0 引 言

 

  我國黃土面積6.3×105 km2，約占我國陸地面積的6.6%。黃土滑坡是西北地區最為嚴重的地質災害，給人民生命財產帶來威脅。歷史上，1920 年12 月16 日寧夏海原里氏8.5 級地震，發生較大規模滑坡657 處，滑坡分布面積達5.0×104 km2，造成20 萬人死亡[1]。

 

  據不完全統計，陜西省已發生黃土滑坡1131 處，蘭州地區1300 處，甘肅省東部4576 處[2]。

 

  隨著西部經濟的發展及工程活動的加強，黃土滑坡成為近年工程地質研究的熱點問題[3]。金艷麗等基于飽和黃土應力路徑試驗分析了灌溉誘發黃土滑坡機理，雷祥義研究了黃土滑坡與人類活動的關系[5]，吳瑋江等[6]研究了黃土滑坡的類型和發育特征，許領等[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理。然而，有些問題至今還未引起學界的重視，如滑坡后緣裂縫成因及其對黃土滑坡的作用機制、滑坡后壁高陡成因機制、滑坡演化等。研究人員并未將它們作為一個獨立的工程地質問題加以思考，僅在分析滑坡發育特征時進行簡單介紹或略作討論，然而，它們是黃土滑坡研究不可回避的內容和重要組成部分。因此，本文以南塬為例，對當前黃土滑坡研究中的幾個典型工程地質問題進行分析。

 

  1 研究區概況

 

  涇陽南塬位于陜西省涇陽縣城南涇河右岸，是關中盆地渭北黃土臺塬的組成部分[9]。南塬橫跨太平、蔣劉、高莊3 個行政鄉，東西長達27.1 km，塬區面積約70 km2，塬面開闊，高程420～490 m，微向西南傾伏[10]。臺塬高差40～90 m，直接與涇河2 級階地相接。

 

  涇陽南塬處于寶雞峽引渭灌溉區的下游，自1976年大面積農業灌溉以來，誘發了大量黃土滑坡，造成了嚴重的經濟損失和人員傷亡。如1984 年12 月發生的蔣劉滑坡，壓埋159 民房，造成20 人死亡。

 

  2005 年～2007 年6 月份，筆者對南塬黃土滑坡進行了多次現場調查和滑坡特征參數測量，獲得了詳實的野外資料。圖1 為研究區黃土滑坡分布圖，由于局部地段滑坡邊界不明顯，把連續的幾個（亞滑坡群）歸為一處，但保留滑坡次數，因此，根據最新調查資料，研究區發生黃土滑坡27 處，共50 余起。

 

  2 黃土滑坡典型工程地質問題

 

  2.1 地下水上升誘發黃土滑坡機制

 

  隨著農業灌溉的持續和加強，地下水上升誘發黃土滑坡機制的研究，成為黃土滑坡研究亟待解決的問題之一。雷祥義[10]、范立民等[11]、寧社教等[12]對南塬黃土滑坡機制進行了研究，但主要是從地下水、節理等宏觀現象以及黃土微觀結構特性角度進行的初步分析，但對其中的工程地質問題研究不夠深入。

 

  （1）滑坡發生機制

 

  土的力學性質決定于其應力路徑[13-15]。近年來，滑坡發生的實際應力路徑試驗研究受到廣泛重視。

 

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

 

  地下水位的上升實際過程為剪應力近似不變，孔壓升高的排水剪切過程，其應力路徑可近似用CSD 路徑來模擬。金艷麗等[4]開展了飽和黃土CSD 應力路徑試驗，研究了地下水位上升造成的黃土滑坡發生機理，認為此類黃土滑坡機制為排水剪切—導致不排水破壞—靜態液化的滑坡發生機制。同時，由于試驗條件的限制，其CSD 路徑忽略了負孔隙水壓力部分，而黃土屬于典型的非飽和土，含水率增加導致基質吸力減小的增濕過程同樣可以誘發黃土滑坡。因此，應開展起始非飽和狀態的黃土CSD 增濕試驗研究，探討黃土滑坡靜態液化發生條件和滑坡發生機制。

 

  （2）滑坡遠程滑動機制

 

  Hunchion、王家鼎[24]較早論述了黃土流滑破壞機制。Seed 、Sassa 也都曾提出過滑動液化的觀點，認為滑體在劇滑時的振動力能夠引起液化。

 

  Hutchinson 等[27]提出了流動性滑坡的滑動機制在于“不排水荷載效應”。圖3 為在東風滑坡現場發現的滑動過程局部擾動現象，可能為液化所致。

 

  因此，滑距坡度[30-31]近似黃土內摩擦角。南塬飽和黃土內摩擦角27°，而研究區誘發的高速遠程流滑滑動坡度平均值在11.8°，這與Sassa[26]、Higher 等對類似滑坡統計角度一致。因此，我們初步認為，南塬滑坡滑動過程存在動態液化。

 

  關于此類遠程滑坡遠程滑動機制的試驗研究還是空白。由于此類滑坡的滑動場所多為河流階地，其滑動過程的孔壓模式也較為復雜。圖4 為涇陽南塬遠程黃土滑坡滑面物質組成及可能孔壓模式。南塬黃土滑坡啟動后，在涇河階地上滑動，階地二元結構也具有液化能力，因此，該滑動面孔壓產生、消散模式較為復雜，雙液化層液化機制是今后研究的難點之一。

 

  2.2 臺緣裂縫成因機制

 

  涇陽南塬27.1 km 的塬邊發育有28 條裂縫，總延展長度為1424 m（裂縫延展長度為裂縫兩端點連線的直線距離）。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，集中于滑坡發育較強烈的地段，如太平鎮寨頭村以及東風村等。

 

  臺緣裂縫成因機制應上升為黃土滑坡研究的主要工程地質問題而加以認識和開展研究。王家鼎等[8]通過對大量黃土滑坡的考察，發現濕陷坑邊緣正好是滑坡的后緣裂縫，因此，認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律性特征，以及其導致的后緣裂縫線性特征。通過對南塬黃土滑坡裂縫的調查，筆者曾對南塬滑坡裂縫濕陷成因的可能性進行了討論[7]。受后期滑坡演化、發展的影響，目前，南塬發育有3 類裂縫，其形成機制也不盡相同。因此，這里僅對初始塬邊條件下的單一滑坡裂縫成因機制進行討論，并對裂縫形成后對滑坡的作用機制進行分析。

 

  筆者曾對涇陽東風滑坡后壁取樣，開展了基于飽和黃土ICU/ACU 及CSD 三軸試驗，見文獻[4]，飽和黃土應力應變特征如下：

 

  （1）ICU/ACU 在小應變條件下（﹤2%，ACU更小）即達峰值強度，其后呈強烈應變軟化特征，直至穩定狀態（FL）。

 

  （2）CSD 增濕路徑下起初變形極小，當應力路徑穿過破壞線（Kf）到達不穩定區后，土體瞬間發生剪縮破壞，盡管此時CSD 保持排水條件，但孔壓水壓力突然升高，導致靜態液化。

 

  基于飽和黃土應力應變特征，對滑坡裂縫成因初步分析如下：首先，長期農業灌溉導致塬邊底部黃土飽水，孔隙水壓力升高使得K0 線上的初始應力點a沿CSD 路徑進入不穩定區，發生不排水剪切，局部靜態液化（圖6 中ab）；隨著局部土體的破壞及應力轉移，狀態點c 剪應力增加，應力狀態達到穿過峰后狀態線edb 時，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力，當增加的荷載超過頂部黃土強度時，即形成滑坡裂縫。考慮到黃土在小應變條件的破壞特征，地表滑坡裂縫垂直錯距應較小。實測平均值48.0 cm，與理論值較符。

 

  地裂縫的形成初期，盡管q 增加使得應力路徑有向破壞線移動（圖6 中kh，cd），但是，如果裂縫的形成有利于地下水排泄，發生排水剪，應力路徑將遠離破壞線（圖6 中CD），土體趨于穩定，這就解釋了裂縫形成后可長時間存在，而不發生滑坡的原因。隨著裂縫的發展以及應力狀態繼續接近破壞線，很小的局部擾動即可造成土體破壞（圖6 中hgf），一旦排泄受阻，土體會立即達到破壞線（FL），發生液化。因此，在后期的農業灌溉、降雨情況下（尤其裂縫開始匯集地表水時），即使很小的孔壓上升，或者荷載擾動即可導致滑坡的發生。這也合理解釋了裂縫出現后，灌溉、降雨更易誘發滑坡的原因。

 

  2.3 滑坡高陡后壁成因機制與其穩定性評價

 

  圖7 為研究區滑坡后壁坡度直方圖，考慮到統計數據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量坡度偏小，研究區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生滑坡，從而表現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°）。

 

  針對滑坡后壁高陡成因機制的研究還沒開展。高陡后壁除了作為滑坡重要特征外，其與滑坡演化的相關性足以使其成為黃土滑坡關鍵工程地質問題。筆者認為：原狀黃土力學性質的各方異性[33]對滑坡后壁形態具有一定的影響；考慮到黃土滑坡剖面并不是一個均質的力學單元，其底部飽水，頂部卻具有極低含水率，黃土強度參數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，剖面強度參數變化對滑坡后壁形態亦具有一定的影響。因此，建議采用變化的非飽和—飽和黃土強度參數（考慮各項異性）模擬黃土滑坡后壁形成機制，在此基礎上進行滑坡后壁穩定性分析和評價。

 

  2.4 黃土滑坡演化與演化平衡

 

  滑坡演化是指在時間尺度上發生過滑坡的地方再次發生滑坡。研究區發育有流滑、滑動和崩塌3 種類型，第Ⅰ期主要為流滑，第Ⅱ期主要為滑動，第Ⅲ期為滑動或者黃土崩塌。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，新的裂縫已經初具規模，目前該處塬邊滑坡演化仍在進行。

 

  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。坡度越大越易誘發滑坡。同時，滑坡后緣平面上呈弧形，能夠匯集地下水，增加徑流強度（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于地下水徑流的增強作用，是黃土滑坡演化的重要機制。

 

  在野外考察時，演化平衡（停止）是當地群眾經常問到的一個問題，在滑坡預防和治理成本較高的情況下，也是地方政府進行農業規劃的基礎。滑坡演化是滑坡活動強度逐漸衰減的過程，反映的是塬邊地質條件改變，滑坡趨于平衡態（停止）的一種走勢，塬邊滑坡類型由流滑到滑動、滑塌的轉化實際上是黃土滑坡演化趨于平衡的一種反映。按目前裂縫發育規模估計（塬邊高差70 m，最大裂縫延展長度208 m 平均50.9 m，最大距塬邊距18.7 m），則裂縫誘發滑坡方量約為2.72×105 m3，其規模較早期頻繁發生的遠程流滑要小的多，這是不是滑坡演化平衡的反映呢。

 

  因此，滑坡演化既是個理論問題又是個非常現實的問題。目前，除了從上述角度（高陡后壁、地下水徑流的增強以及地裂縫）探尋黃土滑坡演化機制外，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黃土滑坡演化的影響。

 

  3 結 論

 

  2005 年～2007 年，筆者對涇陽南塬黃土滑坡進行了多次調查和滑坡特征測量。調查表明，南塬分布著27 處50 余起黃土滑坡。地下水位上升誘發高速遠程滑坡機制，塬邊地裂縫成因機制，滑坡高陡后壁成因機制及其穩定性評價方法，黃土滑坡演化機制與平衡是黃土滑坡典型工程地質問題。本對上述問題進行了初步分析，結論和建議如下：

 

  （1）地下水上升誘發的黃土滑坡應力路徑總體為始于非飽和區的CSD 增濕過程。滑坡的醞釀首先表現為地下水上升孔隙水壓力升高，底部黃土發生液化，局部失穩和變形的發展最終造成滑坡的發生。南塬遠程黃土滑坡滑距坡度平均為11.8°，遠小于飽和黃土內摩擦角，結合現場地貌特征判斷，南塬遠程黃土滑坡滑動過程發生了液化加載效應。考慮到涇河階地的二元結構，為雙液化層滑動機制。

 

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

 

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

 

  （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—飽和黃土強度參數（考慮各項異性）模擬黃土滑坡后壁形成機制，在此基礎上進行滑坡后壁穩定性分析和評價。

 

  （4）前期滑坡高陡后壁及滑坡后緣對于地下水徑流的增強作用是黃土滑坡演化的重要機制。滑坡演化平衡（滑坡停止），除了從上述角度探尋黃土滑坡演化機制外，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滑坡演化的影響。