地下水位变化对高陡黄土边坡稳定性的影响——以《甘谷县散渡河流域污染源治理工程》为例

杨炳强

（天水市水利水电勘测设计研究院有限公司，甘肃 天水 741000）

天水市甘谷县散渡河为渭河左岸一级支流，流经黄土高原区，散渡河流域暴雨洪灾出现频繁，来势凶猛，破坏力强，为典型的季节性山区河流，长期受到降雨以及河流的冲刷，河谷区形成高陡黄土边坡，极易发生崩滑，加之人类工程活动频繁，两岸长期受山洪灾害影响，给当地的农业生产造成严重影响。

1 工程概况

散渡河流域为典型的黄土梁峁沟壑区，由于其特殊的地形地貌特征，黄土崩滑比较严重。以《天水市甘谷县散渡河流域污染源治理工程（水利部分）》为例，该项目主要是进行散渡河流域综合治理，河道规整治理。甘谷县近年加大了对辖区内流域河道防洪的建设力度，本工程建成将有效保护当地群众的生命和财产安全，促进流域内农业产业的发展，进一步完善了工程区防洪治理体系，为当地人民群众生命财产安全提供了有力的保障，促进了散渡河流域农业生产和经济良好发展。

1.1 工程现状

本次治理段为散渡河左右两岸，由于上下游整体防洪体系不健全，散渡河暴雨洪灾出现频繁，破坏力强，部分河岸冲刷、崩滑严重，对河床的形态影响较大，严重影响河道行洪，近年来受洪水冲刷，工程区多次出现毁路、毁田等险情，给两岸群众的生命财产安全形成严重威胁。河道两岸的砖厂、脊兽加工厂在河道内违法取土、采砂现象严重，加剧了洪水对河道的冲刷，导致已建河堤局部被冲毁，局部岸坎受到强烈淘蚀冲刷，岸坎相对高度不断增大，坡度变陡，从而形成高陡边坡，严重危及两岸村庄及耕地的安全。

1.2 高陡黄土边坡治理的必要性

散渡河为典型的山区河流，洪水多由暴雨形成，流量随季节变化较大。河道陡、流速快，洪水来势凶猛，破坏力强等主要特征。工程区散渡河呈“S”形，多形成狭窄河道和心滩，一遇暴雨，河水极易在转弯和狭窄段冲上岸坎，冲毁农田及基础设施，严重威胁村庄及房屋安全。近年来河道来回摆动，不断冲刷两岸岸坎上耕地，给两岸的居民、耕地的防洪安全形成严重威胁。

2 滑坡、崩塌发育条件

2.1 地形地貌

工程区地处甘谷县北部的散渡河流域，地形地貌上属秦岭山地北坡西段与陇中黄土高原西南边缘复合地带，地貌类型属黄土梁峁沟壑区，多为构造低中山，黄土区梁峁地形发育，沟壑纵横，支离破碎，梁脊狭窄。按地貌形态可分为低中山黄土梁峁沟壑区和散渡河河谷区两个地貌单元。a.低中山黄土梁峁沟壑区，工程区两岸的II 级阶地区及河谷两岸山体II 级阶地区由第四系黄土组成，村庄及农田主要分布在II 级阶地区，因河流不断下切，加之侧向淘蚀冲刷，形成近乎直立的黄土陡砍，其高度在5～30m 之间，下伏第三系砖红色泥岩，海拔约1420～1890m。b.散渡河河谷区，工程区所处散渡河河谷区，河谷宽650～1550m，河床漫滩宽50～185m，该河属典型的山区型高弯度河流。河漫滩地下水埋深1.0～2.2m，散渡河河谷呈“S”型状，走向大至由北向南。

2.2 地层岩性

根据挖探及工程区相关地质资料，区内出露的地层主要有：新第三系（N）和第四系（Q）。

根据工程区揭露地层岩性，高陡岸坎主要由上更新统黄土组成，为散渡河II 级阶地，呈灰黄-黄褐色，厚约6.5～25.0m，具大孔隙，垂直节理发育，土质均匀，含少量钙质结核；下伏新第三系泥岩层，厚度较大；现代河床漫滩地层岩性为冲洪积砂卵砾石层，结构稍密～密实，岩性为长石、砂岩、砂砾岩等，含泥量较高，砂卵砾石层厚度3.0～6.0m（图1）。

图1 散渡河典型横断面图

2.3 地质构造

天水市甘谷县地处黄土高原区，工程区陇西系旋卷构造与祁吕贺“山”字型构造体系前弧褶皱带复合部位，地貌上属甘肃中东部黄土覆盖的低山丘陵区的山间河谷地，表层覆盖着第四系黄土层，下伏基岩为新第三系砖红色泥岩层。散渡河流经渭北黄土梁峁沟壑区，为渭河一级支流，流域河道弯曲，支沟发育，黄土覆盖，光山秃岭。

2.4 水文地质条件

本区地下水主要为潜水，赋存于散渡河河床漫滩及I级阶地砂卵砾石层中，受大气降水、灌溉回归水（指II 级阶地上的大片农田）的影响，地下水主要向下游排泄，转化成地表水汇入散渡河。河漫滩地下水埋深0.5～3.5m，I级阶地地下水埋深3.0～7.5m，主要受散渡河河水的补给。

2.5 物理地质现象

因工程区处在黄土覆盖的干旱山区，河势流态为典型的山区型高弯度河流，侧向侵蚀作用强烈，两岸岸坡均为黄土岸坡，且形成近乎直立的陡壁，高度在6.5～25.0m 之间，岸坡崩滑是区内主要的不良物理地质现象，易造成河道堵塞，侵蚀耕地、农田，危及村庄安全等，形成灾害。

3 滑坡、崩塌影响因素

3.1 降雨和灌溉水作用

研究区内主要以黄土地层为主，水是滑坡、崩塌形成的关键因素，主要分以下几个部分研究:

3.1.1 地表水的入渗，地表水主要通过两种途径入渗：a.通过黄土节理入渗，黄土垂直节理发育，水体竖向下渗受黄土垂直节理控制，而地表水通过节理入渗是个长期过程。b.通过地裂缝及落水洞入渗，岸坎上发育有落水洞和裂缝，地表水主要沿落水洞和裂缝渗入高岸坎坡体。

3.1.2 水对土体的作用：a.地下水对滑坡形成的影响，渗入土体内部的水体易在坡体内形成饱水带，饱水带经长期浸润、掏蚀和软化导致原有土体的力学性质大大降低。b.季节性冻结滞水促滑效应，黄土高陡岸坎塌滑的常在冬春季冻融期发生，因此，季节性冻融与滑坡密切相关，其可归结为地下水的一种作用形式。

3.2 人类工程活动

近年来，随着经济的发展和国家对基础设施的建设，人类对于黄土滑坡、崩塌的影响越来越大，主要有：a.改变坡体结构，在坡体上开挖，开挖坡脚和河道挖砂，部分坡体被改造，改变了坡体原有的力学平衡；b.河道两岸的砖厂、脊兽加工厂在河道内违法取土、采砂现象严重，加剧了洪水对河道的冲刷，导致已建河堤局部被冲毁，岸坎高陡。

3.3 河流冲刷

河谷地带高陡边坡主要是河流的冲刷形成，区内主要降雨在雨季，由于上下游整体防洪体系不健全，散渡河暴雨洪灾出现频繁，破坏力强，部分河岸冲刷、崩滑严重，加之人类河道采砂严重，河床面下切较多，随着长期的冲刷，边坡越来越陡，陡坎相对高差越来越大，灾害不断加剧。

4 利用FLAC3D 对散渡河典型高陡边坡进行数值模拟

4.1 FLAC3D 简介

FLAC 是一种有限差分软件，采用显式拉格朗日算法，本构模型为Mohr-Coulomb 模型，M-C 模型适用于在剪应力下屈服（图2）。

图2 FLAC3D 一般求解流程

4.2 典型高陡黄土边坡数值模拟

通过野外实地勘测调查和室内相关资料的学习，对黄土滑坡有了一定的认识，在此基础上，利用FLAC3D软件选取较典型高陡边坡进行数值模拟。通过模拟地下水位的变化对边坡的影响，以此来研究区内典型高陡边坡的稳定性及变形破坏机理。根据野外调查资料，同时参考相关资料，选取典型黄土边坡为计算模型。

4.3 数值模拟结果分析

4.3.1 数值模拟结果

高陡边坡坡体临空面大，上部堆积较厚的风积黄土，下部受季节性洪水冲刷，为了探究地下水位上升对坡体的影响，分别进行了不考虑地下水和地下水位逐 渐 上 升 (0m、5m 和10m)各工况下对边坡的影响，通过M-C 模型进行模拟，模拟结果如图3～5 所示。

图3 位移矢量云图

4.3.2 数值模拟结果分析

通过对边坡模型进行了0m、5m、10m 水位和不考虑地下水条件下M-C 模型计算，分别选取位移场计算结果、剪应变增量、塑性区作为作为稳定性分析的依据，以此探究地下水位变化对高陡边坡稳定性的影响。

塑性区作为斜坡稳定性判别的重要标志，反映了土体的应力应变所处状态，其是否贯通可作为判别边坡整体滑移的依据。如塑性区云图4 所示：a.岸坎与河床漫滩交界处先形成剪切塑性区。b.随着地下水的上升，孔隙水压力增大，坡体内部逐渐发生塑性破坏，当塑性区完全贯通后，就从坡脚整体剪出，发生滑动。

图4 塑性区云图

从数值模拟的结果可以看出，地下水对高陡岸坎稳定性影响显著。随着地下水的上升，岸坎坡体内部水平位移、塑性区、剪应变增量等均在增大，达到一定情况时，坡体内形成弧形滑动面，随着后缘开裂，中下部剪应力逐渐增大，塑性区进一步扩展，土体达到极限平衡状态。随着水位进一步上升，塑性区贯通，土体从下部剪应变集中处（即饱和层）剪出，形成整体滑动，与研究区滑坡变形破坏情况类似。

图5 孔隙水压力云图

5 防治措施

通过野外实地勘测，以及黄土崩滑影响因素分析和数值模拟，散渡河流域高陡黄土边坡稳定性主要受河流的冲刷和地下水位的影响，结合本地区区域地质概况和数值模拟情况，该地区高陡黄土边坡防治措施主要有以下几点：a.排水，水是黄土边坡崩滑的主要影响因素，在高陡边坡上，修筑纵向和侧向排水渠，将水排入支沟或是河道，减少地表水的入渗，同时也能减小因地表水入渗而引起坡体自重增大，减小了滑坡下滑力。b.削坡，在地形开阔，条件允许的坡体，对于高陡黄土边坡采用分级削坡，同时坡体上边可以种植绿色植被。c.河道治理，河道规整治理可以有效地抵抗河流的冲刷，防止河流对坡脚的冲刷，同时可以减轻地下水对坡脚侵蚀，减少水对坡体稳定性的影响。d.削坡和护脚结合，削坡可以有效地减小坡体自重，减小下滑力；护脚可以减小水对坡体稳定性的影响，以及抗击河流的冲刷，该措施是本地区比较可行的方案。

6 结论

散渡河流域黄土崩滑比较严重，已严重制约当地经济农业发展，本文从区域地质概况和人类工程活动，结合野外调查资料和勘测情况，分析了高陡黄土岸坎的发育特征，及岸坎崩滑的影响因素。接着利用FLAC3D 软件对典型高陡黄土边坡进行了数值模拟，分别研究了未考虑地下水和考虑地下水位上升情况下对边坡的影响，通过水平位移、剪应变增量和塑性区分析了地下水位变化对高陡边坡稳定性的影响。