彭建兵黃土高原災(zāi)害“追兇”30年

撰文/李子涵 李方園 攝影/行向輝 資料

2019年，彭建兵院士在長安大學(xué)地質(zhì)災(zāi)害大型物理模擬試驗中心指導(dǎo)“降雨作用下黃土滑坡啟動機理研究”試驗

黃土高原上廣覆的巨厚黃土層就是一種典型的晚新生代風(fēng)成堆積層，其土性松軟，易受環(huán)境變化影響發(fā)生破裂滑移大變形，形成大規(guī)模的滑坡災(zāi)害。是什么樣的“兇手”在撕扯著黃土高原上厚厚的黃土體？并且還使這些黃土體大規(guī)模地滑移和被搬運？

30年來，彭建兵科研團隊一直在追蹤和尋找著其“真兇”，探究著黃土堆積層滑移大變形規(guī)律與動力學(xué)機制。他們先后承擔(dān)了大量的黃土滑坡研究項目。1989～2001年，斷續(xù)承擔(dān)的是企業(yè)和地方政府委托的項目，開展了13年的野外調(diào)查與勘探工作；1992～1994年，受西北水電設(shè)計院委托，他們對黃河積石峽水庫10個大型滑坡開展了系統(tǒng)的研究。2002年獲得了交通部重大科技項目“探測濕陷性黃土暗穴技術(shù)研究”；2011年獲批國家重點基金項目“人類活動的黃土滑坡響應(yīng)機理與災(zāi)害預(yù)警”；2013年獲得國家973計劃項目唯一的資助，全面地開展“黃土重大災(zāi)害及災(zāi)害鏈的發(fā)生、演化機制與防控理論”的系統(tǒng)研究；2017年獲得國家自然科學(xué)基金重大項目資助，系統(tǒng)攻關(guān)“黃土重大工程災(zāi)變機理與防控”。

黃土滑坡的“第一元兇”

彭建兵科研團隊輾轉(zhuǎn)于黃土高原的隴西、隴東、陜北、呂梁和汾渭各地，實地調(diào)查了數(shù)百個黃土滑坡，同時依據(jù)上萬個在影像圖上可識別的滑坡，編制了黃土高原滑坡分布圖。由此發(fā)現(xiàn)，六盤山斷裂帶以西的隴西地區(qū)有4個滑坡高發(fā)帶，它們均沿北西向展布的區(qū)域斷裂帶和地震活動帶分布，青藏高原隆升東擠的水平構(gòu)造應(yīng)力驅(qū)動著該區(qū)的新生代泥巖和黃土層沿著已有斷裂帶破裂滑移，形成黃土滑坡分帶高發(fā)的格局；隴東、陜北和呂梁地區(qū)，黃土滑坡主要發(fā)育在黃土塬邊、梁側(cè)、峁頭和溝畔，鄂爾多斯塊體第四紀以來持續(xù)階段性隆升的垂直構(gòu)造應(yīng)力驅(qū)動著這3個區(qū)域的黃土區(qū)抬升、剝蝕和沿著地貌邊界帶滑移，形成3個滑坡高發(fā)區(qū)；汾渭盆地黃土滑坡主要成帶分布在盆內(nèi)臺塬與洼地相間的地貌分界帶上，這是盆地區(qū)域拉張應(yīng)力驅(qū)動黃土沿著這些地貌過渡帶撕裂滑移的結(jié)果。

黃土滑坡的“第二元兇”

△2011年，考察西安市灞橋區(qū)白鹿塬北坡滑坡災(zāi)害現(xiàn)場

?2007年，為解決西安地鐵穿越地裂縫的技術(shù)性難題，彭建兵院士帶領(lǐng)的科研團隊開展了西安地鐵地裂縫防治大型物理模型試驗研究

黃土邊坡土體看似均勻，實際上普遍發(fā)育著斷層、構(gòu)造節(jié)理、垂直節(jié)理、卸荷裂隙和軟弱層面等奇妙而又復(fù)雜的結(jié)構(gòu)面。前四類常構(gòu)成邊坡土體滑移的分離面，后者常構(gòu)成邊坡土體滑移的底滑面。這些結(jié)構(gòu)面主要由構(gòu)造應(yīng)力、卸荷應(yīng)力和濕陷變形應(yīng)力作用所形成，它們在滑坡的孕育階段構(gòu)成坡體的分割面，在滑坡啟動階段構(gòu)成坡體裂解面，在滑坡運動階段放大了滑體的解體和潰散，不同結(jié)構(gòu)面組合成的不同類型結(jié)構(gòu)體控制著黃土滑坡的原型和規(guī)模。構(gòu)造應(yīng)力既造就了結(jié)構(gòu)面，又不斷地改造和松動著結(jié)構(gòu)面，甚至擴展結(jié)構(gòu)面，持續(xù)地肢解著邊坡的完整性。

黃土滑坡的“第三元兇”

通過大量的土力學(xué)試驗，彭建兵科研團隊發(fā)現(xiàn)，首先是組成黃土黏粒的礦物主要為高嶺石、蒙脫石和伊利石等水敏性礦物，增濕使得黃土中可溶鹽溶解，顆粒間水膜增厚，黏粒膨脹，從而弱化土顆粒間的連接，損傷破壞黃土的結(jié)構(gòu)；其次，組成黃土主要粒度成分的粉粒多呈板狀或桿狀，它們之間的搭接關(guān)系以架空結(jié)構(gòu)為主，增濕和荷載的作用一方面使得顆粒發(fā)生旋轉(zhuǎn)，同時也引起粒子破碎，孔隙坍塌，土的結(jié)構(gòu)屈服應(yīng)力和強度顯著降低；此外，水和荷載的作用將逐漸改變黃土中的原生結(jié)構(gòu)，并形成新的次生結(jié)構(gòu)。黃土結(jié)構(gòu)性發(fā)生改變后，既減損了其強度，同時在工程擾動荷載或土體的自重作用下又將“重新啟動”土體的固結(jié)作用，導(dǎo)致變形量增大，宏觀表現(xiàn)為濕陷性和流變性，有利于崩塌滑坡的發(fā)生。

黃土滑坡的“主兇”

2013年在陜西涇陽黃土南塬，彭建兵科研團隊依托國家基金重點項目在現(xiàn)場實施了大量的勘探、觀測和原型試驗，終于揭開了動水驅(qū)動滑坡形成的謎底，發(fā)現(xiàn)它們大致經(jīng)歷了5個階段:首先，表水滲入黃土淺表部，增大黃土的水敏性，降低其土體強度，誘發(fā)深度一般不超過3m的淺表崩塌和溜滑災(zāi)害；然后，水沿著微、細、宏觀優(yōu)勢通道進入黃土深部后，在一定深度形成厚度20～30cm的高飽和含水層，成為坡體中的軟化層帶，為誘發(fā)深度20～30m的深層滑動提供了底滑帶；其后，水沿結(jié)構(gòu)面滲透既沖蝕擴展了結(jié)構(gòu)面，又松動了結(jié)構(gòu)面，還對坡體形成靜、動水壓力，派生出巨大的側(cè)向壓力，增大了邊坡向下滑移的力量；再后，水在軟化帶和易滑層中聚集產(chǎn)生超孔隙水壓力，使其強度變得很小，產(chǎn)生靜態(tài)液化而啟動滑坡；最后，那些沒來得及散去的地下水在滑體底面聚集產(chǎn)生超孔隙水壓力，使滑體下墊層剪動液化，托著滑坡“飄”在空中遠行，鏈生轉(zhuǎn)化為具有高速、遠程、潰散和鋪撒等特征的黃土泥流。

黃土滑坡的“幫兇”

彭建兵科研團隊研究發(fā)現(xiàn)，黃土地區(qū)許多災(zāi)難性的滑坡是由人類工程堆載或開挖卸載所引起的。通過現(xiàn)場觀測和模型試驗發(fā)現(xiàn)，工程擾動應(yīng)力擴展和松動了黃土邊坡結(jié)構(gòu)面，不斷地改變著邊坡的應(yīng)力狀態(tài)、流場狀態(tài)和完整狀態(tài)，使黃土邊坡穩(wěn)定性顯著下降和不斷變形破壞，促發(fā)黃土滑坡突然發(fā)生。通過大量的原狀土樣和擾動土樣的應(yīng)力路徑三軸試驗，發(fā)現(xiàn)反復(fù)加載作用下坡體中下部土體的體縮量和剪應(yīng)變增加，若坡體中有含水量較高的飽水帶，孔隙水壓力增加勢必激活軟化層液化致滑；通過大型物理模型和離心模型試驗，發(fā)現(xiàn)開挖卸荷引起黃土邊坡變形破壞可分為均衡應(yīng)變、應(yīng)變局部化和破壞3個階段，具有明顯的分區(qū)特征和滯后性特征。

人類認識自然的目的是利用自然和改造自然

黃土滑坡類型和模式復(fù)雜多樣，但可把它們概括為層帶軟化、靜態(tài)液化、壓覆推剪和支撐潰決四種基本模式；區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力、邊坡構(gòu)造應(yīng)力和土體易災(zāi)特性是黃土滑坡的三大“元兇”，它們孕育和形成了黃土滑坡的原型，是黃土滑坡發(fā)生的初始條件；動水滲透應(yīng)力是黃土滑坡的“主兇”，它們驅(qū)動了黃土滑坡的啟動和運動，工程擾動應(yīng)力是黃土滑坡的“幫兇”，它們助發(fā)了災(zāi)難性黃土滑坡的頻發(fā)，這兩條是黃土滑坡發(fā)生的隨機過程。4種應(yīng)力的跨尺度耦合協(xié)同作用是黃土大規(guī)模滑移成災(zāi)的主要驅(qū)動力。

彭建兵科研團隊基于黃土滑坡成因理論和初始條件可知、隨機過程可測的思路，以甘肅黑方臺和陜西涇陽南塬兩個滑坡高發(fā)區(qū)為示范試驗基地，構(gòu)建了天-空-地一體化的黃土滑坡隱患早期識別技術(shù)體系，基于高分光學(xué)遙感的黃土滑坡隱患普查，將多種InSAR技術(shù)有機結(jié)合，在黑方臺、涇陽南塬識別出數(shù)10處滑坡隱患；然后借助高精度無人機攝影測量的詳查，圈定出高風(fēng)險區(qū)段，為當?shù)卣峁┝嘶赂唢L(fēng)險區(qū)域預(yù)測；進而研發(fā)了現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)的自動采集、遠程無線傳輸、實時分析處理的黃土滑坡實時監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)，并4次提前數(shù)小時成功預(yù)警滑坡的發(fā)生，避免了重大人員傷亡，在黃土滑坡區(qū)域風(fēng)險預(yù)測和臨災(zāi)預(yù)警方面取得一些突破。

△2014年，為直觀揭露地裂縫的剖面發(fā)育特征，彭建兵院士在某科學(xué)探槽內(nèi)與研究生探討地裂縫的剖面結(jié)構(gòu)特征

△2019年，率領(lǐng)團隊考察研究東非裂谷地裂縫，為一帶一路東非鐵路建設(shè)服務(wù)

針對延安市區(qū)不斷遭受著黃土滑坡災(zāi)害的侵擾，寶塔山不斷地被崩塌滑坡蠶食而漸漸縮小這一重大災(zāi)害風(fēng)險難題，彭建兵科研團隊基于黃土滑坡成因理論，通過大型物理模擬試驗，再現(xiàn)了滑坡與抗滑結(jié)構(gòu)體系的相互作用過程和抗滑結(jié)構(gòu)設(shè)計的合理性，提出了黃土滑坡治理的微型樁設(shè)計原則以及合理的計算方法、錨索抗滑樁對黃土滑坡的抗力參數(shù)和設(shè)計方法、格構(gòu)梁的設(shè)計標準及計算方法等，并成功應(yīng)用這些技術(shù)治理了延安寶塔山等多個滑坡，保障了歷史燈塔的安全，并形成了黃土滑坡防治工程示范。

總結(jié)黃土高原災(zāi)害“追兇”的30年，彭建兵說：“地質(zhì)科學(xué)研究需要優(yōu)質(zhì)的研究基地、寬松的研究環(huán)境和志同道合的研究團隊。深感幸運的是，這些優(yōu)越條件我們都擁有了。我們在這里堅持了40年，深受黃土高原厚重積淀的文化影響，高原意識、高原精神、高原靈魂和高原氣質(zhì)慢慢滲入我們骨子里，潤入我們心靈中，使我們的涵養(yǎng)、胸襟和格局不斷得以升華。”