黑方台黄土滑坡类型与发育规律

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1、第 32 卷第 6 期2011 年 6 月岩土力学Vol.32 No.6Jun. 2011Rock and Soil Mechanics文章编号：10007598 (2011) 06176707黑方台黄土泥流滑坡及发生机制研究武彩霞 1，许领 1，戴福初 1，闵弘 2, 谭国焕 3，邝国麟 3，周跃峰 3（1. 中国科学院地质与地球物理研究所，北京 100029；2. 中国科学院武汉岩土力学研究所，武汉 430071；3. 香港大学 工程学院，中国 香港）摘 要：黑方台因农业灌溉触发了大量泥流滑坡。为了充分反映黑方台黄土泥流滑坡发育特征，首先基于 IKONOS 影像对黑方台泥流滑坡进行了遥感解

2、译，随后又开展了详细野外调查工作。结果表明，黄土泥流滑坡呈流态化运移特征，滑距可达300 m 以上，是黑方台危害最为严重的一类滑坡。钻探和塬边露头测量显示，研究区黄土底部黏土高程西高东低。地下水数 值模拟结果显示，研究区地下水总体上由台塬西部流向地势较低的东部台缘，使得该处地下水抬升幅度要高于西部，从而造 成泥流滑坡集中分布于东部台缘。为充分反映该条件下黄土泥流滑坡的破坏机制，开展了室内饱和原状黄土应力路径试验， 分析研究了黄土泥流滑坡液化机制。关 键 词：黄土泥流滑坡；农业灌溉；地下水运移模拟；室内力学试验；黑方台中图分类号：TD 444文献标识码：ATopographic features

3、 and initiation of earth flows on Heifangtai loess plateauWU Cai-xia1,XU Ling1,DAI Fu-chu1,MIN Hong2,Tham, L.G.3,Kwong, A.K.L.3,ZHOU Yue-feng3（1. Institute of Geology and Geophysics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100029, China; 2. Institute of Rock and Soil Mechanics, ChineseAcademy of Scienc

4、es, Wuhan 430071, China; 3. Faculty of Engineering, The University of Hong Kong, Hong Kong, China）Abstract: Agricultural irrigation on Heifangtai loess plateau has triggered dozens of loess earth flows. In this paper, IKONOS imagewas first used to interpret the topographic features of those earth fl

5、ows, complimented with a detailed field-walk survey. The results indicated that loess earth flows had a travel distance of over 300m, constituting the most destructive threat. The failed material was deposited in a flow-like lobe form. The elevation of the underlying impermeable clay was measured fr

6、om the outcrops and boreholes, indicating that the eastern part of the plateau was lower than the west. It was observed from groundwater flow modeling that groundwater flow was controlled by the topography of underlying impermeable clay, and converged and partially discharged in the east margin of H

7、eifangtai. This is in coincident with the phenomena that most loess earth flows occurred in the east margin. Laboratory stress path tests were then performed on undisturbed specimens to explain the failure mechanism of loess. The test results show that the initiation of loess earth flow is probably

8、triggered by static liquefaction resulting from rise of groundwater table.Key words: loess earth flow /landslidulandslide; agricultural irrigation; groundwater flow modeling; laboratory tests; Heifangtai调查并结合野外现象进行宏观分析，开展现场勘测及室内试验研究的较少。王家鼎590 年代初对黑方 台滑坡进行过较为系统地研究，认为黑方台泥流为 蠕动液化过程，而如何蠕动、液化又是怎样发生并引言1黑方

9、台位于甘肃省永靖县盐锅峡、八盘峡库区，距兰州市约 40 km，曾经是一个荒芜但非常稳 定的黄土塬。20 世纪 60 年代末期，为了安置刘家 峡、盐锅峡水库区的移民，在黑方台建成了提水灌 溉工程，开展大规模农业生产。其后，黑方台黄土 滑坡时有发生，尤其是 80 年代以来黑方台滑坡进入 高发期。早期黑方台黄土滑坡研究14主要是根据现场未做进一步深入研究。近年来黑方台滑坡时有发生，塬边地质环境不断恶化，给当地经济发展和生产活动带来严重影响。本文根据近期野外调查结果，结 合地形勘测以及高精度遥感影像，首先对黄土泥流 特征进行深入的分析，然后，通过数值模拟手段研 究了区内地下水运移规律，并对黄土泥流滑坡

10、分布收稿日期：2010-07-05基金项目：香港研究资助局资助（No. 7140/08E，No. RGC 7140/08E）。第一作者简介：武彩霞，女，1982 年生，博士研究生，主要从事黄土滑坡等地质灾害方面的研究。E-mail：wucaixia1024特征进行了解释。最后结合室内原状黄土应力路径试验，对黄土泥流成因机制进行探讨。高差数据（图 1、2）。该处缘边滑坡形态较为完整，滑坡源区下部呈饱和状态，台缘高差为 90100 m，滑坡呈流态化运动特征，其水平运动距离在 300 m以上，因此，该类黄土泥流滑坡具有远程特征。工程地质背景黑方台属黄河级基座阶地。盐锅峡镇附近的 虎狼沟将黑方台切割成

11、 2 块，西侧面积较小的为方 台，约为 1.7 km2，东侧面积较大的为黑台，东西长 约 6 km，南北宽 13 km，面积约为 12 km2。黑台 北部发育有近 E-W 向的磨石沟，切割至阶地基座 以下，东侧前缘直接与黄河级阶地相接，形成高 差达 90130 m 左右的斜坡地形。黑方台为典型的黄土塬，据野外调查及有关资 料，黑方台地层由新到老可分为：上更新统黄土（Q3）：灰黄色，成分以粉粒为主，土质均一、疏松多孔，厚 2550 m；中更新统冲积物（Q2）： 可分为 2 层，上部为厚 417 m 的黏土层，下部为砂卵石层，约 25 m；白垩系河口群（Khk）：为紫红色暗红色泥岩、砂质泥岩。透水

12、性差的黏土 层构成了上更新统黄土的底部隔水层，从而造成灌溉条件下塬区地下水位的抬升。3黄土泥流滑坡3.1黄土泥流的发育特征 黑方台黄土泥流引发的主滑面发育于均质的黄土中，剪切出口位于 Q2 与 Q3 接触处。黄土泥流是 研究区主要滑坡类型，占滑坡总数的 41%。该类滑坡具有较为规则的弧形后缘和高陡后壁，整体呈“座 椅”状，且底部有泉水出露，如图 1、2 所示。2图 2 黑方台桥头泥流滑坡Fig.2 loess earth flow nearby the bridge of Heifangtai3.2黄土泥流的分布及其控制因素黄土泥流主要沿野狐沟以北的东缘一带集中发 育，如图 3 所示。该处发育

13、的泥流滑坡占黑方台泥流滑坡的 90%以上。从地形上看，该处海拔为塬面最低点。我国西北黄土地形特征一定程度地反映了 下覆基底地层高程信息6，因此推测下伏基岩面地形与地表一致。图 4 为钻孔及塬边露头实测黏土顶部高程分布。Fig.2图 3 黑方台泥流滑坡分布Fig.3 Distribution of loess earth flow on Heifangtai plateau公路图例 早期滑坡 现有滑坡图 1 黑方台泥流滑坡 IKONOS 影像Fig.1 IKONOS image of loess earth flow of HeifangtaiIKONOS 融合影像具有 1 m 空间分辨率，利用

14、黑方台 1:10 000 地形图对影像进行正射纠正并叠加 分析，从而获得黑方台泥流滑坡的滑动位移及垂直图 4 黏土层面标高与泉水分布（单位：m）Fig.4 Elevation contours of underlying clay and springs(unit: m)第 6 期武彩霞等：黑方台黄土泥流滑坡及发生机制研究1769由图可见，下伏黏土层顶面亦西高东低，可以判断泥流发生区为黑方台泥岩上层滞水汇流出口， 从而造成了泥流集中台缘东部分布，形成滑坡群（图3）。对研究区泉水分布亦进行了调查（图 4）可见， 泉水主要出露于东部台缘，这一定程度上支持了以上判断。为了真实地模拟台塬地下水运移规律

15、，下 文开展了三维数值模拟研究。3.3 地下水运移规律模拟为了解灌溉条件下台塬区地下水位的变化过程 及其对黄土泥流型高速远程黄土滑坡的影响，采用 数值模拟方法对区内地下水运移规律进行了研究。（1）模型建立本文采用 USGS 开发的 Modflow 程序进行模 拟，将正射校正后的 IKONOS 影像与 1:10 000 地形图进行叠加，构建了研究区三维地质模型如图 5(a) 所示。通过对 IKONOS 台塬边界的识别，将边界以 外的区域作为无效单元进行处理见图 5(b)。模型平面网格单元为 37 436 个（196191）。黄土底部黏土 统一作为隔水层处理，黄土顶面高程直接利 1:10 000

16、地形图获取。根据塬边及补充钻孔揭露的黏土顶部高程情况，经克里金差值后，作为该模型隔水底板 高程。要根据上一步计算水头自动判断是否更新排泄边界。当迭代水头高于单元顶部高程时，此单元开始作为新排泄面加入模型计算，边界参数输入见表 1。利用校正的 IKONOS 影像勾绘出塬边潜在的渗出面，如图 6(a)所示。补给边界采用 MODFLOW 程序的 Recharge 软 件包模拟，其补给区域亦由 IKONOS 影像绘出，如图 6(b)所示。采用灌溉量 60010 平方米/年及补给系数 0.2 进行计算，获得研究区灌溉补给量（表 1）。对 于无补给、排泄作用边界，均作为隔水边界处理。模型所选计算参数如表

17、2 所列。表 1 模型边界参数 Table 1 The parameters of model boundary 排泄边界补给边界单位面积水力传导系数排泄面标准年灌溉量/(104 m3)补给系数补给量/(104 m/d)0.5$Bot+$Dz6000.23.288(a) 渗流面边界(a) 模型区域(b) 灌溉补给区图 6 渗出面边界与灌溉补给区绘制Regions of seepage and irrigation recharge boundaries(b) 模型区网格剖分Fig.6图 5 数值模型与网格划分Numerical model and finite element meshFig.

18、5表 2 模型计算参数Table 2 The input parameters of analysis.（2）边界条件与计算参数由于 MODFLOW 自身程序限制，其未能合理 考虑渗出面边界。随着地下水位的升高，渗出面上 边界高度不断增加，因此系统在迭代计算过程中需渗透系数/(106 m/s)储水参数KxxKyyKzzSsSy 总孔隙度 有效孔隙度1105 0.057770.40.35表 2 中，渗透系数为黑方台现场双环试验结果。计算参数：给水度 Ss、储水系数 Sy、总孔隙度溉的补给，还接受来自西部的侧向补给，必将造成此处台塬地下水位抬升相对其他塬边较快。图 8 为 台缘东西向剖面水位随灌溉

19、变化情况。可见随着灌 溉的持续，东部水位由于获得西部补给，抬升幅度 较西部为快，因此更易诱发黄土滑坡。图9 为第10 年黑方台含水层厚度与实测黄土泥 流滑坡分布图。由图可见，泥流型滑坡的发生主要 分布在塬边含水层厚度相对较大的东部塬边地段， 两者具有很好的对应关系。黑方台泥流型滑坡主要 是灌溉造成地下水位整体抬升所致，因此黄土底部 黏土层地形对地下水的运移具有控制作用，从造成 泥流滑坡集中东部台缘呈群体性分布特征。由图 9 还可以看出，凹地形处饱水带厚度明显高于两侧， 是滑坡发生的优势位置。黑台北部塬边高速远程泥 流滑坡就发育在凹地形处。若将东部台塬整体也可 看作一凹地形，其中部较两端滑坡亦更

20、为密集如图9 所示。(Tot. Por.)及有效孔隙度(Eff.考李佩成7研究资料。（3）模拟结果分析Por.)等的选取主要参本次模拟了黑台 10年连续灌溉情况下的地下水位运移规律和抬升过程，结果如图 7 所示。(a) 初始水位及流向图(b) 365 d（第 1 年）(a) 初始水位(b) 365 d（第 1 年）(c) 1 825 d（第 5 年）(c) 1 825 d（第 5 年）(d) 3 650 d（第 10 年）图 7 10 年内计算地下水及流向图Fig.7 Selected groundwater elevation and its flow direction within 10

21、 years(d) 3 650 d（第 10 年）图 8 10 年内剖面水位抬升过程Selected groundwater table within10 years showing the raising process黑方台地下水总体上由西向东流汇向东部台缘，小部分向两侧分流。东部除了自身接受塬面灌Fig.8第 6 期武彩霞等：黑方台黄土泥流滑坡及发生机制研究1771的黄土破坏路径更是符合上述应力路径11。因此，笔者等借鉴临界土力学有关理论，开展黄土破坏机 制室内试验模拟。首先开展等压固结不排水剪(ICU) 试验，然后开展偏压固结常剪应力排水剪(CQD)试 验探讨土体破坏机制。试样取自黑方

22、台典型泥流滑坡后壁底部，为尽 可能减少取样扰动，挖去滑坡后壁外层约 1 m 厚黄 土。首先整体挖出尺寸，约为 30 cm30 cm30 cm 块样，然后小心削成直径为 15 cm、高 22.5 cm 的圆 柱样进行封装，黄土的物理力学性质见表 3。试验 室取样后，削去外围，制成直径为 50 mm 、高100 mm 原状样进行试验。饱和过程首先采用 CO2排气，然后逐渐增加围压和反压，使得试样饱和， 以 B 值不小于 0.950 作为标准。对于 ICU 试验，将饱和后的试样在所需的有效固结应力条件下固结， 剪切过程控制轴向位移速度为 0.07 mm/min。对于CQD 试验，试样饱和后，首先对试

23、样在要求最小有效固结应力下进行等压固结，然后缓慢增加轴向荷 载，使之完成偏压固结，试样固结后利用 GDS 操作软件 GDSLAB 高级加载模块，保持试样所受围图 9 黄土底部饱水带厚度（第 10 年）与实际泥流滑坡分布（单位：m）Fig.9 Simulated thickness of saturation zone of loess at10th year and distribution of earth flow(unit: m)4黄土泥流滑坡发生机制试验研究4.1试验方案 近年来滑坡发生的实际应力路径试验研究受到广泛的重视810，Brand11首先提出降雨诱发滑坡 的实际应力路径为总应

24、力保持不变，孔隙水压力不断增加的破坏过程，即土体所受偏应力 q 不变、平 均有效应力 p 逐渐减小的排水剪切过程。对于黑方台这种因长期农业灌溉导致的地下水位上升造成压和轴向荷载不变，以 2 kPa/h 速率线性增加反压，使试样破坏。表 3 取样黄土的物理力学性质Table 3 Physico-mechanical properties of loess tested不同颗粒(mm)分布 / %干密度/(g/cm3)天然密度/(g/cm3)土粒相对密度液限/%塑限/%孔隙比0.0750.0050.0050.0020.0750.0021.401.542.70.9826.518.388.911.18

25、.24.2等压固结不排水剪试验等压固结不排水剪的试验方案见表程中，孔隙水压力继续增大，并随着变形的发展亦趋于稳定。等压固结不排水试验表明饱和黄土具有 静态液化特征。4.3常剪应力排水剪切试验为认识土体在地下水位上升条件下的破坏特 点，开展了常剪应力排水剪试验，如图 11 所示。由 图可见，原状饱和黄土常剪应力排水剪切试验具有 如下特征：失稳之前，随着孔隙水压力的升高， 常剪应力在荷载传感器的控制下基本维持为常数， 土体发生较小的位移和体变；破坏发生时，常剪 应力在荷载传感器的控制下已经不能维持，轴向位 移迅速发展，都表明发生了脆性破坏，结构性突然 失稳，强度不能维持，发生剪缩破坏。尽管此刻保

26、持排水条件，且破坏发生时，试样有水排出，但孔 隙水压力突然升高，表现出不完全排水特征，可见 图 11(c)破坏时孔隙水压力异常点。4，其结果如图 10 所示。从图可以看出，试样达到峰值强度所需的轴向应变很小，一般小于 2%。在峰值强度后， 应力-应变关系具有典型的应变软化特征，试样强度 降低，并随着变形的发展强度趋于稳态。在软化过表 4 ICU、ACU 和 CQD 试验方案Table 4 ICU and CQD testing program有效固结应力/kPa试样编号饱和后B 值 c 31ICU1ICU2ICU3ICU3CQD1CQD2CQD30.9680.9660.9540.9540.99

27、60.9790.9905010020040050100200100200400成黑方台顶部黄土含水率增加，基质吸力降低，而底部黄土则达到完全饱和；其次，随着农业灌溉继 续，黑方台地下水位继续升高，土体应力过程类似 常剪应力排水剪切过程，此时，地下水以泉水的形 式沿塬边向外不完全排泄；当地下水位抬升一定高 度，孔隙压力上升达到临界值，则底部饱和黄土发 生不完全排水剪切破坏，造成静态液化，从而形成 黄土泥流。图 10 等压固结不排水（ICU）试验结果Fig.10 Isotropically consolidated undrained shear test results4.4 黄土泥流滑坡机制分

28、析ICU 试验表明，土体达到峰值强度后呈明显的 应变软化特征。偏压固结常剪应力排水剪试验表明，所有试样均呈剪缩破坏，破坏过程中试样的孔 隙水压力急剧增大，土体结构丧失，土体发生了液化。初始应力状态相对稳态线位置是判别土体是否具有液化特征的重要依据1214，一些学者以此为依 据，基于 CQD 应力路径试验开展了液化滑坡机制 研究，并取得了重要进展1517。本文根据 ICU 试验 结果确定了饱和黄土临界状态线，并将其与应力路 径进行对比，如图 11(b)所示。由图可见，原状黄土 ev、p 位于临界状态线的上方，当塬边底部饱和黄 土孔隙水压力上升达到一临界值时，会产生静态液 化破坏。泥流发生区为塬区

29、地下水汇流出口，此处灌溉 条件下地下水位抬升明显。结合室内试验结果，黑 方台泥流型滑坡机制可概括为：首先，农业灌溉造图 11Fig.11常剪应力排水剪试验结果（CQD）results of constant shear stress drained triaxial tests (CQD)5结论（1）黄土泥流滑坡呈流态化运移特征，滑距可达 300 m 以上，破坏力强，主要分布于台塬东部， 这与泉水出露情况一致，并呈群体性特征。（2）区域地下水数值模拟表明，黑方台黏土隔第 6 期武彩霞等：黑方台黄土泥流滑坡及发生机制研究1773水层地形特征控制着区内地下水运移规律，地下水总体上由西向东流，使得东

30、部塬边为地下水主要排 泄出口，且随着灌溉的持续，东部水位由于获得西 部补给抬升幅度较西部为快，更易诱发黄土滑坡， 从而造成泥流滑坡主要分布于此。（3）农业灌溉造成地下水位上升是黑方台黄 土泥流型滑坡根本原因。室内应力路径试验表明黑 方台原状黄土具有典型的应变软化特征，当其孔隙 水压力抬升达到一定值时，底部饱和黄土发生液化， 从而触发黄土泥流。结合黑方台实际情况，建议采取以下措施以降 低黑方台滑坡的潜在风险：改变传统的大水漫灌 方式为节水灌溉方式，如开展滴灌等；尽量种植 需水量少的耐旱作物；采取降低地下水位的工程 措施，如通过渗井方式将黄土内地下水排入下伏的 砂卵石层中；对于滑坡集中发育的台缘，

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