泥流型黄土滑坡与洞穴成因机制及其相互作用

时间：2024-07-28

张坤

(中铁第一勘察设计院集团有限公司，陕西西安 710043)

中国西北黄土高原区沟壑纵横，地形破碎，黄土广泛分布，气候干燥，滑坡、崩塌、泥石流等不良地质发育。黄土洞穴作为黄土地区一种特殊微地貌，广泛分布于黄土梁、峁、台塬边缘地带、沟谷等，这种洞穴灾害对铁路、公路、运输管道等工程危害程度极高，极易诱发边坡失稳、滑坡复活、洞室垮塌等地质灾害，尤其是黄土滑坡与洞穴之间关系十分密切，甚至互为因果。随着西部大开发建设，在黄土滑坡及洞穴研究方面成果颇丰。李喜安等[1]、彭建兵等[2-3]、胡永占[4]、丁建强[5]分析了黄土洞穴的分布规律、成因机制、致灾机理。李治财等[6-7]对黄土滑坡与黄土洞穴相关性及相互作用作了深入的研究。吴玮江等[8]研究了泥流型黄土滑坡特征及成因。

本文在以前学者研究成果的基础上，选取宝兰客运专线峡口滑坡这一典型实例，对泥流型黄土滑坡与洞穴的成因机制及其相互作用进行深入的探讨，并提出综合治理方法。本文的研究成果可为黄土滑坡防治和洞穴治理等类似工程提供参考。

1 峡口滑坡概况

峡口滑坡位于定西市通渭县东南侧宝兰客运专线峡口隧道出口端附近，地处黄土梁峁区，上部地层为第四系全新统堆积砂质黄土、上更新统风积砂质黄土，下伏基岩为华力西期花岗岩、震旦系片岩，线路以隧道形式下穿滑坡体，隧道洞身穿越滑床，岩性主要为强风化～弱风化花岗岩。

2 滑坡特征及成因机制

2.1 泥流型黄土滑坡的特征

峡口滑坡形成于三面环山的“凹”形地形中，分为滑坡滑缘区、滑动流通区和沟口扇形堆积区[9-11]，为典型的泥流型黄土滑坡。滑坡体长560 m，宽420 m，厚5～15 m，滑坡前缘与后缘高差约128 m，滑坡后壁陡峭，且呈“圈椅状”环绕，滑坡体上地形受冲沟切割严重，共发育4条大型黄土冲沟，黄土洞穴密布，大部分沿冲沟发育。在流通区由于两侧基岩为稳定岩体，形成瓶颈，滑坡体的宽度变窄，最窄处宽度47 m。滑坡体前缘由于地形开阔，滑动速度降低，土体呈扇形堆积。滑坡形态如图1所示。

图1 峡口滑坡三维示意

2.2 峡口滑坡成因机制

1)地形地貌条件

峡口滑坡宏观区域与微观地貌上均属于黄土滑坡易发区。从黄土滑坡的区域分布来看，陇西地区黄土滑坡群集性最为明显，在临夏地区次之，在陇东、陕北、晋西等地区沿着黄河峡口、渭河等水系呈条带状群集。峡口滑坡位于定西市通渭县东南侧，属于陇西地区，为黄土滑坡高发区。从微观地貌来看，滑源区地形陡峭，地处黄土梁峁区，高度约50 m，坡角约40°，自然坡坡率大于砂质黄土边坡稳定坡率1∶1.25(约38°)[11]。

2)汇水条件

峡口滑坡呈三面环山“凹”形地形，汇水能力强，排水能力差。通过对现场滑坡体的调查，反推黄土滑坡滑动前的地形，可知北侧、东侧、南侧斜坡高陡，坡脚相对平缓，形成上陡下缓地形，相对高差约50 m，三侧高陡地形形成“圈椅状”，地表径流汇聚于此，侵蚀坡脚土体，土体易被软化，抗剪强度降低，减少了前缘的下滑阻力，导致了滑坡的发生。

3)土体条件

峡口滑坡的上部地层主要为第四系上更新统风积砂质黄土，下伏基岩为华力西期花岗岩及震旦系片岩。表层黄土具有针状孔隙(孔隙比e=0.5～0.6)，垂直节理发育，根据试验结果，该区域大部分为自重湿陷性黄土，湿陷性等级为Ⅳ级(严重)，湿陷性土层厚度10～15 m。

4)坡面黄土冲沟洞穴发育

斜坡坡面黄土冲沟及洞穴破坏了坡体的完整性。根据现场调查和工程地质类比法分析，在该区域黄土斜坡上坡面洞穴十分发育，洞穴的种类多样，以黄土陷穴、暗穴为主，部分有坡面蝶形洼地，黄土洞穴沿坡面冲沟呈串珠状发育，极大破坏了斜坡土体的完整性，同时加剧了地表水下切入渗，降低了斜坡的稳定性。

3 洞穴分布特征及成因机制

3.1 滑坡体中洞穴分布特征

野外调查后发现，黄土洞穴尤为发育，有陷穴、暗穴、黄土井等洞穴共38处，大部分沿冲沟发育，其中最大黄土井直径25 m，深度20 m，陷穴壁直立，呈竖井状。滑坡后壁上，黄土洞穴以跌穴、水涮窝为主，其发育密度较大，群集性明显，但其发育程度较低，洞径和洞深一般在1～2 m内。洞穴分布走向与滑动方向大体一致。滑坡体后缘分布有滑坡滑动时产生的边缘呈弧形展布的张拉裂缝，后缘较陡，滑体较缓，为陡缓交界变坡点，黄土洞穴常沿裂缝发育，发育程度比较高，洞径和洞深一般在3～5 m内，洞穴分布走向与裂缝走向一致，两者都与滑动方向大体垂直。

滑坡体中，黄土洞穴以蝶形洼地、黄土陷穴、黄土井为主，发育程度高，规模一般较大，洞径和洞深一般在10～25 m内。洞穴沿冲沟发育。

3.2 滑坡体上黄土洞穴成因机制

1)内在因素

黄土的结构体系为骨架颗粒相互胶结在一起，胶结物的主要成分为易溶盐，在雨季水流侵蚀作用下，易溶盐胶结成分被溶蚀带走，黄土骨架结构遭到破坏，产生湿陷，且部分黄土颗粒被带走，从而形成黄土洞穴。黄土洞穴主要发育在第四系全新统和上更新统的新黄土中，以粉粒为主，粒径0.05～0.005 mm，土质疏松，具有大孔隙和节理裂隙，且其渗透性较大，垂直方向大于水平方向，随着深度的增加渗透性减弱。峡口滑坡发生后，土体进一步疏松，孔隙比增大(e=0.8～1.0)，滑坡体中分布有大量由于滑动产生的裂缝，黄土的渗透性进一步增强，自重湿陷量和总湿陷量都会进一步增加。在地表径流条件下，滑坡体中黄土洞穴的发育密度和程度都会进一步增加。

2)外在因素

野外调查发现，降雨的强度和频率对洞穴侵蚀程度有影响。比较集中的地表积水能够持续不断地渗入地下引起冲刷潜蚀，对裂隙壁、微洞穴等的冲刷潜蚀足以引起暗穴的形成并扩大。峡口滑坡三面环山的“凹”形特殊地形，特别容易汇水。黄土滑坡形成后，改变了坡面的坡形，坡面凹凸不平，凹形坡和阶梯形坡面汇水能力强，排水能力差。滑坡后缘张拉裂缝、洼地、台阶等处形成了有利于黄土洞穴形成的汇集、流通、排泄及侵蚀条件。雨水冲刷的进一步发展形成冲沟洞穴。

4 黄土滑坡与洞穴的相互作用分析

4.1 黄土滑坡体对洞穴的影响

滑坡体土质疏松，增加了黄土洞穴的发育密度。黄土滑坡导致土体破碎，坡体上拉张、扇状、鼓张等裂缝发育，加速了黄土的崩解、渗透、侵蚀，并为黄土洞穴提供了物质搬运空间、堆积空间及渗流通道，因此加快了滑坡体上洞穴的发育速度。在短时间强降雨条件下，易形成密度高、规模大的各类洞穴。

黄土滑坡改变了原始地形、坡度，影响黄土洞穴的发育特征。滑坡发生以后，坡体整体变得平缓，部分滑坡体地形变得凹凸不平，在陡缓交界、沟槽、裂缝等处易于汇水，在雨水作用下加剧了洞穴的发育速度。

4.2 黄土洞穴对滑坡体的影响

黄土洞穴降低滑坡体的完整性。滑坡体上密集分布的各类洞穴的发展和破坏，使得滑坡体变得更加支离破碎，大量固体颗粒物质被地表径流冲刷带走，在滑坡体前缘堆积，坡体完整性降低。冲沟内常发育有呈串珠状的黄土洞穴，受雨水冲刷、潜蚀作用，冲沟两侧陡坎易发生局部跨塌，加速破坏坡体表面的完整性。

黄土洞穴加剧了滑坡边界的形成。滑坡周界易形成由于滑坡滑动产生的拉张裂缝和剪切裂缝，裂缝在降雨条件下易形成黄土细沟、切沟和洞穴，在雨水冲刷作用下两侧沟壁逐步坍塌，沟底部逐步下切，细沟、切沟进一步发展为冲沟和规模宏大的黄土陷穴、竖井。1#冲沟和4#冲沟构成了滑坡的西侧边界和东侧边界。

黄土洞穴系统改变了土体的渗流条件。滑坡体中的陷穴、暗穴、黄土竖井等大量洞穴改变了坡体的渗透条件，造成地表水的集中入渗，加剧了地下水的活动，软化土体，降低其抗剪强度。随着2#冲沟的进一步扩展，促使沟壁两侧临空面的形成，易诱发滑坡的复活。

图2 黄土洞穴治理现场

5 黄土滑坡与洞穴的治理

对黄土滑坡体的治理首先需评价滑坡体的稳定性，峡口滑坡在重力和地下水作用下产生滑动后，坡体由陡变缓，滑体的重力势能降低，通过试验数据，滑带土的黏聚力为9 kPa，内摩擦角为9°，推测沿土石界面折线型滑动面的稳定性系数Fs=1.1，滑坡体处于稳定状态。

对滑坡体上黄土洞穴的治理需采取“排、截、填”综合治理方法(如图2所示)。黄土洞穴分布密集，发育程度高，仅靠单一回填的方法很难取得较好的效果，在陷穴回填的基础上需做好排水沟、截水沟的设计。在施工过程中，根据现场调查陷穴尺寸大小，分别采取了不同的回填处理方式：洞身地表黄土陷穴采取了回填处理，对于深度<2 m的小陷穴，全部采用三七灰土分层回填；对于陷穴口直径<10 m的一般陷穴，采用改良土回填处理，并理顺地面排水系统；对于陷穴口直径≥10 m的特大陷穴，在指定取土点(避免诱发滑坡二次滑动)按要求取土进行回填，在接近地面2 m采用三七灰土分层回填，并理顺地面排水系统。其次增设排水设施，在滑坡体后缘周边设置钢筋混凝土截水天沟，1#—4#冲沟内黄土陷穴回填后依据沟心地形铺设钢筋混凝土排水沟。运营后，利用天窗时间对峡口隧道进行洞内排查，在洞身下穿滑坡体浅埋段仰拱及二衬未见渗水现象，黄土陷穴的综合处理措施效果较好。