西宁张家湾特大滑坡特征及机理

白朝能， 彭 亮， 沈 远， 李健国， 郑长远

(1.中铁西安勘察设计研究院有限责任公司, 西安 710054； 2.青海省水文地质工程地质环境地质调查院, 西宁 810008；3.中铁二院华东勘察设计有限责任公司, 杭州 310004； 4.西南交通大学土木工程学院, 成都 614202)

西宁市城西区湟水河南岸从张家湾到阴山堂村近3 km范围内受新构造运动及人类浅表改造活动影响，地质灾害频发，滑坡及崩塌成群，属西宁市典型的地质灾害带。地质灾害呈现规模大、形式多样、灾害密集、危害严重的特点。据史料《西宁府续志》记载：“清光绪元年(1875年)，君城西二十里阴山崩，水渠堵塞。”即发生过大的地质灾害。张家湾滑坡位于该地质灾害带内，是带内规模最大、影响最大、最为典型的一个滑坡体。从清光绪元年有记载至今就有人类活动，中华人民共和国成立后在滑坡前缘建有 G109国道和青藏铁路。近年随着西宁城市建设加快，城市建设用地日趋紧张。滑坡前缘的堆积区由于相对平坦，成为许多商家垂青之地，开挖整平后在此盖房建厂。大量的人类工程活动为满足各自的使用需求，不同时期、不同程度地对老滑坡体进行扰动，打破了老滑坡体的自然平衡状态。老滑坡正日趋复活，次生滑坡正在发生发展。2004年至今，张家湾滑坡后缘多次发生变形滑移。

黄土滑坡是西宁地区常见的地质灾害。此类滑坡研究已取得不少成果，文献[1-4]对西宁地区黄土滑坡灾害发育特征、分布规律、稳定性分析、防治对策作了研究。文献[5]对黄土滑坡进行了系统性的分类，文献[6-10]针对黄土-泥岩滑坡的分类、成因及活动特征进行了研究，文献[10-12]研究了黄土滑坡发育特征及灾害评估等，目前针对黄土滑坡成因的研究多为基于变形特性的理论性研究。针对某一特大型滑坡结合时空特征、结构特征、变形特征进行分区，分期的综合性研究尚无相关文献报道。

在查阅前人对西宁地区地质灾害及张家湾滑坡研究资料的基础上，结合目前中外对特大型滑坡研究的最新方法，对张家湾滑坡的时空特征、结构特征、变形特征，形成机理进行了系统研究，旨在为类似的特大型复杂滑坡的形成机理分析提供一种新的逻辑思路和分析方法，为滑坡的治理提供充分的依据。

1 工程概况

张家湾滑坡位于西宁市城西区张家湾村湟水河南岸斜坡地带，沿东西向展布，地势南高北低，相对高差325 m，平均坡度42°，主滑方向20°，主滑趋势自南向北滑。后缘位于西山丘陵区顶部，前缘位于湟水河Ⅱ级阶地上解放渠边缘。滑坡体积约1 229×104m3，南北向长1 100 m，东西向长750 m，滑体平均厚度28 m，属典型的黄土-泥岩二元体滑坡。滑坡情况如图1所示。

图1 滑坡区卫星照片Fig.1 Photo of the landslide area

滑坡位于西宁断陷盆地边缘，地质运动以新构造运动为主，阴山堂滑坡群位于边界断裂活动强烈区。区内的新构造运动主要表现为频繁而强烈的间歇性差异升降。新构造运动间歇性抬升，导致湟水河强烈下切，流水侵蚀作用强烈，从地形条件上推测，历史上湟水河曾紧临阴山下切形成高陡的软质岩临空面，流水强烈下切孕育滑坡发生后，掠夺河道形成如今湟水河转折。

滑坡区属于干旱大陆性气候，具有降水量少但集中的特点，降水主要集中在每年的6—9月份(占年降水量的80%以上)。地表水主要为大气降水、雪融渗水、绿化灌溉水、湟水河等。湟水河为区内主干河流，曾是老滑坡形成主要原因之一，目前对滑坡影响很小，仅对滑坡前缘砂卵、砾石层地下水进行补给。

地下水主要为第四系松散岩类孔隙潜水和基岩裂隙水。孔隙潜水主要分布于滑坡前缘的堆积阶地内，含水层为冲洪积砂砾石层，水量不大，单井涌水量100～500 m3/d，主要靠湟水河的补给。基岩裂隙水分布于新近系泥岩及砂岩中，主要受大气降水及灌溉水补给。取地下水样化验，地下水对混凝土具有强腐蚀性。

滑坡所属地区基本地震动峰值加速度0.10g(g为重力加速度)，抗震设防烈度为7度。

2 滑坡基本特征

2.1 滑坡的空间形态特征

通过对不同时期卫片影像及地勘资料比对分析，张家湾滑坡目前的空间形态特征是经过不同时期、不同原因形成的，除了滑坡周界较为清楚外，其整体形态特征较为复杂。受地形地貌和地层岩性的影响，滑坡空间形态极不规则，变形差异较大，灾害表现形式不同。在老滑坡体上次生有滑坡、崩塌(黄土崩塌及泥岩崩塌)、危岩落石、黄土湿陷、黄土侧蚀等灾害。根据滑坡空间形态特征、变形特征、灾害特征将张家湾滑坡划分为2个滑坡区，即东区滑坡区(H1-1)和西区滑坡区(H1-2)，见图2。

图2 张家湾滑坡平面形态特征Fig.2 The plane morphological characteristics of Zhangjiawan Iandslide

(1)东区滑坡区(H1-1)滑坡边界清晰，平面形态呈“半圆”形，剖面形态呈上陡下缓型，平均坡度约31°。滑坡变形主要以后缘高陡的软质岩风化剥落，崩塌为主。后缘边界线呈锯齿状连续分布，形成高约30 m的后壁陡坎，近直立，出露岩性为新近系全风化泥岩，受产状、节理裂隙切割影响，表层风化剥落严重，危岩落石发育。前缘滑坡堆积体经人工挖方整平，盖房建厂。目前致灾模式主要为后缘高陡的不稳定斜坡体及坡体上的崩塌，危岩落石，尤其是雨季崩塌、落石严重，灾害频发。

(2)西区滑坡区(H1-2)平面形态呈“舌形”，滑坡体形态呈多级错台状，后缘较陡，中部相对平缓，滑坡中前部堆积于河谷阶地之上，受人类浅层改造影响，原始地貌破坏殆尽，削坡切脚，整平场地，盖房建厂。目前滑坡前缘厚度最深达31.5 m，后缘厚度20.4～22.6 m，滑坡平均厚约28 m，总体滑动方向10°。黄土覆盖层远厚于东区(H1-1)，变形以后缘追踪式的黄土崩塌为主，变形明显快于东区(H1-1)，滑坡体已发展至山顶，为张家湾滑坡主要变形区。目前致灾模式主要为后缘的黄土崩塌，湿陷，老滑坡体上的次生滑坡。

2.2 滑坡结构特征

张家湾滑坡形成过程复杂，老滑坡一次成形后，由于滑坡平面空间形态差异，变形特征不同，人类改造程度不同等原因逐渐演化成目前的东西两区，西区老滑坡再次演化成不同期次的新生，次生滑坡。滑坡体结构特征如下所述。

2.2.1 滑体特征

第一、二期滑坡的滑体物质主要以含泥岩块的粉质黏土为主。粉质黏土呈砖红色-棕红色，稍湿，稍密，可塑至硬塑状，有光泽，含有大量的泥岩碎块，原岩为全风化-强风化砂质泥岩。泥岩块呈棱角柱状，坚硬-半坚硬状，粒径一般0.5～24 cm，含量占20%～30%。

第三期滑坡滑体物质同二期，为粉质黏土，较二期松散，滑体表面张裂缝发育。野外原位大体积试验得到滑体天然重度为17.8 kN/m3。内摩擦角为19.4°，黏聚力为15 kPa。

第四期滑坡的滑体物质以崩塌黄土为主。崩塌黄土主要位于四期滑坡及三期滑坡后部，呈土黄色～灰黑色，均质结构、质地疏松，具有自重湿陷性，湿陷等级为Ⅲ级(严重)。

2.2.2 滑面特征

根据滑坡的空间形态特征，滑坡变形特征，滑面剪出口特征及钻孔、探井资料分析，张家湾滑坡呈多期次发育，滑面表现为多级滑动，部分滑坡体从上至下发育有三个滑动面。

第一期滑坡滑动面为泥岩层中软弱夹层，原岩为强风化-中风化泥岩，呈砖红色，泥化程度高，潮湿，遇水易崩解。平均含水率为20%，内摩擦角为26°，黏聚力为28 kPa。

第二、三期滑坡滑面则为强风化泥岩界面。二期的滑带土为粉质黏土混合全风化的软质泥岩，滑带土潮湿呈可塑状，细腻具滑感，黏性强，有揉搓现象，厚度一般在0.3～2.0 m，并夹有少量砾石，角砾一般含量5%～10%，粒径0.5～2 cm，有一定的磨圆度，含水率18.6%，内摩擦角23.2°，黏聚力25.9 kPa。三期的滑带土为粉土，稍湿，有揉搓现象，含水率10%，内摩擦角18.6°，黏聚力13.8 kPa。第四期滑坡滑动面为黄土层滑动，滑带土为黄土状粉土，稍湿，滑面光滑平直，擦痕明显，在后缘附近呈多级追踪式浅层滑动。在四期后缘进行野外大剪试验得到黄土滑面内摩擦角为19.4°，黏聚力为10.7 kPa。

2.2.3 滑床特征

由于滑坡多期次滑动，形成多级滑动面，相应的滑床也由不同岩性组成。

第一、二期滑坡滑床岩性主要为泥岩、砂岩互层，岩层产状呈缓倾3°～8°，倾向坡外。岩样试验结果表明干燥状态下单轴抗压强度平均值为1.7 MPa，饱和状态下单轴抗压强度平均值为0.023 MPa，属极软岩，含水率为18.2%，内摩擦角为32.15°，黏聚力为130 kPa。

第三、四期滑坡主要在二期滑坡的基础上次生，三期滑床同二期滑床，岩性以泥岩为主。四期滑坡的滑床分为两部分，后缘滑床为黄土，前缘披覆堆积于二期滑坡体后缘，前缘滑床为二期滑坡体。

2.3 滑坡变形破坏特征

张家湾滑坡目前后壁仍在后移滑动，历史上有据可查的大滑动分别发生于1875、1960、1962、2009、2014年等。近年的主要变形破坏特征为后缘拉裂、中部地面位移下挫，以及前缘挡墙鼓胀开裂，坡面建筑物开裂变形为主，如图3所示。

图3 张家湾滑坡破坏特征Fig.3 The destruction characteristics of Zhangjiawan Landslide

3 滑坡机理分析

3.1 滑坡分期特征

根据滑坡时空形态特征、成因特征、变形特征、滑面特征的不同将张家湾滑坡形成分为四个时期，各期分布及剪出口如图4和图5所示。

图4 滑坡各期分布Fig.4 Landslide distribution of each phase

图5 张家湾滑坡发生期次及剪出口特征Fig.5 The occurrence time of Zhangjiawan Landslide and the characteristics of shearing exit

(1)第一期为老滑坡形成期，主要包括滑坡东区(H1-1)和西区(H1-2)中前缘部分。东区后缘保持了老滑坡形成时部分形态特征，东区前缘和西区地表形态特征已不明显。平面上呈簸箕形，南北向滑坡长580 m，相对高差192 m，东西向宽度652 m。滑坡东侧后壁周界清楚，西侧后壁边界受二次滑动影响，目前地貌上已难以辨识，后缘局部残留有部分错动平台。滑体物质主要为含泥岩块的粉质黏土，滑面位于新近系泥岩全风化层界面处，滑体堆积平均厚度达30.5 m。滑动后坐于河床阶地上，目前基本稳定。

(2)第二期形成于一期老滑坡之后，属西区滑坡的主要蠕变区。二期形成时，挤压推覆一期滑坡后缘平台形成目前滑坡体二级平台，平台局部反翘形成封闭洼地，土体湿润，杂草、青苔生长茂盛，早期有泉眼出露，在二期的后缘形成目前的三级平台。第二期滑体物质基本以新近系强风化泥岩和马兰黄土为主，平面呈马蹄状，前缘至老滑坡一级平台上，后缘靠近山顶巡山公路，滑坡坡度约40°。滑坡南北向长度约478 m，中部东西向宽约376 m，厚度12～25 m不等，体积约235.5×104m3。

(3)第三期滑坡发育于西区滑坡(H1-2)东侧，平面呈舌状，周界清晰可见。由于人类在二期滑坡体前缘削坡平地，形成近20 m的临空面，从而诱发了牵引式浅层滑动。滑坡南北向长度约397 m，东西向中部宽约118 m，厚度3～11 m不等，滑体物质以粉土为主，体积约25.9×104m3。

(4)第四期滑坡为西区滑坡体(H1-2)后缘两山头垭口间新近形成的黄土崩塌，平面呈倒梨形。该崩塌体发育于二期滑坡的后缘，滑坡壁目前正向垭口方向发展，后缘黄土张裂缝极为发育，最大缝宽约1.2 m，深约1.8 m，处于黄土崩塌活跃期。崩塌后缘平面呈弧形，后壁长121 m，高9～12 m，近似垂直，滑面光滑，发育4级错动台坎，错坎高2～6 m。滑体坡面裂缝发育，裂缝走向300～320°，近似平行于后缘坡面，缝宽0.10～1.2 m，其上树木歪斜，土体凌乱，平均坡度约35°。黄土崩塌体直接堆积于第二期滑坡体上，前缘崩滑至二级平台处。

3.2 滑坡形成机理分析

3.2.1 张家湾一期老滑坡的形成机理

湟水河南岸阴山南坡是在新构造运动过程形成的高陡斜坡体，坡体内部原有的应力状态随着过程进行而发生变化，引起应力重分布和应力集中等效应。斜坡岩土体为了适应状态变化发生不同形式的破坏[12]。一期张家湾老滑坡为牵引式滑坡，由于受新构造运动的影响，湟水河两岸台地垂直抬升，同时湟水河下切，形成了南高北低、陡缓相间的斜坡地貌，地貌形成时刚好于此处形成一处垭口，垭口表土厚实，加之南坡为阴坡故土体湿润，含水量相对较大，个别试样含水量达22%(普通黄土试样10%)，导致滑体自重较大，个别试样接近21 kN/m3(普通试样16～18 kN/m3)，利于滑坡发生。两岸间隙抬升隆起的同时湟水河不断下切，南岸台地坡脚阴湿的表层全部临空，底部台地抬升隆起时，岩层平缓外倾，形成有利于滑动的潜在滑面。受水的影响，泥岩阻水，水于泥岩阻水面附近形成层间滞留饱和水，水逐渐软化泥岩形成软弱滑动带，软弱带逐步贯通至临空面形成滑面，在重力作用下牵引下滑形成老滑坡，老滑坡推覆挤压河道不断向北改移，形成如今的湟水河转折。综上所述，一期老滑坡属典型的重力牵引型滑坡，湟水河切脚是形成老滑坡的主要原因；滑面受水的影响，滑体重度增大，滑面力学指标降低是重要原因。

3.2.2 张家湾二期滑坡的形成机理

张家湾老滑坡发生后，形成了高陡的滑坡后壁，后壁上出露近似直立的砂质黄土和新近系泥岩。滑坡后壁土体受前缘土体滑走卸荷作用产生张拉裂隙，为雨水截流和快速入渗提供了通道，加剧表层砂质黄土的湿陷和开裂，在泥岩和黄土层的接触带附近形成层间滞留水，水浸润软化岩土体形成软弱带。底部的新近系泥岩遇水软化崩解，滑壁上的泥岩暴露在大气中，在干湿交替、自然风化，地震等自然引力作用下，岩体物理力学性质不断变差，经研究分析滑面内摩擦角每降低1°，滑坡稳定系数降低0.03～0.05。湿陷黄土及软化泥岩二者为老滑坡后壁再次发生滑动提供物质条件，高陡的老滑坡壁则为滑体再次滑动剪出临空面提供了地形条件和动力条件。在斜坡不稳定土体(滑体物质)、临空面(剪出口)和软弱带(滑面)三个条件都具备的条件下，张家湾老滑坡西侧后缘进一步向上发展形成了二期滑坡。综上所述，二期滑坡在一期基础上形成的后推(黄土湿陷、崩塌挤压)前拉(重力牵引)式复合型滑坡，高陡的不稳定斜坡体是形成二期滑坡的主要原因，水是形成二期滑坡的重要原因。

3.2.3 张家湾三期滑坡的形成机理

张家湾二期滑坡发生后就近堆积于较陡的斜坡体上，滑体前缘推覆于老滑坡体上。二期滑坡东侧前缘老滑坡堆积体形成的抗滑段，由于人类工程活动被侵入式开挖，形成了10～20 m高的临空面，打破了二期滑体脆弱的平衡状态，二期滑坡东侧再次错动形成张家湾三期滑坡。综上所述，三期滑坡是在二期滑坡基础上次生的浅层牵引式滑坡，人类不当的工程活动是三期滑坡形成的主要原因。

3.2.4 张家湾四期滑坡的形成机理

张家湾四期滑坡形成于张家湾二期滑坡西侧后缘垭口附近，滑壁陡立，高15～20 m，为自重湿陷性砂质黄土。垭口地形使表水易于汇集，黄土垂直节理发育，湿陷严重导致黄土陷穴、卸荷张拉裂隙发育。大量地表水汇流后受张裂隙及地表灌溉沟的影响无法形成地表径流，全部入渗坡体，诱发和加剧黄土崩塌的发生发展。目前张家湾四期滑坡仍处于活跃变形期，黄土崩塌正以追踪式逐级向上发展。综上所述，四期滑坡是在二期滑坡基础上形成的黄土崩塌，水和黄土湿陷是形成四期滑坡的主要原因，人类不当的工程活动是重要原因。

综上所述张家湾滑坡是在老滑坡形成的基础之上，耦合叠加各种不利因素共同作用形成的集滑坡、崩塌、危岩落石，黄土湿陷为一体的不良地质综合体，各分区，分期滑坡具有不同的时空形态特征、变形特征及成因特征。

4 滑坡失稳机制数值模拟

根据勘察资料结合位移观测、时空特征、变形特征、结构特征，对滑坡的形成机理及稳定性进行了初步的定性分析，根据定性分析，采用有限元软件进行数值模拟验证定性分析结论，再利用数值计算软件对滑坡进行定量分析，最终形成张家湾滑坡稳定性评价。各期次滑坡的稳定分析计算参数见表1。

表1 计算参数取值Table 1 The parameter selection of calculation

4.1 建立模型

滑坡稳定性数值模拟是基于有限元计算软件，采用强度折减法，对滑坡体主轴及辅轴进行滑坡机理研究和不同工况条件下的稳定性分析。现选取一个主轴举例说明，计算模型如图6所示。

图6 有限元计算模型Fig.6 Finite element calculation model

4.2 失稳模拟

采用强度折减法，对滑坡体主轴进行滑坡机理研究和不同工况条件下的稳定性分析，验证滑坡潜在剪出口分布，如图7所示。

图7 张家湾滑坡各剪出口数值模拟特征Fig.7 Numerical simulation characteristics of each shear outlet of Zhangjiawan Landslide

由图7所示四幅剪出口模拟趋势图可见，上部剪出口位于二级平台附近，为张家湾第四期滑坡剪出口；中部剪出口位于二级平台和一级平台之间，是张家湾二期滑坡原始剪出口；下部剪出口位于一级平台后缘，为张家湾滑坡第二期滑坡和第三期滑坡的剪出口；底部剪出口位于一级平台前缘G109国道路堑墙脚附近，为张家湾一期滑坡的剪出口。以上四处剪出口分布位置与工程地质定性分析一致。除底部剪出口外，上中下三处剪出口下滑趋势明显，这与稳定性定量计算结果较为一致。

4.3 稳定性分析

通过稳定性分析计算不同的工况结果如表2所示。滑坡勘察揭示无稳定的地下水位，故计算时没有考虑地下水工况。

表2 张家湾滑坡稳定系数计算汇总表Table 2 The parameter selection of calculation

依据《滑坡防治工程勘察规范》(DZ/T 0218—2006)，计算结果显示：目前一期老滑坡各工况处于稳定-基本稳定状态；二期滑坡体前缘人类活动频繁，对其前缘切脚开挖破坏严重，后缘又有黄土崩塌加载，现阶段在天然状态下处于基本稳定状态，暴雨和地震工况下则处于欠稳定状态；三期滑坡目前在天然状态下处于基本稳定状态，暴雨和地震工况下处于不稳定状态；四期滑坡体则处属于欠稳定状态，在暴雨和地震工况下则处于不稳定状态。

5 结论

通过对西宁张家湾滑坡的时空形态特征、结构特征、变形特征、形成机理的研究和分析，得到以下几点结论：

(1)张家湾滑坡属黄土-泥岩二元体特大型多期次滑坡，是在老滑坡形成的基础之上耦合叠加各种不利因素共同作用形成的，集滑坡、崩塌、危岩落石，黄土湿陷为一体的不良地质综合体，具有不同的时空形态特征、结构特征、变形特征及灾害特征。

(2)根据滑坡的勘查，结合其时空特征、结构特征、变形特征及灾害特征分析将其划分为两区四期。目前张家湾滑坡一期处于整体稳定状态(东区后缘崩塌落石处于欠稳定状态)，二期滑坡整体处于欠稳定状态，三期、四期滑坡处于不稳定状态。

(3)张家湾一期老滑坡的形成是由于湟水河下切及侧向侵蚀造成的，属牵引式滑坡。二期滑坡是在一期滑坡基础上形成的后推前拉式复合型滑坡。三期滑坡是次生于二期滑坡体下滑段的浅层牵引式滑坡，四期滑坡形成于二期西侧滑坡后壁之上，属典型黄土崩塌型滑坡。

(4)张家湾特大型滑坡体量大，各分区、分期致灾机理不同，稳定程度不同，危害程度不同，治理时宜根据滑坡整治周期及资金按轻重缓急，遵循分区、分期、分批治理的原则。

(5)对特大型复杂滑坡形成机理的分析首先应遵循先整体后局部，由局部至细部的理念，同时结合滑坡的时空特征、结构特征、变形特征及灾害特征进行科学合理的分区分期是必要的，再结合各分区分期的相应特征从细部入手理清滑坡的形成机理。

(6)滑坡机理形成分析中，时空特征及变形特征尤为重要。通过大数据用好各个历史时期的卫片数据及勘察资料进行比对分析解译，能有效地探求由时空特征至变形特征、由变形特征至灾害特征的演化形成机理。