亓 星，陶葉青

(1.四川輕化工大學(xué)土木工程學(xué)院,自貢 643000;2.橋梁無損檢測與工程計算四川省高校重點實驗室，自貢 643000；3.四川省自然資源資料館,成都 610081)

中國黃土分布面積達(dá)44×104km2，加上次生黃土，中國黃土面積占了全國總面積的10%，分布非常廣泛。黃土具有獨特的水理特性，其結(jié)構(gòu)性、水敏性、濕陷性和強(qiáng)度時效特性使其在水的作用下極易產(chǎn)生破壞。中國西北黃土地區(qū)位于降雨稀少的干旱和半干旱帶，當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)灌溉大多依靠抽取河流或地下水源進(jìn)行補給，通過大水漫灌的方式對農(nóng)業(yè)工作區(qū)進(jìn)行灌溉。以黃土臺塬為例，大水漫灌使地表水大量進(jìn)入黃土內(nèi)部，導(dǎo)致地下水位上漲，底部黃土飽水軟化，極易誘發(fā)快速運動的黃土滑坡災(zāi)害，因此，水是引起臺塬滑坡的重要因素，而研究灌溉導(dǎo)致的黃土滑坡災(zāi)害內(nèi)在機(jī)制也成為近年來的熱門方向[1-2]。

甘肅黑方臺為典型的黃土臺塬地貌，自1968年臺塬開始了長期的農(nóng)業(yè)灌溉，形成了以突發(fā)型黃土滑坡為主的滑坡群[3-5]，這類滑坡的形成機(jī)理和特征受到了大量學(xué)者關(guān)注。有學(xué)者基于三軸試驗發(fā)現(xiàn)孔隙水壓力增長過程中會使土體逐漸進(jìn)入不穩(wěn)定狀態(tài)，進(jìn)而產(chǎn)生突發(fā)性的破壞[6-7]，大量物理模擬和離心機(jī)試驗也發(fā)現(xiàn)土體破壞過程中伴隨了顯著的孔隙水壓力突增現(xiàn)象[8-10]。王家鼎[11]曾提出這類滑坡是由于蠕動液化造成，并從理論上分析了黑方臺典型突發(fā)型滑坡的變形破壞過程，而地下水產(chǎn)生的孔隙水壓力究竟在滑坡變形破壞中扮演了何種角色，即孔隙水壓力增大導(dǎo)致滑坡變形破壞，還是由于滑坡變形引起超孔隙水壓力出現(xiàn)使得滑坡變形進(jìn)一步加速從而破壞，由于滑坡的突發(fā)性，孔隙水壓力和變形幾乎是同步出現(xiàn)，很難區(qū)分出來。由此，基于概化的室內(nèi)物理模擬試驗，還原黑方臺突發(fā)型黃土滑坡的形成過程，并通過高頻同步采集的位移計和孔壓計揭示兩者的響應(yīng)規(guī)律，從而探究這類滑坡的破壞過程。

圖2 黑方臺典型巖性剖面Fig.2 Typical lithologic section in Heifangtai

1 黑方臺地質(zhì)環(huán)境概況

黑方臺位于中國西北黃土高原地區(qū)的甘肅省永靖縣鹽鍋峽鎮(zhèn)，面積約12 km2(圖1)，臺塬地層由上往下分別為Q3馬蘭黃土(層厚26～48 m)，發(fā)育較多垂直裂隙；粉質(zhì)黏土(層厚3～19 m)，結(jié)構(gòu)致密，弱透水，呈西高東低近水平分布，使該層上方灌溉產(chǎn)生的地下水沿地形由西向東滲流；砂卵石層(層厚1～6 m)，透水性較好；最下部為單斜構(gòu)造的砂質(zhì)泥巖，巖層產(chǎn)狀125°～220°，傾角8°～12°。(圖2)。自長期農(nóng)業(yè)灌溉以來，地表水不斷滲入黃土底部并富集在透水性差的粉質(zhì)黏土層頂面，形成了數(shù)十米厚的地下水位，并從臺塬邊滲出使臺塬邊發(fā)育了大量的突發(fā)型黃土滑坡。

圖1 黑方臺全貌Fig.1 Heifangtai panorama

2 物理模擬試驗

2.1 試驗裝置和設(shè)計

通過調(diào)查發(fā)現(xiàn)，黑方臺突發(fā)型黃土滑坡沿黃土與粉質(zhì)黏土界面滑動，滑動面底部近水平，后壁高陡，受地下水位不斷上漲引起底部飽水軟化產(chǎn)生滑動。通過概化這類滑坡的特點，設(shè)計了室內(nèi)模型箱進(jìn)行試驗。模型箱長寬高為800 mm×500 mm×800 mm，兩側(cè)為透明樹脂板，模型箱后方設(shè)計了寬100 mm的水槽并有泄水孔，可通過調(diào)整泄水孔開閉控制水槽內(nèi)水位高度恒定，模擬實際地下水位。

黃土滑坡模型幾何形狀按黑方臺突發(fā)型黃土滑坡的基本幾何特征設(shè)計，參考了大量已有同類試驗?zāi)Ｐ蚚8]，設(shè)計斜坡坡度為55°，高500 mm，長700 mm，底部水平。上部加載160 kg鐵塊并通過鐵塊底部剛性平板將荷載均勻傳遞到滑坡頂面，模擬野外較厚的上覆黃土壓力(圖3)。土體采用黑方臺取得的Q3馬蘭重塑黃土分層夯實(表1)，干密度1.25 g/cm3，質(zhì)量含水率5%，試驗控制土體重度相似系數(shù)約1∶1，后方水槽內(nèi)水位恒定為15 cm，通過水槽向前方滲水模擬灌溉引起的坡體地下水上升過程，試驗中水槽與模型箱間也采用相同土體按照相同密實度填實。

2.2 數(shù)據(jù)采集

試驗?zāi)Ｐ投哑鲞^程中，在堆積體中線位置每隔10 cm高度由后側(cè)水槽向前方間隔15 cm放置一組孔隙水壓力傳感器，由下往上放置3排，共6支孔壓傳感器，并在距黃土底部15 cm高的堆積體中部埋設(shè)自動位移計(圖3)。所有傳感器均接入同頻數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，該系統(tǒng)為便攜式多路采集系統(tǒng)(NI9188)，可對接入的所有傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行同時同頻采集，最大采集頻率為1 024 Hz，通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)以獲取滑坡變形過程中的孔壓和位移同步變化規(guī)律。

表1 黑方臺黃土基本物理性質(zhì)Table 1 Physical properties of loess in Heifangtai

圖3 試驗?zāi)Ｐ蛡鞲衅鞑贾眉皵?shù)據(jù)采集系統(tǒng)Fig.3 Sensor arrangement and data acquisition system of Slope model

2.3 試驗過程和數(shù)據(jù)分析

試驗開始后，隨著后方水槽內(nèi)恒定水位的滲透作用，底部黃土飽和度由后向前逐漸上升，并使坡體產(chǎn)生了輕微的濕陷沉降現(xiàn)象[圖4(a)]，并最終坡體地步完全飽和[圖4(b)]，地下水從坡體前緣底部滲出，土體產(chǎn)生塑性變形并持續(xù)緩慢蠕動(0.57 mm/h)。隨著前緣底部黃土形成泥流，在重力作用下上覆黃土坡體產(chǎn)生拉裂，裂縫由頂部延伸至底部貫通，前緣坡體產(chǎn)生第一次滑動(41 115～41 120 s)[圖4(c)]，坡體頂部后退4 cm，總方量約0.01 m3，滑坡堆積在坡體前緣。底部滲水作用下坡體前方堆積體逐漸形成泥流，坡體蠕動速率增大至0.23 mm/min，并持續(xù)約1 500 s后再次產(chǎn)生滑動(42 623～42 625 s)[圖4(d)]，此次滑動伴隨了明顯的孔壓和位移的激增，坡體頂部后退25 cm，總方量約0.06 m3。

圖4 滑坡模型破壞全過程Fig.4 Failure process of the slope model

圖5 孔隙水壓力和位移關(guān)系Fig.5 Relationship between pore water pressure and displacement

通過傳感器獲取了坡體兩次滑動全過程的累計位移及孔壓變化[圖5(a)]。兩次滑動中第一次滑動規(guī)模較小，滑坡體并未包含傳感器，因此滑動過程中孔隙水壓力和位移計未產(chǎn)生明顯變化[圖5(b)]，第二次滑動范圍包括了位移計前端固定點和3、5、6號孔隙水壓力計，位移計也產(chǎn)生了明顯的增大[圖5(c)]。1、2、4號孔隙水壓力計位于滑動面后方，未觀測到明顯位移。

通過圖5(c)可以發(fā)現(xiàn)，第二次滑動過程中6個孔隙水壓力計的響應(yīng)時間有一定的先后關(guān)系，部分孔壓在位移達(dá)到最大前就先達(dá)到了峰值。由于采集系統(tǒng)采集頻率達(dá)1 024 Hz，可以準(zhǔn)確反映試驗過程中孔壓與位移的微小響應(yīng)差異，通過計算兩者的相關(guān)性即可判斷孔壓和位移的先后響應(yīng)關(guān)系，明確坡體的破壞是否由孔隙水壓力引起。具體方法為，將第二次滑動過程的位移和孔壓數(shù)據(jù)先進(jìn)行歸一化處理，選取滑動過程中連續(xù)200個孔壓數(shù)據(jù)(持續(xù)0.2 s的數(shù)據(jù))與同時間的200個累計位移數(shù)據(jù)計算相關(guān)性，隨后平移孔壓數(shù)據(jù)選取區(qū)間再次計算相關(guān)性，以此不斷移動孔壓數(shù)據(jù)選取區(qū)間獲得不同時間差對應(yīng)的兩者相關(guān)性，最終得到相關(guān)性系數(shù)最大時對應(yīng)的孔壓與位移時間差(表2)。

表2 孔壓與位移的時間差Table 2 Time difference between pore pressure and displacement

通過相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn)，滑體內(nèi)部的3、5、6號孔壓相對位移有一定的滯后，而滑體后方的1、2、4號孔壓相對位移則先出現(xiàn)響應(yīng)。由此可見，雖然位移和孔壓幾乎同時激增，但第二次滑動產(chǎn)生前在滑坡后方出現(xiàn)了明顯的孔隙水壓力波動，使得變形加快，而變形加快又促使了土體內(nèi)部產(chǎn)生超孔隙水壓力，進(jìn)一步加劇變形從而失穩(wěn)破壞。

由物理模擬試驗揭示了地下水上升引起的孔隙水壓力達(dá)到一定程度后，輕微的孔壓變化即可導(dǎo)致坡體的突發(fā)性失穩(wěn)破壞，這解釋了黑方臺突發(fā)型黃土滑坡隨著地下水不斷上升出現(xiàn)的突發(fā)性特征。隨著黑方臺長期灌溉引起的地下水上升到一定程度，臺塬邊緣具備產(chǎn)生靜態(tài)液化型黃土滑坡的孔壓條件。

3 結(jié)論

通過物理模擬試驗還原了黑方臺突發(fā)型黃土滑坡表現(xiàn)出的突發(fā)性破壞過程，隨著地下水產(chǎn)生的孔隙水壓力逐漸增大，坡體開始產(chǎn)生緩慢蠕動，而蠕動導(dǎo)致的孔隙水壓力的波動和積累致使坡體變形加快，最終導(dǎo)致滑坡加速變形破壞并伴隨了顯著的超孔隙水壓力，由此揭示了這類滑坡的破壞為“地下水位上升—坡體產(chǎn)生緩慢變形—變形引起孔壓波動—孔壓波動引起變形加劇—滑動破壞并伴隨顯著超孔隙水壓力”的過程。因此，引起這類滑坡產(chǎn)生變形的原因是地下水位不斷上升造成，孔隙水壓力達(dá)到一定程度后可能維持較長時間的相對穩(wěn)定，在此期間坡體的緩慢變形是造成孔壓進(jìn)一步累積波動的原因，并導(dǎo)致變形增加和最終失穩(wěn)破壞，在此期間超孔隙水壓力主要是滑坡失穩(wěn)破壞時伴隨產(chǎn)生，并非誘發(fā)滑坡變形的主要因素。