甘肃黑方台突发型黄土滑坡形成过程的物理模拟

亓 星，陶叶青

(1.四川轻化工大学土木工程学院,自贡 643000;2.桥梁无损检测与工程计算四川省高校重点实验室，自贡 643000；3.四川省自然资源资料馆,成都 610081)

中国黄土分布面积达44×104km2，加上次生黄土，中国黄土面积占了全国总面积的10%，分布非常广泛。黄土具有独特的水理特性，其结构性、水敏性、湿陷性和强度时效特性使其在水的作用下极易产生破坏。中国西北黄土地区位于降雨稀少的干旱和半干旱带，当地农业灌溉大多依靠抽取河流或地下水源进行补给，通过大水漫灌的方式对农业工作区进行灌溉。以黄土台塬为例，大水漫灌使地表水大量进入黄土内部，导致地下水位上涨，底部黄土饱水软化，极易诱发快速运动的黄土滑坡灾害，因此，水是引起台塬滑坡的重要因素，而研究灌溉导致的黄土滑坡灾害内在机制也成为近年来的热门方向[1-2]。

甘肃黑方台为典型的黄土台塬地貌，自1968年台塬开始了长期的农业灌溉，形成了以突发型黄土滑坡为主的滑坡群[3-5]，这类滑坡的形成机理和特征受到了大量学者关注。有学者基于三轴试验发现孔隙水压力增长过程中会使土体逐渐进入不稳定状态，进而产生突发性的破坏[6-7]，大量物理模拟和离心机试验也发现土体破坏过程中伴随了显著的孔隙水压力突增现象[8-10]。王家鼎[11]曾提出这类滑坡是由于蠕动液化造成，并从理论上分析了黑方台典型突发型滑坡的变形破坏过程，而地下水产生的孔隙水压力究竟在滑坡变形破坏中扮演了何种角色，即孔隙水压力增大导致滑坡变形破坏，还是由于滑坡变形引起超孔隙水压力出现使得滑坡变形进一步加速从而破坏，由于滑坡的突发性，孔隙水压力和变形几乎是同步出现，很难区分出来。由此，基于概化的室内物理模拟试验，还原黑方台突发型黄土滑坡的形成过程，并通过高频同步采集的位移计和孔压计揭示两者的响应规律，从而探究这类滑坡的破坏过程。

图2 黑方台典型岩性剖面Fig.2 Typical lithologic section in Heifangtai

1 黑方台地质环境概况

黑方台位于中国西北黄土高原地区的甘肃省永靖县盐锅峡镇，面积约12 km2(图1)，台塬地层由上往下分别为Q3马兰黄土(层厚26～48 m)，发育较多垂直裂隙；粉质黏土(层厚3～19 m)，结构致密，弱透水，呈西高东低近水平分布，使该层上方灌溉产生的地下水沿地形由西向东渗流；砂卵石层(层厚1～6 m)，透水性较好；最下部为单斜构造的砂质泥岩，岩层产状125°～220°，倾角8°～12°。(图2)。自长期农业灌溉以来，地表水不断渗入黄土底部并富集在透水性差的粉质黏土层顶面，形成了数十米厚的地下水位，并从台塬边渗出使台塬边发育了大量的突发型黄土滑坡。

图1 黑方台全貌Fig.1 Heifangtai panorama

2 物理模拟试验

2.1 试验装置和设计

通过调查发现，黑方台突发型黄土滑坡沿黄土与粉质黏土界面滑动，滑动面底部近水平，后壁高陡，受地下水位不断上涨引起底部饱水软化产生滑动。通过概化这类滑坡的特点，设计了室内模型箱进行试验。模型箱长宽高为800 mm×500 mm×800 mm，两侧为透明树脂板，模型箱后方设计了宽100 mm的水槽并有泄水孔，可通过调整泄水孔开闭控制水槽内水位高度恒定，模拟实际地下水位。

黄土滑坡模型几何形状按黑方台突发型黄土滑坡的基本几何特征设计，参考了大量已有同类试验模型[8]，设计斜坡坡度为55°，高500 mm，长700 mm，底部水平。上部加载160 kg铁块并通过铁块底部刚性平板将荷载均匀传递到滑坡顶面，模拟野外较厚的上覆黄土压力(图3)。土体采用黑方台取得的Q3马兰重塑黄土分层夯实(表1)，干密度1.25 g/cm3，质量含水率5%，试验控制土体重度相似系数约1∶1，后方水槽内水位恒定为15 cm，通过水槽向前方渗水模拟灌溉引起的坡体地下水上升过程，试验中水槽与模型箱间也采用相同土体按照相同密实度填实。

2.2 数据采集

试验模型堆砌过程中，在堆积体中线位置每隔10 cm高度由后侧水槽向前方间隔15 cm放置一组孔隙水压力传感器，由下往上放置3排，共6支孔压传感器，并在距黄土底部15 cm高的堆积体中部埋设自动位移计(图3)。所有传感器均接入同频数据采集系统，该系统为便携式多路采集系统(NI9188)，可对接入的所有传感器数据进行同时同频采集，最大采集频率为1 024 Hz，通过数据采集系统以获取滑坡变形过程中的孔压和位移同步变化规律。

表1 黑方台黄土基本物理性质Table 1 Physical properties of loess in Heifangtai

图3 试验模型传感器布置及数据采集系统Fig.3 Sensor arrangement and data acquisition system of Slope model

2.3 试验过程和数据分析

试验开始后，随着后方水槽内恒定水位的渗透作用，底部黄土饱和度由后向前逐渐上升，并使坡体产生了轻微的湿陷沉降现象[图4(a)]，并最终坡体地步完全饱和[图4(b)]，地下水从坡体前缘底部渗出，土体产生塑性变形并持续缓慢蠕动(0.57 mm/h)。随着前缘底部黄土形成泥流，在重力作用下上覆黄土坡体产生拉裂，裂缝由顶部延伸至底部贯通，前缘坡体产生第一次滑动(41 115～41 120 s)[图4(c)]，坡体顶部后退4 cm，总方量约0.01 m3，滑坡堆积在坡体前缘。底部渗水作用下坡体前方堆积体逐渐形成泥流，坡体蠕动速率增大至0.23 mm/min，并持续约1 500 s后再次产生滑动(42 623～42 625 s)[图4(d)]，此次滑动伴随了明显的孔压和位移的激增，坡体顶部后退25 cm，总方量约0.06 m3。

图4 滑坡模型破坏全过程Fig.4 Failure process of the slope model

图5 孔隙水压力和位移关系Fig.5 Relationship between pore water pressure and displacement

通过传感器获取了坡体两次滑动全过程的累计位移及孔压变化[图5(a)]。两次滑动中第一次滑动规模较小，滑坡体并未包含传感器，因此滑动过程中孔隙水压力和位移计未产生明显变化[图5(b)]，第二次滑动范围包括了位移计前端固定点和3、5、6号孔隙水压力计，位移计也产生了明显的增大[图5(c)]。1、2、4号孔隙水压力计位于滑动面后方，未观测到明显位移。

通过图5(c)可以发现，第二次滑动过程中6个孔隙水压力计的响应时间有一定的先后关系，部分孔压在位移达到最大前就先达到了峰值。由于采集系统采集频率达1 024 Hz，可以准确反映试验过程中孔压与位移的微小响应差异，通过计算两者的相关性即可判断孔压和位移的先后响应关系，明确坡体的破坏是否由孔隙水压力引起。具体方法为，将第二次滑动过程的位移和孔压数据先进行归一化处理，选取滑动过程中连续200个孔压数据(持续0.2 s的数据)与同时间的200个累计位移数据计算相关性，随后平移孔压数据选取区间再次计算相关性，以此不断移动孔压数据选取区间获得不同时间差对应的两者相关性，最终得到相关性系数最大时对应的孔压与位移时间差(表2)。

表2 孔压与位移的时间差Table 2 Time difference between pore pressure and displacement

通过相关性分析发现，滑体内部的3、5、6号孔压相对位移有一定的滞后，而滑体后方的1、2、4号孔压相对位移则先出现响应。由此可见，虽然位移和孔压几乎同时激增，但第二次滑动产生前在滑坡后方出现了明显的孔隙水压力波动，使得变形加快，而变形加快又促使了土体内部产生超孔隙水压力，进一步加剧变形从而失稳破坏。

由物理模拟试验揭示了地下水上升引起的孔隙水压力达到一定程度后，轻微的孔压变化即可导致坡体的突发性失稳破坏，这解释了黑方台突发型黄土滑坡随着地下水不断上升出现的突发性特征。随着黑方台长期灌溉引起的地下水上升到一定程度，台塬边缘具备产生静态液化型黄土滑坡的孔压条件。

3 结论

通过物理模拟试验还原了黑方台突发型黄土滑坡表现出的突发性破坏过程，随着地下水产生的孔隙水压力逐渐增大，坡体开始产生缓慢蠕动，而蠕动导致的孔隙水压力的波动和积累致使坡体变形加快，最终导致滑坡加速变形破坏并伴随了显著的超孔隙水压力，由此揭示了这类滑坡的破坏为“地下水位上升—坡体产生缓慢变形—变形引起孔压波动—孔压波动引起变形加剧—滑动破坏并伴随显著超孔隙水压力”的过程。因此，引起这类滑坡产生变形的原因是地下水位不断上升造成，孔隙水压力达到一定程度后可能维持较长时间的相对稳定，在此期间坡体的缓慢变形是造成孔压进一步累积波动的原因，并导致变形增加和最终失稳破坏，在此期间超孔隙水压力主要是滑坡失稳破坏时伴随产生，并非诱发滑坡变形的主要因素。