延安淹土安滑坡监测预警及变形特征

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(中国地质调查局西安地质调查中心，陕西 西安 710054)

2013年7月延安地区遭遇自1945年有气象记录以来强度最大、暴雨日最多、持续时间最长的一次降雨过程。强降雨引发了大量的滑坡崩塌等地质灾害。此次强降雨导致延安市甘泉县淹土安老滑坡体出现数条横向拉张裂缝，滑坡前缘蠕动变形，稳定性差，危险程度大，威胁滑坡下方170余人的生命财产安全。为了及时捕捉滑坡的变形特征，进行滑坡预警预报，保护受滑坡威胁群众生命财产安全，并为滑坡的工程治理提供可靠的资料和科学依据，笔者对淹土安滑坡开展了实时专业监测(薛强等，2013)。通过监测，于2014年5月14日成功预警预报，避免了人员生命财产损失，随即提出了应急除险措施及治理工程措施建议，并得到地方政府采纳。根据监测结果，分析了滑坡变形过程及其影响因素。

1 滑坡概况

淹土安滑坡位于延安市甘泉县城关镇瓦窑沟，地理坐标：东经109°21′24.9″，北纬36°16′49.4″。滑坡后壁界限清晰，后缘呈圈椅状错台陡坎；中部突起，坡度20°～25°；前缘较陡立，坡度60°～70°。滑坡体平面上呈近似半椭圆形，长320m，宽280m，主滑方向315°，整体高差142m(图1)。

图1 淹土安滑坡全貌图Fig.1 Panorama of Yantu’an landslide

滑坡区地层岩性自上而下依次为第四系上更新统黄土、中更新统黄土、新近系红黏土、侏罗系石英砂岩夹深灰色砂质泥岩。滑体主要由第四系黄土和新近系红黏土组成，滑床由红黏土和基岩组成，滑带土厚15～25cm(图2、图3)。

图2 淹土安滑坡滑带图Fig.2 Sliding zone of Yantu’an landslide

1.晚更新世黄土；2.中更新世黄土；3.砂岩；4.砂质泥岩；5.滑体；6.人工填土；7.滑面及滑向；8.裂缝位移监测；9.土壤水分监测探坑图3 淹土安滑坡剖面图Fig.3 Profile of Yantu’an landslide

2013年7月延安地区出现极端强降雨，导致淹土安滑坡体前缘变形，变形区发育数条拉张裂缝，裂缝宽5～10cm，下错台高10～15cm，滑坡有复活迹象。变形区南北向长70m，东西向宽220m，高差为44m，滑体厚约8m，体积为12.3×104m3，稳定性差，危险程度大，威胁滑坡下方170余人的生命财产安全，如果再遇强降雨，滑坡有大面积下滑的可能。

2 滑坡监测预警及防治措施建议

2.1 监测内容

为了研究滑坡变形失稳机制，及时进行预警预报，笔者对淹土安滑坡进行实时动态监测，监测内容为：滑坡表面裂缝位移监测、土壤含水率监测、土壤水势(基质吸力)监测、土壤温度监测。降雨量采用延安市气象局区域雨量站监测数据。

2.2 监测系统布设

淹土安滑坡监测系统总体布设见图4。在滑坡体上沿主要裂缝带共布置3个一体化表面位移监测站(LF1、LF2、LF3)，2处土壤水分监测探坑(TK1、TK2)。在探坑深度0.3m、0.8m处布设土壤含水率、土壤水势(基质吸力)、土壤温度监测仪器(表1)。

监测开始时间为2013年10月16日。2014年6月20日，开始对滑坡体进行施工治理，因此拆除了监测仪器，停止监测。

图4 淹土安滑坡监测平面布置图Fig.4 Monitoring plan of Yantu’an landslide

表1 淹土安滑坡土壤水分监测仪器安装位置表Tab.1 Installation position of soil moisture monitoring instruments

2.3 预警预报及防治措施建议

2013年10月16日开始实时监测。2014年5月9日～5月10日2日内甘泉县累计降雨量为40.5 mm，滑坡体变形加剧(图5)，5月14日LF3测点正下方坡脚挡土墙出现鼓胀变形(图6)。险情发生后，笔者及时向甘泉县国土资源局发出灾害预警信息，当地政府部门组织群众紧急撤离。5月15日LF3测点下方发生局部滑塌，方量约200 m3，居民院墙及坡脚挡墙部分损毁(图7)。由于预警预报及时，未造成人员伤亡。

图5 滑坡体裂缝下错变形图Fig.5 The deformation of the crack of landslide

图6 2014年5月14日LF3测点下方坡脚挡土墙鼓胀变形图Fig.6 Drum deformation of retaining wall in the lower LF3 on May 14, 2014

图7 2014年5月15日LF3测点下方滑塌图Fig.7 Collapse in the lower LF3 on May 15, 2014

根据灾害险情，西安地质调查中心专家组(笔者为专家组成员)于5月21日向甘泉县人民政府提出了“分级削坡+护坡挡墙+截排水+植被恢复”的应急治理方案。6月20日，当地政府部门按照应急治理方案对滑坡进行治理(图8)，监测仪器被拆除，停止监测。经治理后，滑坡处于稳定状态。

图8 分级削坡治理图(2014年8月)Fig.8 Landslide control using slope cutting(August 2014)

3 监测结果分析

3.1 变形特征分析

通过对淹土安滑坡的监测发现，自2014年3月以来，滑坡各监测点开始蠕动变形(图9)。2014年5月9日～5月10日2日内甘泉县累计降雨量40.5 mm，滑坡体变形加剧，其中LF3测站5月14日～5月15日累计变形量达16.2 mm，滑坡体出现局部变形破坏，5月15日LF3测点下方发生局部滑塌，损坏居民院墙及坡脚挡墙。

图9 淹土安滑坡各测点累计位移-时间曲线图Fig.9 Accumulated displacement-time curve of each monitoring point of Yantu’an landslide

对变形量最大的LF3测点进行重点分析。根据淹土安滑坡累计位移和变形速率(日变形量)曲线(图10、图11)，并结合宏观变形特征，可知淹土安滑坡变形经历了以下4个变形阶段(许强等，2008，2009；刘小珊等，2014)。

图10 LF3测点累计位移-时间曲线图Fig.10 Accumulated displacement-time curve of LF3

图11 LF3测点变形速率-时间曲线图Fig.11 Deformation rate-time curve of LF3

第一阶段：初始变形阶段(2014年3月8日～4月20日)。淹土安滑坡从2014年3月8日开始蠕动变形，累计位移曲线斜率开始增大(图10)，至4月20日，此阶段累计位移7.5 mm，变形速率曲线出现波动(图11)。

第二阶段：加速变形阶段(2014年4月21日～5月9日)。2014年4月21日滑坡进入加速变形阶段，此后20天内，累计位移曲线斜率明显变大(图10)，变形速率也呈现出不断加速增长的趋势(图11)。

第三阶段：变形破坏阶段(2014年5月10日～5月15日)。2014年5月10日滑坡进入变形破坏阶段，累计位移曲线斜率继续增大(图10)，变形速率变为陡直状态(图11)，受5月9日～10日降雨(降雨量40.5 mm)的影响，5月9日～15日累计变形量37.8 mm。5月14日当日变形量7.0 mm，LF3测点正下方坡脚挡土墙鼓胀变形。5月15日当日变形量9.2 mm，LF3测点正下方发生局部滑塌，方量约200 m3，损坏居民院墙及坡脚挡墙。

第四阶段：减速变形阶段(2014年5月16日～6月20日)。2014年5月15日滑坡发生局部变形破坏之后，由于甘泉县未出现强降雨，累计位移曲线逐渐平稳，变形速率逐渐减小。

3.2 影响因素分析

淹土安滑坡变形失稳的主要影响因素有降雨、坡脚开挖和冻融作用。

2.2.1 开挖土地剖面。对普通的土地资源，土地剖面的尺寸要求是长1.5米、宽1米、深1.2米，针对盐渍土壤要挖至地下水层。开挖土地剖面时，要注意如下几点内容：观察面要朝阳，便于观察；底土与表层土要分类堆放，便于填坑时更好复原；观察面顶部不能堆土和随意走动，避免损坏表层构造，影响剖面外形的描述与采样；剖面处理好后应立即修正，一侧修成光面，便于监测颜色、新生体等，一侧修成粗糙毛面，便于监测结构。

3.2.1 降雨对滑坡的影响

在延安黄土地区，水的作用是诱发黄土滑坡的最重要因素，土体的土-水特征曲线反映了土体含水率和基质吸力之间的关系，对于分析非饱和土变形破坏至关重要(张茂省等，2011；许旭堂等，2015)。本次在野外通过EC-5和MPS-2监测淹土安滑坡滑体的土-水特征曲线(图12)。同时通过室内试验获取了淹土安滑坡体上不同类型土体的粘聚力对含水率的反应曲线(图13)。通过监测和室内试验发现，降水期间或降雨之后斜坡岩土体内含水率升高，基质吸力降低，使得潜在滑动面上的有效应力及抗剪强度降低，斜坡稳定性降低，从而诱发滑坡。淹土安滑坡中后部发育数条拉张裂缝，为降雨的下渗提供了有利的优势入渗通道；滑带为红黏土夹风化泥岩，为相对隔水层，降雨下渗雨水可在此聚集，更有利于滑坡的变形失稳。

图12 淹土安滑坡滑体土-水特征曲线图Fig.12 Soil-water characteristic curve of Yantu’an landslide body

图13 淹土安滑坡不同类型土体粘聚力对含水率的反应图Fig.13 Cohesion of different types soil reaction to moisture of Yantu’an landslide

通过对淹土安滑坡含水率与变形速率(每日变形量)的分析发现，在土壤含水率增大的时间段内，滑坡变形速率也有增大的趋势，但具有一定的滞后性(图14)。2014年3月8日之前，滑坡体各测点含水率较低，滑坡变形速率为0；从3月9日开始，含水率逐渐升高，滑坡开始蠕动变形。至4月18日，各测点含水率均达峰值，4月24日，LF3测点变形加速，滞后时间6 d。5月9日～5月10日2 d内甘泉县累计降雨量40.5 mm，各测点含水率在5月10日达到峰值，5月15日，LF3测点变形速率达到最大值9.2 mm/d，滞后时间5 d。滑坡变形的加速对含水率的反应具有滞后效应。

图14 淹土安滑坡土体含水率-变形速率曲线图(LF3测点)Fig.14 Soil moisture-deformation rate curve of LF3 of Yantu’an landslide

因此，降水之后随着含水率的增大，黄土的基质吸力相应地减弱，抗剪强度降低是淹土安滑坡变形失稳的主要力学机制。

3.2.2 坡脚开挖对滑坡的影响

坡脚开挖改变了斜坡原有的应力状态，促使斜坡发生变形，并逐渐向坡体后部扩展，在长期变形积累下，应力集中，从而诱发滑坡。淹土安滑坡位于甘泉县城周边，近年来村民大面积开挖坡脚建窑建房，坡脚开挖严重，局部甚至直立，为滑坡的发生提供了有利的临空条件。在降雨的作用下，雨水沿裂缝等通道快速下渗，滑坡中后部蠕滑变形对坡脚产生挤压，促使坡脚发生滑塌，同时坡脚的滑塌对滑坡中后部产生拉裂作用，使滑坡变形加剧。强烈的坡脚开挖是滑坡变形的影响因素，滑坡的形成机制主要表现为蠕滑-拉裂式。

3.2.3 冻融作用对滑坡的影响

在黄土地区，冻融作用也对滑坡的发生起着重要的作用(张茂省等，2013；王念秦等，2010)。淹土安滑坡变形的加剧也与冻融有关。2013年7月，延安经历一次持续性强降雨过程，使得外部地表水大量进入滑坡体，滑体饱水程度增大，在短期内滑体内水分并未完全消散。2014年3月以来，气温开始回升，强降雨期间下渗的雨水经过一个冻结期，土壤逐渐解冻，抗剪强度降低，滑坡发生蠕动变形。通过监测发现，滑坡变形速率与土壤温度也有着显著的相关性。自2014年3月以来，随着土壤温度的逐渐升高，滑坡变形速率也逐渐增大(图15)。冻融作用导致土体力学性质变差，抗剪强度降低，从而诱发滑坡。

图15 土壤温度-变形速率曲线图(2014年)Fig.15 Soil temperature-deformation rate curve in 2014

4 结论

(2)通过对淹土安滑坡监测成果和宏观变形迹象的分析，可知淹土安滑坡变形经历了4个变形阶段：初始变形阶段、加速变形阶段、变形破坏阶段和减速变形阶段。

(3)根据监测结果对滑坡的影响因素进行了分析，认为降水之后随着含水率的增大，黄土的基质吸力相应地减弱，抗剪强度降低是淹土安滑坡变形失稳的主要力学机制；强烈的坡脚开挖是滑坡变形的主要影响因素；冻融作用也对滑坡的变形起着重要的作用。

致谢：中国地质调查局西安地质调查中心张戈对本文进行了修改并提出宝贵的意见，在此表示感谢。

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