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(西北大學(xué)地質(zhì)學(xué)系/大陸動力學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710069)

地下水位上升對黃土斜坡穩(wěn)定性的影響研究

劉戰(zhàn)峰，谷天峰，抗興培

(西北大學(xué)地質(zhì)學(xué)系/大陸動力學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710069)

黃土滑坡災(zāi)害發(fā)育機(jī)理的研究對于區(qū)域內(nèi)防災(zāi)減災(zāi)具有重要的理論和現(xiàn)實(shí)意義。本文以涇陽廟店西村為例，在非飽和土特性試驗(yàn)基礎(chǔ)上，建立典型斜坡的飽和—非飽和滲流模型，模擬了灌溉誘發(fā)地下水位上升對于斜坡滲流場的影響。計(jì)算結(jié)果顯示，地下水位上升將引起斜坡內(nèi)部孔隙水壓力分布顯著變化。綜合邊坡穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果，邊坡穩(wěn)定性隨著地下水位的上升逐漸減小，在地下水位上升至30 m時(shí)邊坡處于極限平衡狀態(tài)。

廟店西村；滑坡；地下水位；數(shù)值模擬

涇陽南塬位于渭北黃土臺塬中部，塬面高程420～490 m，面積約70 km2。從塬邊到?jīng)芎右远钙隆⒑勇┘半A地形式過渡性相連，兩者高差最大可達(dá)90多米，塬高坡陡的地形條件為滑坡的發(fā)生埋下了隱患。自上世紀(jì)70年代“引水漫灌”開始，該區(qū)滑坡災(zāi)害頻發(fā)，災(zāi)害的發(fā)生給當(dāng)?shù)厝嗣裨斐蓢?yán)重的經(jīng)濟(jì)財(cái)產(chǎn)損失[1]。

雷祥義[2]曾研究該區(qū)黃土滑坡與人類活動的關(guān)系，并提出灌溉水體改變了斜坡原有的水文地質(zhì)條件，致使黃土抗剪強(qiáng)度降低導(dǎo)致滑坡災(zāi)害發(fā)生；許領(lǐng)、金艷麗、段釗、王家鼎等[3-6]亦認(rèn)為地下水位上升是引起該地區(qū)滑坡災(zāi)害發(fā)生的主要原因。XU Ling等[7]通過數(shù)值模擬計(jì)算，得出了涇陽南塬黃土臺塬的坡度演化模型。段釗、彭建兵[8]、楊璠[9]等人從運(yùn)動學(xué)角度研究了該區(qū)域滑坡災(zāi)害的發(fā)育機(jī)理，提出土層液化是導(dǎo)致該區(qū)域內(nèi)黃土滑坡災(zāi)害發(fā)生的主要原因。RM Iverson[10]、Y.M.Tang[11]等人研究了降雨入滲對于滑坡災(zāi)害的促進(jìn)作用，得到在黃土區(qū)降雨入滲深度一般限制在地下3 m以內(nèi)；金艷麗[12]在室內(nèi)應(yīng)力路徑試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，提出了排水剪切—不排水破壞—靜態(tài)液化的滑坡發(fā)育機(jī)理；許領(lǐng)等[13-16]對黃土滑坡的地表水入滲途徑進(jìn)行了研究，討論了黃土滑坡后緣裂縫的發(fā)育特征以及其在滑坡演化過程中的意義。本文利用數(shù)值模擬方法研究對涇陽南塬邊坡進(jìn)行地下水位上升工況下的穩(wěn)定性分析，研究該區(qū)域內(nèi)邊坡失穩(wěn)的成因。這對驗(yàn)證前人對涇陽南塬黃土滑坡成因的認(rèn)識，揭示該地區(qū)黃土滑坡形成機(jī)理，和該類型滑坡防控治理都具有重要意義。

圖1 研究區(qū)域

本文選擇陜西省咸陽市涇陽南塬太平鎮(zhèn)(圖1)廟店西村滑坡為研究對象，為探討該區(qū)域黃土滑坡的主要誘發(fā)因素和成因機(jī)理，對其進(jìn)行多次野外地質(zhì)踏勘。經(jīng)過野外地質(zhì)踏勘，本研究在室內(nèi)建立二維邊坡模型，利用Geo-studio軟件中的SEEP/E滲流模擬模塊分析該地區(qū)在灌溉誘發(fā)地下水位上升過程中邊坡內(nèi)部滲流場情況，將其結(jié)果耦合于SLOPE/W邊坡穩(wěn)定性計(jì)算模塊，進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性分析。

圖2 水文剖面與地質(zhì)剖面圖

1 滑坡基本特征

涇陽南塬位于陜西省涇陽縣城南涇河右岸，橫跨太平、蔣劉、高莊3個(gè)行政鄉(xiāng)，東西長達(dá)27.1 km，塬區(qū)面積約70 km2，塬面開闊，廟店西村滑坡就在太平鄉(xiāng)轄區(qū)。由于受到?jīng)芎拥那治g作用，廟店西村邊坡均形成60～90 m的高陡邊坡，在邊坡上部坡度達(dá)65°以上。

上世紀(jì)70年代以來，涇陽南塬已經(jīng)發(fā)生近30處50多起黃土層內(nèi)滑坡，其中廟店西村段發(fā)生黃土滑坡災(zāi)害3起。廟店村最近一次黃土滑坡發(fā)生于2015年6月，為黃土層內(nèi)滑坡(圖1)?；虑熬壘嚯x涇河約700 m，后緣距離引水渠道約60 m?；潞缶壐叱?60 m，前緣高程478 m，兩者高差82 m。滑坡體寬度約227 m，長約267 m，滑坡主滑方向?yàn)?4°，向前滑動距離約300 m。滑坡兩側(cè)均為高陡邊坡，后壁近直立。通過對其進(jìn)行詳細(xì)的野外地質(zhì)調(diào)查，建立滑坡地質(zhì)剖面圖(圖2)；利用鉆孔對廟店塬邊地下水位進(jìn)行測量，繪制了地下水文剖面圖(圖2)。

該地區(qū)地層主要由馬蘭黃土、古土壤和離石黃土等三部分組成。本文將涇陽縣太平鎮(zhèn)廟店滑坡區(qū)域地層簡化為三層：上層為19.2 m厚的黃土，中間層為50.8 m厚的黃土，下層為河漫灘相二元沉積層(圖2)。

2 滑帶土物理力學(xué)性質(zhì)

本文在涇陽南塬廟店西村滑坡后緣取兟1、兟2原狀不擾動土樣，土樣基本物理力學(xué)參數(shù)指標(biāo)見表1。

表1 原狀黃土物理力學(xué)指標(biāo)表

2.1 土水特征曲線與導(dǎo)水率曲線

本文根據(jù)geostudio中的seep/w模塊自帶的樣本函數(shù)，依據(jù)兟2黃土、兟1黃土飽和含水率的實(shí)驗(yàn)值，飽和狀態(tài)下土體的滲透系數(shù)和材料特性，軟件自動擬合形成滲透系數(shù)函數(shù)(圖3、圖4)和體積含水量函數(shù)(圖5、圖6)[17]。

圖3 Q2傳導(dǎo)率函數(shù) 圖4 Q3傳導(dǎo)率函數(shù)

圖5 Q2黃土土-水特征曲線 圖6 Q3黃土土-水特征曲線

圖7 Q3黃土剪切試驗(yàn)

2.2 直剪試驗(yàn)

本文利用FDJ-20型非飽和土四聯(lián)直剪儀進(jìn)行不同基質(zhì)吸力下的黃土直剪試驗(yàn)。試驗(yàn)中對兟2黃土進(jìn)行基質(zhì)吸力分別為0、50、100、150 kPa，豎向荷載分別為50、100、150、200 kPa時(shí)的直剪試驗(yàn)，兟1黃土進(jìn)行基質(zhì)吸力分別為0、100 kPa，豎向荷載分別為50、100、150、200 kPa時(shí)的直剪試驗(yàn)。剪切試驗(yàn)結(jié)果如圖7、8所示。

根據(jù)擴(kuò)展的非飽和土莫爾—庫倫準(zhǔn)則可得：

τ=c+(σ+ua)tanφ′+(ua+uw)tanφb

(1)

由式(1)求得的各層黃土抗剪強(qiáng)度參數(shù)指標(biāo)如表2所示。

圖8 Q2黃土剪切試驗(yàn)

名稱C/kPaφ/°φb/°Q3黃土1618.512.6Q2黃土18.52014

3 廟店滑坡成因分析

3.1 模型建立

根據(jù)圖2建立有限元計(jì)算模型，模型共分為三層，上層是厚度19.2 m的Q3黃土，中部是厚度50.8 m的Q2黃土，底層為河漫灘相沉積層，厚度設(shè)為10 m作為底座。模型上層中層黃土厚度大，坡度陡，且研究區(qū)域多發(fā)生黃土層內(nèi)滑坡，因此上層和中間層是本次模型計(jì)算的主要部分，將10 m厚的河漫灘沉積層作為底座，按原始平均坡度為0°建立計(jì)算模型(圖9)。模型高80 m，頂部寬100 m，底部寬度240 m，并在豎直剖面上分別施加水頭[17]。

圖9 計(jì)算模型

3.2 邊界條件設(shè)置

左側(cè)邊界設(shè)置水頭邊界，變化范圍20～65 m。在左邊界施加高度20 m、30 m、40 m、50 m、60 m、65 m的水頭，模擬地下水位60 m、50 m、40 m、30 m、20 m、15 m時(shí)的邊坡水文狀態(tài)。底部為不透水邊界，右側(cè)斜坡部位為滲流溢出處，坡底近水平處設(shè)置為水頭邊界，水頭高度為8 m，河漫灘相沉積設(shè)置為飽水層[17]。

左側(cè)邊界設(shè)置水頭邊界，經(jīng)實(shí)地調(diào)查，廟店村現(xiàn)階段地下水位埋深為45 m左右，因此本文分析在左側(cè)邊界施加為35 m的水頭高度。底部為不透水邊界，右側(cè)斜坡部位為滲流溢出處，右側(cè)設(shè)置8 m的水頭高度，河漫灘相沉積沉積層設(shè)置為飽水層。

圖10 孔隙水壓力分布等值線圖

3.3 地下水位上升對邊坡穩(wěn)定性的影響

利用Geo-Studio數(shù)值模擬軟件中的SEEP/E滲流模擬模塊進(jìn)行不同地下水位時(shí)的邊坡內(nèi)部水文狀態(tài)模擬，數(shù)值模擬結(jié)果如圖10所示。圖10中a～f分別是地下水位處于60 m、50 m、40 m、30 m、20 m、15 m時(shí)的邊坡孔壓分布等值線圖，對比a～f可見，隨著地下水位的上升，邊坡內(nèi)部飽和區(qū)域面積逐漸增大，邊坡同一部位基質(zhì)吸力逐漸減小。

將滲流模擬結(jié)果耦合于Geo-studio數(shù)值模擬軟件中的SLOPE/W模塊，對該水位狀態(tài)下邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行計(jì)算。穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果如圖11所示，圖11中a～f分別是地下水位處于60 m、50 m、40 m、30 m、20 m、15 m時(shí)邊坡穩(wěn)定性計(jì)算中最危險(xiǎn)滑面時(shí)的計(jì)算結(jié)果圖。邊坡最危險(xiǎn)滑面時(shí)的穩(wěn)定性系數(shù)隨地下水位的變化曲線如圖12所示。

由圖12邊坡穩(wěn)定性系數(shù)與地下水位的關(guān)系曲線可以得到：

(1)邊坡穩(wěn)定性系數(shù)隨著地下水位的上升而逐漸減小；

(2)在地下水位接近30 m時(shí)，邊坡穩(wěn)定性系數(shù)接近于1，邊坡處于極限平衡狀態(tài)；

(3)在地下水位小于30 m時(shí)，邊坡穩(wěn)定性系數(shù)小于1，邊坡發(fā)生滑坡失穩(wěn)。

圖11 穩(wěn)定性計(jì)算圖

圖12 穩(wěn)定性系數(shù)變化曲線

4 結(jié)語

本文以涇陽南塬廟店滑坡為例，研究了地下水位上升對黃土斜坡穩(wěn)定性的影響。通過資料收集和工程地質(zhì)勘察，對涇陽南塬地理位置和工程地質(zhì)條件有一個(gè)宏觀的認(rèn)識，結(jié)合室內(nèi)試驗(yàn)的結(jié)果對廟店滑坡的巖土力學(xué)性質(zhì)有了比較全面清晰的了解。在此基礎(chǔ)上建立模型和確定邊界條件及數(shù)值參數(shù)，利用Geo-Studio數(shù)值模擬軟件中的SEEP/E滲流模塊模擬該地區(qū)在地下水位上升過程中斜坡內(nèi)部水文狀態(tài)的變化，得到其孔隙水壓力分布狀態(tài)，將其結(jié)果耦合于Geo-studio數(shù)值模擬軟件中的SLOPE/W邊坡模塊，計(jì)算黃土斜坡的穩(wěn)定性系數(shù)，得到黃土斜坡穩(wěn)定性隨地下水位上升的變化曲線。得出如下結(jié)論：研究區(qū)域內(nèi)黃土斜坡穩(wěn)定性隨著地下水位的上升而逐漸降低，并在地下水位處于30m附近是黃土邊坡將處于極限平衡狀態(tài)。

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Theinfluenceoftherisingofgroundwaterlevelonthestabilityofloessslope

LIUZhan-feng，GUTian-feng，KANGXing-pei

(State Key Laboratory of Continental Dynamics, Department of Geology, Northwest University, Xi’an，Shaanxi 710069, China)

The research on the development mechanism of loess landslide disaster has important theoretical and practical significance for disaster prevention and reduction in the region. In this paper, based on the test of unsaturated soil characteristics, the saturated - unsaturated seepage flow model of typical slope is established, and the influence of irrigation - induced groundwater level rise on the seepage field is simulated. The results show that the rise of groundwater level will cause the pore water pressure distribution within the slope to change significantly. The slope stability decreases with the increase of the groundwater level, and the slope is in the equilibrium state when the groundwater level rises to 30 m.

The west village of Miaodian；landslide；groundwater level；numerical simulation

P641.74

A

1004-1184(2017)06-0061-03

2017-08-14

國家大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目(201510697001)

劉戰(zhàn)峰(1995-)，男，陜西富平人，主攻方向：地質(zhì)災(zāi)害防治與評價(jià)。

谷天峰(1978-)，男，河南南陽人，副教授，研究方向：地質(zhì)災(zāi)害防治及機(jī)理研究。