突发型黄土滑坡的临界水位研究——以甘肃黑方台黄土滑坡为例

许 强，亓 星，修德皓，赵宽耀

（1.成都理工大学 地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室，四川 成都 610059；2.四川轻化工大学 土木工程学院，四川 自贡 643000）

1 研究背景

我国黄土分布面积达44万km2，尤其是黄河中游地区，厚层黄土连续覆盖面积达27.3万km2［1］。黄土特有的水敏性和结构性决定了水是黄土破坏的重要诱发因素，其液化、流态化、蠕动破坏模式均受水影响［2-4］。位于黄土地区的甘肃省永靖县黑方台由于常年农业灌溉成为黄土滑坡频发地区，也成为了学者研究的重点关注区域［5-7］。

对于黑方台黄土滑坡的成因机理，大量学者认为地下水产生的孔隙水压力是使滑坡变形破坏的主要原因。一些学者采用三轴试验研究了孔隙水压力增长过程中黑方台黄土的破坏过程，证实了黑方台黄土在饱水条件下具有应变软化和液化特性［2，8］，滑坡的变形破坏是由于饱水黄土的液化产生［9］；也有学者通过物理模拟或离心机模型发现了滑坡失稳时饱水黄土中的孔压突增现象［10-13］。在黑方台黄土滑坡调查中发现，地形条件相似情况下，同样底部饱水的黄土，经常产生滑坡的区域却总是在水位较高的台塬东侧。有学者认为这与地下水引起的饱水黄土“浸润带”比例有关［14］；也有学者认为是上覆土层厚度差异的影响［15］，由此有学者研究了黄土的入渗规律和增湿变形特征［16-17］。由于地下水位对黄土滑坡稳定有决定性的影响，水位上升到一定限度后滑坡开始频繁发生，而基于黑方台塬边相似的地形地质条件，可以针对其现象分析引起滑坡变形破坏的水位高度临界值，从而将复杂的破坏机理研究简化为直观的水位变化监测，以此研究这类滑坡的临界水位。

本文基于对黑方台突发型黄土滑坡的调查和典型滑坡的现场监测，研究地下水位上升过程中土体的变形破坏过程，并结合三轴试验从小尺度上分析地下水产生的静孔隙水压力对土体变形破坏的影响，量化地下水位高度与黑方台突发型黄土滑坡变形的关系，建立适用于黑方台突发型滑坡的临界水位模型。

2 地质环境条件

黑方台为黄河Ⅳ级阶地台塬，由黑台和方台组成，总面积约12 km2，塬边为约100 m高的陡坡，台塬地层由上往下分别为Q3马兰黄土（层厚26～48 m），发育较多垂直裂隙；粉质黏土（层厚3～19 m），结构致密，弱透水，呈西高东低近水平分布，使该层上方灌溉产生的地下水沿地形由西向东渗流；砂卵石层（层厚1～6 m），透水性较好；最下部为单斜构造的砂质泥岩，岩层产状125°～220°，倾角8°～12°（图1 AA′剖面）。

黑方台位于半干旱区，年平均降雨量为287.6 mm，年蒸发量达1600 mm［18］，为解决农业缺水问题，自1960年开始，大量黄河水被抽至台塬进行大水漫灌，长年灌溉使黄土底部形成了数十米厚的地下水位，并以每年约0.3 m的速度不断上升，地下水从台塬边渗出也导致塬边形成了大量的黄土滑坡。目前黑方台已有滑坡75处，根据滑坡的类型可分为黄土-基岩滑坡、崩滑型黄土滑坡、黄土泥流和突发型黄土滑坡（图1）。其中黄土-基岩滑坡为顺层基岩滑坡，受岩层产状控制主要发育在台塬南侧；崩滑型黄土滑坡主要为重力作用下的黄土浅表层崩滑，发育在地下水位较低的台塬西南侧；黄土泥流是由于塬边人工削方后剩余黄土产生的塑性流动形成；突发型黄土滑坡主要发育在地下水丰富的台塬东侧，这类滑坡表现出了很强的突发性和渐进后退特征［19］，成为黑方台数量最多、最典型的滑坡类型。

近年来随着地下水位较低的台塬西侧水位不断上升，党川区域也开始出现越来越多的突发型黄土滑坡（图2）［20］。

图1 黑方台滑坡分布及地层岩性

图2 党川区域滑坡发展演化

3 突发型黄土滑坡演化过程

为揭示地下水位不断上升导致突发型黄土滑坡的发生过程，在黑方台近年来多次产生突发型滑坡的陈家区域布设了水位孔，监测地下水位的发展趋势，并在陈家6#滑坡后方布设了地表位移监测设备，监测地表变形特征（图3）。

陈家6#滑坡黄土厚度为44 m，顶面高程1706 m，自2017年3月开始进行变形监测，2017年5月13日成功获取一次新的滑坡变形数据（图4）。分析陈家6#滑坡右侧的水位数据和地表变形可见，地下水位整体呈波动上涨，并在5月3日达到历史水位最高点1676.056 m，坡体在地下水位达到最大值时也开始产生变形，由稳定阶段进入匀速变形阶段，变形速率约10 mm/d。滑坡匀速变形阶段持续10天后至5月13日突然进入加速变形并失稳破坏，在此期间地下水位处于上下波动的状态。

结合陈家6#滑坡地下水位和变形破坏的响应规律可以看出，黑方台突发型黄土滑坡的演化过程为:地下水位较低时滑坡处于基本稳定状态，当水位逐渐上升至一定高度后引起滑坡变形，而变形发展到一定程度后失稳破坏（图5），其表现出受地下水位高度影响的特征，由此解释了近年来党川区域出现越来越多的突发型黄土滑坡（图2）。

图3 陈家6#滑坡地下水位变化特征

图4 2017年陈家6#滑坡变形和水位特征

图5 地下水对黑方台突发型黄土滑坡变形破坏的影响

4 水位对土体破坏的机理试验

黑方台地下水位年均上涨仅0.3 m，坡体在稳定期间地下水对土体的影响可简化为排水剪过程。为进一步分析水位上升导致坡体滑动的原因，利用三轴GDS试验仪对黑方台原状黄土进行多级增加孔隙水压力的常偏应力排水剪试验，以增加静孔隙水压力的方式模拟地下水位的缓慢上涨，探究土体产生破坏时对应的静孔隙水压力特征，反映出地下水位导致的孔隙水压力对土体破坏的影响。

试验土样采用黑方台原状黄土（表1），取自黑方台典型黄土滑坡后壁（图1）。为尽可能减少取样对黄土的扰动，先挖去地表约1 m厚黄土后再取样，之后将土样削制成高20 cm，直径10 cm的圆柱状样，对其密封并装入取样器。试样取回后，利用原状土样制样仪器将土样削制成高10 cm，直径5 cm的标准试验土样。

试验采用三步饱和法，在20 kPa的围压下依次采用CO2排气、水泵对试样进行饱和；随后进行反压饱和，当B值不小于0.98时，视为试样达到饱和。试样饱和后在最小有效固结应力下进行等压固结，随后缓慢增加轴向荷载，使之完成偏压固结，固结应力状态如表2所示。固结完成后，保持试样所受总应力不变，通过缓慢多级增加反压的方式（加载速率前期为20 kPa/h，后期2 kPa/h），维持反压稳定，当土体轴向变形没有明显变化时，继续加载下一级反压，直至土体轴向变形速率不再收敛而破坏。

表1 黑方台黄土基本物理特性

表2 CSD试验方案

图6 CSD试验结果

图7 CSD试验土体孔压和变形的关系

分析试验结果表明（图6、图7），在静孔隙水压力较小时，土体轴向变形非常缓慢，每增加一级孔隙水压力后，土体的变形速率产生短时加快，随后趋于稳定，期间没有明显的超孔隙水压力产生，直至静孔隙水压力增大到某一级后，土体轴向变形迅速增大，变形速率也不再收敛而破坏。定义土体在变形不收敛的转折点对应的静孔隙水压力为土体破坏的临界孔隙水压力，试验发现临界孔隙水压力与轴向应力呈线性增长的关系，且均为轴向应力的26%左右。

若将土体轴向应力按照黑方台黄土天然密度1.55 g/cm3换算成黄土厚度，静孔隙水压力换算为地下水位高度，则不同应力条件下土体破坏时水位高度占黄土厚度比例约为0.4，由此发现，黑方台水位上升至土体厚度的40%时可能引起滑坡失稳破坏。

5 基于临界水位的滑坡判识

三轴试验发现黑方台黄土破坏存在临界静孔隙水压力，证实了地下水位达到一定程度后会导致黄土变形破坏，对于地层结构相同、地形条件相似，且具有相同成因机理的黑方台突发型黄土滑坡，其变形破坏应存在相同的水位比例。通过RTK设备测量和统计黑台现有滑坡最高地下水位和对应黄土厚度后发现（图8），发生突发型黄土滑坡的区域水位比例更高，其平均水位比例约为0.44。由于实际测量的水位高度为滑坡后缘最高水位，其后缘平均水位高度与试验得到的水位高度比例0.4非常接近，从现场实例上验证了试验结果。

由此可以通过台塬边黄土厚度和地下水位高度，利用水位比例作为判识方法，判断台塬可能产生突发型黄土滑坡的区域，基于统计分析并结合理论值，设置多级水位比例判断突发型黄土滑坡的潜在危险性，以室内试验和调查获得的水位比例为上下限，分别采用0.4、0.42、0.44作为水位识别的比例值，作为滑坡发生黄色、橙色、红色三级判识等级。根据这一方法，建立整个黑台的突发型黄土滑坡水位等级分布（图9），对可能产生突发型黄土滑坡的区域进行判识，为后续针对重点区域进行监测预警提供数据支持，同时，结合黑方台灌溉与地下水位响应规律，可进一步预测危险区域内发生突发型黄土滑坡的可能性。

图8 黑台黄土滑坡厚度与水位比例的关系

6 结论

（1）黑方台突发型黄土滑坡具有突发性特征，现场调查发现地下水位上升是引起滑坡变形破坏的重要因素。通过对典型滑坡水位和变形的监测证实地下水位上涨到一定高度后引起滑坡产生变形并失稳破坏。

图9 黑台台塬边水位比例分布特征

（2）通过三轴固结排水剪试验发现孔隙水压力逐级缓慢增加过程中土体变形先呈缓慢增长，当孔隙水压力达到一定程度后，土体变形速率突然增大并不再收敛而破坏，不同应力条件下土体产生变形突增时对应的孔隙水压力约为轴向应力的26%，对应了地下水位占黄土厚度的比例约为0.4。

（3）现场调查发生突发型黄土滑坡的水位比例约为0.44，结合试验和调查，以水位比例分别为0.4、0.42、0.44作为判断水位危险程度的等级划分值，建立了整个台塬的突发型滑坡水位危险性分布，以此判识可能发生突发型滑坡的区域，为后续监测预警提供了参考。