朱立峰　谷天峰　胡　煒　劉亞明　馮　立　畢銀強

(①中國地質(zhì)調(diào)查局西安地質(zhì)調(diào)查中心　西安　710054)

(②西北大學(xué)地質(zhì)學(xué)系/大陸動力學(xué)國家重點實驗室　西安　710069)

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灌溉誘發(fā)黃土滑坡的發(fā)育機制研究*

朱立峰①谷天峰②胡煒①劉亞明②馮立②畢銀強②

(①中國地質(zhì)調(diào)查局西安地質(zhì)調(diào)查中心西安710054)

(②西北大學(xué)地質(zhì)學(xué)系/大陸動力學(xué)國家重點實驗室西安710069)

黃土滑坡機理是黃土地質(zhì)災(zāi)害領(lǐng)域研究的熱點，而黃土介質(zhì)干濕演替水-力特性變化、地下水動力場響應(yīng)以及由此造成的斜坡穩(wěn)定性變化是其形成的關(guān)鍵。本文在黑方臺非飽和黃土水-力特性測試的基礎(chǔ)上，結(jié)合斜坡地帶灌溉引起的非飽和滲流演化過程與發(fā)展趨勢，探討了這種滑坡的發(fā)育機制。結(jié)果表明：隨著灌溉持續(xù)，長期的正水均衡場引起地下水位上升，包氣帶增濕后非飽和黃土的吸力下降，強度顯著降低，同時飽和區(qū)孔壓上升，斜坡地帶水力梯度增大，提高了水流的滲透力，致使斜坡穩(wěn)定性下降，斜坡穩(wěn)定系數(shù)隨地下水位上升呈線性降低，當(dāng)?shù)叵滤簧?5m時達到坡體極限平衡狀態(tài)，遇有利觸發(fā)條件即可能失穩(wěn)滑動，但地下水位變化對最危險滑面位置影響較小。

灌溉基質(zhì)吸力滲流場黃土滑坡穩(wěn)定性

圖1　滑坡分布圖Fig.1　Landslides distribution map

0　引　言

黃土高原因強烈的水土流失而呈千溝萬壑的破碎地貌景觀，黃土臺塬以其相對開闊平坦的地形成為黃土高原區(qū)的農(nóng)業(yè)主產(chǎn)區(qū)，但受青藏高原及季風(fēng)氣候影響，氣候干燥降雨量小，自先周公劉在芮鞫(今甘肅慶陽、涇川一帶)始創(chuàng)引水灌溉(《史記·周本紀》)已有四千多年的灌溉史。灌溉在大幅提高農(nóng)業(yè)單產(chǎn)的同時，也導(dǎo)致臺塬周邊滑坡帶狀群發(fā)，如甘肅永靖黑方臺滑坡群、陜西涇陽涇河右岸滑坡群(雷祥義，1995；王家鼎等，2001a；Zhang et al.，2009；張茂省等，2011；Xu et al.，2011；羅浩等，2014；楊璠等，2014)。黑方臺自20世紀60年代安置“黃河三峽”庫區(qū)移民引水灌溉伊始，歷經(jīng)長達40余年的大面積大水漫灌，四周臺緣滑坡密集發(fā)育，據(jù)不完全統(tǒng)計，自20世紀80年代以來累計滑坡120余次，2000年至今，每均3～5次。Derbyshire et al.(1994)、Dijkstra et al.(1994)、吳瑋江等(1999)、王家鼎等(2001a，2001b，2002)、金艷麗等(2007)、許領(lǐng)等(2008)、張茂省(2013)、張茂省等(2013)、朱立峰等(2013a，2013b)、谷天峰等(2015)從不同角度對黑方臺滑坡群發(fā)育機制進行了分析，這些研究多從灌溉條件下有效應(yīng)力變化及典型滑坡形成啟動機制角度論述灌溉對斜坡穩(wěn)定性的影響。受限于試驗條件及計算方法，在黃土非飽和特性測試的基礎(chǔ)上，結(jié)合斜坡的滲流特征及因此引起的斜坡失穩(wěn)過程方面，探討灌溉誘發(fā)黃土滑坡機制的研究相對較少。而灌溉誘發(fā)黃土滑坡的發(fā)育過程實質(zhì)是灌溉導(dǎo)致地下水位上升，導(dǎo)致滲流強度增大，非飽和黃土基質(zhì)吸力下降，強度降低，發(fā)生變形及破壞，進而誘發(fā)斜坡失穩(wěn)的過程，故本文在分析長期灌溉效應(yīng)對黃土斜坡流場分布及基質(zhì)吸力影響基礎(chǔ)上，計算了地下水位上升引起的非飽和土強度變化對黃土斜坡穩(wěn)定性的影響，進而探討了這種滑坡的發(fā)育機制。

1　研究區(qū)黃土滑坡特征

黑方臺周緣共發(fā)育35處滑坡(圖1)，形成了連綿十余公里的滑坡群。黃土滑坡集中于野狐溝口東側(cè)，共24處，系黃土沿粉質(zhì)黏土層頂面滑動，因控滑結(jié)構(gòu)面高懸斜坡中上部，均為高位滑坡，雖其規(guī)模較小，但以高速遠程滑坡為主，致災(zāi)嚴重，如2015年1月29日陳家東南滑坡滑距達460m，黃土-基巖滑坡共11處，系順層滑坡，規(guī)模較大，以低速近程為主，如2006年黃茨滑坡從啟動至停積歷時7h，最大滑距僅20m。

圖4　黑方臺水文地質(zhì)剖面圖Fig.4　The hydrogeologic profile of Heifangtai

2　黑方臺非飽和黃土水-力作用特性

2.1土水特征曲線與滲透性

采用TRIM(土水特征快速測試系統(tǒng))進行黃土土水特征測試，采用試驗裝置中自帶的Hydrus-1D程序分別對脫濕和吸濕過程數(shù)據(jù)采用Van Genuchten模型、Mualem模型和吸應(yīng)力模型進行擬合，分別得到完整的脫濕、吸濕狀態(tài)下的土水特征曲線(SWCC)、滲透系數(shù)函數(shù)曲線(HTC)(圖2)。

圖2　土水特征及滲透系數(shù)曲線圖Fig.2　Soil water characteristic curve and permeability coefficient function graph

2.2非飽和土強度

采用挖探方式采集原狀黃土樣品，在GDS三軸儀上開展了不同基質(zhì)吸力下的剪切試驗，根據(jù)Fredlund強度理論，擬合得到了抗剪強度包絡(luò)面(圖3)，得到了這種黃土的強度參數(shù)，見式1。

(1)

式中，τf為抗剪強度(kPa)；σ為主應(yīng)力(kPa)；ua-uw為基質(zhì)吸力(kPa)。

3　灌溉引起的地下水位變化

3.1灌溉引起的地下水位上升

圖3　非飽和黃土抗剪強度包絡(luò)面Fig.3　The shear strength envelope of unsaturated loess

黑方臺水文地質(zhì)條件為典型河間地塊(圖4)，黃土底板出露遠高于侵蝕基準面，灌溉之前，黃土含水系統(tǒng)無地表水及側(cè)向地下徑流補給，降水為唯一補給源，但多年平均降水量僅282.6mm，干旱指數(shù)達5.6，故地下水資源匱乏，無區(qū)域性統(tǒng)一水位。由地下水流數(shù)值模擬可知，灌溉前，黃土潛水層地下水位低于含水層底板，無穩(wěn)定地下水位。自1968年以來，年均引水灌溉量(560～720)×104m3，灌溉改變了水均衡場的源匯項，長期正均衡引起地下水位持續(xù)抬升，至今地下水位平均升幅0.27m·a-1，至2010年地下水位累計上升20～22m。

3.2典型斜坡非飽和滲流特征

3.2.1計算斷面

圖5　JH13號滑坡工程地質(zhì)剖面圖Fig.5　Engineering geology section map of JH13 landslide

結(jié)合圖5建立了該段黃土斜坡的有限元模型(圖6)，進行了不同地下水位工況下的飽和-非飽和滲流分析。模型高80m，頂寬135m，底寬223m。模型左側(cè)采用定水頭邊界，根據(jù)地下水位變幅，設(shè)置不同的地下水位，以模擬不同歷史期的灌溉效應(yīng)。

結(jié)合抽水試驗、室內(nèi)滲透試驗、TRIM試驗成果，黃土的飽和滲透系數(shù)分別取2.4×10-2m·d-1(水平)、0.12m·d-1(豎直)，孔隙率取0.51，非飽和抗剪強度見式(1)，不考慮抗拉強度，其他參數(shù)(表1)。

表1　材料參數(shù)表

Table 1　Material parameters

名稱重度ρ/kN·m-3彈性模量E/MPa泊松比μ孔隙率滲透系數(shù)/m·d-1黏聚力c/kPa內(nèi)摩擦角φ/(°)吸力摩擦角φb/(°)垂直水平黃土15.2460.350.510.122.4e-214.516.815.1粉質(zhì)黏土19.5900.30.302e-42e-460.022.0—砂卵石層20.01400.30.402.02.0———砂泥巖22.02000.30.101e-51e-5———

圖6　計算模型Fig.6　Calculation model①黃土；②粉質(zhì)黏土；③砂卵石層；④互層砂泥巖

根據(jù)勘察、地下水流數(shù)值模擬成果，地下水位取31～56m(對應(yīng)高程1651～1676m，對應(yīng)黃土層0～25m)，通過不同邊界條件，分析長期灌溉過程中黃土斜坡內(nèi)部孔壓分布及滲流場變化。

3.2.2斜坡的滲流特征

考慮到黑方臺灌溉引起的地下水位上升持續(xù)了40多年，是一個緩慢的過程，故采用穩(wěn)定流的分析方法，通過設(shè)置不同的水位，以模擬不同灌溉時期黃土斜坡內(nèi)流場的變化。因1968年以前，黃土層內(nèi)無穩(wěn)定地下水位，故黃土潛水位取值范圍介于31～56m?？讐悍植?圖7)。

由圖7可知，初期黃土層內(nèi)飽和區(qū)域較小，隨著灌溉時間的持續(xù)，黃土層底部飽和帶的厚度逐漸增大(圖7(b-f))，飽和區(qū)孔壓上升，坡腳處滲透力增強。水流在吸力的作用下逐漸流入非飽和區(qū)，使非飽和黃土區(qū)面積減小，負孔壓降低，吸力下降。

圖8給出了不同灌溉條件下斜坡內(nèi)部基質(zhì)吸力變化。由圖8a，地下水位由內(nèi)側(cè)向外側(cè)逐漸降低，在坡腳形成排泄，隨著地下水位的上升，浸潤線抬高，坡腳排泄量也逐漸增大?；|(zhì)吸力的分布趨勢與地下水位的分布趨勢類似(圖8(b-f))。非飽和黃土吸水，基質(zhì)吸力降低，引起非飽和黃土的總黏聚力變小，進而使黃土斜坡的穩(wěn)定性下降，最終導(dǎo)致滑坡形成。

圖7　孔壓分布圖Fig.7　Pore pressure mapsa.31m；b.36m；c.41m；d.46m；e.51m；f.56m

圖8　地下水位與基質(zhì)吸力關(guān)系Fig.8　Groundwater level vs matric suctiona.0kPa；b.50kPa；c.100kPa；d.200kPa

4　水位上升對斜坡穩(wěn)定性的影響

4.1非飽和斜坡穩(wěn)定性分析

斜坡穩(wěn)定性分析一般不考慮負孔壓的強度貢獻，即將地下水位線以上的土體視為一個整體，采用飽和強度或原狀強度。這種處理方法，對滑面在地下水位線下或者不考慮水作用的斜坡來說是合適的，但對于由于地下水位上升，黃土增濕強度降低所導(dǎo)致，且大部分滑面在地下水位線之上的黃土滑坡來說，這樣的處理不是很合理。因此，在黃土斜坡尤其是由于灌溉或降雨引起的斜坡失穩(wěn)分析中，應(yīng)考慮斜坡的基質(zhì)吸力變化以及非飽和黃土的抗剪強度變化。基于此，本文以Fredlund抗剪強度理論為基礎(chǔ)，采用有限元方法得出不同灌溉條件下坡體內(nèi)部孔隙水壓力分布，根據(jù)孔隙水壓力計算各單元的基質(zhì)吸力，進而確定各單元的強度參數(shù)，并采用FLAC3D程序的強度折減方法進行斜坡穩(wěn)定性分析。

強度折減的計算使用FLAC3D程序，由于FLAC3D沒有非飽和滲流分析及非飽和材料性質(zhì)，因此采用FLAC自帶的Fish語言，對FLAC程序進行調(diào)整，使其具有非飽和穩(wěn)定性分析的功能。具體實現(xiàn)過程如下：

(1)利用非飽和滲流有限元軟件進行飽和-非飽和滲流分析，導(dǎo)出不同地下水位工況下，節(jié)點單元數(shù)據(jù)及節(jié)點孔壓數(shù)據(jù)。

(2)編寫Fish程序，將模型節(jié)點、單元幾何參數(shù)、材料、邊界、非飽和滲流分析成果等導(dǎo)入FLAC3D中，使單元具有基質(zhì)吸力的屬性(圖9)。

圖9　黃土層孔壓分布(56m)Fig.9　Pore pressure distribution of loess layer(56m)

圖10　黃土層綜合黏聚力分布(56m)Fig.10　The comprehensive cohesive distribution of loess layer(56m)

(3)編寫Fish程序，根據(jù)每個單元吸力，對黏聚力賦值c′+(ua-uw)tan(φb)(即總黏聚力，圖10)，內(nèi)摩擦角賦值為φ′。

圖11　斜坡非飽和穩(wěn)定性分析結(jié)果Fig.11　The unsaturated stability analysis results of slopesa.31m；b.36m；c.41m；d.46m；e.51m；f.56m

(4)計算斜坡的穩(wěn)定性。

4.2分析結(jié)果

根據(jù)4.1所述計算方法，采用FLAC3D對斜坡在不同地下水位條件下進行非飽和穩(wěn)定性分析，結(jié)果(圖11)。從圖11可知，隨著灌溉的持續(xù)，斜坡穩(wěn)定性系數(shù)降低，潛在滑動面的后緣張拉縫位于斜坡后緣約30m位置處，剪出口在斜坡中部黃土與粉質(zhì)黏土分界處。由圖11(a-f)對比可知，潛在滑動面的位置變化不大，這與黑方臺滑坡發(fā)育規(guī)律一致。結(jié)合野外調(diào)查，水位上升致斜坡失穩(wěn)之后，隨著地下水位進一步上升，斜坡發(fā)生多次失穩(wěn)，表現(xiàn)為原位累進性溯源后退式擴展滑動。

圖12　地下水位與穩(wěn)定系數(shù)關(guān)系圖Fig.12　The graph of groundwater level and stability factor

由圖12，斜坡穩(wěn)定性系數(shù)隨地下水位上升而逐漸降低，兩者呈負線性關(guān)系。綜合圖11 和圖12，當(dāng)?shù)叵滤辉?5m時，采用FLAC計算得到的斜坡的穩(wěn)定性系數(shù)為1.0，即此時斜坡處于極限平衡狀態(tài)。當(dāng)?shù)叵滤怀^55m時，斜坡失穩(wěn)。

5　灌溉誘發(fā)黃土滑坡的發(fā)育機制

通過對比分析灌溉前后黃土層的水動力場演化可知：灌溉前，地下水主要由降雨補給，蒸發(fā)量遠大于降雨量，黃土層內(nèi)地下水位大多低于含水層底板，呈疏干狀態(tài)，此時斜坡內(nèi)部無飽和區(qū)，非飽和區(qū)基質(zhì)吸力較高，黃土強度較大，滑坡較少出現(xiàn)。

隨著灌溉的持續(xù)，地下水位逐漸上升，飽和區(qū)面積逐漸增大，孔壓逐步上升，坡腳排泄量逐漸增大，滲透力增強。非飽和土的吸力減小，使得土的總黏聚力降低，黃土斜坡的穩(wěn)定性降低。

根據(jù)不同灌溉條件下非飽和穩(wěn)定性分析成果，斜坡穩(wěn)定性系數(shù)與地下水位的上升呈負線性相關(guān)，地下水位超過55m時，斜坡失穩(wěn)。

6　結(jié)　論

(1)建立了斜坡的滲流有限元模型，通過飽和-非飽和滲流分析，模擬了不同灌溉時期坡體內(nèi)部的滲流特征。結(jié)果表明，灌溉造成斜坡內(nèi)部飽和區(qū)面積增大，滲流速度加快，滲透力增強，非飽和區(qū)基質(zhì)吸力下降，加速斜坡失穩(wěn)。

(2)利用FLAC3D的開發(fā)，在穩(wěn)定性分析中考慮了灌溉過程中非飽和黃土強度的降低。結(jié)果表明，黃土斜坡的穩(wěn)定性與地下水位呈負線性相關(guān)，當(dāng)水位上升至55m時，斜坡失穩(wěn)概率較大。但地下水位升降變化對最危險滑面位置影響較小，滑面后緣多在距離溝緣線約30m，潛在剪出口位于斜坡中部黃土與粉質(zhì)黏土接觸部位。

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DEVELOPMENTAL MECHANISM OF IRRIGATION-INDUCED LOESS LANDSLIDES

ZHU Lifeng①GU Tianfeng②HU Wei①LIU Yaming②FENG Li②BI Yinqiang②

(①Xi′an Center of Geological Survey，China Geological Survey，Xi′an710054)

(②State Key Laboratory of Continental Dynamics，Department of Geology，Northwest University，Xi′an710069)

The mechanism of irrigation-induced loess landslide is one of the top topics of loess geo-hazard researches.Furthermore，the key areas are the hydraulic and mechanical property changes of loess after drying and watering alternation medium under irrigation condition，as well as the slope stability changes due to groundwater flow field response.This paper discusses the developing mechanism of irrigation-induced loess landslide in Heifangtai，which is on the basis of the hydraulic and mechanical property tests of unsaturated loess in Heifangtai，the unsaturated seepage evolving process and developing trend of the slope area due to irrigation.The results demonstrate the following.With the lasting of irrigation，long-term positive water equilibrium field can trigger the rising of the groundwater table.Moistening of the unsaturated zone leads the matric suction to decline and the strength to reduce drastically.Meanwhile，the thickness of the saturated zone increases.This causes build-up of porewater pressure as well as augmentation of the hydraulic gradient in the slope.The seepage velocity fastens.Hence the seepage force on the slope escalates too.Then the slope stability drops.The factor of slope stability declines linearly with the rising of groundwater table.The slope reaches limit equilibrium state when the groundwater table is close to 55m，under which condition it may slide under certain negative triggering factors.The groundwater table change，however，has limited impact on the critical sliding surface．

Irrigation，Matric suction，Seepage field，Loess landslides，Stability

10.13544/j.cnki.jeg.2016.04.001

2015-05-18;

2015-10-14.

國家科技支撐課題(2012BAK10B02)，國家自然科學(xué)青年基金(41202187)，國土資源地質(zhì)礦產(chǎn)調(diào)查評價項目(12120114025701)資助.

朱立峰(1973-)，男，學(xué)士，工程師，從事地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查和研究工作.Email: sx-zhulf@163.com

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