黄土滑坡成因机制分析及稳定性评价

王强基

（甘肃省地矿局第四地质矿产勘查院，甘肃 酒泉 735000）

0 引言

黄土滑坡在我国分布较广，且具有一定的特殊性，因此，开展其针对性研究具有重要意义[1-3]。目前，穆青翼等[4]对互层黄土滑坡进行稳定性分析；常波等[5]通过试验研究了黄土滑坡滑带土的力学特征；李阳等[6]分析了黄土滑坡的影响因素；张抒等[7]利用数值模拟开展黄土滑坡预警模型研究。

虽然上述研究取得了相应成果，但是均未系统地分析黄土滑坡成因机制及其稳定性特征，由于不同滑坡所处地质条件存在一定的差异，因此有必要进一步对这两个方面进行研究。

综上所述，该文以某巨型黄土滑坡为工程背景，在介绍滑坡地质环境及发育特征的基础上，先开展其成因机制分析，并利用数值模拟评价滑坡稳定性，以期为其防治提供一定的理论指导。

1 工程概况

1.1 项目区地质环境条件

结合现场调查成果，将项目区周边地质条件如下。

1.1.1 地形地貌条件

项目区周边地貌类型主要可划分为2 类，即黄土丘陵地貌和河谷地貌。①黄土丘陵地貌。该类型地貌分布高程为1250m~1750m，斜坡自然坡度为15°~45°，局部可达60°，发育有较多“V”形河谷、陡崖、和落水洞等微地貌，整体地形起伏较大，水土流失也较为严重。②河谷地貌。该类型地貌分布高程为1110m~1200m，最大高差仅50m，起伏较小，较为平坦。

1.1.2 地层岩性条件

在项目区，下覆基岩主要为新近系泥岩，以棕红色、褐红色为主，强风化~中风化，其中，强风化层厚度为5 m~16 m，岩芯形态多具短柱状，节理裂隙较发育，完整性相对较差；中风化层厚度为6 m~10 m，岩芯可呈长柱状，局部保留原岩结构，力学强度较高，完整性相对较好。

第四系地层主要为黄土、黄土状土，前者岩性主要为粉土，浅黄色，结构松散，降雨易入渗，垂直节理较发育；后者主要是黄土经过二次搬运后堆积而成，力学强度较低，一般较薄，土质疏松。

1.1.3 地质构造条件

项目区历经多次构造，构造线主要为NWW 向，其中，离该文实例最近的构造为某背斜构造，最小距离约35 km；由于构造发育，对区内地层结构具有较大的影响，主要表现为地层结构面发育，完整性变差，力学性质变弱。

1.1.4 水文条件

项目区附近未见明显地表水体。地下水主要为孔隙、裂隙水。前者又可细分为黄土潜水和沟谷潜水，其中，黄土潜水存在于黄土孔隙中，矿化度为0.65g/l~1.21g/l；沟谷潜水主要位于冲沟内地层孔隙中，水质一般较差，矿化度为1.15g/l~1.55g/l。后者主要存在于基岩裂隙中，由于泥岩属相对隔水层，一般来说，这类地下水的水量较为匮乏，水质也较差，因此难以满足生活用水的要求。

1.1.5 人类工程活动条件

滑坡区范围内的人类工程活动较为强烈，活动类型主要为农业耕种、房屋建设等，其中，在农业耕种过程中，除改变原始地表形态外，还存在显著的灌溉特征；房屋修建主要形成了规模不一样的边坡。

1.2 滑坡发育特征

1.2.1 滑坡形态、结构特征

滑坡平面呈“簸箕”状，主滑方向为185°，后缘以Ⅳ级阶地陡坎处为界，前缘直抵Ⅱ级阶地，左、右两侧以山脊为界，边界特征清晰。

滑坡前、后缘高程分别为1115m 和1553m，高差438m，纵向长度约1600m，横向宽度约1100m，厚度为20m~30m，最大厚度可达40m，体积约4000×104m3，属巨型黄土滑坡。滑坡区地表也具陡缓起伏特征，其中，后缘相对较陡，坡度可达55°~67°，局部还近似直立；前缘相对较缓，坡度为22°~35°。

根据钻探成果，滑坡土体结构特征如下：①滑体。岩性主要为离石黄土、马兰黄土，局部夹杂少量碎块石，厚度为20m~30m，最大厚度可达40m；土体结构较为松散，存在较大孔隙，潮湿，结构裂隙较为发育。②滑带。滑带主要位于基覆界面，倾角为17°~22°，近似圆弧状，剪出口位于坡脚；滑带土岩性主要为粉土夹粉质黏土，厚度20cm~35cm，含有细小砾石，磨圆度较优。③滑床。滑床为新近系基岩，其岩性特征已在前面的地层岩性中介绍，不再赘述。

滑坡主滑剖面的结构特征示意如图1 所示。

图1 滑坡主滑剖面示意图

1.2.2 滑坡区地下水特征

在滑坡区内可见一处明显泉眼，泉眼主要赋存于Ⅳ级阶地地层中，接受大气降雨补给，水量受季节性变化较大；在钻孔过程中，未揭露地下水，因此，推迟滑坡体内地下水富集较为集中。

1.2.3 滑坡历史发育特征

根据调查，该滑坡最早在1920 年出现过裂缝，其成因是地震；在1965 年、1986 年暴雨期间，裂缝有进一步扩展的特征；进入90 年代后，坡体表层常在雨季出现规模不一的裂缝，多数可自动愈合，但是部分也具有逐年扩展特征，尤其是在 2019 年，连续降雨使滑坡局部出现垮塌，导致房屋垮塌，造成严重威胁。

在滑坡形成历史上，据记载的特征裂缝主要为6 条，裂缝特征如下。

裂缝1：延伸长度约105 m，宽度为10~20 cm，可见深度约1.3 m，下错高度约40 cm。

裂缝2：延伸长度约212 m，宽度为8~35 cm，可见深度约0.8 m，下错高度约28cm。

裂缝3：延伸长度约76 m，宽度为20~43cm，可见深度约1.7m，下错高度约20cm。

裂缝4：延伸长度约85m，宽度为16~28cm，可见深度约0.4m，下错高度约18cm。

裂缝5：延伸长度约120m，宽度为22~35cm，可见深度约0.6m，下错高度约25cm。

裂缝6：延伸长度约100 m，宽度为20~40cm，可见深度约0.4m，下错高度约35cm。

综上所述，充分说明该滑坡的历史发育特征显著。

1.2.4 滑坡现状特征

目前，滑坡地表的变形特征显著，变形迹象主要为裂缝、洼地和落水洞等，其中，最大落水洞直径可达4 m；同时，区内居民生产生活仍旧正常进行，主要威胁302 户1540 余人，潜在威胁巨大。

综合来说，现状条件下，滑坡稳定性相对较差，存在较大的失稳风险，危险性较大。

2 成因机制分析

综上所述，该文实例滑坡属于典型的黄土滑坡，结合其地质条件，将其成因分析如下。

2.1 降雨成因

降雨时滑坡变形失稳的主要诱因，根据现场调查，滑坡区多年平均降雨量为654.15 mm，主要集中于5—9 月，这期间降雨可占年降雨量的77.5%，尤其在7—8 月，这两个月的降雨量就占全年的40.5%，因此说明滑坡区具丰富的降雨量，且强降雨特征显著。

一方面，降雨会渗入土体中，提高土体自重，进而增加下滑力，并会减弱土体抗剪参数，也会减弱滑坡抗滑力。另一方面，降雨会沿裂隙入渗至坡体内部，会造成坡体结构裂隙进一步扩展，减少滑坡完整性。

2.2 地形地貌

成因滑坡地表具有陡缓变化特征，在坡肩纵向节理发育基础上，易出现局部垮塌变形，如此往复，会造成滑坡浅表层土体极不稳定，一定程度上影响滑坡整体稳定性。

2.3 坡体结构成因

由于该滑坡是黄土滑坡，易形成竖向节理，且黄土雨水易形成微观裂隙，因此，该滑坡体内部结构较为脆弱，完整性较差，这会严重影响滑坡的整体稳定性。

2.4 前缘侵蚀成因

该滑坡前缘河流发育，其会长期侵蚀滑坡前缘坡体，形成陡坎。一方面，陡坎自稳能力有限，易出现局部垮塌；另一方面，由于河流不断侵蚀，使前缘土体逐步减少，减弱了前缘抗滑力；综合这两个方面，极大程度地减弱了滑坡自稳能力。

2.5 人类工程活动成因

该滑坡地表居民分布较多，一方面，房屋修建等会在一定程度上改变地表形态，有利于降雨入渗；另一方面，灌溉、生活用水等会长期渗入土体，即会长期影响土体自稳能力。

2.6 地震成因

由于地震发生时会在坡体内引起地震力，将会改变坡体内的应力分布，产生新的结构面，减弱土体完整性；地震在造成土体松动的基础上，局部高陡边坡可能出现局部失稳的情况。

黄土滑坡的成因相对较多，各类成因并不是单一作用使滑坡形成，是上述所有因素综合作用导致滑坡变形，甚至失稳。

3 滑坡稳定性评价

综上所述，滑坡潜在威胁较大，因此，对其稳定性进行评价具有重要的意义。考虑到该滑坡地层结构、规模均较为复杂，提出利用数值模拟开展滑坡稳定性评价。

3.1 评价方法及工况设计

3.1.1 评价方法

在该文数值模型的稳定性计算模块中，稳定性评价方法主要包括M-P 法和Bishop 法，其中，M-P 法在不同类土质滑坡中均有较好的适用性，由于其考虑了力矩及力的平衡，可沿任意滑面开展稳定性计算；Bishop 法同样适用于不同类土质滑坡，虽然可以自动搜索最危险滑面，但是对滑面要求为圆弧状。由于上述2 种方法各有优势，因此，提出利用这两种方法分别开展滑坡稳定性评价。

通过软件模拟可计算得到滑坡稳定系数Fs，利用其即可开展滑坡稳定性评价：1）当Fs小于1.0 时，滑坡处于失稳状态。2）当Fs不小于1.0 且小于1.05 时，滑坡处于欠稳定状态。3）当Fs不小于1.05 且小于1.15 时，滑坡处于基本稳定状态。4）当Fs不小于1.15 时，滑坡处于稳定状态。

3.1.2 工况设计

根据第2 节成因分析可知，降雨和地震是该文实例滑坡成灾的重要诱因，因此，将稳定性计算工况设置为3 类，即天然工况、暴雨工况和地震工况。

3.1.2.1 天然工况

从天然状态角度出发，滑体、滑带均采用天然状态参数，且地下水也考虑低于滑带时的状态，并将该状态下的渗流场作为初始渗流场。

3.1.2.2 暴雨工况

由于滑坡区降雨条件显著，且降雨具强降雨特征，因此，将降雨工况又进行细分，其中，降雨概率设置为10 年一遇和50 年一遇；降雨历时设置为1h、6h、和12h。

结合降雨概率及降雨历时，该文暴雨工况又细分为6 类子工况，见表1。

表1 暴雨工况条件下的子工况（单位：mm）

3.1.2.3 地震工况

在该工况计算过程中，主要是在坡体内附加地震力，且一般只考虑水平地震力；结合滑坡区属Ⅷ度区，因此其水平峰值加速度取0.25 g。

3.2 稳定性评价结果分析

由于滑坡稳定性评价工况有3 类，因此，在该节的评价过程中，也对各类工况进行逐一分析。

3.2.1 天然工况条件下的稳定性评价结果

通过计算，M-P 法计算得到的稳定性系数为1.415，Bishop法计算得到的稳定性系数为1.382，两者均属于稳定状态，相对来说，Bishop 法的稳定性系数略小，说明其稳定性计算结果更保守。

3.2.2 暴雨工况条件下的稳定性评价结果

由于暴雨工况又细分了子工况，因此，对各子工况条件下的稳定性计算结果均进行统计，结果见表2。根据表2，不同降雨概率、降雨历时条件下的稳定性系数存在明显差异，其中，随降雨历时增加，稳定性系数逐渐变小，1h~6h 的稳定性系数为0.007~0.050，6h~12h 的稳定性系数为0.080~0.104，可以看出，随着降雨历时增加，稳定性系数的减少幅度逐渐增大。在相应降雨历时条件下50年一遇的稳定性系数要小于10年一遇的稳定性系数，这很好理解，随着降雨量增加，滑坡稳定性减弱，也进一步说明降雨时滑坡失稳的重要成因；在相同降雨历时、降雨概率条件下，M-P 法的稳定性系数也略大于Bishop 法的稳定性系数，进一步验证了后者相对更保守。

表2 暴雨工况的稳定性系数

为进一步掌握不同降雨历时、降雨概率对滑坡稳定性的影响程度，经统计，在M-P 法计算结果中，50 年一遇降雨概率条件下的稳定性与10 年一遇降雨概率条件下的稳定性相比，1 h 降雨历时情况下稳定性系数减少1.39%，6 h 降雨历时情况下稳定性系数减少0.67%，12 h 降雨历时情况下稳定性系数减少1.52%，三者的变化差异相近；类比，在Bishop 法计算结果中，50 年一遇降雨概率条件下的稳定性与10 年一遇降雨概率条件下的稳定性相比，1 h 降雨历时情况下稳定性系数减少了3.35%，6 h 降雨历时情况下稳定性系数减少1.44%，12h降雨历时情况下稳定性系数减少1.29%，三者变化也不大，对比来说，Bishop 法的稳定性系数减少幅度更大，这也进一步说明Bishop 法的稳定性计算结果更保守。

3.2.3 地震工况条件下的稳定性评价结果

在地震工况条件下，到的稳定性系数为1.025，Bishop 法计算得到的稳定性系数为0.983，前者属于欠稳定状态，后者属于不稳定状态。

3.2.4 不同工况的稳定性综合对比

综上所述，不同工况条件下的稳定性系数存在较大的差异，对比而言，地震工况条件下的稳定性系数相对最小，其次是暴雨工况和天然工况，说明地震工况是该滑坡的设计工况，且在该工况条件下存在较大的失稳风险。该滑坡设计工况不是暴雨工况的原因如下：该滑坡滑体厚度主要为20~30 m，最大厚度可达40 m，一般来说，降雨难以短时间渗入滑面，加之滑坡规模较大，附加地震力随之较大，因此，该滑坡的设计工况才为地震工况，而不是暴雨工况。在该滑坡后续防治设计过程中，建议以地震工况进行设计，并进一步结合区内气象资料，增加降雨时长，设置合理校核工况。

4 结论

对黄土滑坡成因机制进行分析，对其稳定性进行评价，主要得到以下3 个结论：1）黄土滑坡具有其特殊性，其致灾成因主要包括降雨、地形地貌、坡体结构、前缘侵蚀、人类工程活动及地震等，各类成因并非单一作用，是所有因素综合作用导致滑坡变形，甚至失稳。2）三类工况条件下的稳定性系数存在较大差异，相比而言，地震工况条件下的稳定性系数相对最小，其次是暴雨工况和天然工况，说明地震工况是该滑坡的设计工况，且在该工况条件下存在较大的失稳风险。因此，开展此滑坡防治研究显得格外重要。3）通过该文研究，掌握滑坡成因及其稳定状态，可在此基础上进一步研究滑坡防治措施，保障区内居民的生命财产安全。