亓　星　許　強(qiáng)　李　斌　彭大雷　周　飛

(地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(成都理工大學(xué))　成都　610059)

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甘肅黑方臺黃土滑坡地表水入滲機(jī)制初步研究*

亓星許強(qiáng)李斌彭大雷周飛

(地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(成都理工大學(xué))成都610059)

黑方臺黃土底部的地下水對滑坡的發(fā)生起了重要作用，地下水的來源主要為臺塬大面積灌溉，灌溉水通過孔隙、裂隙進(jìn)入黃土內(nèi)部并在底部向臺塬四周滲出。通過探地雷達(dá)確認(rèn)了臺塬中部與臺塬邊同樣發(fā)育大量裂隙延伸至黃土深部。根據(jù)灌水和開挖探槽可見裂隙為地表水的主要優(yōu)勢入滲通道，地表水可沿裂隙快速入滲至黃土深部。在臺塬四周的陡壁和典型滑坡后壁取樣測含水率發(fā)現(xiàn)黃土底部只有裂隙滲水點(diǎn)附近含水率較高，其余區(qū)域含水率增大不明顯，黃土底部含水率大小分布受節(jié)理裂隙控制。

黑方臺裂隙特征土體含水率入滲機(jī)制

0　引言

我國黃土分布面積廣闊，其中黃河中游的黃土高原區(qū)成為世界黃土分布的典型地區(qū)，黃土厚度可達(dá)百米以上，最大厚度250～300m(喬平定等， 1990)。黃土沉積于整個第四紀(jì)時期，具有多層性、非均質(zhì)性、各向異性的特點(diǎn)(李云峰， 1994)。甘肅省永靖縣鹽鍋峽鎮(zhèn)黑方臺地處干旱少雨的西北黃土地區(qū)， 20世紀(jì)70年代由于水庫修建使大量居民移居至黑方臺上，并修建了多個引水灌溉點(diǎn)對整個臺塬進(jìn)行農(nóng)業(yè)灌溉，長期灌溉使大量地表水進(jìn)入黃土內(nèi)部，造成黑方臺大面積強(qiáng)烈濕陷，黃土底部土體含水率增大，抗剪強(qiáng)度明顯降低，導(dǎo)致大規(guī)模的滑坡接連不斷，并形成密集的滑坡群。

圖1　黑方臺全貌Fig. 1　Heifangtai panorama

對降雨和灌溉誘發(fā)的黃土滑坡，地表水入滲對滑坡穩(wěn)定性起著重要的影響，如黑方臺地區(qū)、涇陽南源地區(qū)等出現(xiàn)的大量黃土滑坡，都有水的參與。目前大量學(xué)者通過各類入滲試驗(yàn)進(jìn)行了黃土的入滲研究(施德鴻等， 1985； 張之淦等， 1990； 李明香等， 2000； 詹良通等， 2003； 張士宇等， 2004； Tu et al.， 2009)，通過入滲試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)地表水在完整黃土中入滲深度有限，水分如何通過巨厚的黃土層到達(dá)黃土底部以及可能的優(yōu)勢入滲通道對滑坡的影響作用還不完全清楚，地表水在黃土中的入滲也成為地質(zhì)災(zāi)害研究中的關(guān)鍵問題(彭建兵等， 2014)。黃土中一般具有大量的孔隙和裂隙，本文結(jié)合已有資料以及探地雷達(dá)數(shù)據(jù)，探討了黑方臺地表水進(jìn)入臺塬黃土內(nèi)部的主要入滲方式，初步分析了黑方臺地表水的入滲機(jī)制和地表水在優(yōu)勢裂隙通道中的快速下滲機(jī)理。

1　黑方臺地質(zhì)環(huán)境特征

黑方臺地處湟水河與黃河交會口上游，包括黑臺和方臺兩個臺塬及其邊坡，西起方臺，東至黑臺湟水橋頭，南界為黃河北岸，北界為磨石溝(圖1)。其臺緣為黃河Ⅳ級階地，臺面地形平坦，東西長約10.7km，南北寬約1～3km，面積13.7km2。黑方臺為八盤峽庫區(qū)移民所在地，移民前基本無人居住，現(xiàn)臺塬上已有多個村莊，人類活動較為活躍。區(qū)域內(nèi)的地層近似水平，主要巖性由上往下分別為：Q3黃土，Q2粉質(zhì)黏土，砂卵石層，砂質(zhì)泥巖(Xu et al.，2014)。其中上層的Q3黃土呈東厚西薄的特征，厚度為26～48m； 粉質(zhì)黏土厚度3～19m，砂卵石層厚度約1～6m，基巖頂面呈西高東低的特征 (圖2)。

2　水在黃土中的入滲

地表水在完整黃土中入滲深度有限，對于入滲通道發(fā)育的地表水入滲過程前人做了大量研究，從黃土的節(jié)理分類(孫建中， 2005)、節(jié)理裂隙的特點(diǎn)(王恭先等， 2004)、水在節(jié)理裂隙中的入滲特征(王景明等， 1994； 趙英杰等， 1994； 李云峰， 1994； 李喜安等， 2010； 張建豐等， 2012； 張常亮等， 2014)以及黃土落水洞的發(fā)育過程(盧全中等， 2005)等方面進(jìn)行了分析，當(dāng)有節(jié)理裂隙等優(yōu)勢入滲通道存在時，地表水可快速進(jìn)入黃土內(nèi)部。

圖4　探槽開挖裂隙對比Fig. 4　Comparison with trench excavation

圖2　黑方臺典型巖性剖面Fig. 2　Typical lithologic section in Heifangtai

黑方臺區(qū)域內(nèi)無構(gòu)造運(yùn)動，是由沖積層和風(fēng)積黃土組成的黃土臺塬，具有Q3黃土的典型特征，即大孔隙骨架結(jié)構(gòu)，孔隙度一般為42%～55%，孔隙比可達(dá)0.8～1.2(王永焱等， 1990)，厚度達(dá)數(shù)十米。臺塬除發(fā)育一般原生節(jié)理裂隙和卸荷裂隙外，塬邊還發(fā)育有拉張和剪切裂隙，塬面內(nèi)也多發(fā)育濕陷裂隙?，F(xiàn)臺塬每年平均灌溉量超過500×104m3(張茂省， 2013)，當(dāng)?shù)乇硭ㄟ^入滲通道進(jìn)入黃土底部后由于相對隔水的粉質(zhì)黏土層阻擋而產(chǎn)生阻滯，形成較快的橫向滲透速率從塬邊滲出，飽和底部黃土并降低其抗剪強(qiáng)度誘發(fā)滑坡。

3　黑方臺裂隙特征

黑方臺臺塬的黃土厚度大，節(jié)理裂隙發(fā)育，現(xiàn)有研究主要認(rèn)為臺塬節(jié)理裂隙分布呈中間少，塬邊多的特征，主要的孔隙、裂隙和溶洞等均發(fā)育在臺塬邊，而灌溉集中的臺塬中間孔隙、孔洞等大體積通道數(shù)量比臺塬邊少，通過孔洞進(jìn)入土體深部的地表水較少。

圖3　探地雷達(dá)影像數(shù)據(jù)(左為臺塬中部，右為臺塬邊)Fig. 3　Ground penetrating radar image data

對于巨厚層的黃土，為研究黃土內(nèi)部裂隙的分布，采用探地雷達(dá)探測地下裂隙發(fā)育情況具有較大的優(yōu)勢。目前SIR-20探地雷達(dá)在隧道開挖過程中應(yīng)用較多(王正成等， 2005)，對地下結(jié)構(gòu)面和裂隙等具有較好的探測效果，因此采用了SIR-20探地雷達(dá)對黑臺臺塬中部和臺塬北部塬邊兩區(qū)域內(nèi)進(jìn)行了物探，參考這類地質(zhì)探測中雷達(dá)天線的頻率，綜合黃土地區(qū)場地特征和探測深度要求，中心天線頻率選用100MHz天線，能有效兼顧黃土深度和裂隙大小的精度。

物探點(diǎn)分別位于黑臺臺塬中部和臺塬北側(cè)陳家2#滑坡后緣，面積為25m×50m，表面無宏觀孔洞和大裂隙。雷達(dá)探測有效深度為15m，通過雷達(dá)獲得典型剖面數(shù)據(jù)處理后的影像(圖3)。

據(jù)探地雷達(dá)數(shù)據(jù)可見，黑臺黃土為均質(zhì)土層，表層1m范圍內(nèi)影像起伏明顯，雖然探測區(qū)域內(nèi)沒有落水洞、土洞等大通道，但黃土中存在了大量的孔隙和裂隙，部分裂隙發(fā)育超探地雷達(dá)的有效探測深度。對比臺塬中部和臺塬邊裂隙可見，黑方臺臺塬中部裂隙發(fā)育比臺塬邊更少，這與塬邊卸荷應(yīng)力作用產(chǎn)生更多裂隙有關(guān)。

4　現(xiàn)場灌溉試驗(yàn)

為研究黑方臺裂隙對地表水入滲的影響，明確地表灌溉水究竟以何種主要方式補(bǔ)給地下水，筆者選擇了黑臺北側(cè)磨石溝右岸陳家2#滑坡后緣探地雷達(dá)探測區(qū)域進(jìn)行灌水試驗(yàn)，隨后開挖探槽觀測裂隙的滲水特征并驗(yàn)證探地雷達(dá)的探測準(zhǔn)確性。

陳家2#滑坡后緣地層由上往下為38m厚Q3黃土， 7m厚Q2粉質(zhì)黏土， 3m厚砂卵石層，表層為耕地，附近耕地兩個月未進(jìn)行灌溉和澆水，地表干燥。灌溉區(qū)域最近距滑坡后緣45m，為4m×22m農(nóng)田，采用水渠引水方式進(jìn)行灌溉，灌溉至平均浸水高度為10cm后停止引水，待其自然入滲。2014年10月6日下午和10月7日上午各引水灌溉一次，兩次灌溉量相等，總灌溉量約105.6m3。10月7日下午開挖探槽，探槽從滑坡后緣開始縱向開挖至灌溉耕地內(nèi)，其中，物探區(qū)域內(nèi)探槽長20m，平均深度3.5m，最大深度4m。

探槽開挖后可見探槽縱向范圍內(nèi)分布有多條橫向裂隙，貫穿整個探槽。探槽內(nèi)裂隙密度，平均間隔不足5m，裂隙發(fā)育特征與探槽開挖得到的實(shí)際數(shù)據(jù)對比雖然個別有偏差，但主要裂隙特征和位置解譯結(jié)果與實(shí)際裂隙發(fā)育基本一致 (圖4)，說明探地雷達(dá)獲得的黃土深部裂隙信息是可靠的。

開挖探槽后在探槽側(cè)壁從離灌溉區(qū)0m， 5m， 10m 3處位置由上至下取樣測定含水率，并在灌溉區(qū)開挖出的裂隙中由上至下取樣測定裂隙中土體含水率(圖5)。

圖5　灌溉區(qū)域含水率值Fig. 5　Water content value in irrigation area

由圖5 可見離灌區(qū)越遠(yuǎn)表層土體含水率越小，灌區(qū)內(nèi)土體含水率隨深度增加而減小，逐漸與非灌區(qū)深部土體含水率一致，短時灌溉的滲透作用影響范圍很有限。根據(jù)臺塬灌水試驗(yàn)(武彩霞等， 2011)得到的黃土飽和滲透系數(shù)計(jì)算， 18h的土體入滲深度僅為0.37m，可見黃土滲透入滲速度非常緩慢，而現(xiàn)場由于表層有較多的淺部裂隙，地表水滲入超過2m后土體含水率才明顯減小，裂隙的導(dǎo)水作用非常明顯。

探槽開挖可見，黃土中土體裂隙大致垂直發(fā)育，裂隙中土體由于水跡影響而顏色更深，寬度1～3cm，含水率也明顯大于裂隙旁土體，并延伸至探槽底部 (圖6)，水跡帶中上部和下部的土體含水率變化不大，說明水分通過裂隙入滲影響深度大于探槽深度，裂隙將地表水引入了黃土內(nèi)部，成為灌溉水入滲至深部的重要通道。

圖6　裂隙中水分運(yùn)移痕跡Fig. 6　Moisture migration vestige in the crack

圖7　典型剖面含水率分布Fig. 7　Typical section water content distribution

圖8　裂隙控制滑坡分布示意圖Fig. 8　Landslide controlled by distribution of fracture

5　地下水入滲機(jī)制

黑方臺多年平均降水量 287.6mm，多年平均蒸發(fā)量為1593.4mm，降雨僅以滲透入滲為主，主要影響地表，而地下水的富集為灌溉產(chǎn)生的大量地表水通過滲透通道進(jìn)入?，F(xiàn)場灌水實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，黑方臺地表水進(jìn)入土體深部的直接通道為黃土中發(fā)育的裂隙，尤其以深度較大的原生節(jié)理裂隙為主，提供了主要的地下水補(bǔ)給通道。

灌溉導(dǎo)致的地下水位上升、黃土強(qiáng)度降低是黑方臺地區(qū)高密度高頻率滑坡發(fā)生的主要誘因(張茂省等， 2011； 馬健全， 2012； 董英等， 2013)。據(jù)已有地下水資料(張茂省等， 2011)， 20世紀(jì)70年代開始黑方臺地下水緩慢上升， 90年代地下水位已達(dá)1684m，高于基巖頂部，此時大部分區(qū)域地下水位均到達(dá)黃土底部(馬建全， 2012)。地下水在黃土底部多年的滲透使臺塬四周大量滲水，對此作者在黑臺北側(cè)、西側(cè)和南側(cè)的4處滑坡后壁和側(cè)壁剖面取樣測定含水率進(jìn)行對比(圖7)。

區(qū)域內(nèi)黃土的飽和含水率為34%，根據(jù)含水率特征可見滑坡后壁含水率在黃土下部有突增并近飽和，對應(yīng)滑坡后壁底部黃土呈軟塑至流塑特性，并有點(diǎn)狀泉水出露，而滑坡側(cè)壁剖面同一高程含水率增加并不大。調(diào)查發(fā)現(xiàn)黑方臺黃土滑坡后緣底部均有滲水點(diǎn)，且在泉水滲出點(diǎn)附近土體含水率近于飽和，而未滲水區(qū)域土體含水率均小于25%，可見，含水率超過25%后滑坡更容易發(fā)生。

由于黃土裂隙發(fā)育的廣泛性，地表水可通過大量的裂隙通道進(jìn)入土體內(nèi)部，并沿裂隙和孔隙從黃土層底部滲出，造成滲出點(diǎn)附近黃土軟化產(chǎn)生滑坡，而裂隙間的穩(wěn)定區(qū)域滲水不明顯，地下水由于裂隙的不發(fā)育產(chǎn)生了阻隔，土體含水率明顯偏小，這可合理解釋臺塬邊相同地形地質(zhì)條件下，滲水處更易產(chǎn)生滑坡(圖8)。

可見，黑方臺的黃土底部含水率較中部高，臺塬邊底部含水率由于裂隙控制呈不均勻分布，節(jié)理裂隙發(fā)育而成的優(yōu)勢入滲通道處黃土含水率較高，反之則較低。優(yōu)勢通道與地下水滲出點(diǎn)相對應(yīng)，由于優(yōu)勢通道使地表水形成泉水滲出，軟化附近土體，最終導(dǎo)致滑坡。

6　結(jié)　論

通過對黑方臺黃土特征和灌溉入滲的分析，探討了黑方臺地表水入滲機(jī)制和地下水對滑坡穩(wěn)定性的影響。

(1)黑方臺灌溉水是臺塬黃土底部形成地下水的主要來源，臺塬上黃土裂隙發(fā)育，其中表層孔隙、裂隙密布，以垂直孔洞、溶洞以及淺部裂隙為主，同時也存在較多的深部裂隙，深部裂隙以垂直發(fā)育為主，深度可超過15m。

(2)黃土中孔隙、孔洞可成為重要的導(dǎo)水通道，臺塬中部孔隙和孔洞較少，節(jié)理裂隙發(fā)育。通過現(xiàn)場灌溉試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)灌溉水可沿裂隙快速入滲，取樣測得黃土中裂隙內(nèi)土體的含水率明顯增大，并延伸至黃土深部，黑方臺的節(jié)理裂隙成為了重要的地表水入滲通道。

(3)黑方臺黃土含水率由上至下逐漸增加，地下水在底部富集并向臺塬邊滲出，使黃土底部裂隙和孔隙滲水處含水率明顯大于無裂隙區(qū)域，裂隙的分布和導(dǎo)水作用影響黃土底部的含水率分布，也成為形成滑坡的重要控制因素。

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PRELIMINARY STUDY ON MECHANISM OF SURFACE WATER INFILTRATION AT HEIFANGTAI LOESS LANDSLIDES IN GANSU

QI XingXU QiangLI BinPENG DaleiZHOU Fei

(StateKeyLaboratoryofGeo-hazardsPreventionandGeo-environmentProtection，ChengduUniversityofTechnology，Chengdu610059)

The groundwater at the bottom of loess plays an important role on the occurrence of Heifangtai landslides. The main source of groundwater comes from irrigation water. Irrigation water can infiltrate into the loess through cracks， then seep around to the bottom of loess. A large number of cracks are confirmed in deep loess at middle and edge tableland through ground penetrating radar. According to the irrigation and trench excavation， it is found the cracks are the main infiltration channel for surface water. Surface water along the cracks can rapidly infiltrate into the deep loess. At the tableland around the steep and typical landslide， sampling and measuring moisture content are conducted. It is found that high water content only exists at seepage points of cracks. The remaining area of the increase of water content is not obvious. The distribution of water content at the bottom of loess is controlled by joints， fissures and cracks．

Heifangtai， Crack characteristic， Soil moisture content， Infiltration mechanism

10.13544/j.cnki.jeg.2016.03.011

2015-03-19;

2015-10-04.

國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目(2014CB744703， 2013CB733200)，國家杰出青年科學(xué)基金(41225011)資助.

亓星(1988-)，男，博士生，地質(zhì)工程專業(yè). Email: qixing2009@163.com

P642.13+1， P642.22

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