洪 勃， 杜少少， 李喜安， 王 力， 王少林， 張航泊

(1.礦山地質(zhì)災(zāi)害成災(zāi)機(jī)理與防控重點實驗室， 陜西 西安 710054；2.長安大學(xué) 地質(zhì)工程與測繪學(xué)院， 陜西 西安 710054； 3.陜西省地質(zhì)調(diào)查中心， 陜西 西安 710054)

中國是世界上滑坡災(zāi)害最為嚴(yán)重的地區(qū)之一，特別是20世紀(jì)80年代以來，隨著經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展以及自然因素的影響，滑坡災(zāi)害發(fā)生的頻率越來越高，所造成的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡也不斷加大[1]。尤其是中國中西部地區(qū)滑坡災(zāi)害極為發(fā)育，這些滑坡規(guī)模大、損失慘重、機(jī)理復(fù)雜等特點而成為諸多研究學(xué)者重點關(guān)注對象。

據(jù)統(tǒng)計90%以上的滑坡都與水的作密切相關(guān)[2]。因此，降雨入滲、大面積灌溉均是非飽和土邊坡產(chǎn)生滑坡的重要因素。自1976年以來，大面積引水灌溉致使涇河南塬約30 km的塬邊成了黃土滑坡的頻發(fā)帶[3]。據(jù)不完全統(tǒng)計，1980年至2016年涇河南塬已發(fā)生的有記錄的滑坡43起，太平鎮(zhèn)23起，蔣劉鄉(xiāng)16起，高莊鎮(zhèn)3起，小滑坡(滑坡體積小于0.5×104m3)不計其數(shù)[3-10]。其中以1984年12月2日發(fā)生于蔣劉鄉(xiāng)河灘村的滑坡?lián)p失最為慘重，滑坡體積約1.13×106m3造成整個村莊被掩埋，20人死亡，20人重傷，摧毀民房159間[11]。截至目前，涇河南塬滑坡已造成31死25傷，摧毀農(nóng)田達(dá)數(shù)千畝和無法估量的經(jīng)濟(jì)損失[8,12]。涇河南塬黃土滑坡已成為關(guān)中地區(qū)最具代表性的地質(zhì)災(zāi)害問題之一[12]。

目前，很多研究學(xué)者就涇河南塬滑坡成因機(jī)制以及滑坡特征進(jìn)行了大量研究。雷祥義[3]、金艷麗等[13]、許領(lǐng)等[14-16]、段釗等[8,9]等研究表明，大面積灌溉導(dǎo)致地下水位大幅抬升是涇河南塬滑坡的重要原因。許領(lǐng)等[15-17]還指出灌溉也是塬邊裂縫形成的重要成因，同時裂縫的發(fā)育又是滑坡發(fā)展和發(fā)生的重要內(nèi)在動力機(jī)制。唐東旗等[18]的研究表明，在有裂隙狀態(tài)下邊坡安全系數(shù)較無裂隙條件下要降低23.3%。顯然，裂隙不但降低邊坡的穩(wěn)定性，而且也成為雨水入滲的優(yōu)勢滲流通道[14,16,19-20]。而涇河南塬塬邊由于長期受涇河側(cè)蝕、滑塌以及灌溉作用的影響，已經(jīng)遍布裂縫。許領(lǐng)等[17]2005—2007年對太平—蔣劉段的調(diào)查發(fā)現(xiàn)，塬邊裂縫發(fā)育28條，總延展長度達(dá)1 424 m。2015年，楊華[20]再對經(jīng)河南塬裂縫進(jìn)行調(diào)查統(tǒng)計時，裂縫發(fā)育達(dá)90條，累積長達(dá)6.5 km。長度超過150 m的巨型裂縫一共發(fā)育有7條，最長裂縫可達(dá)330 m，分布于太平鎮(zhèn)寨頭—西廟店塬邊[19]。同時，裂縫常常在滲流作用下，形成導(dǎo)水孔、落水洞，從而陷入縫生洞、洞生縫的惡性循環(huán)，加劇邊坡的破壞。

可見，雨水入滲依然是該地區(qū)黃土滑坡的重要因素，同時黃土本身的性質(zhì)也使得其研究內(nèi)容更加復(fù)雜，如滲透各向異性、節(jié)理裂隙發(fā)育以及濕陷性。因此，本文擬以涇河南塬黃土(裂隙土、不同土層土)的滲透特征為研究對象，在總結(jié)前人成果的基礎(chǔ)上，結(jié)合室內(nèi)試驗，對涇河南塬黃土的滲透各向異性特征進(jìn)行分析，同時對其孕災(zāi)機(jī)理進(jìn)行探討，以期為黃土分布地區(qū)雨水入滲型滑坡的災(zāi)害防治提供重要的理論指導(dǎo)意義。

1 研究區(qū)概況與試驗方法

涇河南塬位于陜西省涇陽縣境內(nèi)，受新構(gòu)造運動及不同形式的侵蝕活動作用，呈現(xiàn)出西北高、東南低，且高低起伏較大的地形地貌特征，海拔最高1 614 m，最低361 m[7]。境內(nèi)地貌主要分為基巖山地、黃土臺塬和沖洪積階地3類。而涇河南塬地勢平坦開闊，黃土覆蓋厚度較大，塬面高程約在420 m～490 m左右。上部為厚度約10～15 m的上更新世馬蘭黃土，下覆地層為厚度約45～70 m左右的中更新世離石黃土，底部為早更新世午城黃土(高莊鎮(zhèn)鉆孔已揭露午城黃土厚度49.4 m，未見底)，各層之內(nèi)均夾雜著厚度不等的古土壤層。

2 結(jié)果與分析

雙環(huán)法、試坑法和抽水試驗都可以測得土的原位飽和滲透系數(shù)。由于野外雙環(huán)試驗操作簡單，較試坑法和抽水試驗代價低，因此被廣泛使用。

2.1 均質(zhì)土與裂隙土試驗

根據(jù)大量野外觀測資料顯示，黃土地區(qū)降雨入滲深度一般不超過1.5 m。當(dāng)黃土中裂隙發(fā)育時，雨水可以通過優(yōu)勢滲流通道至土體深部，引起土的體積和抗剪強(qiáng)度變化，從而誘發(fā)滑坡、崩塌和泥流等地質(zhì)災(zāi)害。因此，以蔣劉鄉(xiāng)大堡子村塬邊附近含有裂隙的農(nóng)田為裂隙土試驗場地(裂隙寬度2 cm，走向平行于塬邊)，以無裂隙的場地為對照組(稱均質(zhì)土)，進(jìn)行雙環(huán)滲透試驗，對裂隙處采用相同含水率的細(xì)砂土填充[20]。試驗土層為Q3馬蘭黃土，天然含水率12%，液限27.1%，塑限19.5%，天然干密度為1.56 g/cm3。

由圖1可以看出，均質(zhì)土和裂隙土的滲透系數(shù)大致可以分為快滲階段、緩滲階段和穩(wěn)滲階段。由于裂隙的存在，裂隙土的滲透系數(shù)一直較均質(zhì)土要高，進(jìn)入穩(wěn)滲階段均質(zhì)土的穩(wěn)定滲透系數(shù)為4.05×10-4cm/s，而裂隙土的穩(wěn)定滲透系數(shù)約為均質(zhì)土的3倍，為1.27×10-3cm/s。同時，二者的滲透系數(shù)與入滲時間具有較好的冪函數(shù)關(guān)系，且相關(guān)系數(shù)很好。由于土體不均勻性的存在，使得入滲速率上下波動是容易理解的[20]。

圖1 裂隙土和均質(zhì)土滲透系數(shù)(k)與入滲時間(t)關(guān)系[20]

2.2 不同土層滲透試驗

以涇陽高莊鎮(zhèn)王家村滑坡臺階為試驗場地，分別對表層黑壚土(L0)、馬蘭黃土(L1)、第一層古土壤(S1)以及S1下伏的離石黃土(L2)進(jìn)行野外雙環(huán)試驗[21]。不同土層土壤的基本物理性質(zhì)具體如表1所示。

表1 不同土層土壤的基本物理性質(zhì)

由圖2可以看出，黑壚土、馬蘭黃土和離石黃土入滲速率與入滲時間也具有較好的冪函數(shù)關(guān)系，都隨著入滲時間的持續(xù)而逐漸趨于平穩(wěn)。然而古土壤由于干密度大，土顆粒排列地更加密實，其滲透系數(shù)最小。與上述幾種土比較，其滲透系數(shù)隨入滲時間更具線性關(guān)系，且滲透系數(shù)基本保持不變。穩(wěn)滲階段，以馬蘭黃土的滲透系數(shù)最大，其原因應(yīng)該是馬蘭黃土由于大、中孔隙以及垂直節(jié)理裂隙發(fā)育有關(guān)[21]。而黑壚土由于腐殖質(zhì)的存在，在高溫與多雨季節(jié)有利于原生礦物的分解和次生黏土礦物的形成，并使黑壚土因殘積黏化而具有隱黏化特征；另外土壤中水溶性鹽類的溶解并隨下滲水流遷移，又使明顯下移的鈣、鎂等鹽類在剖面下部形成淀積層。因此，這也是黑壚土滲透系數(shù)較馬蘭黃土較小的原因。而離石黃土滲透系數(shù)<黑壚土<馬蘭黃土，則是因其埋深厚，固結(jié)應(yīng)力大，結(jié)構(gòu)更加緊密所致。

圖2 不同土層滲透系數(shù)(k)與入滲時間(t)關(guān)系[21]

2.3 三軸滲透試驗

考慮到三軸滲透試驗?zāi)軌蜉^真實的反映土體在地層中所處的應(yīng)力環(huán)境，因此三軸滲透試驗測得的滲透系數(shù)較其他滲透試驗結(jié)果更加真實可靠。謝超[21]將涇陽高莊鎮(zhèn)王家村滑坡臺階場地的原狀試樣進(jìn)行室內(nèi)三軸常水頭滲透試驗，測量其垂直向和水平向滲透系數(shù)。

由圖3可以看出，隨著圍壓的增大，不論垂直向還是水平向，3種土的滲透系數(shù)呈現(xiàn)逐漸減小并趨于穩(wěn)定。

圖3 垂直向和水平向三軸滲透試驗[21]

同一圍壓下，3種土都具有明顯的滲透各向異性性質(zhì)，垂直向滲透系數(shù)均大于水平向。這顯然是土顆粒的微觀各向異性決定的，風(fēng)成黃土在沉降、沉積以及成土過程受風(fēng)力誘導(dǎo)或重力誘導(dǎo)作用而具有優(yōu)選方向，即土顆粒排列具有定向性從而導(dǎo)致土體產(chǎn)生各向異性行為[22]。

對比圖2和圖3的3種土的垂直向滲透系數(shù)值可以發(fā)現(xiàn)，雙環(huán)法的測量值與三軸試驗測量值存在數(shù)量級上的差異，最大約102量級。這種差異是由于雙環(huán)試驗必須要鏟除上覆土層至試驗土層，這勢必會改變試驗土層原始應(yīng)力狀態(tài)而產(chǎn)生卸荷裂隙，從而增大了試驗誤差。而室內(nèi)三軸試驗則能較好地復(fù)原試驗土層的真實應(yīng)力環(huán)境。

3 討 論

涇河南塬地區(qū)，水對邊坡的不利作用主要包括地表水(灌溉、降雨、融雪)入滲、地下水位抬升、河流侵蝕等。自1976年大面積灌溉以來，地下水位不斷抬升涇陽南塬大量的滑坡、崩塌已使其塬邊拉裂隙大量發(fā)育，以致該地區(qū)滑坡災(zāi)害連年不斷，塬面不斷后退，土地資源損失嚴(yán)重[19]。

然而，涇河南塬地下水位不再是受大氣降雨單一補(bǔ)給，引水灌溉已然成為主控因素[3]。1976—2016年太平鎮(zhèn)和蔣劉鄉(xiāng)6個村的地下水位變化情況為：自1976年以來地下水位持續(xù)抬升，其中1992年蔣劉村的地下水位較1976年上漲達(dá)37 m[6]，地下水位年均上升速度達(dá)2.313 m/a，其他各村地下水位也均有不同程度的抬升。2010—2014年的年灌溉量有增多的趨勢，5年灌溉量均值為2.71×106m3。廟店村的鉆孔資料也證實了這種趨勢，其2016年的地下水位較1992年上漲37.4 m，地下水位年均上升速度達(dá)1.558 m/a。

地下水位的不斷抬升也致使該地區(qū)滑坡災(zāi)害不斷，1976—1980年灌溉初期，地下水位主要受大氣降雨補(bǔ)給，灌溉并未造成地下水位大幅抬升。隨著灌溉強(qiáng)度的不斷增大，到1980—1992年灌溉區(qū)塬邊滑坡災(zāi)害已經(jīng)不斷發(fā)生，同時也促使了更多滑坡的孕育。1996年太平鎮(zhèn)和蔣劉鄉(xiāng)年累計滑坡達(dá)5次之多，累積滑坡體積2.03×106m3。自2000年后，雖然政府部門采取了控制措施，但2000—2016年累計發(fā)生中大型滑坡16次，平均1次/a。

諸多研究表明，地下水位的抬升已是涇河南塬滑坡災(zāi)害的主導(dǎo)因素[3,8,9,13-16]，而地表水入滲則是滑坡發(fā)生的誘發(fā)因素[3]，塬邊裂隙、裂縫是滑坡發(fā)展和發(fā)生的重要內(nèi)在動力機(jī)制[15-17]。涇陽縣雨季主要集中在7—9這3個月，對應(yīng)1976—2016年滑坡月統(tǒng)計這3個月滑坡達(dá)13起。但這3個月卻不是滑坡最頻繁的月份，春夏之交的3，4，5月滑坡達(dá)17起。這則是與南塬農(nóng)業(yè)活動密切相關(guān)，3—5月份果樹現(xiàn)蕾開花，冬小麥返青拔節(jié)、灌漿乳熟[6]，均需要長時間大面積灌溉。而大面積灌溉必然導(dǎo)致地下水位快速升高，地下水位的抬升不僅降低了坡體的抗剪強(qiáng)度，同時也增加了坡體的下滑力[3]，進(jìn)而促使滑坡災(zāi)害的發(fā)生。

綜上所述，涇河南塬北側(cè)由于長期受涇河強(qiáng)烈的側(cè)蝕作用，塬邊形成了高度約50～90 m的黃土陡崖、陡坎，為黃土滑坡、崩塌提供了有利的場地條件。由節(jié)理、裂隙發(fā)育的黃土-古土壤序列構(gòu)成的陡峭邊坡為滑坡災(zāi)害的發(fā)展和發(fā)生提供了有利的地層地貌及地質(zhì)構(gòu)造條件[3]，而灌溉和降雨又為滑坡提供了氣候水文條件。因此，涇河南塬滑坡依然形成了一種惡性循環(huán)的災(zāi)害鏈模式：雨、水入滲→裂隙擴(kuò)大、地下水位抬升→產(chǎn)生靜水、動水壓力，增大下滑力；軟弱帶軟化，抗剪強(qiáng)度降低；浮托力增大，抗滑力降低→滑動面貫穿→滑坡→致使滑坡后緣產(chǎn)生拉張裂隙→雨、水入滲→…。

顯然，水與裂隙誘發(fā)地質(zhì)災(zāi)害并進(jìn)一步惡化地質(zhì)環(huán)境，而地質(zhì)環(huán)境的惡化又導(dǎo)致更為嚴(yán)重的地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生?？梢姡c裂隙共同作用模式已成為涇河南塬滑坡的一種機(jī)制。

4 結(jié) 論

涇河南塬黃土節(jié)理裂隙發(fā)育，節(jié)理裂隙為雨水入滲的優(yōu)勢滲流通道，這也是裂隙土滲透系數(shù)大于均質(zhì)土滲透系數(shù)的原因所在。

因土的性質(zhì)(如，孔隙比)以及地質(zhì)環(huán)境(如，應(yīng)力狀態(tài))不同，各土層的雙環(huán)法滲透系數(shù)差異較大。馬蘭黃土因大、中孔隙多(孔隙比大)以及節(jié)理裂隙發(fā)育，所以馬蘭黃土滲透系數(shù)最大。黑壚土次之，離石黃土再次之，古土壤滲透系數(shù)最小。

由于雙環(huán)試驗卸去了上覆土壓力，與三軸滲透試驗結(jié)果比較存在數(shù)量級上的差異。 通過分析水與裂隙致災(zāi)過程，水與裂隙共同作用模式已成為涇河南塬滑坡的一種惡性災(zāi)害鏈機(jī)制。