張新宇，陶福平

(陜西省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測總站，西安 710054)

渭北塬區(qū)黃土滑坡成因機制及穩(wěn)定性分析
——以韓城市城北村黃土滑坡為例

張新宇，陶福平

(陜西省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測總站，西安 710054)

通過地面調(diào)查和探井勘察，采用傳統(tǒng)人工計算方法，結(jié)合軟件分析，對陜西省韓城市城北村黃土滑坡進行宏觀分析。定量計算極端工況下的穩(wěn)定性和危險區(qū)邊界，為此類滑坡的后期防治提供參考。

黃土滑坡；宏觀分析；定量計算；邊界

隨著國內(nèi)經(jīng)濟飛速發(fā)展，各地經(jīng)濟建設(shè)進程加速，伴隨著部分不良人類工程活動，地質(zhì)災(zāi)害進入活躍期。陜西省屬地質(zhì)災(zāi)害多發(fā)易發(fā)區(qū)，每年造成多起不同程度的人員傷亡。在地質(zhì)災(zāi)害類型中，黃土滑坡特點明顯，結(jié)合已有傷亡性黃土崩塌案例，其具有突發(fā)性強、危害性大和不易預(yù)報預(yù)警等特點[1]。

陜北地區(qū)和關(guān)中渭北塬區(qū)屬黃土臺塬地貌，滑坡規(guī)模大，所造成的傷亡往往十分慘重。針對黃土滑坡開展特征總結(jié)和機理分析，形成足夠認(rèn)識，有助于開展對此類地質(zhì)災(zāi)害的研究和防治工作，為解決該區(qū)域內(nèi)類似滑坡提供參考經(jīng)驗。

1 工程地質(zhì)條件

1.1 地形地貌

韓城市龍亭鎮(zhèn)城北村滑坡位于韓城市南約10 km的城北村，地貌類型分為黃土臺塬和河谷階地。

黃土臺塬：呈狹長帶狀展布黃河西岸，塬面平緩，天然植被少，相對高差大，坡形陡立，整體坡面破碎，完整性和穩(wěn)定程度較差。

河谷階地：位于臺塬東側(cè)，為黃河灘地，開闊平坦，多為砂質(zhì)淤泥土，河流切削坡腳，坡體懸空，岸壁滑塌瀉溜時常發(fā)生。

1.2 地質(zhì)構(gòu)造

韓城地處祁呂賀山字形構(gòu)造的前弧東翼與新華夏構(gòu)造體系的第三沉降帶的復(fù)合部位，以東北-西南向的山前大斷裂(韓城斷裂)為界，東南屬渭河地塹，西北處于鄂爾多斯臺向斜的南緣[2]。

1.3 地層巖性

城北村滑坡位于渭河地塹，出露地層主要為全新統(tǒng)沖洪積土、第四系上更新統(tǒng)風(fēng)積黃土、第四系中更新統(tǒng)風(fēng)積黃土、第四系下更新統(tǒng)湖積粉細(xì)砂。按時代自新到老分述如下：

為沖洪積黃土狀粉土，土質(zhì)較均勻，大孔隙，局部可見水平層理，局部可見古老的陶片等人類活動遺物。分布厚度4～6 m。

為風(fēng)成灰黃色黃土(馬蘭黃土)，有鈣質(zhì)結(jié)核,粉砂質(zhì)具大孔隙,分布厚度15～17 m。

為棕黃色、淺黃色黃土層(離石黃土)，含有鈣質(zhì)結(jié)核，夾棕紅色古土壤層。分布厚度80 m。

為湖積灰黃色粉細(xì)砂(三門組)，滑坡區(qū)域已被堆積土所覆蓋，未見出露，在災(zāi)害防治區(qū)域向北500 m處的黃河西岸邊可見，砂質(zhì)較均，分布于黃河西岸，厚度20～25 m。

1.4 水文地質(zhì)

滑坡區(qū)地下水主要是儲存在黃土中的孔隙潛水，水位埋深約130 m，以垂直下滲為主，向黃河排泄。

1.5 特殊性巖土

根據(jù)探井取樣的室內(nèi)濕陷試驗結(jié)果及進行濕陷量計算顯示，該工程地區(qū)黃土濕陷性嚴(yán)重。塬頂面黃土濕陷等級為Ⅳ級自重濕陷，塬下臺地黃土濕陷等級為Ⅲ級自重濕陷。

1.6 新構(gòu)造運動與地震

區(qū)域發(fā)育東北-西南向的山前大斷裂韓城斷裂，為新構(gòu)造活動帶，斷裂西北上升，東南下降，北東向新構(gòu)造活動相當(dāng)強烈。

韓城是一個地震多發(fā)區(qū)，歷史上地震活動比較頻繁。根據(jù)《中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖》(GB18306-2001)和《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》(GB50011-2010)確定本地區(qū)屬抗震設(shè)計第二組，地震烈度Ⅶ度，特征周期0.4 s，設(shè)計基本地震加速度值為0.15 g。

2 滑坡特征及影響因素分析

2.1 滑坡特征

城北村滑坡中下部由數(shù)級錯臺與臺地組成，塬邊頂部及邊坡上部分布9處裂縫及大小不等的塌陷坑。整體平面形態(tài)舌形，長約350 m，寬約290 m，滑向90°，其滑體厚度約35 m，滑體厚度均勻，體積約355×104m3，屬巨型黃土滑坡。

2.2 變形破壞特征

滑坡兩側(cè)以南北兩側(cè)溝壑為界，前緣剪出口位于臨近黃河灘地陡崖。主要由馬蘭黃土和離石黃土組成，上部馬蘭黃土具強烈濕陷性。

坡體共有2級平臺：一級平臺在滑坡中軸線附近展布，距坡頂約20 m，坡度約70°，短且窄；二級平臺位于前緣剪出口上部，距坡底垂直高度40 m,長約200 m，寬約7～8 m，村民辟為花椒樹種植區(qū)。坡頂及一、二級平臺廣泛出露落水洞，各級平臺邊緣有細(xì)微拉張裂隙，伴有累進性小規(guī)?？迓洹Ｇ熬壟R空面30～40 m，垂直陡立，局部垮落；探井中發(fā)現(xiàn)垂直于滑坡滑動方向的豎向裂縫，根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查分析，該滑坡屬于黃土層內(nèi)錯落式滑坡，同地層內(nèi)，土層分級下錯滑移，滑面后部呈弧形。

城北村調(diào)查發(fā)現(xiàn)9處陷坑、裂縫，多處房屋拉張裂縫。連續(xù)陷坑、裂縫和房屋拉裂是城北村滑坡后緣下錯的主要特征。

2.3 最不利滑面的確定

據(jù)揭露的地層物理性質(zhì)，用邊坡穩(wěn)定極限平衡法計算該類黃土飽水的極端不利情況(取穩(wěn)定系數(shù)<1.1區(qū)域)，參考類似黃土滑坡的防治經(jīng)驗，確定最不利滑面剪入口的位置。

最不利滑面在后緣黃土中傾角較陡呈弧狀；中部受最大剪應(yīng)力作用滑面單一，較為平直，傾角約30°；前緣受下伏離石黃土軟弱結(jié)構(gòu)面影響，滑面較為平緩。根據(jù)勘查情況及滑體形態(tài)特征綜合分析，滑面在整體上呈似圓弧狀分布，中部深，兩側(cè)較淺[3]。

2.4 滑坡形成機理及影響因素分析

2.4.1 滑坡形成機理

黃河側(cè)蝕、降雨及人工活動是城北村滑坡的誘發(fā)主因。黃河以0.8～1.8 m/a的速率側(cè)蝕塬邊，導(dǎo)致黃土塬邊越來越陡，黃土塬邊在長期降雨或暴雨情況下就會滑移崩落。城北村在20世紀(jì)60年代塬邊滑移崩落近100 m。半個世紀(jì)過去了，崩落形成的塬下臺地和錯臺逐漸水土流失，上部塬邊又出現(xiàn)裂縫陷坑和變形跡象，再加上村民建房堆載，在長期降雨或暴雨情形下，黃河發(fā)洪水沖蝕塬下，塬上降雨匯流灌入裂縫和陷坑導(dǎo)致塬邊巖土體強度降低，塬邊隨時都有可能會再次發(fā)生百余米的滑移崩落。

2.4.2 影響因素分析

(1) 黃河側(cè)蝕

據(jù)《韓城縣志》，側(cè)蝕率0.8～1.8 m/a。城北村滑坡處于黃河側(cè)蝕區(qū)域。黃河不斷侵蝕坡腳，是滑坡形成和加劇的主要因素。

(2) 降水

雨季或連陰雨時下滲的大氣降水易入滲，導(dǎo)致土體含水飽和，不僅軟化上部粉質(zhì)黃土，降低其抗剪強度，且極大加重上覆土體重量，上覆飽和土體易沿土體內(nèi)部產(chǎn)生蠕動變形。

(3) 巖性條件

滑坡表層主要以風(fēng)積馬蘭黃土為主，滑體性質(zhì)較為單一，濕陷系數(shù)最大為0.87，濕陷等級Ⅳ級。夾有數(shù)層古土壤，下伏的離石黃土為相對隔水層。受風(fēng)化作用影響，土體呈粉質(zhì)，粘結(jié)力差，土體垂直節(jié)理極度發(fā)育。當(dāng)上部粉質(zhì)粘土富水時，裂隙水帶走部分粉土，隨著時間遷移，空穴越來越大，最終形成大量落水洞，當(dāng)相隔落水洞之間形成聯(lián)通，造成天然的水流通道，坡體內(nèi)部的水流侵蝕，造成滑體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的破壞，從而形成局部塌陷和垮落[4]。這種土體特征加劇了滑坡的形成和快速發(fā)展。

(4) 人類活動

坡頂部修建的大量民居和人類耕種活動，生活污水隨意排放，使得局部土體始終處于飽和程度，造成落水洞的大量形成。

(5) 地貌

城北村滑坡位于黃土臺塬地區(qū)，自然狀態(tài)下，土體垂直節(jié)理發(fā)育，抗壓強度高，但抗剪強度低，各平臺邊緣處現(xiàn)累進性拉張裂縫。加之前緣臨近黃河西岸，長期受河流侵蝕坡腳產(chǎn)生的前緣臨空面，在后緣的自重推動力和前緣的臨空面牽引力的合力作用下，造成坡體的變形?；缕马斨疗碌缀哟蔡幐卟罴s150 m，在降雨、凍融作用下，極易發(fā)生小規(guī)?？迓?。

綜上，一方面特有的地層巖性、水文及地貌情況，使得該坡體處于極易誘發(fā)的狀態(tài)；另一方面人類的耕種和建筑等工程活動，如建房加載、廢水排放，推動坡體的蠕動變形；更重要的是降水，長期降水或強降水使坡體馬蘭黃土處于飽和狀態(tài)，因此該坡體屬處于蠕動階段的黃土滑坡。

3 滑坡穩(wěn)定性評價

3.1 定性評價

城北村滑坡后部可見無數(shù)陷坑與裂縫，下部平臺可見無數(shù)裂縫與落水洞。由于黃河的側(cè)蝕和長期降雨或暴雨作用，城北村滑坡整體目前處于蠕動變形階段。城北村滑坡具有高差大，坡體陡峻，黃土濕陷很強烈，裂縫、陷坑、落水洞、暗溝縱橫。同時地處黃河西岸，黃河側(cè)蝕作用明顯，人類活動導(dǎo)致降水易灌入坡頂裂縫。城北村滑坡在長期降雨或暴雨情形下黃河漲水浸泡沖蝕坡腳，上部降水匯集灌入，隨時都有滑移的可能。

3.2 定量評價

黃土滑坡滑動面接近圓弧形，穩(wěn)定性驗算采用圓弧形滑面瑞典條分法計算方法。計算分天然工況、飽和工況以及飽和加地震3種狀況分別計算滑坡的穩(wěn)定性。

3.2.1 參數(shù)取值

根據(jù)探井采取原狀土樣的室內(nèi)試驗結(jié)果并結(jié)合本地區(qū)相關(guān)工程經(jīng)驗，所需土層的抗剪強度參數(shù)和天然重度分如下3種：

(1) 天然工況(表1)

(2) 飽和工況(表2)

(3) 飽和+地震工況

此工況巖土物理力學(xué)參數(shù)按照(2)長期降雨或暴雨滑面被降水灌入濕透取值，場地位于Ⅶ度區(qū)，設(shè)計基本地震加速度值為0.15 g，計算時考慮0.037 5水平地震系數(shù)。

3.2.2 滑坡穩(wěn)定性計算

滑坡穩(wěn)定性計算采用圓弧形滑面瑞典條分法計算方法。借助GeoStudio2007軟件進行滑面搜索與計算以及剖面危險分區(qū)，得出了可靠的結(jié)果。隨機搜索尋找最危險圓弧型破裂面并計算相應(yīng)的穩(wěn)定系數(shù)。

計算公式如下：

式中，Kf為穩(wěn)定系數(shù)；Wi為第i塊段滑體所受的重力(kN/m)；αi為第i塊段的底滑面傾角(°)；ci為第i塊段土的粘聚力(kPa)；φi為第i塊段土的內(nèi)摩擦角(°)；li為第i塊段滑動面長度(m)。

選取城北村滑坡勘查時的三個剖面Ⅰ-Ⅰ′、Ⅱ-Ⅱ′、Ⅲ-Ⅲ＇，每個剖面的范圍從黃河灘至穩(wěn)定安全區(qū)域。對3個剖面進行3種工況的穩(wěn)定性計算，得出最危險滑動面和穩(wěn)定系數(shù)(表3)。

注：坐標(biāo)原點位于黃河岸邊坡腳

3.2.3 穩(wěn)定性結(jié)果分析

根據(jù)穩(wěn)定性分析結(jié)果，城北村滑坡在天然狀態(tài)下處于基本穩(wěn)定狀態(tài)，在長期降雨或暴雨情況下處于不穩(wěn)定狀態(tài)，只要雨水沿陷坑灌入，滑面濕透，隨時都有可能產(chǎn)生滑動。

計算結(jié)果中搜索的最危險滑裂面剪入口在城北村東邊緣邊1～2 m范圍，這與現(xiàn)場調(diào)查結(jié)果剖面Ⅱ-Ⅱ＇塬邊裂縫位置吻合。

此滑坡在長期降雨下沿塬邊滑動穩(wěn)定系數(shù)在0.65左右，穩(wěn)定系數(shù)較小。城北村中陷坑與裂縫縱橫，雨水在長期降雨或暴雨情況下雨水易沿裂縫灌入。將各個剖面中長期降雨或暴雨工況下穩(wěn)定系數(shù)小于1.1的所有滑動面組合起來，就可以形成如圖4所示的不安全區(qū)域，3個剖面分別確定不安全區(qū)域，從而結(jié)合現(xiàn)場調(diào)查結(jié)果確定威脅范圍。Ⅰ-Ⅰ＇剖面的威脅范圍為從塬邊向東140 m，Ⅱ-Ⅱ＇剖面的不安全區(qū)域范圍為從塬邊向東130 m，Ⅲ-Ⅲ＇剖面的不安全區(qū)域范圍為從塬邊向東110 m。

3.2.4 滑坡推力計算

推力計算采用《滑坡防治工程勘查規(guī)范》(DZ/T0218-2006)附錄E中推薦的圓弧形滑面推力計算方法，剩余推力計算公式如下：

Hs=(Ks-Kf)×∑(Ticosαi)

式中，Hf為推力；Wi為第i塊段滑體所受的重力(kN/m)；Ks為設(shè)計安全系數(shù)；Kf為滑坡穩(wěn)定系數(shù)；Ti為第i塊條塊重量在滑面切線方向的分力(kN/m)。

滑坡推力計算參數(shù)取值選取按照長期降雨或暴雨滑面濕透工況考慮。

選取穩(wěn)定性計算中黃土塬上可能滑動最大范圍的圓弧形滑動面， 滑坡推力計算結(jié)果見表4。

此滑坡推力數(shù)值非常大，不適合進行支擋，應(yīng)以搬遷為主。

4 結(jié)論與建議

4.1 結(jié)論

綜上分析研究，可以得出以下結(jié)論和認(rèn)識：

(1) 城北村滑坡寬約290 m，長約350 m，厚度一般為35 m，體積約355×104m3，主滑方向90°，屬巨型黃土滑坡。

(2) 城北村滑坡坡體主要由馬蘭黃土和離石黃土組成，滑坡平面形態(tài)整體上成半圓弧形，未形成明顯的滑界。根據(jù)井、槽探揭露結(jié)合現(xiàn)場踏勘，確定底部滑帶在離石黃土層中。

(3) 該滑坡主要變形破壞形式為蠕動滑移。由于坡腳前緣黃河側(cè)蝕形成臨空面，使坡體失去支撐，為滑坡形成創(chuàng)造了良好的臨空條件，從而使得坡體物質(zhì)在重力作用下發(fā)生蠕動變形；坡體表層為馬蘭黃土，下伏離石黃土，土體垂直節(jié)理發(fā)育，導(dǎo)致坡體陡立，高差大；土體滲透性較好，具有極強的黃土濕陷性，加之村民就地排放的廢水導(dǎo)致局部土壤長期飽水，抗剪強度顯著下降；后緣人類生活生產(chǎn)活動使得滑體土質(zhì)疏松，并在建房等情況下造成后緣加載，綜合作用下形成滑坡。

(4) 通過穩(wěn)定性計算可知，天然狀態(tài)下城北村滑坡整體處于基本穩(wěn)定狀態(tài)，局部處于不穩(wěn)定狀態(tài)；飽水條件下坡體整體處于不穩(wěn)定狀態(tài)。逢連陰雨或暴雨時坡體有整體失穩(wěn)的可能。一旦整體失穩(wěn)，直接威脅滑坡危險區(qū)居民的生命財產(chǎn)安全。此外，滑體還可能造成局部黃河河道堵塞，使得二臺上的花椒樹種植區(qū)滑入河道，從而造成經(jīng)濟損失，并危及務(wù)農(nóng)村民的生命安全。

(5) 城北村滑坡推力數(shù)值大，不適合進行支擋。

4.2 建議

考慮滑坡工程地質(zhì)和水文地質(zhì)條件、巖土體特性等因素，應(yīng)采取地表截排水、回填裂縫、長期監(jiān)測等應(yīng)急性措施。根據(jù)滑坡穩(wěn)定性計算結(jié)果，城北村滑坡推力十分巨大，不適宜開展工程治理，最佳解決方案為人員搬遷撤離。

[1] 王念秦.黃土滑坡發(fā)育規(guī)律及其防治措施研究[D].成都:成都理工大學(xué),2004.

[2] 代革聯(lián).地質(zhì)構(gòu)造對韓城礦區(qū)水文地質(zhì)特征的影響[J].干旱區(qū)資源與環(huán)境,2010,(7):62-68.

[3] 丁勇.人工降雨模擬作用下的黃土高邊坡穩(wěn)定性研究[D].西安:西北大學(xué),2011.

[4] 楊晶.影響黃土濕陷性因素的試驗及微觀研究[D].太原:太原理工大學(xué),2007.

FORMATION MECHANISM AND STABILITY OF LOESS LANDSLIDES IN WEIBEI PLATEAU: A CASE STUDY OF THE LANDSLIDE IN CHENGBEI VILLAGE OF HANCHENG

ZHANG Xin-yu, TAO Fu-ping

(Shaanxi Institute of Geo-Environment Monitoring, Xi’an 710054, China)

A macro analysis is made of loess landslides in Chengbei Village of Hancheng through ground and underground investigations, manual calculation and software analysis. Quantitative calculation is made for the stability and the boundary of zones in risk under extreme conditions. This work sheds light on the prevention and control of such landslides.

loess landslide; macro analysis; quantitative calculation; boundary

1006-4362(2015)02-0003-06

2015-03-03改回日期：2015-04-17

P642.22

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