0 引 言

 

  我國(guó)黃土面積6.3×105 km2，約占我國(guó)陸地面積的6.6%。黃土滑坡是西北地區(qū)最為嚴(yán)重的地質(zhì)災(zāi)害，給人民生命財(cái)產(chǎn)帶來(lái)威脅。歷史上，1920 年12 月16 日寧夏海原里氏8.5 級(jí)地震，發(fā)生較大規(guī)模滑坡657 處，滑坡分布面積達(dá)5.0×104 km2，造成20 萬(wàn)人死亡[1]。

 

  據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，陜西省已發(fā)生黃土滑坡1131 處，蘭州地區(qū)1300 處，甘肅省東部4576 處[2]。

 

  隨著西部經(jīng)濟(jì)的發(fā)展及工程活動(dòng)的加強(qiáng)，黃土滑坡成為近年工程地質(zhì)研究的熱點(diǎn)問(wèn)題[3]。金艷麗等基于飽和黃土應(yīng)力路徑試驗(yàn)分析了灌溉誘發(fā)黃土滑坡機(jī)理，雷祥義研究了黃土滑坡與人類活動(dòng)的關(guān)系[5]，吳瑋江等[6]研究了黃土滑坡的類型和發(fā)育特征，許領(lǐng)等[7]研究了黃土滑坡的地表水入滲途徑，王家鼎等研究了黃土滑坡的蠕滑液化機(jī)理。然而，有些問(wèn)題至今還未引起學(xué)界的重視，如滑坡后緣裂縫成因及其對(duì)黃土滑坡的作用機(jī)制、滑坡后壁高陡成因機(jī)制、滑坡演化等。研究人員并未將它們作為一個(gè)獨(dú)立的工程地質(zhì)問(wèn)題加以思考，僅在分析滑坡發(fā)育特征時(shí)進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹或略作討論，然而，它們是黃土滑坡研究不可回避的內(nèi)容和重要組成部分。因此，本文以南塬為例，對(duì)當(dāng)前黃土滑坡研究中的幾個(gè)典型工程地質(zhì)問(wèn)題進(jìn)行分析。

 

  1 研究區(qū)概況

 

  涇陽(yáng)南塬位于陜西省涇陽(yáng)縣城南涇河右岸，是關(guān)中盆地渭北黃土臺(tái)塬的組成部分[9]。南塬橫跨太平、蔣劉、高莊3 個(gè)行政鄉(xiāng)，東西長(zhǎng)達(dá)27.1 km，塬區(qū)面積約70 km2，塬面開闊，高程420～490 m，微向西南傾伏[10]。臺(tái)塬高差40～90 m，直接與涇河2 級(jí)階地相接。

 

  涇陽(yáng)南塬處于寶雞峽引渭灌溉區(qū)的下游，自1976年大面積農(nóng)業(yè)灌溉以來(lái)，誘發(fā)了大量黃土滑坡，造成了嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡。如1984 年12 月發(fā)生的蔣劉滑坡，壓埋159 民房，造成20 人死亡。

 

  2005 年～2007 年6 月份，筆者對(duì)南塬黃土滑坡進(jìn)行了多次現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查和滑坡特征參數(shù)測(cè)量，獲得了詳實(shí)的野外資料。圖1 為研究區(qū)黃土滑坡分布圖，由于局部地段滑坡邊界不明顯，把連續(xù)的幾個(gè)（亞滑坡群）歸為一處，但保留滑坡次數(shù)，因此，根據(jù)最新調(diào)查資料，研究區(qū)發(fā)生黃土滑坡27 處，共50 余起。

 

  2 黃土滑坡典型工程地質(zhì)問(wèn)題

 

  2.1 地下水上升誘發(fā)黃土滑坡機(jī)制

 

  隨著農(nóng)業(yè)灌溉的持續(xù)和加強(qiáng)，地下水上升誘發(fā)黃土滑坡機(jī)制的研究，成為黃土滑坡研究亟待解決的問(wèn)題之一。雷祥義[10]、范立民等[11]、寧社教等[12]對(duì)南塬黃土滑坡機(jī)制進(jìn)行了研究，但主要是從地下水、節(jié)理等宏觀現(xiàn)象以及黃土微觀結(jié)構(gòu)特性角度進(jìn)行的初步分析，但對(duì)其中的工程地質(zhì)問(wèn)題研究不夠深入。

 

  （1）滑坡發(fā)生機(jī)制

 

  土的力學(xué)性質(zhì)決定于其應(yīng)力路徑[13-15]。近年來(lái)，滑坡發(fā)生的實(shí)際應(yīng)力路徑試驗(yàn)研究受到廣泛重視。

 

  Brand[17]首先提出降雨誘發(fā)滑坡的實(shí)際應(yīng)力路徑為總應(yīng)力保持不變，孔隙水壓力不斷增加的破壞過(guò)程，其應(yīng)力路徑（CSD）如圖2 所示，常規(guī)應(yīng)力路徑試驗(yàn)（CU，CD）與實(shí)際應(yīng)力路徑相差懸殊。Anderson 等、Dai較早開展了該方面的研究工作。

 

  地下水位的上升實(shí)際過(guò)程為剪應(yīng)力近似不變，孔壓升高的排水剪切過(guò)程，其應(yīng)力路徑可近似用CSD 路徑來(lái)模擬。金艷麗等[4]開展了飽和黃土CSD 應(yīng)力路徑試驗(yàn)，研究了地下水位上升造成的黃土滑坡發(fā)生機(jī)理，認(rèn)為此類黃土滑坡機(jī)制為排水剪切—導(dǎo)致不排水破壞—靜態(tài)液化的滑坡發(fā)生機(jī)制。同時(shí)，由于試驗(yàn)條件的限制，其CSD 路徑忽略了負(fù)孔隙水壓力部分，而黃土屬于典型的非飽和土，含水率增加導(dǎo)致基質(zhì)吸力減小的增濕過(guò)程同樣可以誘發(fā)黃土滑坡。因此，應(yīng)開展起始非飽和狀態(tài)的黃土CSD 增濕試驗(yàn)研究，探討黃土滑坡靜態(tài)液化發(fā)生條件和滑坡發(fā)生機(jī)制。

 

  （2）滑坡遠(yuǎn)程滑動(dòng)機(jī)制

 

  Hunchion、王家鼎[24]較早論述了黃土流滑破壞機(jī)制。Seed 、Sassa 也都曾提出過(guò)滑動(dòng)液化的觀點(diǎn)，認(rèn)為滑體在劇滑時(shí)的振動(dòng)力能夠引起液化。

 

  Hutchinson 等[27]提出了流動(dòng)性滑坡的滑動(dòng)機(jī)制在于“不排水荷載效應(yīng)”。圖3 為在東風(fēng)滑坡現(xiàn)場(chǎng)發(fā)現(xiàn)的滑動(dòng)過(guò)程局部擾動(dòng)現(xiàn)象，可能為液化所致。

 

  因此，滑距坡度[30-31]近似黃土內(nèi)摩擦角。南塬飽和黃土內(nèi)摩擦角27°，而研究區(qū)誘發(fā)的高速遠(yuǎn)程流滑滑動(dòng)坡度平均值在11.8°，這與Sassa[26]、Higher 等對(duì)類似滑坡統(tǒng)計(jì)角度一致。因此，我們初步認(rèn)為，南塬滑坡滑動(dòng)過(guò)程存在動(dòng)態(tài)液化。

 

  關(guān)于此類遠(yuǎn)程滑坡遠(yuǎn)程滑動(dòng)機(jī)制的試驗(yàn)研究還是空白。由于此類滑坡的滑動(dòng)場(chǎng)所多為河流階地，其滑動(dòng)過(guò)程的孔壓模式也較為復(fù)雜。圖4 為涇陽(yáng)南塬遠(yuǎn)程黃土滑坡滑面物質(zhì)組成及可能孔壓模式。南塬黃土滑坡啟動(dòng)后，在涇河階地上滑動(dòng)，階地二元結(jié)構(gòu)也具有液化能力，因此，該滑動(dòng)面孔壓產(chǎn)生、消散模式較為復(fù)雜，雙液化層液化機(jī)制是今后研究的難點(diǎn)之一。

 

  2.2 臺(tái)緣裂縫成因機(jī)制

 

  涇陽(yáng)南塬27.1 km 的塬邊發(fā)育有28 條裂縫，總延展長(zhǎng)度為1424 m（裂縫延展長(zhǎng)度為裂縫兩端點(diǎn)連線的直線距離）。一般近弧形展布，總體平行塬邊走向，貫通性較好（圖5）。裂縫分布很不均勻，集中于滑坡發(fā)育較強(qiáng)烈的地段，如太平鎮(zhèn)寨頭村以及東風(fēng)村等。

 

  臺(tái)緣裂縫成因機(jī)制應(yīng)上升為黃土滑坡研究的主要工程地質(zhì)問(wèn)題而加以認(rèn)識(shí)和開展研究。王家鼎等[8]通過(guò)對(duì)大量黃土滑坡的考察，發(fā)現(xiàn)濕陷坑邊緣正好是滑坡的后緣裂縫，因此，認(rèn)為滑坡后緣裂縫大多是濕陷沉降裂縫，而濕陷性不足以解釋“濕陷坑”的線性或者串珠狀展布的規(guī)律性特征，以及其導(dǎo)致的后緣裂縫線性特征。通過(guò)對(duì)南塬黃土滑坡裂縫的調(diào)查，筆者曾對(duì)南塬滑坡裂縫濕陷成因的可能性進(jìn)行了討論[7]。受后期滑坡演化、發(fā)展的影響，目前，南塬發(fā)育有3 類裂縫，其形成機(jī)制也不盡相同。因此，這里僅對(duì)初始塬邊條件下的單一滑坡裂縫成因機(jī)制進(jìn)行討論，并對(duì)裂縫形成后對(duì)滑坡的作用機(jī)制進(jìn)行分析。

 

  筆者曾對(duì)涇陽(yáng)東風(fēng)滑坡后壁取樣，開展了基于飽和黃土ICU/ACU 及CSD 三軸試驗(yàn)，見文獻(xiàn)[4]，飽和黃土應(yīng)力應(yīng)變特征如下：

 

  （1）ICU/ACU 在小應(yīng)變條件下（﹤2%，ACU更小）即達(dá)峰值強(qiáng)度，其后呈強(qiáng)烈應(yīng)變軟化特征，直至穩(wěn)定狀態(tài)（FL）。

 

  （2）CSD 增濕路徑下起初變形極小，當(dāng)應(yīng)力路徑穿過(guò)破壞線（Kf）到達(dá)不穩(wěn)定區(qū)后，土體瞬間發(fā)生剪縮破壞，盡管此時(shí)CSD 保持排水條件，但孔壓水壓力突然升高，導(dǎo)致靜態(tài)液化。

 

  基于飽和黃土應(yīng)力應(yīng)變特征，對(duì)滑坡裂縫成因初步分析如下：首先，長(zhǎng)期農(nóng)業(yè)灌溉導(dǎo)致塬邊底部黃土飽水，孔隙水壓力升高使得K0 線上的初始應(yīng)力點(diǎn)a沿CSD 路徑進(jìn)入不穩(wěn)定區(qū)，發(fā)生不排水剪切，局部靜態(tài)液化（圖6 中ab）；隨著局部土體的破壞及應(yīng)力轉(zhuǎn)移，狀態(tài)點(diǎn)c 剪應(yīng)力增加，應(yīng)力狀態(tài)達(dá)到穿過(guò)峰后狀態(tài)線edb 時(shí)，土體破壞。宏觀上看，底部土體的破壞增加頂部非飽和黃土所承受的剪應(yīng)力，當(dāng)增加的荷載超過(guò)頂部黃土強(qiáng)度時(shí)，即形成滑坡裂縫?？紤]到黃土在小應(yīng)變條件的破壞特征，地表滑坡裂縫垂直錯(cuò)距應(yīng)較小。實(shí)測(cè)平均值48.0 cm，與理論值較符。

 

  地裂縫的形成初期，盡管q 增加使得應(yīng)力路徑有向破壞線移動(dòng)（圖6 中kh，cd），但是，如果裂縫的形成有利于地下水排泄，發(fā)生排水剪，應(yīng)力路徑將遠(yuǎn)離破壞線（圖6 中CD），土體趨于穩(wěn)定，這就解釋了裂縫形成后可長(zhǎng)時(shí)間存在，而不發(fā)生滑坡的原因。隨著裂縫的發(fā)展以及應(yīng)力狀態(tài)繼續(xù)接近破壞線，很小的局部擾動(dòng)即可造成土體破壞（圖6 中hgf），一旦排泄受阻，土體會(huì)立即達(dá)到破壞線（FL），發(fā)生液化。因此，在后期的農(nóng)業(yè)灌溉、降雨情況下（尤其裂縫開始匯集地表水時(shí)），即使很小的孔壓上升，或者荷載擾動(dòng)即可導(dǎo)致滑坡的發(fā)生。這也合理解釋了裂縫出現(xiàn)后，灌溉、降雨更易誘發(fā)滑坡的原因。

 

  2.3 滑坡高陡后壁成因機(jī)制與其穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

 

  圖7 為研究區(qū)滑坡后壁坡度直方圖，考慮到統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)多是近期滑坡后壁坡度（從演化的角度，坡度變緩）及崩塌堆積等使得測(cè)量坡度偏小，研究區(qū)滑坡后壁平均坡度在50°左右，而早期流滑型黃土滑坡（為第Ⅰ期的遠(yuǎn)程黃土滑坡）要大于50°，甚至在60°以上。高陡的滑坡后壁可能再次發(fā)生滑坡，從而表現(xiàn)為黃土滑坡的演化特征，圖8 為蔣劉Ⅲ期滑坡后壁照片，可見，后壁依然較陡（50°）。

 

  針對(duì)滑坡后壁高陡成因機(jī)制的研究還沒開展。高陡后壁除了作為滑坡重要特征外，其與滑坡演化的相關(guān)性足以使其成為黃土滑坡關(guān)鍵工程地質(zhì)問(wèn)題。筆者認(rèn)為：原狀黃土力學(xué)性質(zhì)的各方異性[33]對(duì)滑坡后壁形態(tài)具有一定的影響；考慮到黃土滑坡剖面并不是一個(gè)均質(zhì)的力學(xué)單元，其底部飽水，頂部卻具有極低含水率，黃土強(qiáng)度參數(shù)在滑坡剖面上是變化的。這種變化與滑坡的后壁特征具有極大的相似性，可見，剖面強(qiáng)度參數(shù)變化對(duì)滑坡后壁形態(tài)亦具有一定的影響。因此，建議采用變化的非飽和—飽和黃土強(qiáng)度參數(shù)（考慮各項(xiàng)異性）模擬黃土滑坡后壁形成機(jī)制，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行滑坡后壁穩(wěn)定性分析和評(píng)價(jià)。

 

  2.4 黃土滑坡演化與演化平衡

 

  滑坡演化是指在時(shí)間尺度上發(fā)生過(guò)滑坡的地方再次發(fā)生滑坡。研究區(qū)發(fā)育有流滑、滑動(dòng)和崩塌3 種類型，第Ⅰ期主要為流滑，第Ⅱ期主要為滑動(dòng)，第Ⅲ期為滑動(dòng)或者黃土崩塌。這種滑坡類型的差別正是滑坡演化的一種反映。黃土滑坡演化以蔣劉滑坡最為典型，在短短的7～8 a 中，在原地就滑了3 次（圖9）。由圖8 可見，新的裂縫已經(jīng)初具規(guī)模，目前該處塬邊滑坡演化仍在進(jìn)行。

 

  上述分析可知，滑坡后壁平均坡度50°左右，早期滑坡可能在60°以上。坡度越大越易誘發(fā)滑坡。同時(shí)，滑坡后緣平面上呈弧形，能夠匯集地下水，增加徑流強(qiáng)度（徑流途徑短）。如圖8 所示，蔣劉滑坡后緣可見較大面積積水洼地，蘆葦重生，水面距塬頂35 m，高出階地二十余米。因此，高陡的后壁以及滑坡后緣對(duì)于地下水徑流的增強(qiáng)作用，是黃土滑坡演化的重要機(jī)制。

 

  在野外考察時(shí)，演化平衡（停止）是當(dāng)?shù)厝罕娊?jīng)常問(wèn)到的一個(gè)問(wèn)題，在滑坡預(yù)防和治理成本較高的情況下，也是地方政府進(jìn)行農(nóng)業(yè)規(guī)劃的基礎(chǔ)。滑坡演化是滑坡活動(dòng)強(qiáng)度逐漸衰減的過(guò)程，反映的是塬邊地質(zhì)條件改變，滑坡趨于平衡態(tài)（停止）的一種走勢(shì)，塬邊滑坡類型由流滑到滑動(dòng)、滑塌的轉(zhuǎn)化實(shí)際上是黃土滑坡演化趨于平衡的一種反映。按目前裂縫發(fā)育規(guī)模估計(jì)（塬邊高差70 m，最大裂縫延展長(zhǎng)度208 m 平均50.9 m，最大距塬邊距18.7 m），則裂縫誘發(fā)滑坡方量約為2.72×105 m3，其規(guī)模較早期頻繁發(fā)生的遠(yuǎn)程流滑要小的多，這是不是滑坡演化平衡的反映呢。

 

  因此，滑坡演化既是個(gè)理論問(wèn)題又是個(gè)非?，F(xiàn)實(shí)的問(wèn)題。目前，除了從上述角度（高陡后壁、地下水徑流的增強(qiáng)以及地裂縫）探尋黃土滑坡演化機(jī)制外，還要考慮到前期滑坡的不斷堆積、后期滑坡的臨空條件改變以及滑坡剪出口提高等對(duì)黃土滑坡演化的影響。

 

  3 結(jié) 論

 

  2005 年～2007 年，筆者對(duì)涇陽(yáng)南塬黃土滑坡進(jìn)行了多次調(diào)查和滑坡特征測(cè)量。調(diào)查表明，南塬分布著27 處50 余起黃土滑坡。地下水位上升誘發(fā)高速遠(yuǎn)程滑坡機(jī)制，塬邊地裂縫成因機(jī)制，滑坡高陡后壁成因機(jī)制及其穩(wěn)定性評(píng)價(jià)方法，黃土滑坡演化機(jī)制與平衡是黃土滑坡典型工程地質(zhì)問(wèn)題。本對(duì)上述問(wèn)題進(jìn)行了初步分析，結(jié)論和建議如下：

 

  （1）地下水上升誘發(fā)的黃土滑坡應(yīng)力路徑總體為始于非飽和區(qū)的CSD 增濕過(guò)程?；碌尼j釀首先表現(xiàn)為地下水上升孔隙水壓力升高，底部黃土發(fā)生液化，局部失穩(wěn)和變形的發(fā)展最終造成滑坡的發(fā)生。南塬遠(yuǎn)程黃土滑坡滑距坡度平均為11.8°，遠(yuǎn)小于飽和黃土內(nèi)摩擦角，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)地貌特征判斷，南塬遠(yuǎn)程黃土滑坡滑動(dòng)過(guò)程發(fā)生了液化加載效應(yīng)?？紤]到?jīng)芎与A地的二元結(jié)構(gòu)，為雙液化層滑動(dòng)機(jī)制。

 

  （2）典型的滑前裂縫是黃土滑坡內(nèi)部土體微觀（小應(yīng)變）變形的宏觀積累，是內(nèi)部機(jī)制的外在表現(xiàn)。

 

  裂縫的形成，一定情況下有利于局部地下水的消散和排泄，使滑坡趨于穩(wěn)定；但另一方面，使坡體底部土體的應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生轉(zhuǎn)移，向破壞線移動(dòng)，因此，后期僅需較小超孔壓水壓力或者外部荷載即可誘發(fā)滑坡。

 

  （3）南塬黃土滑坡后壁平均坡度在50°左右，早期黃土滑坡要大于50°。建議采用變化的非飽和—飽和黃土強(qiáng)度參數(shù)（考慮各項(xiàng)異性）模擬黃土滑坡后壁形成機(jī)制，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行滑坡后壁穩(wěn)定性分析和評(píng)價(jià)。

 

  （4）前期滑坡高陡后壁及滑坡后緣對(duì)于地下水徑流的增強(qiáng)作用是黃土滑坡演化的重要機(jī)制?；卵莼胶猓ɑ峦Ｖ梗?，除了從上述角度探尋黃土滑坡演化機(jī)制外，還要考慮到前期滑坡的不斷堆積、后期滑坡的臨空條件改變以及滑坡剪出口提高等對(duì)滑坡演化的影響。