黄土坡顶裂缝成因及演化过程分析

抗兴培，刘 晓，王彪龙，韦宏宽

(中国地质大学(武汉) 教育部长江三峡库区地质灾害研究中心，湖北 武汉 430074)

黄土覆盖区地质灾害以滑坡为主，研究黄土滑坡诱发因素、成因机制对区域防灾减灾具有重要的意义。大量的研究表明，黄土滑坡的诱因主要有地下水位变化[1-2]、降雨[3-5]、农业灌溉[6-8]、坡脚开挖、地震等，其中尤以降雨、灌溉诱发滑坡的研究最为丰富，而黄土坡坡顶裂缝发育对黄土滑坡的影响研究较少。Iverson[9]、Tang等[10]基于原位监测和实地调查，发现黄土区降雨入渗深度一般不超过地下3 m，而塬边各种裂缝或漏洞常形成雨水快速入渗的优势通道；武彩霞等[11]在现场试验和监测的基础上，发现短期的农业灌溉并不能有效地补给地下水，而塬边裂缝加速了地下水位的抬升。这说明对结构完好的黄土而言，短暂的降雨或灌溉入渗的影响深度都是非常有限的，而塬边裂缝的发育使边坡朝着有利于滑坡的方向发展。以甘肃黑方台滑坡群[12]、陕西泾阳南塬滑坡群[13]等为例，发现黄土滑坡具有一个普遍的特征：后缘裂缝发育，且具有数量多、延伸远、分布范围广等特点。这表明研究后缘裂缝对黄土滑坡的孕育、发展、产生、分布具有重要的意义。

对于黄土坡顶裂缝形成机理的研究，目前尚处于探索阶段，主要的成因观点有：①张拉、节理成因，许领等[13]、Xu等[14]在对泾阳南塬裂缝大量调查统计的基础上，按照边坡形态将塬边裂缝分为“W”型(侧向拉张形成)、“U”型(前期滑坡牵引拉张形成)、“Z”型(节理的侧向拉张形成)；②坡脚诱发成因，Wu等[15]认为降雨软化了坡脚，使其发生破坏，诱使坡顶出现裂缝;③湿陷成因，廖红建等[16]认为塬边黄土具有强烈的湿陷性，在降雨或灌溉的条件下会产生湿陷性裂缝;④降雨冲蚀成因，陈伟等[17]通过室内人工边坡降雨模拟，发现坡肩处易形成冲蚀沟和张拉裂缝。这些研究多是就塬边裂缝的现象进行说明，缺乏对裂缝发育成因、发展过程的系统研究，致使这些解释均存在一定的局限性。如湿陷性多形成串珠状分布的落水洞，这不足以解释裂缝在塬边较为集中、塬边裂缝成线性且延伸较远的分布现象;再如裂缝均是由前次滑坡牵引张拉作用形成的说法，则忽略了未发生滑坡的区域也大量存在裂缝的现象。

本文以陕西泾阳南塬庙店西村黄土滑坡为例，在黄土坡顶裂缝勘测、观察的基础上，提出五阶段(龟裂→发展→拉张→贯通→成型)的黄土坡顶裂缝的孕育发展过程，并分析了各阶段坡顶裂缝的演化特征、发展机理，以期为黄土滑坡的防治提供理论依据。

1 黄土坡顶裂缝的发育过程分析

从大量黄土滑坡实例中不难发现：滑坡发生的区域，坡顶裂缝较为发育，且延伸较远、张开度大、深度较深；而在未发生滑坡的区域，坡顶裂缝虽同样存在，但规模小、延伸不远、裂缝张开度有限，且在降雨、扰动等情况下，部分消失。这说明裂缝的孕育、产生在黄土区普遍存在，而裂缝的发育程度受前次滑坡的影响。此外，黄土坡顶裂缝在竖向上多呈楔体状，即上宽下窄，直至尖灭；在横向上，宽大裂缝多与坡缘走向一致，与滑坡方向呈近似垂直的关系，而远离塬边的窄小裂缝则没有这一规律。

黄土坡顶裂缝的形成是一个动态发展的渐进过程，诸如用“拉张”等“一次成因”的解释来囊括整个发展过程是粗糙且欠合理的。本文在大量边坡勘测、力学分析的基础上，提出黄土坡顶裂缝的发展过程可分为明显的5个阶段，即：①龟裂阶段，地表破裂；②发展阶段，裂缝扩展；③拉张阶段，裂缝迅速发展，环状裂缝生成；④贯通阶段，坡顶裂缝与坡内裂缝联通；⑤成型阶段，裂缝稳定。黄土坡顶裂缝的演化过程见图1，下面就各阶段的形成机理、发展特征做进一步阐述。

1.1 龟裂阶段

龟裂主要是土体在干燥条件下失水，体积发生不均匀收缩变形而形成[18]。目前，土体龟裂的研究主要集中于膨胀土[19]，而在黄土区研究较少，将其与黄土坡顶裂缝发展相联系的研究则更鲜有论述。本文在地质详勘、受力分析与演化的基础上，认为：黄土台塬坡顶地表龟裂会促使土体进一步破坏，是黄土坡顶裂缝发展的起始孕育阶段。

在一次降雨或灌溉等饱水工况下，原非饱和的黄土会在地表层形成短暂饱水区，表层饱水区和地下水位线之间则为非饱和黄土层[见图2(a)]。当降雨或灌溉等饱水工况停止，转为干燥环境时，黄土水分持续减少，表层土颗粒之间的弯液面曲率增加，即收缩膜曲度增大。收缩膜的存在使得其内外表面存在气压(ua)与水压(uw)的压力差[即基质吸力(s)[20]]，基质吸力在土体中产生张拉应力，收缩膜能够承受并在土体中传导张拉应力[见图2(b)]。非饱和区黄土层中，基质吸力s可表示为[21]：

图1 黄土坡顶裂缝的演化过程Fig.1 Evolution of cracks on top of Loess slope

s=μa-μw=2Ts/Rs

(1)

式中：s为基质吸力(kPa);Ts为收缩膜的表面张力(N/m)；Rs为收缩膜的曲率半径(m)。

随着干燥环境的持续，土颗粒之间的间距变小，收缩膜的曲率半径Rs减小，则由公式(1)可知基质吸力s增加，表层土体产生收缩变形趋势。该收缩变形受到土颗粒之间的抗拉强度制约[22]，这时在土层表面形成张拉应力场，并在局部形成应力集中。随着干燥环境的持续，一旦该水平方向合力超过土颗粒间的抗拉强度，则表层裂缝产生[见图2(c)]。

图2 黄土坡顶裂缝发育的龟裂阶段示意图Fig.2 Schematic diagram of cracking stage of crack development

龟裂阶段裂缝的孕育主要为弹塑性张拉断裂，为裂缝的起始孕育阶段，但该阶段裂缝的发育程度十分有限，其张开度较小、延伸不远，仅存在地表层。

1.2 发展阶段

因龟裂裂缝的产生，地表应力场聚集的应变能得到释放，土体失去侧向变形约束，而上宽下窄的楔形体裂缝形态，使得土颗粒之间的胶结介质和收缩膜可将应力传导至裂缝下部尖端，产生应力集中(见图3)，作用在裂隙尖端水平方向的分力对尖端土体产生“撕裂”效果，迫使裂缝向下发展。因此，随着蒸发过程的进行，龟裂阶段形成的地表裂缝在水平张拉等因素作用下有进一步向下延展、宽度扩大的趋势。

图3 裂缝尖端应力集中Fig.3 Stress concentration at crack tip

由于土体材料的不均匀性，在前期形成众多的裂缝中总是存在相对最薄弱的一部分，表现为其尖端应力集中更为显著，且这些部位土体材料强度更低，因此这一部分裂缝获得了快速发展，成为优势裂缝，其成长以侵吞非优势裂缝的发展空间为代价，而部分非优势裂缝在扰动、降雨或自身发展的过程中逐渐终止发育、愈合、甚至消亡。

此外，龟裂阶段形成的楔形体裂缝，加大了干燥工况下水分蒸发的面积，使得在裂隙部位水分蒸发的速度大于其他部位，这种不均匀蒸发加速了沿垂直裂隙面方向土体含水率的降低，有利于裂缝的快速发展、成型。而基于裂缝线型延伸的形态，因地形条件不完全一致，在裂缝线方向同样存在不均匀干燥，裂缝发育的深浅不同，深裂缝部位土体发展过程中，对裂缝线方向浅裂缝部位土体有“撕裂”效果，产生侧向剪切作用，使得部分裂缝面上的土体不仅受拉张作用，还受到剪切力的影响，有利于土体破坏。黄土坡顶裂缝发育的发展阶段示意图，见图4。

图4 黄土坡顶裂缝发育的发展阶段示意图Fig.4 Schematic diagram of development stage of crack development

随着干燥环境的持续，蒸发与应力集中效应逐渐向远离裂隙面的方向发展，直至对其不产生影响，裂缝发展阶段结束。这一阶段在黄土区普遍存在，主要受裂缝自身形态、环境、地形等多种综合因素共同作用，扩展了裂缝的延伸距离和深度。Morris等[23]基于线弹性力学，假设基质吸力从地表至地下水位呈线性递减，则裂缝的预测深度为

(2)

式中:Z为裂缝深度(m)；S0为地表处的基质吸力(kPa)；t为抗拉强度(kPa)；v为泊松比；h为地下水位深度(m)；γ为单位土体的重度(kN/m3)。

1.3 拉张阶段

深大裂缝往往发育于滑坡后缘，分析认为：前期次滑坡在滑动过程中对后缘坡体既有因土体破裂而产生的水平方向拉张，也有因滑体向下运动，与滑床摩擦而产生的沿滑面方向的牵引。这种拉张、牵引作用在裂缝部位产生应力集中，迫使裂缝张开度增大、深度加深。此外，前期次滑坡致使边坡应力重分布，对滑坡后缘具有卸荷作用，相当于滑坡后缘坡体σ2保持不变，施加与σ3相反方向的拉应力。而黄土坡在地貌演化过程中存在许多由各类地质作用形成但在边坡应力作用下处于闭合状态的微小结构面[24],拉应力致使坡体内的原生结构面张开，坡体内形成环状裂缝。黄土坡顶裂缝发育的拉张阶段示意图，见图5。

图5 黄土坡顶裂缝发育的拉张阶段示意图Fig.5 Schematic diagram of extension stage of crack development

1.4 贯通阶段

拉张阶段形成的环状裂缝具有向长轴两端发展的趋势，上部裂缝在降雨或灌溉等工况下成为地表水快速入渗的优势通道。当坡体内的环状裂缝与坡顶裂缝距离较近时，由于环形裂缝附近的渗流速度大于周边土体，能够将水体通过裂缝间隙迅速弥散，这就使得坡顶裂缝内的水流浸润锋有优先向环形裂缝方向渗流扩张的趋势。黄土坡顶裂缝发育的贯通阶段示意图，见图6。

图6 黄土坡顶裂缝发育的贯通阶段示意图Fig.6 Schematic diagram of penetration stage of crack development

基于土-水特征曲线的V-G模型[25]可知，地表水沿坡顶裂缝向下运移过程中，因裂缝部位饱和度较大、基质吸力较小，使得裂缝部位渗透系数远大于周边土体，裂隙水不仅对土体产生静水压力，还在两个裂缝之间向下快速运移时产生动水压力，对坡顶裂缝与坡体内环形裂缝的贯通产生积极作用。

1.5 成型阶段

裂缝扩张的过程也是应变能逐步释放的过程，部分裂缝的发育随着应变能完全释放而停止，裂缝为楔形体形态。部分裂缝在向坡体深部扩张的过程中，遇到强度较大的古土壤层，当应变能不足以导致古土壤层的破裂时，裂缝发展也就随之停止，即古土壤的“阻裂”作用，形成的这种裂缝为梯形体形态。黄土坡顶裂缝发育的成型阶段示意图，见图7。

图7 裂缝发育的成型阶段示意图Fig.7 Schematic diagram of formation stage of crack development

此外，由于古土壤层强度较大而渗透系数远低于黄土层[26]，水体得不到及时的排泄，沿裂缝不断聚集在古土壤层的上部层面，形成上层滞水，即古土壤的“阻渗”作用。当该裂缝距坡面较近时，有向坡面外渗流排泄的趋势，渗流过程软化土体，长期作用下则产生软弱层，而软弱层有消散应力的性质，使得裂缝发展至此时应变能被消耗。

2 实例分析

陕西泾阳南塬位于泾阳县城南，距咸阳市北偏东约28 km，台塬以陡坡、高坎的形式与泾河二级阶地相连，为滑坡孕育提供了有利条件。陕西泾阳南塬黄土滑坡群沿泾河呈现“带状群发”，具有规模大、数量多、沿台塬呈线性分布和成因复杂等特点，成为研究黄土滑坡的天然试验场，其中庙店西村滑坡为典型的厚层黄土滑坡。该滑坡表现为“后移式”多期次滑动，滑坡后壁、侧壁特征明显，坡顶、侧壁裂缝发育，滑坡西侧约120 m处平硐内可清晰观察坡体内部裂缝的发育情况，见图8。

泾阳南塬庙店西村平硐(见图8)位于滑坡东侧，平硐平行于地表，走向为200°，开挖于地下约40 m，洞深约35 m，洞高约1.6 m，洞宽约1.5 m。通过平硐，可观察到坡体内部存在大量裂缝，其方向与平硐垂直，即和塬边走向一致(见图9)。分析认为该裂缝的形成是由于前期次滑坡的卸荷作用，坡体内部原生结构面张开，该实例证明了上述裂缝拉张阶段坡体内环状裂缝的形成。

图8 陕西泾阳庙店西村滑坡全貌Fig.8 Panorama of West Miaodian Village Loess landslide in Jingyang,Shanxi province

图9 平硐内观察到的环状裂缝Fig.9 Annular cracks in adit

图10 庙店西村黄土滑坡侧壁剖面Fig.10 Side wall of Miaodian West Village Loess landslide

该黄土滑坡侧壁剖面出露清晰，上部为15.5 m的Q3黄土，中部为4.5 m的古土壤层，下部为Q2黄土和河漫滩沉积层，见图10。该黄土滑坡侧壁剖面出露裂缝3条，裂缝深度沿坡面方向递增。分析认为，前期次滑坡张拉坡顶裂缝的过程，也是应变能释放的过程，随着远离坡面，应变能逐步衰减，导致了裂缝深度的递减。此外，当应变能不足以击穿高强度的古土壤层时，裂缝的发展也随之停止，这是裂缝成型阶段的一个例证。

3 结 论

本文在野外地质详勘和力学分析的基础上，分析了黄土坡顶裂缝孕育发展的过程，并以陕西泾阳南塬庙店西村黄土滑坡为例，实证了黄土坡顶裂缝发育的过程，并得到如下结论：

(1) 提出了“五阶段”黄土坡顶裂缝的发育过程，即：龟裂→发展→拉张→贯通→成型。

(2) 黄土坡顶裂缝的发育成型，属于水土耦合作用下的混合成因，受到地表水的蒸发、入渗，坡体内部渗流运移，古土壤层的“阻渗”、“阻裂”等多因素共同作用。

(3) 持续的不均匀蒸发干燥，使部分裂缝尖端受水平张拉、侧向剪切共同破坏作用，这个过程就是裂缝发育的发展阶段。

(4) 前期次滑坡不仅拉张坡顶裂缝，还使坡内原生结构面张开，形成坡内环状裂缝，这个过程就是裂缝发育的拉张阶段。

(5) 坡顶裂缝汇水下渗有优先向坡内环状裂缝渗流的趋势，长期作用下使两者贯通，极大地扩展了裂缝的深度，这个过程就是裂缝发育的贯通阶段。

(6) 古土壤层的高强度，具有“阻裂”效果，使部分楔形体裂缝转换为梯形体裂缝，而古土壤层的低渗透性特征，则具有“阻渗”效果，使地下水汇集于其层顶，长期浸泡，形成软弱层。