甘肅黑方臺突發型黃土滑坡形成過程的物理模擬

亓 星，陶葉青

(1.四川輕化工大學土木工程學院,自貢 643000;2.橋梁無損檢測與工程計算四川省高校重點實驗室，自貢 643000；3.四川省自然資源資料館,成都 610081)

中國黃土分布面積達44×104km2，加上次生黃土，中國黃土面積占了全國總面積的10%，分布非常廣泛。黃土具有獨特的水理特性，其結構性、水敏性、濕陷性和強度時效特性使其在水的作用下極易產生破壞。中國西北黃土地區位于降雨稀少的干旱和半干旱帶，當地農業灌溉大多依靠抽取河流或地下水源進行補給，通過大水漫灌的方式對農業工作區進行灌溉。以黃土臺塬為例，大水漫灌使地表水大量進入黃土內部，導致地下水位上漲，底部黃土飽水軟化，極易誘發快速運動的黃土滑坡災害，因此，水是引起臺塬滑坡的重要因素，而研究灌溉導致的黃土滑坡災害內在機制也成為近年來的熱門方向[1-2]。

甘肅黑方臺為典型的黃土臺塬地貌，自1968年臺塬開始了長期的農業灌溉，形成了以突發型黃土滑坡為主的滑坡群[3-5]，這類滑坡的形成機理和特征受到了大量學者關注。有學者基于三軸試驗發現孔隙水壓力增長過程中會使土體逐漸進入不穩定狀態，進而產生突發性的破壞[6-7]，大量物理模擬和離心機試驗也發現土體破壞過程中伴隨了顯著的孔隙水壓力突增現象[8-10]。王家鼎[11]曾提出這類滑坡是由于蠕動液化造成，并從理論上分析了黑方臺典型突發型滑坡的變形破壞過程，而地下水產生的孔隙水壓力究竟在滑坡變形破壞中扮演了何種角色，即孔隙水壓力增大導致滑坡變形破壞，還是由于滑坡變形引起超孔隙水壓力出現使得滑坡變形進一步加速從而破壞，由于滑坡的突發性，孔隙水壓力和變形幾乎是同步出現，很難區分出來。由此，基于概化的室內物理模擬試驗，還原黑方臺突發型黃土滑坡的形成過程，并通過高頻同步采集的位移計和孔壓計揭示兩者的響應規律，從而探究這類滑坡的破壞過程。

圖2 黑方臺典型巖性剖面Fig.2 Typical lithologic section in Heifangtai

1 黑方臺地質環境概況

黑方臺位于中國西北黃土高原地區的甘肅省永靖縣鹽鍋峽鎮，面積約12 km2(圖1)，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2)。自長期農業灌溉以來，地表水不斷滲入黃土底部并富集在透水性差的粉質黏土層頂面，形成了數十米厚的地下水位，并從臺塬邊滲出使臺塬邊發育了大量的突發型黃土滑坡。

圖1 黑方臺全貌Fig.1 Heifangtai panorama

2 物理模擬試驗

2.1 試驗裝置和設計

通過調查發現，黑方臺突發型黃土滑坡沿黃土與粉質黏土界面滑動，滑動面底部近水平，后壁高陡，受地下水位不斷上漲引起底部飽水軟化產生滑動。通過概化這類滑坡的特點，設計了室內模型箱進行試驗。模型箱長寬高為800 mm×500 mm×800 mm，兩側為透明樹脂板，模型箱后方設計了寬100 mm的水槽并有泄水孔，可通過調整泄水孔開閉控制水槽內水位高度恒定，模擬實際地下水位。

黃土滑坡模型幾何形狀按黑方臺突發型黃土滑坡的基本幾何特征設計，參考了大量已有同類試驗模型[8]，設計斜坡坡度為55°，高500 mm，長700 mm，底部水平。上部加載160 kg鐵塊并通過鐵塊底部剛性平板將荷載均勻傳遞到滑坡頂面，模擬野外較厚的上覆黃土壓力(圖3)。土體采用黑方臺取得的Q3馬蘭重塑黃土分層夯實(表1)，干密度1.25 g/cm3，質量含水率5%，試驗控制土體重度相似系數約1∶1，后方水槽內水位恒定為15 cm，通過水槽向前方滲水模擬灌溉引起的坡體地下水上升過程，試驗中水槽與模型箱間也采用相同土體按照相同密實度填實。

2.2 數據采集

試驗模型堆砌過程中，在堆積體中線位置每隔10 cm高度由后側水槽向前方間隔15 cm放置一組孔隙水壓力傳感器，由下往上放置3排，共6支孔壓傳感器，并在距黃土底部15 cm高的堆積體中部埋設自動位移計(圖3)。所有傳感器均接入同頻數據采集系統，該系統為便攜式多路采集系統(NI9188)，可對接入的所有傳感器數據進行同時同頻采集，最大采集頻率為1 024 Hz，通過數據采集系統以獲取滑坡變形過程中的孔壓和位移同步變化規律。

表1 黑方臺黃土基本物理性質Table 1 Physical properties of loess in Heifangtai

圖3 試驗模型傳感器布置及數據采集系統Fig.3 Sensor arrangement and data acquisition system of Slope model

2.3 試驗過程和數據分析

試驗開始后，隨著后方水槽內恒定水位的滲透作用，底部黃土飽和度由后向前逐漸上升，并使坡體產生了輕微的濕陷沉降現象[圖4(a)]，并最終坡體地步完全飽和[圖4(b)]，地下水從坡體前緣底部滲出，土體產生塑性變形并持續緩慢蠕動(0.57 mm/h)。隨著前緣底部黃土形成泥流，在重力作用下上覆黃土坡體產生拉裂，裂縫由頂部延伸至底部貫通，前緣坡體產生第一次滑動(41 115～41 120 s)[圖4(c)]，坡體頂部后退4 cm，總方量約0.01 m3，滑坡堆積在坡體前緣。底部滲水作用下坡體前方堆積體逐漸形成泥流，坡體蠕動速率增大至0.23 mm/min，并持續約1 500 s后再次產生滑動(42 623～42 625 s)[圖4(d)]，此次滑動伴隨了明顯的孔壓和位移的激增，坡體頂部后退25 cm，總方量約0.06 m3。

圖4 滑坡模型破壞全過程Fig.4 Failure process of the slope model

圖5 孔隙水壓力和位移關系Fig.5 Relationship between pore water pressure and displacement

通過傳感器獲取了坡體兩次滑動全過程的累計位移及孔壓變化[圖5(a)]。兩次滑動中第一次滑動規模較小，滑坡體并未包含傳感器，因此滑動過程中孔隙水壓力和位移計未產生明顯變化[圖5(b)]，第二次滑動范圍包括了位移計前端固定點和3、5、6號孔隙水壓力計，位移計也產生了明顯的增大[圖5(c)]。1、2、4號孔隙水壓力計位于滑動面后方，未觀測到明顯位移。

通過圖5(c)可以發現，第二次滑動過程中6個孔隙水壓力計的響應時間有一定的先后關系，部分孔壓在位移達到最大前就先達到了峰值。由于采集系統采集頻率達1 024 Hz，可以準確反映試驗過程中孔壓與位移的微小響應差異，通過計算兩者的相關性即可判斷孔壓和位移的先后響應關系，明確坡體的破壞是否由孔隙水壓力引起。具體方法為，將第二次滑動過程的位移和孔壓數據先進行歸一化處理，選取滑動過程中連續200個孔壓數據(持續0.2 s的數據)與同時間的200個累計位移數據計算相關性，隨后平移孔壓數據選取區間再次計算相關性，以此不斷移動孔壓數據選取區間獲得不同時間差對應的兩者相關性，最終得到相關性系數最大時對應的孔壓與位移時間差(表2)。

表2 孔壓與位移的時間差Table 2 Time difference between pore pressure and displacement

通過相關性分析發現，滑體內部的3、5、6號孔壓相對位移有一定的滯后，而滑體后方的1、2、4號孔壓相對位移則先出現響應。由此可見，雖然位移和孔壓幾乎同時激增，但第二次滑動產生前在滑坡后方出現了明顯的孔隙水壓力波動，使得變形加快，而變形加快又促使了土體內部產生超孔隙水壓力，進一步加劇變形從而失穩破壞。

由物理模擬試驗揭示了地下水上升引起的孔隙水壓力達到一定程度后，輕微的孔壓變化即可導致坡體的突發性失穩破壞，這解釋了黑方臺突發型黃土滑坡隨著地下水不斷上升出現的突發性特征。隨著黑方臺長期灌溉引起的地下水上升到一定程度，臺塬邊緣具備產生靜態液化型黃土滑坡的孔壓條件。

3 結論

通過物理模擬試驗還原了黑方臺突發型黃土滑坡表現出的突發性破壞過程，隨著地下水產生的孔隙水壓力逐漸增大，坡體開始產生緩慢蠕動，而蠕動導致的孔隙水壓力的波動和積累致使坡體變形加快，最終導致滑坡加速變形破壞并伴隨了顯著的超孔隙水壓力，由此揭示了這類滑坡的破壞為“地下水位上升—坡體產生緩慢變形—變形引起孔壓波動—孔壓波動引起變形加劇—滑動破壞并伴隨顯著超孔隙水壓力”的過程。因此，引起這類滑坡產生變形的原因是地下水位不斷上升造成，孔隙水壓力達到一定程度后可能維持較長時間的相對穩定，在此期間坡體的緩慢變形是造成孔壓進一步累積波動的原因，并導致變形增加和最終失穩破壞，在此期間超孔隙水壓力主要是滑坡失穩破壞時伴隨產生，并非誘發滑坡變形的主要因素。