陜北砂黃土地區(qū)滑塌變形特征及形成機(jī)制

宋世鑫，岳英民，黃 鋒

(中國(guó)能源建設(shè)集團(tuán)陜西省電力設(shè)計(jì)院有限公司，陜西 西安 710054)

0 引言

陜北地區(qū)主要地層為黃土，黃土的顆粒組成具有明顯的地帶分布規(guī)律，在陜北局部地區(qū)，黃土主要為砂黃土，砂黃土在物質(zhì)組成及結(jié)構(gòu)方面與黏粉質(zhì)黃土有明顯差異，工程性質(zhì)也有很大差異。加之陜北地區(qū)溝壑縱橫，形成眾多高陡斜坡，同時(shí)，近年來(lái)隨著陜北地區(qū)氣候的改變，降雨的增多，黃土斜坡失穩(wěn)變形的現(xiàn)象頻繁發(fā)生。陜北地區(qū)砂黃土斜坡變形破壞不同于一般黃土地區(qū)，以崩塌、滑坡為主，有著獨(dú)特的滑塌形式，具有明顯的地域特征。

由于輸電線路塔位、風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)機(jī)位多在黃土梁峁頂部設(shè)立，受梁峁邊緣邊坡影響較為嚴(yán)重，且砂黃土邊坡變形破壞特征具有一定的特殊性，對(duì)輸電線路塔位、風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)機(jī)位選址造成一定困難。在陜西府谷清水川煤電一體化二期2×1000 MW擴(kuò)建項(xiàng)目750 kV送出工程、店塔電廠—榆橫變750 kV送電線路工程、寧夏靈州—浙江紹興±800 kV直流特高壓輸電線路工程、陜西靖邊縣土橋40 MW風(fēng)電項(xiàng)目等電力工程中均遇到相關(guān)問題。對(duì)于陜北砂黃土地區(qū)斜坡變形特征及形成機(jī)制的研究目前相對(duì)較少，慕煥 東[1]等通過試驗(yàn)研究了砂粒含量對(duì)砂黃土強(qiáng)度的影響，周蓉[2]對(duì)砂黃土界面剪切力學(xué)特性進(jìn)行了試驗(yàn)分析，張永雙[3-4]等歸納總結(jié)出陜北砂黃土地區(qū)常見的地質(zhì)災(zāi)害類型并對(duì)砂黃土高邊坡展開數(shù)值模擬研究，唐亞明[5]等總結(jié)了目前黃土滑塌研究進(jìn)展程度。由于筆者參與了近年來(lái)在陜北砂黃土地區(qū)開展的輸變電、新能源等電力工程勘測(cè)設(shè)計(jì)工作，遇到了大量的砂黃土斜坡失穩(wěn)變形破壞對(duì)電力工程造成影響的工程實(shí)例，在對(duì)砂黃土斜坡變形現(xiàn)象進(jìn)行大量調(diào)查分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合以往研究成果，分析斜坡變形特征、分布規(guī)律及形成機(jī)制。

1 陜北砂黃土的分布及工程地質(zhì)特征

陜北黃土的粒度組成總的情況是自北向南逐漸變細(xì)，同時(shí)黃土的松散度也隨著降低，這與自北向南逐漸遠(yuǎn)離沙漠、風(fēng)力減弱、黏粒含量增多有關(guān)。黃土顆粒的組成具有明顯的地帶性分布規(guī)律。黃土高原自西北向東南依次劃分為3個(gè)帶：砂黃土帶、典型黃土帶及黏黃土帶[6]，其中砂黃土帶在長(zhǎng)城以南至吳起—志丹—安塞—子長(zhǎng)—綏德—吳堡一線之間。

砂黃土在物質(zhì)組成及結(jié)構(gòu)方面與黏粉質(zhì)黃土具有明顯差異，工程性質(zhì)也有較大差異。陜北地區(qū)砂黃土主要時(shí)代為中更新世(Q2)、上更新世(Q3)和全新世(Q4)。砂黃土中粉砂(0.05～0.1 mm)和粗粉土(0.01～0.05 mm)粒級(jí)的含量通 常＞80%，0.05～0.005 mm的粉土粒級(jí)一般為50%～70%。而＜0.005 mm黏粒含量通 常＜12%。砂黃土的顆粒組成特點(diǎn)為細(xì)砂粒含量高、黏粒含量低，在微觀上常表現(xiàn)為具有極微弱連結(jié)作用的粗骨架狀架空結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致砂黃土具有較高的摩擦強(qiáng)度，內(nèi)摩擦角達(dá)26°～31°；極低的黏粒含量決定砂黃土極低的黏聚力，黏聚力為5.0～13.2 kPa，少部分可達(dá)20 kPa，力學(xué)性質(zhì)介于砂土與粉土之間。陜北地區(qū)砂黃土在剖面上一般可以觀察到明顯的水平層理，局部多不規(guī)律夾有水平厚度不均的砂層，層理產(chǎn)狀相對(duì)均一，缺少典型的古土壤層，垂直節(jié)理較為發(fā)育。所夾砂層相對(duì)于土層直立性更差，更易風(fēng)化流失。砂黃土Q2與Q3土層中垂直節(jié)理在間距與形態(tài)上明顯不同，Q2地層中的垂直節(jié)理形態(tài)明顯，節(jié)理面間距更大，宏觀上更容易觀察。相對(duì)于典型黃土，其較大的粒徑組成更易于地表水的下滲，坡面土體受地表水沖刷侵蝕的影響也更為敏感[5]。

2 典型砂黃土斜坡滑塌實(shí)例

2.1 神木市某750 kV輸電線路塔基斜坡滑塌

該斜坡位于神木市南部高家堡鎮(zhèn)，滑塌時(shí)間為2018年3月，坡高約62 m，縱向長(zhǎng)約70 m，寬約60～75 m，中下部稍寬，平面形態(tài)近矩形，剖面形態(tài)呈折線形，上部較陡約40°～45°，下部較緩約18°～30°?；l(fā)生后，斜坡后緣形成了高3～4 m的陡坎，左側(cè)邊界形成了高約9.5 m的陡坎。該斜坡坡體物質(zhì)組成主要為Q2、Q3砂黃土，局部Q3土層含砂量較大并呈層狀分布。造成該斜坡滑塌的主要原因?yàn)橛蜌夤芫€開挖坡腳及突發(fā)性強(qiáng)降雨，如圖1、圖2所示。

圖1 神木某750 kV輸電線路塔基斜坡滑塌現(xiàn)場(chǎng)照片

圖2 神木市某750 kV輸電線路塔基斜坡滑塌剖面圖

2.2 定邊縣某±800 kV輸電線路塔基斜坡滑塌

該斜坡位于定邊縣南部馮地坑鄉(xiāng)，滑塌時(shí)間為2018年5月，斜坡平面上近似呈馬蹄形，寬約138 m，長(zhǎng)約120 m，坡高近85 m，斜坡剖面近似呈直線形，坡度40°～43°。坡體西側(cè)發(fā)育沖溝，溝中發(fā)育有落水洞，地形破碎，特別是靠近坡肩處，地面因被貫通裂縫切割而極其破碎。該斜坡坡體物質(zhì)組成主要為Q2、Q3砂黃土。造成該斜坡滑塌的主要原因?yàn)閺?qiáng)降雨及坡腳季節(jié)性地表徑流水量突增對(duì)坡腳的侵蝕及浸泡軟化作用，如圖3、圖4所示。

圖3 定邊縣某±800 kV輸電線路塔基斜坡滑塌現(xiàn)場(chǎng)照片

圖4 定邊縣某±800 kV輸電線路塔基斜坡滑塌剖面圖

3 砂黃土斜坡的變形特征及一般影響因素

根據(jù)調(diào)查分析，陜北砂黃土地區(qū)斜坡多分布于河流溝谷或較大規(guī)模的沖溝兩側(cè)，多沿溝谷兩側(cè)受溝道地形控制呈群發(fā)性發(fā)育。其坡肩及坡面一般由于地區(qū)氣候影響多為草本植物，且總體較為稀少，但在雨季降雨過后植被覆蓋增長(zhǎng)速度較快。斜坡從坡體物質(zhì)組成上多為黃土單一結(jié)構(gòu)，一些深切溝谷、溝底局部有基巖出露。

地下水埋深一般較大，產(chǎn)生斜坡的溝谷除極少數(shù)有常年性地表徑流外，多為干旱溝谷或季節(jié)性降雨作用下形成的地表徑流，坡肩多形成向溝谷方向的匯水。

地表水的流量情況受季節(jié)性降雨量影響較大，近年來(lái)由于陜北地區(qū)氣候條件的改變，降雨量呈增大趨勢(shì)，一般雨季易發(fā)生連續(xù)性降雨或突發(fā)性暴雨的情況。地表水對(duì)斜坡的影響主要體現(xiàn)為坡面沖刷、坡腳侵蝕，及坡面、坡腳土體軟化幾個(gè)方面。坡面沖刷一般會(huì)造成坡體表層土體在水流作用下發(fā)生淺表層的溜滑現(xiàn)象，一般規(guī)模很小，或者由于砂黃土地表水下滲較快的特點(diǎn)，使土體質(zhì)量增大并使其賦予更大的動(dòng)力來(lái)源。地表水作用更主要是坡腳處地表徑流使坡腳形態(tài)改變，造成臨空面的形成，從而使坡體內(nèi)部形成剪應(yīng)力集中的破壞面。同時(shí)地表水對(duì)坡腳土體進(jìn)行浸泡軟化，使其力學(xué)性質(zhì)驟降，從而引發(fā)土體沿潛在破壞面剪出。

另一個(gè)導(dǎo)致砂黃土斜坡變形的主要原因是坡腳形態(tài)的人為改造，包括開挖取土、削坡等多種可能，其主要影響也可造成臨空面的形成。尤其是“V”字型溝谷兩側(cè)，常發(fā)生由于對(duì)側(cè)斜坡的變形破壞，土體向下滑動(dòng)沖擊未發(fā)生變形的一側(cè)斜坡坡腳，瞬時(shí)強(qiáng)大的沖擊力使對(duì)側(cè)斜坡坡腳發(fā)生垮塌形成凌空面，這也是 “V”字型溝谷兩側(cè)坡體變形多呈括號(hào)形對(duì)滑的原因。其他的影響因素如地震震動(dòng)、礦區(qū)油田爆破震動(dòng)、坡肩坡面動(dòng)荷載等也對(duì)斜坡產(chǎn)生影響，但一般由于概率較低，影響的可能性相對(duì)較小。

砂黃土地區(qū)斜坡坡形坡高變化較大，坡高一般為30～100 m，寬度一般80～100 m，厚度一般3～5 m，但不超過10 m。單個(gè)滑塌一般規(guī)模相對(duì)較小，單個(gè)滑塌體平面形態(tài)一般呈矩形、梯形、半圓形或馬蹄形。未發(fā)生變形破壞的原始坡型不同于一般典型黃土斜坡，綜合坡度一般＞40°，個(gè)別可達(dá)50°～60°，甚至更大。坡度較大的形態(tài)特征也是其產(chǎn)生不同于典型黃土斜坡變形破壞模式的原因，其變形破壞模式不同于一般典型黃土易發(fā)生的滑坡與崩塌，其發(fā)生變形位移的土體一般豎向位移大于或近似等于水平位移，但由于坡度小于黃土崩塌發(fā)生的臨近坡度，一般除后緣較直立處外不易發(fā)生傾倒及翻滾，仍保持與斜坡坡度相近坡度滑動(dòng)破壞。同時(shí)由于砂黃土相較于粉土粘聚力更小的特點(diǎn)，其土體在變形破壞的過程中，一般原始形態(tài)極易改變，在剛發(fā)生變形或很短暫的時(shí)間，變形土體就會(huì)大部分或全部崩解，以散體狀形式沿未變形破壞坡體滑動(dòng)，故在現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查過程中，大部分斜坡變形破壞后的堆積體均為散體狀堆積于斜坡的中下部。其變形過程不存在與一般黃土滑坡滑動(dòng)過程中存在的滑面，其變形的發(fā)生一般是由于坡體表層土體力學(xué)性質(zhì)的降低及土體結(jié)構(gòu)的改變，并隨著土體內(nèi)產(chǎn)生破裂面的不斷擴(kuò)展發(fā)育，從而使其所控制的土體發(fā)生變形破壞。

4 砂黃土滑塌變形破壞機(jī)制

陜北砂黃土地區(qū)斜坡的變形破壞模式不同于典型黃土斜坡，受砂黃土體力學(xué)性質(zhì)及坡形控制，其在變形前后坡面形態(tài)及堆積物狀態(tài)區(qū)別于一般黃土滑坡或崩塌的特征，但又存在一定的相近性，為了更好地分析斜坡變形破壞機(jī)制，不能以一般黃土滑坡及崩塌的機(jī)制去分析，一般將這種特殊的斜坡變形方式稱為滑塌。其變形破壞的演化過程主要分坡腳卸荷裂隙產(chǎn)生、裂隙擴(kuò)展滑動(dòng)、坡肩貫通裂隙滑動(dòng)等3個(gè)階段，如圖5所示。

圖5 砂黃土斜坡變形的不同階段

1)坡腳卸荷裂隙產(chǎn)生階段：斜坡坡腳受地表水侵蝕、人為開挖、對(duì)側(cè)斜坡滑塌沖擊等作用影響形成臨空面，坡腳土體由于卸荷和應(yīng)力集中變?yōu)闇p壓壓縮狀態(tài)，由于土體前緣及周圍土壓力瞬時(shí)減小或消失，坡腳處形成剪切破壞區(qū)，并由于卸荷形成節(jié)理裂隙。同時(shí)坡體中上部應(yīng)力也發(fā)生集中從而形成拉張應(yīng)力區(qū)域，并在坡面分布不同規(guī)模的拉張節(jié)理，其分布密度及發(fā)育程度自下而上逐步減弱，如圖6 所示。

圖6 坡腳卸荷裂隙產(chǎn)生階段

2)裂隙擴(kuò)展滑動(dòng)階段：坡腳處先期產(chǎn)生的拉張節(jié)理最為明顯并與坡腳處剪應(yīng)力集中區(qū)域聯(lián)通，坡體前緣或中下部土體發(fā)生小規(guī)模滑塌，并形成新的凌空面，且較先期臨空面更加高陡。凌空面下部沿著前期滑塌的剪切破壞區(qū)進(jìn)一步向上擴(kuò)展，同時(shí)坡腳處上方坡體拉張節(jié)理加速擴(kuò)展，加之在連續(xù)性降雨或瞬時(shí)性強(qiáng)降雨作用下，雨水形成沿地表的徑流并沿裂隙下滲土體，土體一般具有較強(qiáng)的濕陷性，使土體強(qiáng)度減弱，更加促進(jìn)斜坡的變形，共同作用下形成新的滑塌。如此往復(fù)，滑塌發(fā)育的范圍不斷向坡肩附近擴(kuò)展。滑塌后形成的坡面受剪切裂隙控制，形態(tài)為近似直線型，坡度(不計(jì)滑塌堆積物)一般以天然狀態(tài)內(nèi)摩擦角φ為臨界值。該階段一般變形破壞速度較快，尤其伴隨降雨作用一般具有較強(qiáng)突發(fā)性，如圖7所示。

圖7 裂隙擴(kuò)展滑動(dòng)階段

3)坡肩貫通裂隙滑動(dòng)階段：隨著滑塌向坡肩的不斷擴(kuò)展，當(dāng)所形成的拉張裂隙越過原始坡肩后，受限于坡面與拉張、剪切裂隙面形態(tài)，拉張裂隙深度逐漸變淺，裂隙的發(fā)育程度相對(duì)減弱，整體滑塌趨勢(shì)仍向上部擴(kuò)展，直至最終的坡面與原始坡面相交，但這個(gè)相交的狀態(tài)為極限狀態(tài)。當(dāng)滑塌形成的的拉張裂隙越過原始坡肩后，坡體的應(yīng)力集中現(xiàn)象不斷向坡肩變化并不斷削弱，變形破壞的速度逐漸減弱，整體坡體也趨于穩(wěn)定狀態(tài)。在野外調(diào)查過程中，絕大部分的坡體在后緣越過原始坡肩后凌空面高度減小至約2 m并形成臺(tái)階狀，變形速度大幅度減弱并趨于穩(wěn)定，僅在強(qiáng)降雨作用下于新產(chǎn)生的坡肩處發(fā)生小規(guī)模土體垮塌，新裂隙的產(chǎn)生及裂隙的擴(kuò)展趨于停止，斜坡一般不會(huì)發(fā)生新的變形破壞，如圖8所示。

圖8 坡肩貫通裂隙滑動(dòng)階段

5 結(jié)論

1)陜北砂黃土地區(qū)黃土物質(zhì)組成表現(xiàn)為細(xì)砂粒含量高、黏粒含量低，其力學(xué)性質(zhì)介于砂土與粉土之間。

2)由于陜北砂黃土地區(qū)特殊的地質(zhì)條件，砂黃土斜坡變形以滑塌形式為主，多發(fā)育于河流溝谷或較大規(guī)模的沖溝兩側(cè)，受地表水影 響較大。

3)陜北砂黃土地區(qū)斜坡滑塌的變形演化過程主要分為坡腳卸荷裂隙產(chǎn)生、裂隙擴(kuò)展滑動(dòng)、坡肩貫通裂隙滑動(dòng)等3個(gè)階段。