突發型黃土滑坡的臨界水位研究
——以甘肅黑方臺黃土滑坡為例

許 強，亓 星，修德皓，趙寬耀

（1.成都理工大學 地質災害防治與地質環境保護國家重點實驗室，四川 成都 610059；2.四川輕化工大學 土木工程學院，四川 自貢 643000）

1 研究背景

我國黃土分布面積達44萬km2，尤其是黃河中游地區，厚層黃土連續覆蓋面積達27.3萬km2［1］。黃土特有的水敏性和結構性決定了水是黃土破壞的重要誘發因素，其液化、流態化、蠕動破壞模式均受水影響［2-4］。位于黃土地區的甘肅省永靖縣黑方臺由于常年農業灌溉成為黃土滑坡頻發地區，也成為了學者研究的重點關注區域［5-7］。

對于黑方臺黃土滑坡的成因機理，大量學者認為地下水產生的孔隙水壓力是使滑坡變形破壞的主要原因。一些學者采用三軸試驗研究了孔隙水壓力增長過程中黑方臺黃土的破壞過程，證實了黑方臺黃土在飽水條件下具有應變軟化和液化特性［2，8］，滑坡的變形破壞是由于飽水黃土的液化產生［9］；也有學者通過物理模擬或離心機模型發現了滑坡失穩時飽水黃土中的孔壓突增現象［10-13］。在黑方臺黃土滑坡調查中發現，地形條件相似情況下，同樣底部飽水的黃土，經常產生滑坡的區域卻總是在水位較高的臺塬東側。有學者認為這與地下水引起的飽水黃土“浸潤帶”比例有關［14］；也有學者認為是上覆土層厚度差異的影響［15］，由此有學者研究了黃土的入滲規律和增濕變形特征［16-17］。由于地下水位對黃土滑坡穩定有決定性的影響，水位上升到一定限度后滑坡開始頻繁發生，而基于黑方臺塬邊相似的地形地質條件，可以針對其現象分析引起滑坡變形破壞的水位高度臨界值，從而將復雜的破壞機理研究簡化為直觀的水位變化監測，以此研究這類滑坡的臨界水位。

本文基于對黑方臺突發型黃土滑坡的調查和典型滑坡的現場監測，研究地下水位上升過程中土體的變形破壞過程，并結合三軸試驗從小尺度上分析地下水產生的靜孔隙水壓力對土體變形破壞的影響，量化地下水位高度與黑方臺突發型黃土滑坡變形的關系，建立適用于黑方臺突發型滑坡的臨界水位模型。

2 地質環境條件

黑方臺為黃河Ⅳ級階地臺塬，由黑臺和方臺組成，總面積約12 km2，塬邊為約100 m高的陡坡，臺塬地層由上往下分別為Q3馬蘭黃土（層厚26～48 m），發育較多垂直裂隙；粉質黏土（層厚3～19 m），結構致密，弱透水，呈西高東低近水平分布，使該層上方灌溉產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；最下部為單斜構造的砂質泥巖，巖層產狀125°～220°，傾角8°～12°（圖1 AA′剖面）。

黑方臺位于半干旱區，年平均降雨量為287.6 mm，年蒸發量達1600 mm［18］，為解決農業缺水問題，自1960年開始，大量黃河水被抽至臺塬進行大水漫灌，長年灌溉使黃土底部形成了數十米厚的地下水位，并以每年約0.3 m的速度不斷上升，地下水從臺塬邊滲出也導致塬邊形成了大量的黃土滑坡。目前黑方臺已有滑坡75處，根據滑坡的類型可分為黃土-基巖滑坡、崩滑型黃土滑坡、黃土泥流和突發型黃土滑坡（圖1）。其中黃土-基巖滑坡為順層基巖滑坡，受巖層產狀控制主要發育在臺塬南側；崩滑型黃土滑坡主要為重力作用下的黃土淺表層崩滑，發育在地下水位較低的臺塬西南側；黃土泥流是由于塬邊人工削方后剩余黃土產生的塑性流動形成；突發型黃土滑坡主要發育在地下水豐富的臺塬東側，這類滑坡表現出了很強的突發性和漸進后退特征［19］，成為黑方臺數量最多、最典型的滑坡類型。

近年來隨著地下水位較低的臺塬西側水位不斷上升，黨川區域也開始出現越來越多的突發型黃土滑坡（圖2）［20］。

圖1 黑方臺滑坡分布及地層巖性

圖2 黨川區域滑坡發展演化

3 突發型黃土滑坡演化過程

為揭示地下水位不斷上升導致突發型黃土滑坡的發生過程，在黑方臺近年來多次產生突發型滑坡的陳家區域布設了水位孔，監測地下水位的發展趨勢，并在陳家6#滑坡后方布設了地表位移監測設備，監測地表變形特征（圖3）。

陳家6#滑坡黃土厚度為44 m，頂面高程1706 m，自2017年3月開始進行變形監測，2017年5月13日成功獲取一次新的滑坡變形數據（圖4）。分析陳家6#滑坡右側的水位數據和地表變形可見，地下水位整體呈波動上漲，并在5月3日達到歷史水位最高點1676.056 m，坡體在地下水位達到最大值時也開始產生變形，由穩定階段進入勻速變形階段，變形速率約10 mm/d。滑坡勻速變形階段持續10天后至5月13日突然進入加速變形并失穩破壞，在此期間地下水位處于上下波動的狀態。

結合陳家6#滑坡地下水位和變形破壞的響應規律可以看出，黑方臺突發型黃土滑坡的演化過程為:地下水位較低時滑坡處于基本穩定狀態，當水位逐漸上升至一定高度后引起滑坡變形，而變形發展到一定程度后失穩破壞（圖5），其表現出受地下水位高度影響的特征，由此解釋了近年來黨川區域出現越來越多的突發型黃土滑坡（圖2）。

圖3 陳家6#滑坡地下水位變化特征

圖4 2017年陳家6#滑坡變形和水位特征

圖5 地下水對黑方臺突發型黃土滑坡變形破壞的影響

4 水位對土體破壞的機理試驗

黑方臺地下水位年均上漲僅0.3 m，坡體在穩定期間地下水對土體的影響可簡化為排水剪過程。為進一步分析水位上升導致坡體滑動的原因，利用三軸GDS試驗儀對黑方臺原狀黃土進行多級增加孔隙水壓力的常偏應力排水剪試驗，以增加靜孔隙水壓力的方式模擬地下水位的緩慢上漲，探究土體產生破壞時對應的靜孔隙水壓力特征，反映出地下水位導致的孔隙水壓力對土體破壞的影響。

試驗土樣采用黑方臺原狀黃土（表1），取自黑方臺典型黃土滑坡后壁（圖1）。為盡可能減少取樣對黃土的擾動，先挖去地表約1 m厚黃土后再取樣，之后將土樣削制成高20 cm，直徑10 cm的圓柱狀樣，對其密封并裝入取樣器。試樣取回后，利用原狀土樣制樣儀器將土樣削制成高10 cm，直徑5 cm的標準試驗土樣。

試驗采用三步飽和法，在20 kPa的圍壓下依次采用CO2排氣、水泵對試樣進行飽和；隨后進行反壓飽和，當B值不小于0.98時，視為試樣達到飽和。試樣飽和后在最小有效固結應力下進行等壓固結，隨后緩慢增加軸向荷載，使之完成偏壓固結，固結應力狀態如表2所示。固結完成后，保持試樣所受總應力不變，通過緩慢多級增加反壓的方式（加載速率前期為20 kPa/h，后期2 kPa/h），維持反壓穩定，當土體軸向變形沒有明顯變化時，繼續加載下一級反壓，直至土體軸向變形速率不再收斂而破壞。

表1 黑方臺黃土基本物理特性

表2 CSD試驗方案

圖6 CSD試驗結果

圖7 CSD試驗土體孔壓和變形的關系

分析試驗結果表明（圖6、圖7），在靜孔隙水壓力較小時，土體軸向變形非常緩慢，每增加一級孔隙水壓力后，土體的變形速率產生短時加快，隨后趨于穩定，期間沒有明顯的超孔隙水壓力產生，直至靜孔隙水壓力增大到某一級后，土體軸向變形迅速增大，變形速率也不再收斂而破壞。定義土體在變形不收斂的轉折點對應的靜孔隙水壓力為土體破壞的臨界孔隙水壓力，試驗發現臨界孔隙水壓力與軸向應力呈線性增長的關系，且均為軸向應力的26%左右。

若將土體軸向應力按照黑方臺黃土天然密度1.55 g/cm3換算成黃土厚度，靜孔隙水壓力換算為地下水位高度，則不同應力條件下土體破壞時水位高度占黃土厚度比例約為0.4，由此發現，黑方臺水位上升至土體厚度的40%時可能引起滑坡失穩破壞。

5 基于臨界水位的滑坡判識

三軸試驗發現黑方臺黃土破壞存在臨界靜孔隙水壓力，證實了地下水位達到一定程度后會導致黃土變形破壞，對于地層結構相同、地形條件相似，且具有相同成因機理的黑方臺突發型黃土滑坡，其變形破壞應存在相同的水位比例。通過RTK設備測量和統計黑臺現有滑坡最高地下水位和對應黃土厚度后發現（圖8），發生突發型黃土滑坡的區域水位比例更高，其平均水位比例約為0.44。由于實際測量的水位高度為滑坡后緣最高水位，其后緣平均水位高度與試驗得到的水位高度比例0.4非常接近，從現場實例上驗證了試驗結果。

由此可以通過臺塬邊黃土厚度和地下水位高度，利用水位比例作為判識方法，判斷臺塬可能產生突發型黃土滑坡的區域，基于統計分析并結合理論值，設置多級水位比例判斷突發型黃土滑坡的潛在危險性，以室內試驗和調查獲得的水位比例為上下限，分別采用0.4、0.42、0.44作為水位識別的比例值，作為滑坡發生黃色、橙色、紅色三級判識等級。根據這一方法，建立整個黑臺的突發型黃土滑坡水位等級分布（圖9），對可能產生突發型黃土滑坡的區域進行判識，為后續針對重點區域進行監測預警提供數據支持，同時，結合黑方臺灌溉與地下水位響應規律，可進一步預測危險區域內發生突發型黃土滑坡的可能性。

圖8 黑臺黃土滑坡厚度與水位比例的關系

6 結論

（1）黑方臺突發型黃土滑坡具有突發性特征，現場調查發現地下水位上升是引起滑坡變形破壞的重要因素。通過對典型滑坡水位和變形的監測證實地下水位上漲到一定高度后引起滑坡產生變形并失穩破壞。

圖9 黑臺臺塬邊水位比例分布特征

（2）通過三軸固結排水剪試驗發現孔隙水壓力逐級緩慢增加過程中土體變形先呈緩慢增長，當孔隙水壓力達到一定程度后，土體變形速率突然增大并不再收斂而破壞，不同應力條件下土體產生變形突增時對應的孔隙水壓力約為軸向應力的26%，對應了地下水位占黃土厚度的比例約為0.4。

（3）現場調查發生突發型黃土滑坡的水位比例約為0.44，結合試驗和調查，以水位比例分別為0.4、0.42、0.44作為判斷水位危險程度的等級劃分值，建立了整個臺塬的突發型滑坡水位危險性分布，以此判識可能發生突發型滑坡的區域，為后續監測預警提供了參考。