王延壽

（甘肅省有色金屬地質(zhì)勘查局天水礦產(chǎn)勘查院，甘肅 天水 741020）

0 引言

中國是農(nóng)業(yè)大國，用7%的全球耕地面積養(yǎng)活著近20%的世界人口。農(nóng)業(yè)是國民經(jīng)濟(jì)的基礎(chǔ)，對中國的發(fā)展起著很大的制約作用。截止到2020年，中國耕地面積大量流失，每年平均以5.64萬hm2的速度流失，究其原因主要有農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整、非農(nóng)建設(shè)占地和地質(zhì)災(zāi)害損毀等。農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整不會造成耕地永久流失，只是耕地方式的轉(zhuǎn)變；非農(nóng)建設(shè)占地和地質(zhì)災(zāi)害損毀將造成耕地永久流失。國家、鄉(xiāng)鎮(zhèn)基建建設(shè)和水利工程等占地是社會發(fā)展的需要，但地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生，不僅會造成人民財(cái)產(chǎn)經(jīng)濟(jì)損失，威脅人身安全，而且還會造成耕地的永久流失。

一般認(rèn)為，地質(zhì)災(zāi)害是指由于地質(zhì)作用（自然、人為或綜合）使地質(zhì)環(huán)境產(chǎn)生突發(fā)或漸進(jìn)破壞，并造成人類生命財(cái)產(chǎn)損失的現(xiàn)象或事件[1]。地質(zhì)災(zāi)害類型按其成因、空間分布狀況和地質(zhì)環(huán)境變化速度可分為很多種，造成耕地流失的地質(zhì)災(zāi)害主要有滑坡、崩塌和泥石流等。滑坡或崩塌是邊坡受外荷載等因素影響在重力作用下失穩(wěn)的一種自然現(xiàn)象，往往造成坡頂或坡腰耕地?fù)p毀，或掩埋坡腳耕地，造成耕地流失；泥石流是一種攜帶有大量泥沙和塊石的特殊洪流，往往會掩埋溝谷下游地帶和溝口耕地，從而造成耕地流失。

邊坡失穩(wěn)的影響因素較多，如各種建設(shè)工程活動開挖坡腳[2-3]、地震[4-5]、降雨[6-7]、凍融[8-9]等，從 1994 年開始，因農(nóng)田灌溉導(dǎo)致黃土邊坡失穩(wěn)問題，引起了學(xué)者們的關(guān)注并進(jìn)行研究，其中以涇陽南塬[10-11]和永靖黑方臺[12-13]地區(qū)灌溉誘發(fā)黃土滑坡最為典型。涇陽南塬塬邊臨近涇河，高陡的塬邊（坡高30～90m，坡度45°～80°）是滑坡形成的基礎(chǔ)條件[14]，較陡坡度(60°)的塬邊要比稍緩(45°)的塬邊早產(chǎn)生變形[11]，農(nóng)田灌溉水沿裂縫入滲坡體，抬高地下水位線[14]，坡體由不飽和狀態(tài)轉(zhuǎn)化為飽和狀態(tài)[15]，被水飽和軟化后土體抗剪強(qiáng)度急劇降低[16]，穩(wěn)定性降低[10]，形成滑坡造成耕地流失。永靖黑方臺臺塬滑坡的形成機(jī)理與涇陽南塬滑坡形成機(jī)理基本一致，臺塬邊臨近黃河，農(nóng)田灌溉水沿裂隙和落水洞等入滲，到紅黏土層滯留形成飽和層，且地下水位以0.64m/a的速度上升[17]，穩(wěn)定性降低[18]，形成滑坡造成耕地流失。

1 耕地流失與地質(zhì)災(zāi)害

天水市位于甘肅省東南部，地處隴中黃土高原與隴南山地的過渡地帶。境內(nèi)絕大部分為黃土丘陵區(qū)，黃土廣泛分布，覆蓋較厚土壤，以黃綿土、黑壚土和棕壤—灰褐色土為主要耕作土壤。天水市各區(qū)縣每年耕地面積變化如圖1所示，從1978—2017年，總共流失耕地面積2.5萬hm2（圖2），每年平均以近0.0625萬hm2/a的速度流失（圖3）。

圖1 各區(qū)縣耕地面積統(tǒng)計(jì)曲線

圖2 天水市耕地面積統(tǒng)計(jì)曲線

圖3 耕地面積增減統(tǒng)計(jì)曲線

天水耕地流失過程大致可分為4個階段，在1995年之前為第一階段，稱之為大量流失階段，從1978年的40.28萬hm2到1995年減少到39.12萬hm2，17年間減少了1.16萬hm2，每年平均以近0.07萬hm2/a的速度流失；從1995—1999年為第二階段，稱之為穩(wěn)定階段，從1995年的39.12萬hm2到1999年減少到38.93萬hm2，4年間減少了0.19萬hm2，每年平均以近0.05萬hm2/a的速度流失；從1999—2002年為第三階段，稱之為快速流失階段，從1999年的38.93萬hm2到2002年減少到37.87萬hm2，3年間減少了1.06萬hm2，每年平均以近0.35萬hm2/a的速度流失；從2002—2017年為第四階段，稱之為緩慢流失階段，其中從2002年的37.87萬hm2到2003年回升至38.20萬hm2，之后相對穩(wěn)定，2009年時，降至歷史最低值，為37.55萬hm2，2010年又回升至38.14萬hm2，之后又緩慢流失，2017年時為37.78萬hm2，15年間減少了0.09萬hm2，平均每年流失0.006萬hm2。

截止到2020年底，天水市共發(fā)育地質(zhì)災(zāi)害2024處，其中滑坡1160處，崩塌266處，泥石流218條，邊坡351處，地裂縫8處，地面塌陷21處（圖4）。本文邊坡系指具有一定臨空面或坡度且處于亞穩(wěn)定狀態(tài)，在外荷載因素影響下可能失穩(wěn)發(fā)生崩塌或滑坡而威脅人民人身財(cái)產(chǎn)安全的坡體。從區(qū)域上來看，天水市地質(zhì)災(zāi)害主要分布在秦州區(qū)、武山縣和麥積區(qū)，其次分布在清水縣、秦安縣和張川縣，甘谷縣最少（圖5）。

圖4 天水市災(zāi)害點(diǎn)統(tǒng)計(jì)圖

圖5 各區(qū)縣災(zāi)害點(diǎn)統(tǒng)計(jì)圖

從地質(zhì)災(zāi)害類型來看，滑坡發(fā)育數(shù)量最多，占總災(zāi)害點(diǎn)的57.31%；邊坡次之，占17.34%；崩塌第三，占13.14%；泥石流第四，占10.77%；地裂縫和地面塌陷最少，二者僅占1.44%。這主要與天水市地質(zhì)環(huán)境、氣候條件和人類工程活動有關(guān)，境內(nèi)絕大部分屬黃土丘陵區(qū)，區(qū)域內(nèi)黃土分布面廣，覆蓋較厚，垂直節(jié)理、裂隙發(fā)育，地質(zhì)環(huán)境十分脆弱。黃土與下伏基巖或新近系泥巖接觸面結(jié)構(gòu)軟弱，丘陵山地坡角一般大于20°，為地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生提供了基礎(chǔ)條件，加之“5.12”汶川地震、“7.22”岷縣漳縣6.6級地震、2013年“7.25”暴洪災(zāi)害、九寨溝7.0級地震、2018年極端天氣、2020年隴東南暴洪災(zāi)害對地質(zhì)環(huán)境的劇烈影響下，發(fā)生了大量滑坡和崩塌地質(zhì)災(zāi)害，在強(qiáng)降雨作用下，部分滑坡和崩塌體被水沖走，為泥石流提供物質(zhì)來源，從而引發(fā)了大量泥石流，具有明顯的災(zāi)害疊加效應(yīng)。另外，黃土丘陵區(qū)在雪融、農(nóng)田灌溉作用下亦極易引發(fā)崩塌和滑坡地質(zhì)災(zāi)害。

所有地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生并不一定會造成耕地流失，但耕地范圍內(nèi)的地質(zhì)災(zāi)害一定會造成耕地流失或損毀，為此，統(tǒng)計(jì)了威脅人民人身財(cái)產(chǎn)安全，包括威脅耕地農(nóng)作物范圍內(nèi)的地質(zhì)災(zāi)害數(shù)量，擬與1978—2017年間的耕地流失面積作統(tǒng)計(jì)分析。除甘谷縣外，其他各區(qū)縣耕地流失與地質(zhì)災(zāi)害具有較好的相關(guān)性，即地質(zhì)災(zāi)害數(shù)量越多，耕地流失面積越大（圖6）。

圖6 各區(qū)縣耕地流失面積與災(zāi)害點(diǎn)統(tǒng)計(jì)圖

2 農(nóng)業(yè)灌溉作用下邊坡穩(wěn)定性分析

截止到2017年底，天水市總耕地面積為37.78萬hm2，灌溉農(nóng)田面積約9.49萬hm2，占總耕地面積的25.12%。大多數(shù)灌溉區(qū)均有不同高度和坡度的邊坡發(fā)育，因此，以秦州區(qū)北山提灌區(qū)某邊坡為例，擬分析邊坡在灌溉水入滲坡體時的穩(wěn)定性變過過程。

2.1 計(jì)算方法

定量計(jì)算黃土邊坡穩(wěn)定性系數(shù)的常用方法有瑞典法、畢肖普法和簡布法，當(dāng)土條寬度、圓心步長和半徑步長分別等于0.8時3種方法計(jì)算得到的穩(wěn)定性系數(shù)基本一致[19-21]，故擬采用瑞典法。由于黃土邊坡穩(wěn)定性分析問題是一個高次超靜定問題，因而各種條分法都需要對未知量的數(shù)值或分布作一些假定，以便求解未知數(shù)。

瑞典法在求條底反力時忽略了條間力的作用，相當(dāng)于假定條間力Pi和Pi-1的合力ΔPi的方向平行于條底，如式(1)所示。

式中：Θi為條間力Pi和Pi-1的合力ΔPi的方向與水平方向的傾角；αi為條底傾角。

瑞典法圓弧滑動面的靜力方程如式(2)所示。

條底剪力Si方程如式(3)所示。

將方程(3)代入方程(2)，得穩(wěn)定性系數(shù)方程式(4)。

2.2 耕地邊坡物理力學(xué)性質(zhì)

該灌溉區(qū)耕地邊坡剖面圖如圖7所示，坡體表層為黃綿土，下部為第四系上更新統(tǒng)馬蘭黃土。為了更準(zhǔn)確的獲得該邊坡的物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)和灌溉水入滲過程時的穩(wěn)定性系數(shù)，分別在 0.3、1.3、3.3、5.3、7.3、9.3、11.3、13.3、15.3、17.3、19.3、21.3m處采集試樣，進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)，分別代表土壤層(L1)和黃土層(L2～L12)的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)。

圖7 算例計(jì)算模型示意（單位m）

在野外采集試樣后，立即采取密封措施，保證原狀試樣含水率不變，并做好防震措施，確保試樣送至實(shí)驗(yàn)室時不被擾動破壞。試驗(yàn)分兩步進(jìn)行，第一步，測試每層原狀試樣的物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)，包括含水率、比重、密度、孔隙率、孔隙比、液性指數(shù)、塑性指數(shù)、容重、粘聚力和內(nèi)摩擦角等，用于計(jì)算天然狀態(tài)下該耕地邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)；第二步，對原狀試樣進(jìn)行飽和處理，然和測試飽和試樣的物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)，用于計(jì)算農(nóng)田灌溉狀態(tài)下該耕地邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)。經(jīng)試驗(yàn)測得該邊坡的主要力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)如圖8所示，含水量、容重、粘聚力和內(nèi)摩擦角隨深度的增加略有增大的趨勢，飽和時含水量和容重較天然狀態(tài)時大，粘聚力和內(nèi)摩擦角較天然狀態(tài)時小。

圖8 黃土物理力學(xué)性質(zhì)

2.3 結(jié)果與分析

經(jīng)計(jì)算得該灌溉渠邊坡在天然狀態(tài)下穩(wěn)定性系數(shù)為1.074；隨著灌溉水入滲深度的加深，土體飽和層厚度加厚，穩(wěn)定性系數(shù)逐步降低（圖9）；當(dāng)灌溉水僅使土壤層飽和時，穩(wěn)定性系數(shù)為1.072，相對天然狀態(tài)時變化極?。浑S著灌溉水的持續(xù)入滲，飽和層土體厚度達(dá)到2m時，該邊坡穩(wěn)定性系數(shù)<1.05；當(dāng)灌溉水繼續(xù)入滲使飽和層土體厚度達(dá)到10m時，穩(wěn)定性系數(shù)等于1，處于臨界值；當(dāng)飽和層土體厚度達(dá)到15m時，穩(wěn)定性系數(shù)降至0.952，但是，隨著灌溉水的持續(xù)入滲，飽和層土體厚度不斷增厚，該邊坡穩(wěn)定性系數(shù)不再變化，說明該邊坡失穩(wěn)發(fā)生滑坡時，剪出口位于15～20m之間。

圖9 穩(wěn)定性系數(shù)變化圖

按照邊坡穩(wěn)定狀態(tài)劃分表（表1），在天然狀態(tài)下該邊坡處基本穩(wěn)定狀態(tài)；當(dāng)灌溉水持續(xù)入滲使飽和層土體厚度達(dá)到2m范圍內(nèi)時，仍處于基本穩(wěn)定狀態(tài)；當(dāng)灌溉水入滲使飽和層土體厚度2～10m范圍內(nèi)時，處于欠穩(wěn)定狀態(tài)；當(dāng)灌溉水入滲使飽和層土體厚度超過10m時，邊坡處不穩(wěn)定狀態(tài)，失穩(wěn)發(fā)生滑坡，從而造成耕地流失。

表1 邊坡穩(wěn)定狀態(tài)劃分表

3 結(jié)論

利用基于極限平衡法的瑞典法對天水市秦州區(qū)北山灌溉區(qū)邊坡進(jìn)行了穩(wěn)定性定量計(jì)算，得到如下結(jié)論。

（1）因該耕地邊坡地層為黃土，其抗剪強(qiáng)度較小，加之坡度較陡，高度較大，在天然狀態(tài)下處于基本穩(wěn)定狀態(tài)，在外荷載因素影響下失穩(wěn)的可能性較大，易形成滑坡造成耕地流失；

（2）在農(nóng)田灌溉期，僅土壤層浸水飽和不會使邊坡失穩(wěn)，但隨著灌溉水入滲坡體的深度加深，土體飽和層厚度加厚，邊坡穩(wěn)定性逐步降低，當(dāng)灌溉水入滲使飽和層土體厚度>10m時，邊坡失穩(wěn)，形成滑坡，造成耕地流失。