彭建兵黄土高原灾害“追凶”30年

撰文/李子涵 李方园 摄影/行向辉 资料

2019年，彭建兵院士在长安大学地质灾害大型物理模拟试验中心指导“降雨作用下黄土滑坡启动机理研究”试验

黄土高原上广覆的巨厚黄土层就是一种典型的晚新生代风成堆积层，其土性松软，易受环境变化影响发生破裂滑移大变形，形成大规模的滑坡灾害。是什么样的“凶手”在撕扯着黄土高原上厚厚的黄土体？并且还使这些黄土体大规模地滑移和被搬运？

30年来，彭建兵科研团队一直在追踪和寻找着其“真凶”，探究着黄土堆积层滑移大变形规律与动力学机制。他们先后承担了大量的黄土滑坡研究项目。1989～2001年，断续承担的是企业和地方政府委托的项目，开展了13年的野外调查与勘探工作；1992～1994年，受西北水电设计院委托，他们对黄河积石峡水库10个大型滑坡开展了系统的研究。2002年获得了交通部重大科技项目“探测湿陷性黄土暗穴技术研究”；2011年获批国家重点基金项目“人类活动的黄土滑坡响应机理与灾害预警”；2013年获得国家973计划项目唯一的资助，全面地开展“黄土重大灾害及灾害链的发生、演化机制与防控理论”的系统研究；2017年获得国家自然科学基金重大项目资助，系统攻关“黄土重大工程灾变机理与防控”。

黄土滑坡的“第一元凶”

彭建兵科研团队辗转于黄土高原的陇西、陇东、陕北、吕梁和汾渭各地，实地调查了数百个黄土滑坡，同时依据上万个在影像图上可识别的滑坡，编制了黄土高原滑坡分布图。由此发现，六盘山断裂带以西的陇西地区有4个滑坡高发带，它们均沿北西向展布的区域断裂带和地震活动带分布，青藏高原隆升东挤的水平构造应力驱动着该区的新生代泥岩和黄土层沿着已有断裂带破裂滑移，形成黄土滑坡分带高发的格局；陇东、陕北和吕梁地区，黄土滑坡主要发育在黄土塬边、梁侧、峁头和沟畔，鄂尔多斯块体第四纪以来持续阶段性隆升的垂直构造应力驱动着这3个区域的黄土区抬升、剥蚀和沿着地貌边界带滑移，形成3个滑坡高发区；汾渭盆地黄土滑坡主要成带分布在盆内台塬与洼地相间的地貌分界带上，这是盆地区域拉张应力驱动黄土沿着这些地貌过渡带撕裂滑移的结果。

黄土滑坡的“第二元凶”

△2011年，考察西安市灞桥区白鹿塬北坡滑坡灾害现场

◁2007年，为解决西安地铁穿越地裂缝的技术性难题，彭建兵院士带领的科研团队开展了西安地铁地裂缝防治大型物理模型试验研究

黄土边坡土体看似均匀，实际上普遍发育着断层、构造节理、垂直节理、卸荷裂隙和软弱层面等奇妙而又复杂的结构面。前四类常构成边坡土体滑移的分离面，后者常构成边坡土体滑移的底滑面。这些结构面主要由构造应力、卸荷应力和湿陷变形应力作用所形成，它们在滑坡的孕育阶段构成坡体的分割面，在滑坡启动阶段构成坡体裂解面，在滑坡运动阶段放大了滑体的解体和溃散，不同结构面组合成的不同类型结构体控制着黄土滑坡的原型和规模。构造应力既造就了结构面，又不断地改造和松动着结构面，甚至扩展结构面，持续地肢解着边坡的完整性。

黄土滑坡的“第三元凶”

通过大量的土力学试验，彭建兵科研团队发现，首先是组成黄土黏粒的矿物主要为高岭石、蒙脱石和伊利石等水敏性矿物，增湿使得黄土中可溶盐溶解，颗粒间水膜增厚，黏粒膨胀，从而弱化土颗粒间的连接，损伤破坏黄土的结构；其次，组成黄土主要粒度成分的粉粒多呈板状或杆状，它们之间的搭接关系以架空结构为主，增湿和荷载的作用一方面使得颗粒发生旋转，同时也引起粒子破碎，孔隙坍塌，土的结构屈服应力和强度显著降低；此外，水和荷载的作用将逐渐改变黄土中的原生结构，并形成新的次生结构。黄土结构性发生改变后，既减损了其强度，同时在工程扰动荷载或土体的自重作用下又将“重新启动”土体的固结作用，导致变形量增大，宏观表现为湿陷性和流变性，有利于崩塌滑坡的发生。

黄土滑坡的“主凶”

2013年在陕西泾阳黄土南塬，彭建兵科研团队依托国家基金重点项目在现场实施了大量的勘探、观测和原型试验，终于揭开了动水驱动滑坡形成的谜底，发现它们大致经历了5个阶段:首先，表水渗入黄土浅表部，增大黄土的水敏性，降低其土体强度，诱发深度一般不超过3m的浅表崩塌和溜滑灾害；然后，水沿着微、细、宏观优势通道进入黄土深部后，在一定深度形成厚度20～30cm的高饱和含水层，成为坡体中的软化层带，为诱发深度20～30m的深层滑动提供了底滑带；其后，水沿结构面渗透既冲蚀扩展了结构面，又松动了结构面，还对坡体形成静、动水压力，派生出巨大的侧向压力，增大了边坡向下滑移的力量；再后，水在软化带和易滑层中聚集产生超孔隙水压力，使其强度变得很小，产生静态液化而启动滑坡；最后，那些没来得及散去的地下水在滑体底面聚集产生超孔隙水压力，使滑体下垫层剪动液化，托着滑坡“飘”在空中远行，链生转化为具有高速、远程、溃散和铺撒等特征的黄土泥流。

黄土滑坡的“帮凶”

彭建兵科研团队研究发现，黄土地区许多灾难性的滑坡是由人类工程堆载或开挖卸载所引起的。通过现场观测和模型试验发现，工程扰动应力扩展和松动了黄土边坡结构面，不断地改变着边坡的应力状态、流场状态和完整状态，使黄土边坡稳定性显著下降和不断变形破坏，促发黄土滑坡突然发生。通过大量的原状土样和扰动土样的应力路径三轴试验，发现反复加载作用下坡体中下部土体的体缩量和剪应变增加，若坡体中有含水量较高的饱水带，孔隙水压力增加势必激活软化层液化致滑；通过大型物理模型和离心模型试验，发现开挖卸荷引起黄土边坡变形破坏可分为均衡应变、应变局部化和破坏3个阶段，具有明显的分区特征和滞后性特征。

人类认识自然的目的是利用自然和改造自然

黄土滑坡类型和模式复杂多样，但可把它们概括为层带软化、静态液化、压覆推剪和支撑溃决四种基本模式；区域构造应力、边坡构造应力和土体易灾特性是黄土滑坡的三大“元凶”，它们孕育和形成了黄土滑坡的原型，是黄土滑坡发生的初始条件；动水渗透应力是黄土滑坡的“主凶”，它们驱动了黄土滑坡的启动和运动，工程扰动应力是黄土滑坡的“帮凶”，它们助发了灾难性黄土滑坡的频发，这两条是黄土滑坡发生的随机过程。4种应力的跨尺度耦合协同作用是黄土大规模滑移成灾的主要驱动力。

彭建兵科研团队基于黄土滑坡成因理论和初始条件可知、随机过程可测的思路，以甘肃黑方台和陕西泾阳南塬两个滑坡高发区为示范试验基地，构建了天-空-地一体化的黄土滑坡隐患早期识别技术体系，基于高分光学遥感的黄土滑坡隐患普查，将多种InSAR技术有机结合，在黑方台、泾阳南塬识别出数10处滑坡隐患；然后借助高精度无人机摄影测量的详查，圈定出高风险区段，为当地政府提供了滑坡高风险区域预测；进而研发了现场监测数据的自动采集、远程无线传输、实时分析处理的黄土滑坡实时监测预警系统，并4次提前数小时成功预警滑坡的发生，避免了重大人员伤亡，在黄土滑坡区域风险预测和临灾预警方面取得一些突破。

△2014年，为直观揭露地裂缝的剖面发育特征，彭建兵院士在某科学探槽内与研究生探讨地裂缝的剖面结构特征

△2019年，率领团队考察研究东非裂谷地裂缝，为一带一路东非铁路建设服务

针对延安市区不断遭受着黄土滑坡灾害的侵扰，宝塔山不断地被崩塌滑坡蚕食而渐渐缩小这一重大灾害风险难题，彭建兵科研团队基于黄土滑坡成因理论，通过大型物理模拟试验，再现了滑坡与抗滑结构体系的相互作用过程和抗滑结构设计的合理性，提出了黄土滑坡治理的微型桩设计原则以及合理的计算方法、锚索抗滑桩对黄土滑坡的抗力参数和设计方法、格构梁的设计标准及计算方法等，并成功应用这些技术治理了延安宝塔山等多个滑坡，保障了历史灯塔的安全，并形成了黄土滑坡防治工程示范。

总结黄土高原灾害“追凶”的30年，彭建兵说：“地质科学研究需要优质的研究基地、宽松的研究环境和志同道合的研究团队。深感幸运的是，这些优越条件我们都拥有了。我们在这里坚持了40年，深受黄土高原厚重积淀的文化影响，高原意识、高原精神、高原灵魂和高原气质慢慢渗入我们骨子里，润入我们心灵中，使我们的涵养、胸襟和格局不断得以升华。”