河流作用诱发黄土滑坡机理_袁湘秦.pdf

第 46 卷 第 4 期煤田地质与勘探Vol. 46 No.4 2018 年 8 月COALGEOLOGY 2. College of Geology and Environment, Xi’an University of Science and Technology, Xi’an 710069, China Abstract Through the field investigation, it is found that there are some loess landslides located at the intersection of the southern tableland of Jingyang and Jinghe river. It is considered that the river action is the main triggering factor. The paper used field investigation, confining pressure-reducing triaxial compression shear testRTCon saturated Q2loess and numerical simulation to study the ation mechanism of landslides induced by river action. It is concluded that the shear strength of the soil is related to the stress path. The shear strength under triaxial compression shear of reduced confining pressure is smaller than that under the conventional triaxial shear. The soil is more susceptible to shear failure under the triaxial compression shear of reduced confining pressure. There are key blocks at the foot of the slope, controlling the overall stability of the slope. The role of river in inducing loess landslides is due to the continued lateral erosion of the river, resulting in the gradual collapse of the key blocks, ultimately leading to a slippage of the slope. Keywords saturated Q2loess; confining pressure-reducing triaxial compression test; river-erosion; shear strength; loess landslide mechanism 自 1976 年农业大面积灌溉以来， 陕西省泾阳南 塬沿泾河长达 28 km 的塬边地带，至今发生滑坡、崩 塌 40 余次， 滑动土方 532104m3， 毁坏耕地 113.33 ha， 导致大量水土流失，造成 29 人死亡，27 人重伤的 严重后果，已经严重影响了当地的经济发展和人民 生命财产安全[1-2]。 鉴于泾阳南塬黄土滑坡的严重性和危害性，雷 祥义[3]、金艳丽等[4]、许领等[5]、段钊等[6]众多学者 对泾阳南塬黄土滑坡的类型、发育特征、分布规律、 形成机理进行了深入的研究，普遍认为大面积农业 灌溉是该区诱发黄土滑坡的主要因素。然而在对泾 阳南塬沿线黄土滑坡实地调查中发现，研究区存在 ChaoXing 第 4 期袁湘秦等 河流作用诱发黄土滑坡机理155 一类诱发因素不同于灌溉诱发的黄土滑坡，该类滑 坡发育于台塬与泾河的交切处，泾河的持续作用包 括下蚀和侧蚀是该类滑坡的诱发因素。从滑坡触发 机理的角度[6-7]，将该区黄土滑坡划分为灌溉诱发型 黄土滑坡和河流诱发型黄土滑坡。与灌溉诱发型黄 土滑坡相比，河流诱发型黄土滑坡发育数量小，造 成的危害小，河流诱发型滑坡的发生仅仅造成塬边 土地资源的损失， 规模较大的滑坡可能会堵塞泾河， 形成堰塞湖。历史上，泾阳南塬已发生的几次大规 模的滑坡灾害，例如东风滑坡、蒋刘滑坡等，都属 于灌溉诱发型黄土滑坡，因而，很多学者对灌溉诱 发型黄土滑坡的形成机理进行了深入研究，而对河 流诱发型黄土滑坡的形成机理研究涉及较少。本文 则以河流诱发型黄土滑坡为研究对象，通过野外实 地调查、室内减围压三轴剪切试验和数值模拟分析 等方法，从地质环境条件、土体强度特性和形成演 化过程等方面探讨河流诱发型黄土滑坡形成机理， 以期为该区域滑坡形成机理研究和防治工程提供一 定的理论借鉴。 1河流诱发型黄土滑坡 泾阳南塬位于陕西省泾阳县城南边的泾河右 岸，是渭北黄土台塬的组成部分，塬面宽阔、平坦， 为咸阳北塬的四、五级阶地斜坡带，属暖温带大陆性 季风气候， 四季冷暖、 干湿分明； 多年平均气温 13℃， 多年平均降水量 548.7 mm，降水集中在 7 月9 月； 地势西北高、东南低；台塬区地层岩性主要为全新 统冲积沙砾石层、残坡积层及滑坡堆积层Q4、晚 更新统马兰黄土Q3、中更新统离石黄土及洪、冲 积沙砾石层Q2、早更新统晚期离石黄土Q12；受 新构造运动和泾河隐伏断裂的影响，区内北部山区 多年呈缓慢上升趋势，在泾河南岸形成黄土台塬， 由于北部山区隆起较快，泾河不断下蚀南岸，使南 岸台塬塬边形成高陡斜坡图 1，以陡崖、陡坎形式 与泾河河床、河漫滩相接，崩塌、滑坡十分发育。 对长约27.1 km的泾阳南塬塬边进行实地调查， 并利用 Google Earth Plus 历史遥感影像功能对滑坡 进行解译，确定南塬塬边共发育有黄土滑坡 78 起， 其中绝大多数滑坡属于灌溉诱发型黄土滑坡[6]，发 生在塬边和泾河河漫滩交接处。河流诱发型黄土滑 坡在区内发育数量虽然不多，只有 5 起，全部分布 于塬边与泾河交切处，但实地调查发现，沿线受泾 河侵蚀却尚未发生滑坡的塬边与泾河交切处普遍存 在，随着泾河侧蚀的持续作用，该区域河流诱发型 黄土滑坡数量将呈增长趋势，见图 2。 图 1泾河南岸台塬形成示意图 Fig.1Diagram of the ation of the tableland in the south bank of Jinghe river 图 2河流诱发型滑坡分布 Fig.2Distribution of river erosion-induced loess landslide 对河流诱发型黄土滑坡进行实地调查时发现， 该类滑坡具有滑面深、厚度大、旋转滑动的特点， 滑体岩性为 Q2黄土。滑后地貌特征明显，后壁高陡 光滑，滑坡堆积体周界清晰，易于识别，滑“舌”伸 入泾河河床，继续遭受泾河的不断侧蚀，滑体前缘 部分形成陡坎，并随着河流侧蚀的持续作用，滑坡 堆积体前缘部分会发生多次滑动，在堆积体的中部 形成错台图 3。 由于该类滑坡分布于塬边与泾河交 切处，不适于人类居住，因此，该类滑坡的发生尚 未造成人员伤亡，会造成塬边土地资源的损失，规 模大的滑坡，还可能堵塞泾河，形成堰塞湖。 2减围压三轴剪切试验 应力路径不同时，球应力 p 和偏应力 q 的变化 状态不同，从而导致土体的应力应变关系，强度特 性不同，特别是对土体的抗剪强度 c，φ值具有明显 的影响[8-11]。在对河流诱发型黄土滑坡形成原因初 ChaoXing 156煤田地质与勘探第 46 卷 图 3典型滑坡 Fig.3Typical loess landslide. 步分析时，认为泾河的长期侧蚀造成坡脚局部土体 首先破坏滑塌， 河流侧蚀逐渐向坡体内部土体作用， 造成坡脚处更多的土体滑塌，最终坡体失稳滑动， 形成滑坡。随着坡脚处土体破坏滑塌，整个坡体内 部应力不断变化调整，坡体内破裂面逐渐向上发展 贯通，整个坡体失稳滑动。并认为坡脚土体应力状 态的变化类似于减围压的过程，加之坡脚土体长期 受泾河的浸润，处于饱水状态。 减围压三轴剪切试验不同于常规三轴剪切试 验，减围压三轴剪切试验过程中，控制轴向应力σ1 不变，逐渐降低围压σ3，偏差应力σ1–σ3逐渐增大， 直到土样剪切破坏。分析认为，坡脚土体长期受泾 河侧蚀作用，土体应力状态的变化类似于减围压的 过程，为了探究坡脚土体在减围压状态下的强度特 性，因此，选择减围压三轴剪切试验方案研究饱和 Q2黄土的强度特性。 本次减围压三轴剪切试验试样取自研究区某滑 坡后壁 20 m 深度的原状 Q2黄土，颜色灰黄，黏性 高、结构均一、较密实，对其基本物理力学指标进 行了室内试验表 1。 表 1试样 Q2黄土基本物理力学指标 Table 1Basic physico-mechanical inds of Q2loess 土样 ρ/g∙cm-3 ρd/g∙cm-3ω/eGsSr/WL/WP/IPa/MPa-1Es/MPa Q2黄土1.591.487.40.8262.7127.626.416.110.30.2716.2 减围压三轴剪切试验设备采用南京土壤仪器厂 生产的 SLB-1 型应力应变控制式三轴剪切渗透仪， 分别进行初始围压为 100 kPa、200 kPa、300 kPa、 400 kPa、500 kPa 的饱和 Q2黄土减围压三轴固结不 排水剪切试验。 试样首先在初始围压条件下排水固结，随后控制 轴向应力不变，逐渐降低围压，设置围压降低速率 Δσ3–0.04 kPa/min，即剪切速率为Δq0.04 kPa/min， 试样发生剪切破坏时，停止试验。同时考虑到剪切 速率对土体强度的影响[12]，泾河水位、流速随季节 不断变化，为了研究泾河侧蚀速率对滑坡发生的影 响，在围压 300 kPa 条件下，又进行了剪切速率Δq 0.06 kPa/min，Δσ3–0.06 kPa/min 和Δq0.12 kPa/min， Δσ3–0.12 kPa/min 的试验进行对比研究 2.1应力应变关系曲线 不同初始围压下， 应力应变关系曲线如图4 所示。 分析应力应变关系曲线可以得出， 饱和 Q2黄土在减压 应力路径下，表现出应变软化的特性，且初始围压越 高，应变软化的特性越明显。屈服强度曲线峰值点 与围压大小有关，围压越大，屈服强度越高。 泾河侧蚀坡体坡脚直至滑坡发生，侧蚀过程实 际上是一个由外渐内的长期作用，坡体最外侧土体 由于历史形成过程中固结围压较小，相当于本次试 验的低围压100 kPa，受到泾河侧蚀，外侧一定范 图 4应力应变关系曲线 Fig.4Stress-strain relationship curve under different confining pressure 围的土体最容易破坏滑塌。随着外侧土体的滑塌破 坏，泾河进一步向内侧蚀坡脚土体，这部分坡脚土 体在历史形成过程中，围压较高，相当于本次试验 的中等围压200 kPa，300 kPa，土体具有较高的屈 服强度，该部分土体破坏滑塌受泾河侧蚀时间和泾 河流速的影响， 这个作用过程直至破坏的时间较长。 当该部分土体滑塌破坏之后，泾河将侧蚀最里一侧 坡脚的土体，这部分土体在历史形成过程中，围压 高，相当于本次试验的高围压400 kPa，500 kPa， 土体具有很大的屈服强度， 当这部分土体侧蚀滑塌， 坡体也最终失稳滑动了。因此，分析认为坡体的稳 ChaoXing 第 4 期袁湘秦等 河流作用诱发黄土滑坡机理157 定性由坡脚一定范围内的土体控制，这部分土体遭 受河流侧蚀破坏滑塌后，整个坡体也失稳滑动。 2.2不同剪切速率对比 一般认为，河流侧蚀的速率越快，侧蚀的强度 越大，边坡越容易失稳滑动，尤其是暴雨季节，河 流水位急速上涨，河流流速湍急的情况下，河流对 边坡的侧蚀作用更强，此时最容易诱发滑坡。为了 研究不同剪切速率对土体强度的影响，本文选择在围 压 300 kPa 条件下，增加剪切速率Δq0.06 kPa/min 和 Δq0.12 kPa/min 的试验进行对比，试验结果见 图 5。 图 5不同速率对比下应力应变关系曲线 Fig.5Stress-strain curve under different shear rate 从图 5 中可以发现， 土体屈服强度曲线峰值点 随着剪切速率的加快而增大，土体的抗剪强度反而 增加了，同时剪切速率越快，弹性变形阶段曲线越 陡，土体达到破坏前的变形越小。Casagrande 在研 究黏性土不排水强度与剪切速率的关系时，指出黏 性土不排水强度之所以随剪切速率的增加是由于颗 粒骨架的蠕变效应所引起的，它与强度的凝聚分量 有关。因此，可塑性越高的黏土，剪切速率对于它 的强度影响越大。本文中，土体强度随着剪切速率 的加快而增大，认为是剪切速率的加快，颗粒之间 的相互作用加强而造成的抗剪强度的增加。同时土 体达到剪切破坏之前的应变随着剪切速率的增大而 减小，也说明在剪切速率增大的条件下，虽然抗剪 强度增强，但土体也较快的发生剪切破坏。这与客 观实际是相符的。 2.3抗剪强度与常规三轴剪切试验抗剪强度指标 饱和 Q2黄土减围压三轴固结不排水剪切试验 摩尔库伦强度包线如图 6 所示，制作相同饱和 Q2 黄土试样进行常规三轴固结不排水剪切试验，摩尔 库伦强度包线如图 7 所示。对比图 6 和图 7 可以看 出，减围压三轴固结不排水剪切试验条件下的土体 抗剪强度指标远远小于常规三轴固结不排水剪切试 验条件下的抗剪强度指标，说明减围压这种应力路 径条件下，土体更容易发生剪切破坏。 图 6减围压三轴应力路径下 Fig.6Triaxial compression stress path of reduced confining pressure 图 7常规三轴应力路径下 Fig.7Conventional Triaxial compression stress path 3数值模拟 3.1模拟方案 前文分析认为河流诱发型黄土滑坡，河流作用 主要为下蚀和侧蚀，下蚀作用主要发生在地质环境 形成过程中，泾阳南岸台塬形成过程中发挥主要作 用。侧蚀作用为河流诱发型滑坡形成演化过程主要 的作用力， 侧蚀实际上是一个由外渐内的长期作用。 受固结历史和围压的大小影响，坡体坡脚处不同部 位土体的屈服强度不同，坡体外侧土体易于侧蚀， 越向坡内，土体越难侧蚀，随着坡脚局部土体侧蚀 滑塌时，坡体内部的应力也相应调整。 为了研究河流侧蚀诱发滑坡的孕育发展过 程，从土体应力–强度关系角度揭示河流侧蚀黄土 滑坡的形成机理， 本次数值模拟采用 FLAC3D数值 模拟软件，选取泾河南岸台塬东段舒唐王一带河 流诱发型黄土滑坡为研究对象建立模型图 8，根 据实际滑坡结构将计算模型的介质材料划分为非 饱和 Q2黄土、饱和 Q2黄土和饱和砂砾石，其中 饱和 Q2黄土计算参数通过室内试验获取，抗剪强 度指标通过减围压三轴剪切试验获取；非饱和 Q2 黄土计算参数通过室内试验获取，抗剪强度指标 通过常规三轴剪切试验含水量取天然含水量获 取；饱和砂砾石参照附近勘察报告选取，具体参 数见表 2。 ChaoXing 158煤田地质与勘探第 46 卷 a 数值模拟剖面图b 1/3 侧蚀速率模型图c 1/5 侧蚀速率模型图 图 8数值模拟计算模型 Fig.8Calculation model of numerical simulation 表 2数值模拟计算参数 Table 2Calculation parameters of numerical simulation 材料密度/g∙cm-3泊松比c/kPaφ/体积模量/MPa剪切模量/MPa抗拉强度/kPa 饱和黄土1 8500.350.912.225.568.5210 非饱和黄土1 6800.3366.427.829.4111.2810 饱和砂砾石2 2000.304026.041.6719.230 为了对比不同侧蚀速率对坡体的作用效应，数 值模拟设定侧蚀速率分别为 1/3 块/次和 1/5 块/次， 即坡脚处分别以 3 次和 5 次连续向塬内水平侧蚀 15 m， 试验假定坡脚 15 m 水平深度范围土体为决定 坡体稳定性的关键块体，实际上，关键块体的大小， 范围与坡体的形态特征以及土体力学特性有关，本 次模拟对此没有进行深入研究， 假定 15 m 进行数值 模拟。模拟设定稳定水位 9 m，认为水位不变化， 主要考虑侧蚀的作用。 计算采用摩尔库伦模型M–C 模型。 3.2结果分析 计算结果选取坡体内塑性区变化和剪应变量作 为滑坡形成发展过程的分析依据，以揭示河流诱发 型黄土滑坡形成机理。 图 9 和图 10 为不同侧蚀速率下， 塑性区的发展 变化图。当边坡未受到河流侧蚀时，距离坡肩一定 范围和深度处，土体受到张拉应力，靠近塬边一定 范围内，发育一些走向平行塬边的拉张裂缝。剪切 塑性区主要分布在坡脚，剪切塑性区范围较小。随 着河流逐渐侧蚀坡脚，坡脚处土体逐步滑塌，坡体 内部的应力也随之不断调整，塑性区的范围不断扩 大，并从坡脚向坡体内部及顶部发展，最终形成贯 通的剪切破裂面，坡体沿该破裂面发生整体滑动。 如图 9 所示，当第一次侧蚀 1/3 块，塑性区范围向 坡内和坡顶发展，坡顶的拉张塑性区向下发展，此 时塑性区的发展并未贯通。当第二次侧蚀 1/3 块， 塑性区在第一次侧蚀的基础上继续向坡内和坡顶扩 展，坡顶的拉张塑性区范围进一步扩大，此时塑性 区的发展即将贯通。当第三次侧蚀 1/3 块，塑性区 发展贯通整个边坡，并形成了剪切破裂面，斜坡沿 该剪切面发生整体滑动。 对比图 9 和图 10 塑性区发 展变化图，侧蚀速率越慢，剪切塑性区发展贯通越 快，这与上文减围压三轴剪切试验中，剪切速率越 慢，土体抗剪强度越低是相符合的。 图 11、图 12 为不同侧蚀速率下，剪应变量的 发展变化图。坡体中剪应变增量由坡脚至坡顶呈弧 形带状分布，条带两侧向中间应变增量逐渐放大， 峰值应变增量始终在坡脚集中。随着侧蚀程度的不 断加剧，剪应变增量带逐渐加宽，峰值范围增大， 且倾角变陡。对比不同侧蚀速率下剪应变增量图， 侧蚀速率越快，剪应变增量带宽度发展越快，边坡 失稳滑动时的应变量越小，边坡越容易失稳滑动。 4河流诱发型黄土滑坡形成机理讨论 通过对河流诱发型黄土滑坡进行实地调查、 饱 和 Q2黄土三轴减围压剪切试验和河流侧蚀斜坡数 值模拟， 对河流诱发型黄土滑坡的形成机理进行了 研究，河流侧蚀是该类滑坡形成的主要诱发因素。 河流侧蚀诱发黄土滑坡是一个复杂的过程，侧蚀 作用是一个由外及内的长期作用，坡脚土体受固结历 史和围压的作用，坡脚由外及内，土体对河流侧蚀抵 抗破坏的能力存在差异。从减围压三轴剪切试验的结 果可以得出，外侧土体易于侧蚀，越向坡内，土体越 难侧蚀，当坡脚处土体逐渐受河流侧蚀作用破坏滑塌 时，坡体内部的应力随之进行相应的调整，剪切塑性 区范围逐渐扩大， 并逐渐向坡体内部和坡顶方向发展。 从减围压三轴剪切试验和数值模拟结果来看，认 为坡脚处存在关键块体，对整个边坡的稳定性起着支 ChaoXing 第 4 期袁湘秦等 河流作用诱发黄土滑坡机理159 图 91/3 块侧蚀速率塑性区变化图 Fig.9Plastic zone development of 1/3 lateral erosion rate 图 101/5 块侧蚀速率塑性区变化图 Fig.10Plastic zone development of 1/5 lateral erosion rate 图 111/3 块侧蚀速率剪应变量变化图 Fig.11Shear strain development of 1/3 lateral erosion rate 图 121/5 块侧蚀速率剪应变量变化图 Fig.12Shear strain development of 1/5 lateral erosion rate 撑作用，侧蚀逐渐由外及内的作用时，关键块体受到 河流侧蚀逐渐破坏滑塌， 当关键块体完全侧蚀滑塌后， 整个斜坡也随之破坏滑动。同时，河流侧蚀速率也对 该类滑坡的形成具有很大的影响，从减围压三轴剪切 ChaoXing 160煤田地质与勘探第 46 卷 试验结果可以得出，减围速率越大，土体的屈服强度 越大，但破坏前应变随着减围速率的增大逐渐减小， 从数值模拟的结果来看，河流侧蚀速率小时，塑性区 发展变化大于河流侧蚀速率较大时，但从剪应变增量 变化图来看，河流侧蚀速率较大时，剪应变增量变化 较大，河流侧蚀速率较大时，斜坡更容易发生滑坡， 这与暴雨季节，河流水位急速上涨，河流流速湍急的 情况下，河流对边坡的侧蚀作用更强，此时最容易诱 发滑坡的客观现象是相符的。 5结 论 a. 减围压应力路径下，饱和 Q2黄土屈服强度 曲线峰值点与围压大小有关，围压越大，屈服强 度越高。同时剪切速率对饱和 Q2黄土屈服强度曲 线峰值点有影响，剪切速率越大，屈服强度越高， 但屈服前应变越小。减围压三轴剪切状态下，土体 抗剪强度指标小于常规三轴剪切状态下的抗剪强度 指标，土体更容易发生剪切破坏。 b. 河流侧蚀是河流诱发型黄土滑坡的主要诱 发因素。分析认为斜坡坡脚处存在关键块体，对斜 坡整体稳定性起着控制作用。坡脚处关键块体受河 流长期侧蚀， 河流侧蚀作用是一个由外及内的过程， 随着坡脚处关键块体逐步破坏滑塌，坡体内部的应 力随之进行相应的调整， 剪切塑性区范围逐渐扩大， 并向坡体内部和坡顶方向发展，当坡脚处关键块体 完全侧蚀滑塌后， 坡体内部形成贯通的剪切破裂面， 整个斜坡失稳滑动，形成滑坡。 c. 在黄土地区，由于人类工程活动，经常在黄 土边坡坡脚处开挖取土、开挖修路等，诱发了大量 的黄土滑坡，这类滑坡的形成机理与河流诱发型黄 土滑坡的形成机理相似，都是坡脚处关键块体滑塌 破坏后导致斜坡整体滑动破坏。 建议在开挖过程中， 控制开挖量和开挖强度，科学设计，及时支护，同 时采取合理的截排水措施，以保证边坡的稳定性。 参考文献 [1] 范立民，岳明，冉广庆. 泾河南岸崩岸型滑坡的发育规律[J]. 中国煤田地质，2004，16533–35. 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