Fish程序，将模型节点、单元几何参数、材料、边界、非饱和渗流分析成果等导入FLAC3D中，使单元具有基质吸力的属性(图9)。

图9　黄土层孔压分布(56m)Fig.9　Pore pressure distribution of loess layer(56m)

图10　黄土层综合黏聚力分布(56m)Fig.10　The comprehensive cohesive distribution of loess layer(56m)

(3)编写Fish程序，根据每个单元吸力，对黏聚力赋值c′+(ua-uw)tan(φb)(即总黏聚力，图10)，内摩擦角赋值为φ′。

图11　斜坡非饱和稳定性分析结果Fig.11　The unsaturated stability analysis results of slopesa.31m；b.36m；c.41m；d.46m；e.51m；f.56m

(4)计算斜坡的稳定性。

4.2分析结果

根据4.1所述计算方法，采用FLAC3D对斜坡在不同地下水位条件下进行非饱和稳定性分析，结果(图11)。从图11可知，随着灌溉的持续，斜坡稳定性系数降低，潜在滑动面的后缘张拉缝位于斜坡后缘约30m位置处，剪出口在斜坡中部黄土与粉质黏土分界处。由图11(a-f)对比可知，潜在滑动面的位置变化不大，这与黑方台滑坡发育规律一致。结合野外调查，水位上升致斜坡失稳之后，随着地下水位进一步上升，斜坡发生多次失稳，表现为原位累进性溯源后退式扩展滑动。

图12　地下水位与稳定系数关系图Fig.12　The graph of groundwater level and stability factor

由图12，斜坡稳定性系数随地下水位上升而逐渐降低，两者呈负线性关系。综合图11 和图12，当地下水位在55m时，采用FLAC计算得到的斜坡的稳定性系数为1.0，即此时斜坡处于极限平衡状态。当地下水位超过55m时，斜坡失稳。

5　灌溉诱发黄土滑坡的发育机制

通过对比分析灌溉前后黄土层的水动力场演化可知：灌溉前，地下水主要由降雨补给，蒸发量远大于降雨量，黄土层内地下水位大多低于含水层底板，呈疏干状态，此时斜坡内部无饱和区，非饱和区基质吸力较高，黄土强度较大，滑坡较少出现。

随着灌溉的持续，地下水位逐渐上升，饱和区面积逐渐增大，孔压逐步上升，坡脚排泄量逐渐增大，渗透力增强。非饱和土的吸力减小，使得土的总黏聚力降低，黄土斜坡的稳定性降低。

根据不同灌溉条件下非饱和稳定性分析成果，斜坡稳定性系数与地下水位的上升呈负线性相关，地下水位超过55m时，斜坡失稳。

6　结　论

(1)建立了斜坡的渗流有限元模型，通过饱和-非饱和渗流分析，模拟了不同灌溉时期坡体内部的渗流特征。结果表明，灌溉造成斜坡内部饱和区面积增大，渗流速度加快，渗透力增强，非饱和区基质吸力下降，加速斜坡失稳。

(2)利用FLAC3D的开发，在稳定性分析中考虑了灌溉过程中非饱和黄土强度的降低。结果表明，黄土斜坡的稳定性与地下水位呈负线性相关，当水位上升至55m时，斜坡失稳概率较大。但地下水位升降变化对最危险滑面位置影响较小，滑面后缘多在距离沟缘线约30m，潜在剪出口位于斜坡中部黄土与粉质黏土接触部位。

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DEVELOPMENTAL MECHANISM OF IRRIGATION-INDUCED LOESS LANDSLIDES

ZHU Lifeng①GU Tianfeng②HU Wei①LIU Yaming②FENG Li②BI Yinqiang②

(①Xi′an Center of Geological Survey，China Geological Survey，Xi′an710054)

(②State Key Laboratory of Continental Dynamics，Department of Geology，Northwest University，Xi′an710069)

The mechanism of irrigation-induced loess landslide is one of the top topics of loess geo-hazard researches.Furthermore，the key areas are the hydraulic and mechanical property changes of loess after drying and watering alternation medium under irrigation condition，as well as the slope stability changes due to groundwater flow field response.This paper discusses the developing mechanism of irrigation-induced loess landslide in Heifangtai，which is on the basis of the hydraulic and mechanical property tests of unsaturated loess in Heifangtai，the unsaturated seepage evolving process and developing trend of the slope area due to irrigation.The results demonstrate the following.With the lasting of irrigation，long-term positive water equilibrium field can trigger the rising of the groundwater table.Moistening of the unsaturated zone leads the matric suction to decline and the strength to reduce drastically.Meanwhile，the thickness of the saturated zone increases.This causes build-up of porewater pressure as well as augmentation of the hydraulic gradient in the slope.The seepage velocity fastens.Hence the seepage force on the slope escalates too.Then the slope stability drops.The factor of slope stability declines linearly with the rising of groundwater table.The slope reaches limit equilibrium state when the groundwater table is close to 55m，under which condition it may slide under certain negative triggering factors.The groundwater table change，however，has limited impact on the critical sliding surface．

Irrigation，Matric suction，Seepage field，Loess landslides，Stability

10.13544/j.cnki.jeg.2016.04.001

2015-05-18;

2015-10-14.

国家科技支撑课题(2012BAK10B02)，国家自然科学青年基金(41202187)，国土资源地质矿产调查评价项目(12120114025701)资助.

朱立峰(1973-)，男，学士，工程师，从事地质灾害调查和研究工作.Email: sx-zhulf@163.com

P642.22

A