王念秦 張寧 段釗

摘?要：為探討涇陽南塬地區(qū)黃土滑坡的高速遠程的運動特征以及在運動過程中對階地易侵蝕基層破壞跡象的產(chǎn)生機理。以涇陽南塬西廟店滑坡為研究對象，通過野外調(diào)查、勘探查明其運動特征，運用顆粒流離散元法模擬滑坡運動過程、機理。結(jié)果表明：滑坡運動過程中，滑體對階地易侵蝕基層的沖擊刮鏟作用顯著，宏觀上表現(xiàn)為滑坡前緣地層隆起與逆沖剪斷?；禄瑒赢a(chǎn)生的振動作用使階地粉土發(fā)生液化，液化后的粉土在超孔隙水壓力作用下沿上覆土體導(dǎo)水通道涌出，形成顯著的“涌砂”現(xiàn)象。滑坡運動全過程歷時84 s，滑體顆粒最大運動速度36.2 m/s，最大運動距離253.2 m，具有典型的“高速”、“遠程”特征。分析得到2點結(jié)論：①涇陽南塬典型高速遠程黃土滑坡運動過程可分為3個階段，即，沖擊置換的加速階段（0～2.9 s）、滑覆鏟刮的減速階段（2.9～5.7s）與堆積推覆的慢速波動階段（5.7～84 s）;②滑體速度場變化特征明顯，也可劃分為3個階段，即，

加速階段（0～2.9 s）、減速階段（2.9～5.7 s）以及慢速波動階段（5.7～84 s）。

關(guān)鍵詞：黃土滑坡;顆粒流;涇陽南塬;滑坡運動

中圖分類號：P 694

文獻標(biāo)志碼：A

文章編號：1672-9315（2020）02-0244-09

DOI：10.13800/j.cnki.xakjdxxb.2020.0208開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識碼（OSID）：

Impacting pocess simulation of loess landslides on the

easily-eroded terrace layers at south Jingyang plateau

WANG Nian-qin，ZHANG Ning，DUAN Zhao

（College of Geology and Environment，Xian University of Science and Technology，Xian 710054，China）

Abstract：In order to explore

the characteristics of high-speed and long-runout motion and the mechanism of the obvious signs of damage to the easily-eroded terrace layers in the course of movement in south Jingyang plateau，this paper，taking

Ximiaodian landslide in south Jingyang plateau as the research object，examines its motion characteristics

through theinvestigation and exploration in the field，and simulates the process of landslide motion by means of particle flow code（PFC）.The results show that：in the sliding process，the impact and shovel scraping action of the sliding body on the easily-eroded terrace layers is significant，and the macroscopic manifestation is the uplift of the formation at the leading edge of landslide and the thrust shear.The vibration caused by landslide sliding makes the silty soil in the terrace liquefied.And the liquefied silty soil gushes out along the water channel of the overlying soil under the action of excess pore water pressure，forming a significant phenomenon of “sand gushing”.The whole process of Ximiaodian landslide lasts for 84 s，and the maximum movement speed of the sliding particles is 36.2 m/s，and the maximum movement distance is 253.2 m，which is typical of “high speed” and “l(fā)ong distance”.Finally，two conclusions are drawn：the typical high-speed and long-runout loess landslide movement process in south Jingyang plateau can be divided into three stages，namely，the acceleration stage of impact and replacement（0～2.9 s），the deceleration stage of sliding cover and shovel scraping（2.9～5.7 s）as well as the slow fluctuation stage of accumulation and nappe（5.7～84 s）.According to the speed field characteristics of the sliding body，the sliding process can be divided into the acceleration stage（0～2.9 s），the deceleration stage（2.9～5.7 s）and the slow fluctuation stage（5.7～84 s）.

Key words：loess landslide;PFC;Jingyang plateau;landslide movement

0?引?言

因農(nóng)業(yè)發(fā)展需要，涇陽南塬自1976年開始引水灌溉，造成了顯著的地下水位抬升，成為隨后40 a區(qū)域黃土滑坡發(fā)生的主導(dǎo)因素[1]。自1982年第1起滑坡發(fā)生以來，涇陽南塬黃土滑坡災(zāi)害接連發(fā)生，塬面不斷后退，造成了嚴重的人員傷亡、經(jīng)濟損失、水土流失和林地破壞，不少文化遺跡也毀于其中[2]。由于涇陽南塬黃土滑坡具有飽水條件下的啟動機制，在運動過程中常表現(xiàn)出高速遠程的運動能力，也引起了不少學(xué)者的關(guān)注。對于高速遠程滑坡的研究已頗為成熟，HSU，

icolett P G，Kilburn N C R J和Legro F先后在高速遠程滑坡幾何特征和運動特征、致災(zāi)范圍與地形條件、運動距離與滑體體積等方面做出深刻研究[3-6];對以涇陽南塬黃土滑坡，許領(lǐng)等對涇陽南塬黃土滑坡類型和運動特征進行研究之后，依據(jù)滑坡發(fā)生的力學(xué)機制，將涇陽南塬黃土滑坡分為黃土流滑和黃土滑動[7];樊成意以11起典型涇陽南塬滑坡為研究對象，對黃土臺塬地區(qū)滑坡的滑動距離與滑體各參數(shù)之間的關(guān)系進行了分析，并以此為基礎(chǔ)，利用多元線性回歸及模糊信息優(yōu)化法量化了滑體參數(shù)與滑動距離的關(guān)系[8];楊璠在對涇陽南塬黃土滑坡取樣實驗分析，確定特征參數(shù)之后，利用Sassa的滑坡運動模型對涇陽南塬典型黃土滑坡運動過程進行了模擬，模擬結(jié)果與滑坡實際堆積范圍吻合，模擬過程中滑坡最大運動速度可達37 m/s[9];沈偉等在實驗和野外調(diào)繪基礎(chǔ)上，對涇陽南塬高速遠程黃土滑坡運動過程進行了數(shù)值模擬分析，根據(jù)模擬過程特征及模擬結(jié)果將這類滑坡的運動分為啟動加速和運動減速2個階段[10];段釗等根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查及開挖探槽分析，采用統(tǒng)計學(xué)方法分析了涇陽南塬地區(qū)黃土滑坡的運動規(guī)律，并在此基礎(chǔ)上，探討了引起滑坡運動特征分異的內(nèi)在機制—“液化效應(yīng)”[11];許強等對涇陽南塬蔣劉村發(fā)生的4#小型滑坡分析發(fā)現(xiàn)，塬頂長期引水灌溉導(dǎo)致斜坡底部滯水軟化及導(dǎo)流作用，是導(dǎo)致涇陽南塬地區(qū)黃土滑坡滑距遠的根本原因[12];馬鵬輝利用LS_RAPID軟件對蔣劉滑坡進行數(shù)值模擬，再現(xiàn)了滑坡的高速運動過程，并根據(jù)運動過程中滑體的運動速度對滑坡進行了運動階段的劃分[13]。除此之外，金艷麗等學(xué)者也對涇陽南塬黃土滑坡進行了深入的研究[14-16]。

在近期對涇陽南塬黃土滑坡的調(diào)查中發(fā)現(xiàn)，南塬部分黃土滑坡在運動過程中會對塬下涇河階地易侵蝕基層（飽和粉砂、粉土層）造成沖擊。這種作用力的地質(zhì)跡象在滑坡現(xiàn)場表現(xiàn)為地表土層中出現(xiàn)的涌砂現(xiàn)象以及探槽揭露的滑帶土液化、滑坡前緣地層的逆轉(zhuǎn)錯斷、階地地層的錯亂和重復(fù)等現(xiàn)象。結(jié)合前人研究，初步分析產(chǎn)生這種現(xiàn)象的主要原因為滑坡在運動過程中對階地易侵蝕基層的沖擊，使易侵蝕基層得巖土體結(jié)構(gòu)被破壞，從而被滑體俘獲、裹挾，進一步導(dǎo)致滑體體積增大，勢能增大，運動距離增大[17-19]。然而，根據(jù)涇陽南塬典型黃土滑坡開挖斷面后發(fā)現(xiàn)的地質(zhì)跡象推測，涇陽南塬黃土滑坡在運動過程中垂直方向?qū)σ浊治g階地進行了俘獲、裹挾，在水平方向上對階地易侵蝕地層產(chǎn)生了推擠的同時，階地易侵蝕基層對滑坡的水平運動也存在阻礙作用。

為探明涇陽南塬高速遠程黃土滑坡運動特征及沖擊階地易侵蝕基層過程，選取涇陽南塬西廟店黃土滑坡為研究對象，基于現(xiàn)場調(diào)查及實驗分析得出的滑坡堆積體特征，利用PFC顆粒流軟件模擬滑坡演化過程，分析、探討其運動過程中速度場與位移場變化的內(nèi)在規(guī)律，以期為區(qū)域地質(zhì)災(zāi)害防治工作提供借鑒。

1?地質(zhì)背景

涇陽南塬位于涇河下游右岸，陜西省涇陽縣南部。受早期涇河侵蝕，涇陽南塬（涇河右岸）斜坡不斷破壞，低級階地在河流的侵蝕下逐漸缺失，最終在塬邊形成高30～90 m，坡度約50°的陡坡[17]。近年來，隨著涇河河道的不斷萎縮，涇河右岸一級階地形成，為滑坡的運動演化提供了良好的地形條件[20]。塬區(qū)出露地層主要為第四系黃土—古土壤序列。臺塬頂部為上更新統(tǒng)馬蘭黃土，厚10 m左右，中下部為中更新統(tǒng)離石黃土，夾5～7層古土壤。由于長年灌溉，塬區(qū)地下水位不斷上升[21]，黃土遇水后產(chǎn)生崩解、濕陷、溶蝕等作用，在荷載作用下繼而出現(xiàn)流變、液化、滑動等變形破壞現(xiàn)象[22]。

2?典型滑坡特征

2013年6月10日于涇陽縣太平鎮(zhèn)西廟店村西發(fā)生的西廟店滑坡是南塬地區(qū)新近發(fā)生的一起運動特征明顯且保留較為完整的遠程黃土滑坡。

該滑坡先后共發(fā)生過4起滑動，其中規(guī)模最大的為第1次滑動，此次滑動產(chǎn)生的堆積體體積約2.7×105m3，滑坡的最大滑動距離約為305 m.根據(jù)對西廟店滑坡的現(xiàn)場及走訪周圍群眾調(diào)查、資料收集分析得出西廟店滑坡發(fā)生突然，運動速度快，是典型的高速遠程滑坡（圖1，圖2）。

在現(xiàn)場調(diào)查中發(fā)現(xiàn)，西廟店第1起滑坡后壁與堆積體之間形成了滑坡洼地，滑坡洼地寬8～10 m，深3～5 m，堆積體表面存在連續(xù)的弧形地表起伏，堆積體兩側(cè)靠近邊界地區(qū)發(fā)育有羽狀裂縫，滑坡前緣地表出露為原地層，且因滑體的推擠而隆起，原階地上的樹木因受力形式差異，形成“醉漢林”。

為明確滑坡在運動過程中沖擊階地易侵蝕基層產(chǎn)生的內(nèi)部地質(zhì)跡象，在西廟店滑坡前緣開挖尺寸為50 m×30 m×10 m的探槽，探槽位置如圖1所示。

圖3為探槽中揭示的部分地質(zhì)跡象，從圖3中可以看出，滑坡堆積體前緣滑帶土高傾角剪出而形成的階地地層傾斜及重復(fù)排列（圖3（a））;部分位置有地層層序倒置和包卷等現(xiàn)像（圖3（b）、（c））;從堆積體中部及前部還發(fā)現(xiàn)有階地中粉砂層在地表的涌出現(xiàn)象（圖3（d））。

3?滑坡模擬分析

已有調(diào)查表明，涇陽南塬黃土滑坡在運動過程中對階地易侵蝕基層造成沖擊，最終于堆積體表面及內(nèi)部形成了一些特定的地質(zhì)跡象，代表了黃土地區(qū)基層侵蝕型滑坡的一種類型。這里采用顆粒流離散元PFC法，再現(xiàn)西廟店滑坡的運動過程，探索涇陽南塬滑坡從沖擊階地、侵蝕下基層到推覆前緣階地的運動過程。

3.1?模型建立

基于現(xiàn)場實測剖面，在簡化邊界之后，對西廟店滑坡的模型長度取值350 m，高度取值75 m，角度取值為60°，具體尺寸如圖4所示。模型主體由代表階地地層及滑體的顆粒（Ball）和代表模型邊界的墻（Wall）組成，根據(jù)不同土體選取不同粒徑大小，最終生成模型顆?？倲?shù)為6 895.模型地層由下到上為：1.5 m中-粗砂;1.5 m粉質(zhì)黏土;1 m粉砂;2 m中砂;2 m粉質(zhì)黏土。同時，在模型中設(shè)立50個監(jiān)測點，以便對模擬過程中滑體的速度和位移進行監(jiān)測。

3.2?參數(shù)選取

考慮到PFC軟件計算環(huán)境及滑坡宏觀運動研究需求，在借鑒前人研究的基礎(chǔ)上[23-26]，對微觀顆粒的粒徑進行了一定倍數(shù)的放大。模型中各地層細觀參數(shù)是在巖土材料模擬標(biāo)定的基礎(chǔ)上獲得的，具體參見表1.

3.3?結(jié)果及分析

3.3.1?滑坡運動過程

西廟店黃土滑坡模型模擬運行時間為84 s，運行步數(shù)為22.8萬步。結(jié)合整個運行過程發(fā)現(xiàn)，模擬時間超過55 s后，模型運動速度極小且未產(chǎn)生任何具有破壞性的地質(zhì)跡象，因此，此次模擬僅分析模型破壞性運動的0～55 s.整理模型運動過程得到圖5，圖6.圖5為模型運行過程中具有代表性的階段截圖，圖6為模型停止運動后的最終狀態(tài)。由圖可以看出，滑坡運動長度為253.2 m，其中，滑體在階地上的運動距離為189.6 m.

根據(jù)滑坡模型運動過程中滑體與階地易侵蝕基層的相互作用特征可將此滑坡模型的運動分為以下3個階段。

第1階段：沖擊置換階段（圖5（a）、（b）所示）。此階段中滑體在自身的重力作用下，產(chǎn)生向下的滑動力，以極快的速度沖擊坡腳階地地層，短時間內(nèi)在巨大的沖擊力作用下，坡腳的階地地層結(jié)構(gòu)被破壞，下部滑體擠入，階地地層被推擠出去，發(fā)生地層置換。沖擊底部的滑體受到來自階地的阻力速度減小且方向發(fā)生變化。同時，中部滑體自身裹挾著置換出來的階地地層向前發(fā)生水平運動。

第2階段：滑覆鏟刮階段（圖5（c）、（d）所示）。此階段特征為上下滑體之間的速度差，在第1階段結(jié)束后，下部滑體緩慢運動，中部滑體在裹挾階地地層之后自身加速度減小，而上部滑體此時以較快速度滑覆于中部滑體于階地地層之上，產(chǎn)生了一段快速滑動，當(dāng)上部滑體位移超過中部滑體而覆蓋于前方階地地層上時，滑體受到來自階地的摩擦，對階地地表產(chǎn)生了刮鏟作用，其運動速度進入相對減小的狀態(tài)。之后，上部滑體與中部滑體裹挾著鏟刮的階地地層一起向前滑動，下部滑體推擠階地地層向前運動。此階段中可見階地地層侵入滑體的現(xiàn)象。

第3階段：堆積推覆階段（圖5（e）、（f）所示）。由于第2階段滑體對階地鏟刮過程中的能量損耗，導(dǎo)致此階段中滑體的運動速度顯著降低。此階段最大特征為滑體產(chǎn)生的推力將自身擠入階地中，對階地前緣土體產(chǎn)生了推覆作用。

3.3.2?滑坡運動特征

模型建立時，設(shè)置有50個監(jiān)測點，其中滑體中10個監(jiān)測點，分4層設(shè)置，階地中40個監(jiān)測點，分8段設(shè)置，用以監(jiān)測模擬過程中滑體位移、速度的變化以及階地變形情況。

此處選取25個監(jiān)測點對滑坡運動過程中整體位移進行分析，選取19個監(jiān)測點對運動過程中X方向位移進行分析（圖6）。

圖7為監(jiān)測點整體位移圖，圖8為監(jiān)測點時間—X方向位移圖。整體而言，滑體中監(jiān)測點的位移量大于階地中監(jiān)測點位移量。

位于滑體中的1#～10#監(jiān)測點中，滑體下部監(jiān)測點的位移量基本大于上部監(jiān)測點的位移量，靠近臨空面的監(jiān)測點位移量基本大于滑體內(nèi)側(cè)監(jiān)測點的位移量。位移最大的為4#，7#監(jiān)測點，最小的為8#，9#監(jiān)測點。其中，1#監(jiān)測點位于滑體最下部，根據(jù)其位移軌跡發(fā)現(xiàn)其與階地地層發(fā)生了置換且停留在置換區(qū)域。

位于階地地層中的15個監(jiān)測點中，26#～30#監(jiān)測點位移量大于11#～15#監(jiān)測點位移量大于31#～35#監(jiān)測點位移量。11#～15#監(jiān)測點靠近滑體，位于沖擊置換區(qū)，11#監(jiān)測點位于階地最底層地層中，模擬過程中主要沿X方向運動，基本為水平位移，12#～15#監(jiān)測點的位移軌跡波動向前，根據(jù)圖8基本可分為2個階段，第1階段為0～5 s，監(jiān)測點受到階地突然的沖擊力而同時向前向下運動，運動軌跡波動向前，第2階段為5 s之后，監(jiān)測點被擠入階地最底層地層，開始穩(wěn)定的向前水平運動。26#～30#監(jiān)測點位于滑覆鏟刮區(qū)，28#～30#3個監(jiān)測點位于階地地層中下部，基本沿水平方向直線運動，26#，27# 2個監(jiān)測點位于階地上層地層中，由于受到滑體的鏟刮作用，運動軌跡波動向前，

且位移比28#～30#監(jiān)測點大。31#～35#監(jiān)測點位于堆積推覆區(qū)，其運動軌跡為向右上方伸展的直線，且上層地層中監(jiān)測點位移較下層地層監(jiān)測點位移大，可以看出滑體對地層有明顯的擠推作用。

選取滑體中10個監(jiān)測點以及階地中14#，27#，33#監(jiān)測點對其模擬過程中運動時間與速度之間的關(guān)系進行研究，圖9為選定監(jiān)測點時間—速度關(guān)系圖。

根據(jù)監(jiān)測點1#～10#運動時間—速度圖，發(fā)現(xiàn)滑體中設(shè)置的10個監(jiān)測點中，7#監(jiān)測點峰值速度最高，約36.2 m/s，其次為4#，峰值速度最小的為6#監(jiān)測點，約14.4 m/s，綜合分析1#～10#監(jiān)測點的速度變化情況發(fā)現(xiàn)位于滑體臨空面的監(jiān)測點運動速度基本大于位于滑體中內(nèi)部監(jiān)測點的運動速度，且滑體整體運動速度可分為3個階段：加速階段、減速階段以及低速波動階段。其中，加速階段對應(yīng)沖擊置換階段，運動時間為0～2.9 s;減速階段對應(yīng)滑覆鏟刮階段，運動時間介于2.9～5.7 s之間，慢速波動階段對應(yīng)堆積推覆階段，運動時間為5.7～84 s.

14#監(jiān)測點靠近滑體，其速度變化符合滑體運動速度的三階段規(guī)律，峰值速度為25.6 m/s;27#監(jiān)測點位于沖擊置換影響范圍內(nèi)，在滑體沖擊和推擠作用下監(jiān)測點速度迅速提升，達到峰值速度8.2 m/s后開始緩慢波動降低;33#監(jiān)測點位于堆積推覆區(qū)，滑體在此處已基本停止運動，僅借助剩余的推力將階地地層向前推覆，因此監(jiān)測點的運動速度沒有明顯的峰值存在，最大速度僅2.4 m/s.

3.3.3?滑坡作用力與地質(zhì)跡象

在對涇陽南塬黃土滑坡現(xiàn)場調(diào)查及數(shù)值模擬中發(fā)現(xiàn)了一些區(qū)域特有的地質(zhì)跡象，如圖10所示。

圖10（a）為滑體沖擊置換作用。涇陽南塬坡腳為涇河一級階地，平坦開闊的地形為高速遠程滑坡的發(fā)生提供了地形基礎(chǔ)，黃土滑坡發(fā)生時，滑體以較快速度脫離滑床，接觸階地的瞬間對階地地層造成了巨大的沖擊，破壞階地地層結(jié)構(gòu)，滑體擠入階地中，將階地地層推擠向前方，從而產(chǎn)生地層置換的現(xiàn)象。

圖10（b）為滑體對階地地層的鏟刮侵入作用，沖擊置換發(fā)生后，推擠出去的階地地層阻礙了下部滑體的運動，上部滑體滑下后，躍過被置換出來的階地地層繼續(xù)向前運動，在運動過程中，與階地地表接觸，對階地軟弱層進行了鏟刮和侵入。

圖10（c）、圖10（d）為滑坡前緣階地地層的逆沖剪斷及地層揉皺現(xiàn)象?；略谶\動到第3階段時，部分滑體侵入階地地層中，在推力消耗的過程中，滑體對階地地層產(chǎn)生推擠的作用，使滑坡前緣

原地貌受力隆起，產(chǎn)生地層揉皺和逆沖剪斷的現(xiàn)象。

圖10（e）為滑坡洼地?；w下滑過程中，靠近臨空面的滑體與內(nèi)部滑體之間的速度差導(dǎo)致洼地1的形成?；w置換階地地層停止運動之后，由于其自身重力的存在，產(chǎn)生了一定的塌陷，形成了洼地2.洼地3為滑體侵入階地地層后形成?；w推擠階地地層導(dǎo)致原地貌隆起后，與堆積體之間形成洼地4.而洼地5則為地表被揉皺的凹陷處。

除此之外，在野外調(diào)查中還發(fā)現(xiàn)了地表涌砂的現(xiàn)象。初步分析產(chǎn)生這一現(xiàn)象的原因為階地易侵蝕基層在滑坡沖擊作用下產(chǎn)生了較高的超孔隙水壓力[27-29]，液化了的粉砂沿著上覆土體的裂隙快速向上逃逸，從而形成顯著的豎向滲流通道和地表涌砂現(xiàn)象。

4?結(jié)?論

1）以涇陽南塬西廟店滑坡為研究對象，建立數(shù)值模型，模擬其運動過程，重現(xiàn)了涇陽南塬地區(qū)滑坡在運動過程中產(chǎn)生的鏟刮、推覆特征。

2）模擬滑坡運動過程共歷時84 s.模擬結(jié)束后，堆積體前緣到滑坡后壁的距離為253.2 m，滑體在階地上的運動距離為189.2 m.

3）通過對滑坡運動過程分析發(fā)現(xiàn)：滑坡運動過程可分為沖擊置換、滑覆鏟刮和堆積推覆3個階段階段。

4）通過對滑坡運動特征分析發(fā)現(xiàn)：滑坡運動過程中速度變化可分為加速（0～2.9 s）、減速（2.9～5.7 s）和慢速波動（5.7～84 s）3個階段。

5）通過分析滑坡的位移和速度情況發(fā)現(xiàn)：滑體中點靠近臨空面部分的位移和速度基本大于中內(nèi)測部分的唯一和速度，階地地層中上層地層的位移和速度基本大于下層地層的位移和速度。

6）滑坡運動過程的三階段與滑坡運動速度的三階段相對應(yīng)。

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