段釗，彭建兵，陳偉，張寧，唐皓

(1.西安科技大學(xué)地質(zhì)與環(huán)境學(xué)院，陜西 西安 710054；2.長安大學(xué)地質(zhì)工程與測繪學(xué)院，陜西 西安 710054)

1 引言

涇河下游黃土臺塬區(qū)屬渭北臺塬北緣，系涇河經(jīng)禮泉—涇陽的右岸斜坡地帶。隨著西部大開發(fā)及“一帶一路”經(jīng)濟(jì)戰(zhàn)略的深入實施，該地區(qū)已發(fā)展成為陜西“一核、一軸、三輻射”經(jīng)濟(jì)戰(zhàn)略的核心區(qū)域，西咸新區(qū)所屬涇河新城、秦漢新城、空港新城及西安—咸陽國際機(jī)場等均位于此。然而，近年來區(qū)內(nèi)不合理的人類工程活動誘發(fā)了大量黃土地質(zhì)災(zāi)害，從20世紀(jì)80年代至今，塬區(qū)近33 km的斜坡帶有63處發(fā)生過破壞，形成了至少70余起黃土滑坡(其中14處發(fā)生過多起滑動)和18起黃土崩塌，造成了嚴(yán)重的人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失，對投資環(huán)境產(chǎn)生不利影響(段釗, 2015)。這些黃土地質(zhì)災(zāi)害在空間上表現(xiàn)出“東滑西崩”的分布特征(圖1)，以太平鎮(zhèn)陳贠村東口為界，將研究區(qū)劃分為東段(涇陽縣大堡子村—廟店村)和西段(涇陽縣廟店村—禮泉縣興隆村)，其中東段僅有黃土滑坡發(fā)育，而西段則以黃土崩塌為主(受涇河侵蝕局部有滑坡發(fā)育)。研究區(qū)東段的黃土災(zāi)害學(xué)界關(guān)注度較高。雷祥義(1995)通過地質(zhì)調(diào)查，認(rèn)為長期引水漫灌造成塬區(qū)地下水位不斷升高，使得斜坡坡腳土體抗剪強(qiáng)度逐漸降低，從而誘發(fā)黃土滑坡災(zāi)害；金艷麗(2007)按照滑坡成因與特征對涇陽南塬黃土滑坡進(jìn)行了分類，分析了滑坡形成的影響因素，并基于應(yīng)力路徑試驗探討了灌溉誘發(fā)黃土滑坡機(jī)理；(許領(lǐng)2008，2010；XU，2011)通過調(diào)查和試驗研究了涇陽南塬黃土滑坡的類型、特征及成因，描繪了灌溉誘發(fā)黃土滑坡的地質(zhì)模型；桑廣書(2007)在水文地質(zhì)資料分析的基礎(chǔ)上，探討了灌溉、降水對滑坡形成的影響；廖紅建(2011)通過力學(xué)試驗分析了涇陽南塬黃土滑坡的發(fā)生過程和破壞機(jī)制，探討了滑坡土體的濕陷液化特征。對于研究區(qū)西段的黃土崩塌災(zāi)害，目前學(xué)界關(guān)注較少，僅王德耀(2004)、范立民(2004)對其進(jìn)行了調(diào)查研究，分析了崩塌影響因素，初步探討了人工開挖誘發(fā)機(jī)理。上述研究對研究區(qū)黃土滑坡、崩塌災(zāi)害的成因已有較好的闡述，但這兩種地質(zhì)災(zāi)害類型在空間上表現(xiàn)出分異現(xiàn)象的原因還并未理清。

通過調(diào)查發(fā)現(xiàn)，研究區(qū)東、西段除二級地貌單元存在差異外，其他地質(zhì)環(huán)境條件基本相同。主要表現(xiàn)為東段塬面平整，而西段塬面沖溝十分發(fā)育，由東至西二級地貌單元逐漸過渡(圖2)?？梢?，研究區(qū)“東滑西崩”的空間分布特征與二級地貌高度相關(guān)，為此，以黃土地貌為研究變量，通過數(shù)值模擬和力學(xué)試驗，對差異性地貌與人類工程活動耦合作用下黃土滑坡、崩塌災(zāi)害的空間分異特征進(jìn)行探討，以期為研究區(qū)黃土災(zāi)害防治工作提供一定借鑒。

1.黃土滑坡及編號；2.黃土崩塌及編號；3.塬面線；4.河流；5.居民區(qū)；6.縣界圖1 研究區(qū)黃土滑坡、崩塌空間分布圖Fig.1 Spatial distribution of loess landslide and collapse in study area

圖2 研究區(qū)地貌差異圖Fig.2 Geomorphological differences in study area

2 地貌-灌溉耦合作用數(shù)值模擬

研究區(qū)東段農(nóng)業(yè)灌溉造成塬區(qū)斜坡帶水文地質(zhì)條件變化從而誘發(fā)黃土滑坡的事實已十分明確，但同為灌溉區(qū)的西段卻未能形成相同類型的地質(zhì)災(zāi)害?？紤]到東、西段地貌單元的差異，從不同地貌單元在灌溉條件下水文地質(zhì)的響應(yīng)出發(fā)，采用Modflow數(shù)值模擬軟件，建立不同二級地貌單元的水文地質(zhì)數(shù)值模型進(jìn)行對比分析，探討地貌單元及灌溉耦合作用地下水的發(fā)展過程。

2.1 計算模型

研究區(qū)黃土斜坡高為50～70 m，坡度范圍在40°～60°之間。斜坡地層由新到老分別為：上更新統(tǒng)馬蘭黃土、中更新統(tǒng)離石黃土、中更新統(tǒng)洪、沖積粉質(zhì)黏土及砂礫石。其中，中更新統(tǒng)離石黃土為構(gòu)成斜坡的主要地層，包括第2～8層黃土，厚度約為40～60 m(典型斜坡剖面見圖7)。潛水為研究區(qū)主要的地下水類型，是區(qū)內(nèi)滑坡災(zāi)害發(fā)生的主要影響因素。研究區(qū)塬面地勢平緩，地下水運動速度緩慢，符合達(dá)西滲透規(guī)律，依據(jù)研究區(qū)水文地質(zhì)條件建立三維非穩(wěn)定流水文地質(zhì)數(shù)值模型(陳崇希，2014)。數(shù)值模型分別參照研究區(qū)東段和西段各1 km2×1 km2的典型區(qū)域建立，按照地貌特征劃分為完整塬模型和殘塬模型。通過簡化和同化處理后的三維模型尺寸為1 000 m3×1 000 m3×80 m3，由80 000個單元構(gòu)建，單元格尺寸為10 m3×10 m3×10 m3。模型上邊界為補(bǔ)給和蒸發(fā)邊界，補(bǔ)給邊界分為灌區(qū)和非灌區(qū)，模型后、左、右邊界假定無補(bǔ)給、排泄作用，均設(shè)為隔水邊界。斜坡高差60 m，坡度為45°。具體模型尺寸、形態(tài)及邊界見圖3。

圖3 水文地質(zhì)數(shù)值模型圖Fig.3 Modflow hydrogeological numerical model

2.2 參數(shù)選取

設(shè)計灌溉時長360個月，每月30天，應(yīng)力期12個月；灌溉量和周期以蔣劉鄉(xiāng)大堡子村三組1 200畝灌溉用地為例，該組每年灌溉用水40×104m3，年內(nèi)灌溉3次(3～4月春灌、7～8月夏灌、11～12月冬灌)，每次灌溉用水略有差異，本模型假設(shè)一致，其他時間停灌；區(qū)內(nèi)月蒸發(fā)量遠(yuǎn)大于降水量，降水量和蒸發(fā)量根據(jù)調(diào)查結(jié)果并參考文獻(xiàn)賦值(陜西煤田地質(zhì)局，2002；核工業(yè)二零三所，2005)；地層統(tǒng)一為中更新統(tǒng)離石黃土，給水度、滲透系數(shù)、入滲率等參考文獻(xiàn)賦值(李佩成，1999)。試驗條件及各參數(shù)分別見表1、表2、表3。為消除干擾因素，模型假設(shè)隔水層埋深相同，初始地下水位高程均設(shè)為10 m，模型前邊界為涇河，定水位高程設(shè)為10 m。

2.3 結(jié)果分析

(1)年內(nèi)規(guī)律：圖4為完整塬模型第1年各月末的地下水位等值線圖?？梢钥闯?，年內(nèi)各月的水位線均呈直線形，水位與斜坡走向一致。在灌溉期，塬內(nèi)穩(wěn)定(峰值)水位顯著抬升，斜坡(圖3c中800～860 m范圍)水力坡度出現(xiàn)較大增幅；進(jìn)入灌溉間歇期，水位仍持續(xù)抬升，但增幅有所減緩?？梢姡喔茸饔蒙羁痰母淖兞怂牡刭|(zhì)條件，并弱化了降水作用的影響。

表1 灌溉參數(shù)表Tab.1 Irrigation parameters

表2 降水參數(shù)表Tab.2 Precipitation parameters

表3 蒸發(fā)參數(shù)表Tab.3 Evaporation parameters

圖4 完整塬第1年各月末的地下水位等值線圖Fig.4 Ground water level contour map of the end of each month in the first year of loess plateau area model

圖5為殘塬模型第1年各月末的地下水位等值線圖?？梢钥闯?，1、2月僅大氣降水補(bǔ)給時，殘塬地下水位等值線特征與完整塬模型基本相同。進(jìn)入灌溉期后，水位線形態(tài)發(fā)生顯著變化，與殘塬地形形態(tài)逐漸趨于一致，相比完整塬模型，殘塬模型地下水運移通道明顯增加，更多的地下水開始沿著沖溝兩側(cè)斜坡(圖3c中300～800 m范圍)向溝底運移。隨著灌溉量增加，塬區(qū)地下水位雖有明顯升高，但漲幅和穩(wěn)定水位范圍都遠(yuǎn)小于完整塬模型。在灌溉后的間歇期，水位漲幅顯著降低，當(dāng)灌溉補(bǔ)給總量不斷增大時，等水位線有由曲線向直線變化的趨勢。

圖5 殘塬第1年各月末的地下水位等值線圖Fig.5 Groundwater level contour map of the end of each month in the first year of loess plateau gully area model

(2)長期規(guī)律：分別提取完整塬和殘塬模型剖面位置第1、3、5、10和30年年末地下水位高程進(jìn)行對比(圖6)，發(fā)現(xiàn)灌溉時間越長，完整塬和殘塬模型地下水位漲幅差越大，且由涇河向塬方向上差值逐漸增大。尤其在前10年，沖溝斜坡帶附近(溝頭—坡肩)2種模型水位漲幅差值變化最為明顯。

在灌溉30年后，殘塬區(qū)內(nèi)部穩(wěn)定水位上漲10.5 m，完整塬區(qū)較之高出4.0 m；殘塬區(qū)坡肩處上漲4.9 m，完整塬區(qū)較之高出2.6 m；殘塬區(qū)坡腳處上漲3.5 m，完整塬區(qū)較之高出2.1 m。

3 滑崩災(zāi)害空間分異探討

3.1 斜坡孕災(zāi)環(huán)境差異

對數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行總結(jié)可知，二級地貌單元的變化對于長期灌溉下地下水的補(bǔ)給、徑流、蒸發(fā)等方面都有顯著影響，主要體現(xiàn)在以下幾點：①殘塬區(qū)可耕種面積小，灌溉面積小，灌溉補(bǔ)給量少，隔水條件相同時，地下水位漲幅必小于完整塬區(qū)，抬升速率也相對較慢。②沖溝的存在為殘塬區(qū)提供了更為廣泛的徑流邊界，溝谷斜坡有效分擔(dān)了塬邊斜坡的“動水壓力”，降低了斜坡水力坡度及徑流流速。③殘塬區(qū)溝谷斜坡的的存在，增加了蒸發(fā)面積，在假定極限蒸發(fā)埋深相同的條件下，殘塬區(qū)的蒸發(fā)量要大于完整塬區(qū)。

圖6 完整塬與殘塬長期水位對比圖Fig.6 Water level contrast between loess plateau model and loess plateau gully model

為了突出地貌差異對灌溉作用下地下水特征的影響，筆者對所建立水文地質(zhì)模型進(jìn)行了簡化和同化處理。事實上，研究區(qū)東段隔水層較西段埋藏更淺。其次，東段斜坡傾向北，為陰坡，僅塬面能受到陽光照射；而西段沖溝發(fā)育，溝中兩側(cè)斜坡也可常年接受陽光照射，日照面積更大、時長更充分，蒸發(fā)量必然提高，更多的地下水通過蒸發(fā)排泄，水位上升緩慢。最后，長期灌溉條件下，完整塬區(qū)斜坡帶水力坡度較大，潛蝕作用強(qiáng)，細(xì)小顆粒不斷地被帶出，可溶鹽被溶解并在坡腳表層富集，土體骨架結(jié)構(gòu)破壞嚴(yán)重。根據(jù)實地調(diào)查和勘察發(fā)現(xiàn)，研究區(qū)東段完整塬區(qū)斜坡帶地下水位(潛水)埋藏較淺，近13年來上漲了接近20 m，部分斜坡坡腳甚至有泉水出露(圖7)，而研究區(qū)西段殘塬區(qū)斜坡帶土體干燥，坡腳居民區(qū)水井中水位埋深達(dá)到5～6 m，地下水位埋藏較深，與數(shù)值模擬結(jié)果較為吻合。

3.2 成災(zāi)機(jī)制

受灌溉長期影響，研究區(qū)東段完整塬區(qū)地下水位持續(xù)升高，斜坡坡腳土體中超孔隙水壓力也相應(yīng)增大(金艷麗，2008)，這一過程中斜坡土體的應(yīng)力變化可通過CSD應(yīng)力路徑試驗(常剪應(yīng)力三軸排水剪切試驗)進(jìn)行模擬。選取區(qū)內(nèi)東段典型斜坡坡腳原狀離石黃土進(jìn)行CSD應(yīng)力路徑試驗(取樣位置見圖1)，試驗設(shè)備選用SLB-1型應(yīng)力控制式三軸儀(RTC試驗相同)，采用水頭差及反壓法進(jìn)行飽和，待孔壓系數(shù)達(dá)到0.95時，使試樣分別在K0路徑下進(jìn)行偏壓固結(jié)，隨后進(jìn)行常剪應(yīng)力排水剪切試驗，剪切速率Δu=1 kPa/hr，結(jié)果見圖8。由試驗曲線可見，超孔隙水壓力較低時，土體在較長的增(孔)壓剪切過程中軸向應(yīng)變增速緩慢且累積變形量??；隨著超孔隙水壓力的不斷增高，土體應(yīng)力平衡逐漸被破壞，體變也顯著增加，土體發(fā)生減縮，引起超孔隙水壓力激增5～8 kPa，應(yīng)力狀態(tài)到達(dá)極限，結(jié)構(gòu)突然崩解，導(dǎo)致大范圍塑性剪切破壞，此時，很小的超孔隙水壓力增幅都會伴隨有較大的軸向變形。CSD應(yīng)力路徑試驗表明，隨著斜坡水位上升(超孔隙水壓力的不斷增加)，斜坡坡腳飽和黃土中局部排水不暢將引發(fā)超孔隙水壓力激增，在不完全排水條件下坡腳飽水帶發(fā)生大范圍剪切破壞，甚至靜態(tài)液化。這種大范圍的剪切液化將引起斜坡發(fā)生快速下沉，加速黃土斜坡中垂直裂隙擴(kuò)張并與坡腳剪切帶貫通，最終誘發(fā)黃土滑坡災(zāi)害(段釗，2016)。

1.馬蘭黃土；2.離石黃土；3.古土壤；4.地下水位；5.粉土；6.粉質(zhì)黏土；7.滑坡堆積；8.觀測井①根據(jù)雷祥義(1995)所繪制的1992年地下水位；②2014年7月30日觀測地下水位；③2015年1月12日觀測地下水位。圖7 寨頭滑坡地下水位觀測結(jié)果圖Fig.7 Underground water level observations of Zhaitou loess landslide

圖8 CSD應(yīng)力路徑試驗曲線圖Fig.8 Results of CSD tests

對比而言，研究區(qū)西段殘塬區(qū)斜坡地下水位埋藏較深，斜坡土體天然狀態(tài)干燥。這一帶的居民自古便依塬而居，早期雖有小規(guī)模崩塌發(fā)生，但并未有人員傷亡。隨著近年來人口密度的增大，土方工程需求不斷增加，開塬修路、取土燒磚、削坡建房等工程活動使得塬邊斜坡變得陡峭，嚴(yán)重破壞了坡體結(jié)構(gòu)(圖9)。工程開挖過程中的斜坡土體圍向應(yīng)力會不斷降低(裴向軍，2017)，這種應(yīng)力變化可通過RTC應(yīng)力路徑試驗(剪圍壓三軸剪切試驗)進(jìn)行模擬。選取區(qū)內(nèi)西段典型斜坡坡腳原狀離石黃土進(jìn)行RTC應(yīng)力路徑試驗(取樣位置見圖1)，試樣天然含水率為10.5%，分別在100 kPa、200 kPa、300 kPa圍壓條件下進(jìn)行等壓固結(jié)，隨后進(jìn)行不排水剪切試驗，剪切速率Δσ3=-0.1 kPa/min，結(jié)果如圖10所示。根據(jù)試驗曲線，土體在低應(yīng)變水平下即發(fā)生剪切破壞，表現(xiàn)出強(qiáng)軟化特征，峰殘強(qiáng)度差較大，剪切過程中孔隙水壓力增幅微弱，隨著圍壓的不斷降低，應(yīng)力比不斷增大，應(yīng)力狀態(tài)失衡，當(dāng)圍壓比降至0.52～0.45時，主應(yīng)力比達(dá)到峰值(2.50～2.77)，隨后土體結(jié)構(gòu)突然破壞，在很少的圍壓減幅情況下，形成較大剪切應(yīng)變，發(fā)生破壞后土體應(yīng)力比迅速降低。破壞的試樣均具有脆性破壞特征，在低圍壓條件下表現(xiàn)為劈裂破壞，在高圍壓條件下表現(xiàn)為剪切破壞，破裂面明顯。土體在RTC應(yīng)力路徑下的力學(xué)行為表明，邊坡開挖卸荷降低了斜坡坡腳的圍向壓力，破壞了斜坡應(yīng)力平衡，導(dǎo)致干燥斜坡中脆性破壞面的發(fā)育和貫通，使得斜坡在節(jié)理裂隙面控制下發(fā)生突然垮塌，形成黃土崩塌災(zāi)害。

圖9 殘塬區(qū)崩塌破壞特征圖Fig.9 Characteristics of collapse in residual plateau

綜上所述，差異性地貌與人類工程活動的耦合作用對研究區(qū)黃土災(zāi)害的發(fā)育類型及空間分布具有顯著影響。農(nóng)業(yè)灌溉與完整塬地貌耦合作用下水文地質(zhì)條件易于滑坡災(zāi)害的發(fā)生，雖然殘塬區(qū)水文地質(zhì)條件不易滑坡災(zāi)害的發(fā)生，但頻繁的土方開挖卻誘發(fā)了崩塌災(zāi)害，因此造成了研究區(qū)“東滑西崩”的空間分異特征。

圖10 CSD應(yīng)力路徑試驗曲線及試樣破壞特征圖Fig.10 Results of CSD tests

4 結(jié)論

(1)涇河下游黃土臺塬區(qū)近33 km塬段有63處斜坡發(fā)生過破壞，形成了黃土滑坡70起(其中14處發(fā)生多起滑動)、黃土崩塌18起，這些黃土災(zāi)害在空間上表現(xiàn)出“東滑西崩”的分布特征，與二級地貌單元具有極高的空間相關(guān)。

(2)通過水文地質(zhì)數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)，受有效灌溉面積、沖溝發(fā)育等因素影響，長期灌溉作用下殘塬區(qū)較完整塬區(qū)地下水位低、徑流邊界廣、水利坡度小、蒸發(fā)面積大，地貌效應(yīng)顯著。

(3)CSD應(yīng)力路徑試驗表明，研究區(qū)斜坡黃土中超孔隙水壓力的不斷增大，將導(dǎo)致土體在不完全排水條件下發(fā)生剪切破壞，甚至靜態(tài)液化，從而形成黃土滑坡災(zāi)害。RTC應(yīng)力路徑試驗表明，邊坡開挖改變了斜坡土體應(yīng)力狀態(tài)，導(dǎo)致干燥斜坡中脆性破壞面的發(fā)育和貫通，使得斜坡在節(jié)理裂隙面控制下突然垮塌，形成黃土崩塌災(zāi)害。