黃土滑坡成因機制分析及穩定性評價

王強基

（甘肅省地礦局第四地質礦產勘查院，甘肅 酒泉 735000）

0 引言

黃土滑坡在我國分布較廣，且具有一定的特殊性，因此，開展其針對性研究具有重要意義[1-3]。目前，穆青翼等[4]對互層黃土滑坡進行穩定性分析；常波等[5]通過試驗研究了黃土滑坡滑帶土的力學特征；李陽等[6]分析了黃土滑坡的影響因素；張抒等[7]利用數值模擬開展黃土滑坡預警模型研究。

雖然上述研究取得了相應成果，但是均未系統地分析黃土滑坡成因機制及其穩定性特征，由于不同滑坡所處地質條件存在一定的差異，因此有必要進一步對這兩個方面進行研究。

綜上所述，該文以某巨型黃土滑坡為工程背景，在介紹滑坡地質環境及發育特征的基礎上，先開展其成因機制分析，并利用數值模擬評價滑坡穩定性，以期為其防治提供一定的理論指導。

1 工程概況

1.1 項目區地質環境條件

結合現場調查成果，將項目區周邊地質條件如下。

1.1.1 地形地貌條件

項目區周邊地貌類型主要可劃分為2 類，即黃土丘陵地貌和河谷地貌。①黃土丘陵地貌。該類型地貌分布高程為1250m~1750m，斜坡自然坡度為15°~45°，局部可達60°，發育有較多“V”形河谷、陡崖、和落水洞等微地貌，整體地形起伏較大，水土流失也較為嚴重。②河谷地貌。該類型地貌分布高程為1110m~1200m，最大高差僅50m，起伏較小，較為平坦。

1.1.2 地層巖性條件

在項目區，下覆基巖主要為新近系泥巖，以棕紅色、褐紅色為主，強風化~中風化，其中，強風化層厚度為5 m~16 m，巖芯形態多具短柱狀，節理裂隙較發育，完整性相對較差；中風化層厚度為6 m~10 m，巖芯可呈長柱狀，局部保留原巖結構，力學強度較高，完整性相對較好。

第四系地層主要為黃土、黃土狀土，前者巖性主要為粉土，淺黃色，結構松散，降雨易入滲，垂直節理較發育；后者主要是黃土經過二次搬運后堆積而成，力學強度較低，一般較薄，土質疏松。

1.1.3 地質構造條件

項目區歷經多次構造，構造線主要為NWW 向，其中，離該文實例最近的構造為某背斜構造，最小距離約35 km；由于構造發育，對區內地層結構具有較大的影響，主要表現為地層結構面發育，完整性變差，力學性質變弱。

1.1.4 水文條件

項目區附近未見明顯地表水體。地下水主要為孔隙、裂隙水。前者又可細分為黃土潛水和溝谷潛水，其中，黃土潛水存在于黃土孔隙中，礦化度為0.65g/l~1.21g/l；溝谷潛水主要位于沖溝內地層孔隙中，水質一般較差，礦化度為1.15g/l~1.55g/l。后者主要存在于基巖裂隙中，由于泥巖屬相對隔水層，一般來說，這類地下水的水量較為匱乏，水質也較差，因此難以滿足生活用水的要求。

1.1.5 人類工程活動條件

滑坡區范圍內的人類工程活動較為強烈，活動類型主要為農業耕種、房屋建設等，其中，在農業耕種過程中，除改變原始地表形態外，還存在顯著的灌溉特征；房屋修建主要形成了規模不一樣的邊坡。

1.2 滑坡發育特征

1.2.1 滑坡形態、結構特征

滑坡平面呈“簸箕”狀，主滑方向為185°，后緣以Ⅳ級階地陡坎處為界，前緣直抵Ⅱ級階地，左、右兩側以山脊為界，邊界特征清晰。

滑坡前、后緣高程分別為1115m 和1553m，高差438m，縱向長度約1600m，橫向寬度約1100m，厚度為20m~30m，最大厚度可達40m，體積約4000×104m3，屬巨型黃土滑坡。滑坡區地表也具陡緩起伏特征，其中，后緣相對較陡，坡度可達55°~67°，局部還近似直立；前緣相對較緩，坡度為22°~35°。

根據鉆探成果，滑坡土體結構特征如下：①滑體。巖性主要為離石黃土、馬蘭黃土，局部夾雜少量碎塊石，厚度為20m~30m，最大厚度可達40m；土體結構較為松散，存在較大孔隙，潮濕，結構裂隙較為發育。②滑帶。滑帶主要位于基覆界面，傾角為17°~22°，近似圓弧狀，剪出口位于坡腳；滑帶土巖性主要為粉土夾粉質黏土，厚度20cm~35cm，含有細小礫石，磨圓度較優。③滑床。滑床為新近系基巖，其巖性特征已在前面的地層巖性中介紹，不再贅述。

滑坡主滑剖面的結構特征示意如圖1 所示。

圖1 滑坡主滑剖面示意圖

1.2.2 滑坡區地下水特征

在滑坡區內可見一處明顯泉眼，泉眼主要賦存于Ⅳ級階地地層中，接受大氣降雨補給，水量受季節性變化較大；在鉆孔過程中，未揭露地下水，因此，推遲滑坡體內地下水富集較為集中。

1.2.3 滑坡歷史發育特征

根據調查，該滑坡最早在1920 年出現過裂縫，其成因是地震；在1965 年、1986 年暴雨期間，裂縫有進一步擴展的特征；進入90 年代后，坡體表層常在雨季出現規模不一的裂縫，多數可自動愈合，但是部分也具有逐年擴展特征，尤其是在 2019 年，連續降雨使滑坡局部出現垮塌，導致房屋垮塌，造成嚴重威脅。

在滑坡形成歷史上，據記載的特征裂縫主要為6 條，裂縫特征如下。

裂縫1：延伸長度約105 m，寬度為10~20 cm，可見深度約1.3 m，下錯高度約40 cm。

裂縫2：延伸長度約212 m，寬度為8~35 cm，可見深度約0.8 m，下錯高度約28cm。

裂縫3：延伸長度約76 m，寬度為20~43cm，可見深度約1.7m，下錯高度約20cm。

裂縫4：延伸長度約85m，寬度為16~28cm，可見深度約0.4m，下錯高度約18cm。

裂縫5：延伸長度約120m，寬度為22~35cm，可見深度約0.6m，下錯高度約25cm。

裂縫6：延伸長度約100 m，寬度為20~40cm，可見深度約0.4m，下錯高度約35cm。

綜上所述，充分說明該滑坡的歷史發育特征顯著。

1.2.4 滑坡現狀特征

目前，滑坡地表的變形特征顯著，變形跡象主要為裂縫、洼地和落水洞等，其中，最大落水洞直徑可達4 m；同時，區內居民生產生活仍舊正常進行，主要威脅302 戶1540 余人，潛在威脅巨大。

綜合來說，現狀條件下，滑坡穩定性相對較差，存在較大的失穩風險，危險性較大。

2 成因機制分析

綜上所述，該文實例滑坡屬于典型的黃土滑坡，結合其地質條件，將其成因分析如下。

2.1 降雨成因

降雨時滑坡變形失穩的主要誘因，根據現場調查，滑坡區多年平均降雨量為654.15 mm，主要集中于5—9 月，這期間降雨可占年降雨量的77.5%，尤其在7—8 月，這兩個月的降雨量就占全年的40.5%，因此說明滑坡區具豐富的降雨量，且強降雨特征顯著。

一方面，降雨會滲入土體中，提高土體自重，進而增加下滑力，并會減弱土體抗剪參數，也會減弱滑坡抗滑力。另一方面，降雨會沿裂隙入滲至坡體內部，會造成坡體結構裂隙進一步擴展，減少滑坡完整性。

2.2 地形地貌

成因滑坡地表具有陡緩變化特征，在坡肩縱向節理發育基礎上，易出現局部垮塌變形，如此往復，會造成滑坡淺表層土體極不穩定，一定程度上影響滑坡整體穩定性。

2.3 坡體結構成因

由于該滑坡是黃土滑坡，易形成豎向節理，且黃土雨水易形成微觀裂隙，因此，該滑坡體內部結構較為脆弱，完整性較差，這會嚴重影響滑坡的整體穩定性。

2.4 前緣侵蝕成因

該滑坡前緣河流發育，其會長期侵蝕滑坡前緣坡體，形成陡坎。一方面，陡坎自穩能力有限，易出現局部垮塌；另一方面，由于河流不斷侵蝕，使前緣土體逐步減少，減弱了前緣抗滑力；綜合這兩個方面，極大程度地減弱了滑坡自穩能力。

2.5 人類工程活動成因

該滑坡地表居民分布較多，一方面，房屋修建等會在一定程度上改變地表形態，有利于降雨入滲；另一方面，灌溉、生活用水等會長期滲入土體，即會長期影響土體自穩能力。

2.6 地震成因

由于地震發生時會在坡體內引起地震力，將會改變坡體內的應力分布，產生新的結構面，減弱土體完整性；地震在造成土體松動的基礎上，局部高陡邊坡可能出現局部失穩的情況。

黃土滑坡的成因相對較多，各類成因并不是單一作用使滑坡形成，是上述所有因素綜合作用導致滑坡變形，甚至失穩。

3 滑坡穩定性評價

綜上所述，滑坡潛在威脅較大，因此，對其穩定性進行評價具有重要的意義。考慮到該滑坡地層結構、規模均較為復雜，提出利用數值模擬開展滑坡穩定性評價。

3.1 評價方法及工況設計

3.1.1 評價方法

在該文數值模型的穩定性計算模塊中，穩定性評價方法主要包括M-P 法和Bishop 法，其中，M-P 法在不同類土質滑坡中均有較好的適用性，由于其考慮了力矩及力的平衡，可沿任意滑面開展穩定性計算；Bishop 法同樣適用于不同類土質滑坡，雖然可以自動搜索最危險滑面，但是對滑面要求為圓弧狀。由于上述2 種方法各有優勢，因此，提出利用這兩種方法分別開展滑坡穩定性評價。

通過軟件模擬可計算得到滑坡穩定系數Fs，利用其即可開展滑坡穩定性評價：1）當Fs小于1.0 時，滑坡處于失穩狀態。2）當Fs不小于1.0 且小于1.05 時，滑坡處于欠穩定狀態。3）當Fs不小于1.05 且小于1.15 時，滑坡處于基本穩定狀態。4）當Fs不小于1.15 時，滑坡處于穩定狀態。

3.1.2 工況設計

根據第2 節成因分析可知，降雨和地震是該文實例滑坡成災的重要誘因，因此，將穩定性計算工況設置為3 類，即天然工況、暴雨工況和地震工況。

3.1.2.1 天然工況

從天然狀態角度出發，滑體、滑帶均采用天然狀態參數，且地下水也考慮低于滑帶時的狀態，并將該狀態下的滲流場作為初始滲流場。

3.1.2.2 暴雨工況

由于滑坡區降雨條件顯著，且降雨具強降雨特征，因此，將降雨工況又進行細分，其中，降雨概率設置為10 年一遇和50 年一遇；降雨歷時設置為1h、6h、和12h。

結合降雨概率及降雨歷時，該文暴雨工況又細分為6 類子工況，見表1。

表1 暴雨工況條件下的子工況（單位：mm）

3.1.2.3 地震工況

在該工況計算過程中，主要是在坡體內附加地震力，且一般只考慮水平地震力；結合滑坡區屬Ⅷ度區，因此其水平峰值加速度取0.25 g。

3.2 穩定性評價結果分析

由于滑坡穩定性評價工況有3 類，因此，在該節的評價過程中，也對各類工況進行逐一分析。

3.2.1 天然工況條件下的穩定性評價結果

通過計算，M-P 法計算得到的穩定性系數為1.415，Bishop法計算得到的穩定性系數為1.382，兩者均屬于穩定狀態，相對來說，Bishop 法的穩定性系數略小，說明其穩定性計算結果更保守。

3.2.2 暴雨工況條件下的穩定性評價結果

由于暴雨工況又細分了子工況，因此，對各子工況條件下的穩定性計算結果均進行統計，結果見表2。根據表2，不同降雨概率、降雨歷時條件下的穩定性系數存在明顯差異，其中，隨降雨歷時增加，穩定性系數逐漸變小，1h~6h 的穩定性系數為0.007~0.050，6h~12h 的穩定性系數為0.080~0.104，可以看出，隨著降雨歷時增加，穩定性系數的減少幅度逐漸增大。在相應降雨歷時條件下50年一遇的穩定性系數要小于10年一遇的穩定性系數，這很好理解，隨著降雨量增加，滑坡穩定性減弱，也進一步說明降雨時滑坡失穩的重要成因；在相同降雨歷時、降雨概率條件下，M-P 法的穩定性系數也略大于Bishop 法的穩定性系數，進一步驗證了后者相對更保守。

表2 暴雨工況的穩定性系數

為進一步掌握不同降雨歷時、降雨概率對滑坡穩定性的影響程度，經統計，在M-P 法計算結果中，50 年一遇降雨概率條件下的穩定性與10 年一遇降雨概率條件下的穩定性相比，1 h 降雨歷時情況下穩定性系數減少1.39%，6 h 降雨歷時情況下穩定性系數減少0.67%，12 h 降雨歷時情況下穩定性系數減少1.52%，三者的變化差異相近；類比，在Bishop 法計算結果中，50 年一遇降雨概率條件下的穩定性與10 年一遇降雨概率條件下的穩定性相比，1 h 降雨歷時情況下穩定性系數減少了3.35%，6 h 降雨歷時情況下穩定性系數減少1.44%，12h降雨歷時情況下穩定性系數減少1.29%，三者變化也不大，對比來說，Bishop 法的穩定性系數減少幅度更大，這也進一步說明Bishop 法的穩定性計算結果更保守。

3.2.3 地震工況條件下的穩定性評價結果

在地震工況條件下，到的穩定性系數為1.025，Bishop 法計算得到的穩定性系數為0.983，前者屬于欠穩定狀態，后者屬于不穩定狀態。

3.2.4 不同工況的穩定性綜合對比

綜上所述，不同工況條件下的穩定性系數存在較大的差異，對比而言，地震工況條件下的穩定性系數相對最小，其次是暴雨工況和天然工況，說明地震工況是該滑坡的設計工況，且在該工況條件下存在較大的失穩風險。該滑坡設計工況不是暴雨工況的原因如下：該滑坡滑體厚度主要為20~30 m，最大厚度可達40 m，一般來說，降雨難以短時間滲入滑面，加之滑坡規模較大，附加地震力隨之較大，因此，該滑坡的設計工況才為地震工況，而不是暴雨工況。在該滑坡后續防治設計過程中，建議以地震工況進行設計，并進一步結合區內氣象資料，增加降雨時長，設置合理校核工況。

4 結論

對黃土滑坡成因機制進行分析，對其穩定性進行評價，主要得到以下3 個結論：1）黃土滑坡具有其特殊性，其致災成因主要包括降雨、地形地貌、坡體結構、前緣侵蝕、人類工程活動及地震等，各類成因并非單一作用，是所有因素綜合作用導致滑坡變形，甚至失穩。2）三類工況條件下的穩定性系數存在較大差異，相比而言，地震工況條件下的穩定性系數相對最小，其次是暴雨工況和天然工況，說明地震工況是該滑坡的設計工況，且在該工況條件下存在較大的失穩風險。因此，開展此滑坡防治研究顯得格外重要。3）通過該文研究，掌握滑坡成因及其穩定狀態，可在此基礎上進一步研究滑坡防治措施，保障區內居民的生命財產安全。