隴東地區(qū)黃土滑坡穩(wěn)定性分析

張俊義，楊 強，楊秀元，王愛軍，丁偉翠

(1.中國地質(zhì)調(diào)查局水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)調(diào)查中心，河北保定 071051;2.中國地質(zhì)科學院 地質(zhì)研究所，北京 100037)

滑坡是指斜坡上的巖土體受河流沖刷、地下水活動、地震及人工切坡等因素影響，在重力作用下沿一定的軟弱帶(面)，整體或部分向下滑動的地質(zhì)現(xiàn)象。黃土滑坡的滑坡體基本由黃土及黃土狀土組成，分為黃土層內(nèi)滑坡和黃土接觸面滑坡兩種類型。

隴東地區(qū)地處黃土高原腹地，分布有厚達百米的黃土，由于流水的長期侵蝕、切割，黃土高原被分割成了大小不等的塬、梁、峁和縱橫深切的溝壑，相對高差150～250 m，是滑坡災(zāi)害高易發(fā)區(qū)［1］，主要地質(zhì)災(zāi)害有滑坡、崩塌、泥石流等，其中以黃土滑坡最為嚴重［1－4］。近年來，隨著隴東地區(qū)公路、鐵路等大型項目建設(shè)對地質(zhì)環(huán)境改造的加劇，滑坡等地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生概率大大增加，因此研究隴東地區(qū)黃土滑坡的穩(wěn)定性，對于減輕滑坡?lián)p失和保障群眾生命財產(chǎn)安全具有重要意義。

1 地質(zhì)環(huán)境背景

隴東地區(qū)屬高原大陸性季風氣候區(qū)，年均氣溫7～9℃，年降水量500～800 mm，降雨多集中在7～9月份，且多連陰雨、暴雨。區(qū)內(nèi)較大的河流有達溪河、黑河、蒲河、紅河、汭河、馬蓮河、四郎河和葫蘆河等，均屬涇河水系，隨地勢自西北流向東南，降水是涇河河水補給的主要來源［5－6］。

隴東地區(qū)海拔800—2 200 m，地勢總體上西北高、東南低，由西北向東南傾斜，地貌形態(tài)以黃土殘塬、梁、峁為主，中低山次之，間河谷平原、小型盆地;地處阿拉善—華北板塊的次級單元鄂爾多斯盆地的西南緣，地質(zhì)構(gòu)造簡單，褶皺斷裂構(gòu)造不發(fā)育，局部有小的斷層及褶曲;主要發(fā)育于中生代和新生代地層，包括三疊系、侏羅系、白堊系、新近系和第四系，除第四系的午城黃土、離石黃土和馬蘭黃土分布廣泛外，其余時代地層多沿河谷零星分布;地震烈度小于7度，地震強度小于5級。

按賦存條件、含水介質(zhì)及水力特征，地下水可分為第四系松散層孔隙水、裂隙孔洞潛水、中生界碎屑巖類孔隙裂隙潛水及裂隙承壓水四大類，其中以第四系松散層孔隙水、裂隙孔洞潛水為主。地下水埋深一般為50～80 m，與黃土塬面的大小和溝谷的切割深度有關(guān)。地下水的補給源主要為大氣降水［7］，其中潛水與地質(zhì)災(zāi)害關(guān)系最為密切。

2 滑坡形態(tài)特征

(1)滑坡類型。坡面形態(tài)直接影響黃土滑坡體內(nèi)應(yīng)力狀態(tài)和地下水分布，進而影響滑坡體的穩(wěn)定性。區(qū)內(nèi)黃土滑坡根據(jù)其主滑剖面幾何形態(tài)可以劃分為4種基本類型：凹型、直線型、階梯型、凸型(圖1)，其中：凹型滑坡一般為已經(jīng)發(fā)生過較大變形的滑坡體;直線型滑坡存在潛在滑動風險;階梯型滑坡一般為包含兩個或兩個以上次級滑動面，沿不同滑動面發(fā)生過多次變形;凸型滑坡存在潛在滑動風險。據(jù)對隴東地區(qū)1 575處黃土滑坡災(zāi)害點及隱患點的調(diào)查統(tǒng)計［8］：直線型滑坡占黃土滑坡總數(shù)的36%，凹型滑坡占33%，階梯型滑坡占22%，凸型滑坡占9%。

圖1 不同類型黃土滑坡剖面示意

(2)坡度。研究表明［8－10］，隨著坡度的增大，滑坡體坡面附近應(yīng)力卸荷帶范圍擴大，坡腳應(yīng)力集中增加，因此發(fā)生滑坡的概率也相應(yīng)提高。據(jù)統(tǒng)計［8］，在隴東地區(qū)，斜坡坡度20°～60°為黃土滑坡高易發(fā)范圍，在降雨、地震等作用下易發(fā)生滑坡災(zāi)害;≤20°的基本不易發(fā)生滑坡災(zāi)害;＞60°的天然黃土斜坡數(shù)量較少，一般是由人類工程活動如切坡修路、建房等形成的，雖然危害大，但數(shù)量較少。

(3)坡高。坡體、坡腳及谷底的應(yīng)力狀態(tài)分布、坡體變形方式與坡高存在密切的關(guān)系。隨著坡高的增加，坡體、坡腳和谷底的應(yīng)力狀態(tài)會發(fā)生顯著變化，最終導致溝谷不同部位變形破壞方式的改變。據(jù)統(tǒng)計［8］：隴東地區(qū)黃土滑坡坡高一般在40～250 m，其中≤50 m的黃土滑坡占黃土滑坡總數(shù)的9%，50～100 m的占32%，100～150 m的占28%，150～200 m的占25%，＞200 m的占6%，說明坡高50～200 m的斜坡為黃土滑坡高發(fā)區(qū)，占黃土滑坡總數(shù)的85%。

(4)滑坡體厚度。滑坡體厚度與滑坡所處的地形地貌、地層巖性、滑坡滑落的高度以及滑坡規(guī)模有關(guān)，一般滑坡的坡高越大、規(guī)模越大，相應(yīng)的滑坡體厚度就越厚。區(qū)內(nèi)90%以上的黃土滑坡的滑坡體厚度為10～40 m，其中坡高≤80 m的滑坡體厚度約10 m、80～140 m的約20 m、140～200 m的約30 m、200～300 m的約40 m。

3 滑坡穩(wěn)定性分析

3.1 計算方法和參數(shù)選取

黃土滑坡的穩(wěn)定性與滑坡類型、坡高、滑坡體厚度以及滑坡所處位置的地形地貌、地層巖性、地形坡度等因素密切相關(guān)。由于黃土滑坡多發(fā)育在黃土梁峁丘陵地區(qū)，地層巖性為粉質(zhì)黏土－黏土，地質(zhì)環(huán)境背景相近，因此主要考慮黃土滑坡類型、地形坡度、滑坡高度及厚度等對滑坡穩(wěn)定性的影響，其中：黃土滑坡類型分為直線型、凸型、凹型和階梯型4種;坡度選擇20°、30°、40°、50°、60°5 種;滑坡高度選擇 40、100、180、250 m，滑坡體厚度選擇 10、20、30、40 m。

黃土滑坡的滑動面一般為近圓弧形，根據(jù)《滑坡防治工程勘查規(guī)范》(DZ/T 0218—2006)要求，采用瑞典條分法計算黃土滑坡的穩(wěn)定性系數(shù)。選取天然、飽水、地震、地震+飽水4種工況，計算參數(shù)取自土工試驗的實測數(shù)值，見表1。

表1 各工況的計算參數(shù)

3.2 計算結(jié)果分析

根據(jù)表1提供的參數(shù)，計算不同滑坡類型、不同坡度、不同坡高、不同工況條件下黃土滑坡的穩(wěn)定系數(shù)，結(jié)果見圖2—6。

依據(jù)《滑坡防治工程勘查規(guī)范》判別滑坡的穩(wěn)定性：穩(wěn)定系數(shù) ＜1的為不穩(wěn)定，1～1.05的為欠穩(wěn)定，1.05～1.15 的為基本穩(wěn)定，≥1.15的為穩(wěn)定。由圖2知，坡度20°時，除在飽水+地震工況下坡高250 m的黃土滑坡處于不穩(wěn)定狀態(tài)外，其他坡高和工況下的各類黃土滑坡均處在穩(wěn)定或基本穩(wěn)定狀態(tài)。由圖3知，坡度30°時，坡高40 m的各類黃土滑坡在各個工況下都處于穩(wěn)定狀態(tài);坡高100 m除在飽水+地震工況下處于欠穩(wěn)定—基本穩(wěn)定狀態(tài)外，在其他工況下均處于穩(wěn)定狀態(tài);坡高180 m在天然和地震工況下處于穩(wěn)定狀態(tài)，在其他工況下處于不穩(wěn)定—欠穩(wěn)定狀態(tài);坡高250 m僅在天然工況下處于穩(wěn)定狀態(tài)。由圖4知，坡度40°時，坡高40 m的各類黃土滑坡在各個工況下都處于基本穩(wěn)定—穩(wěn)定狀態(tài);坡高100 m在飽水和飽水+地震工況下處于不穩(wěn)定狀態(tài);坡高180 m僅在天然工況下處于穩(wěn)定狀態(tài)，其他工況下均處于不穩(wěn)定狀態(tài);坡高250 m在各個工況下都處于不穩(wěn)定狀態(tài)。由圖5知，坡度50°時，坡高40 m的直線型和階梯型黃土滑坡在飽水+地震工況下處于不穩(wěn)定狀態(tài)、凹型和凸型黃土滑坡在飽水和飽水+地震工況下處于不穩(wěn)定狀態(tài)，其他處于穩(wěn)定狀態(tài);坡高100 m的各類黃土滑坡除在天然工況下處于基本穩(wěn)定—穩(wěn)定狀態(tài)外，其他均處于不穩(wěn)定狀態(tài);坡高＞100 m的各類黃土滑坡在各個工況下都處于不穩(wěn)定狀態(tài)。坡度60°時，坡高40 m的直線型和階梯型滑坡僅在天然與地震工況下處于穩(wěn)定狀態(tài)，凹型和凸型滑坡僅在天然工況下處于穩(wěn)定狀態(tài)，其余均處于不穩(wěn)定狀態(tài);坡高100 m的直線型和階梯型滑坡在天然工況下處于欠穩(wěn)定狀態(tài)，其余均處于不穩(wěn)定狀態(tài);坡高＞100 m的各類黃土滑坡在各個工況下均處于不穩(wěn)定狀態(tài)。

從上述分析結(jié)果可以看出，在相同條件下直線型滑坡的穩(wěn)定系數(shù)最高，其次是階梯型滑坡，再次是凸型滑坡，凹型滑坡的穩(wěn)定系數(shù)最低。同一種滑坡類型，對黃土滑坡穩(wěn)定性影響最大的因素是坡度，隨著坡度的增加，穩(wěn)定系數(shù)均顯著降低，相同坡高、相同工況下坡度從20°增加到60°，滑坡穩(wěn)定系數(shù)降低約60%;其次是坡高，相同坡度下隨著坡高的增加滑坡穩(wěn)定性逐漸降低，相同坡度、相同工況下滑坡高度從40 m增加到250 m，滑坡穩(wěn)定系數(shù)降低約40%;在相同坡高和坡度條件下，黃土滑坡在飽水工況下的穩(wěn)定系數(shù)小于地震工況，說明降雨入滲是誘發(fā)滑坡的重要因素。

4 典型滑坡分析

4.1 滑坡基本情況

以平?jīng)鍪嗅轻紖^(qū)柳湖鄉(xiāng)杜家溝村杜家溝滑坡、平?jīng)鍪嗅轻紖^(qū)花所鄉(xiāng)塔山溝村塔山五社滑坡、靈臺縣中臺鎮(zhèn)城關(guān)村西陶灣滑坡和崇信縣錦屏鎮(zhèn)杜家塬村左營溝滑坡為例，對上述黃土滑坡穩(wěn)定性變化規(guī)律進行驗證。各黃土滑坡基本情況和剖面圖見表 2、圖 7。

表2 各黃土滑坡基本情況

圖7 各黃土滑坡剖面

4.2 穩(wěn)定性計算結(jié)果

杜家溝滑坡、塔山五社滑坡、西陶灣滑坡和左營溝滑坡在各工況下的穩(wěn)定系數(shù)計算結(jié)果見表3。由表3知，在各個工況下，杜家溝滑坡穩(wěn)定性狀態(tài)與前述坡度30°、坡高100—150 m的凹型黃土滑坡計算模型的穩(wěn)定性計算結(jié)果接近;塔山五社滑坡的穩(wěn)定性狀態(tài)與坡度30°、坡高100 m的直線型滑坡計算模型的穩(wěn)定性計算結(jié)果接近;西陶灣滑坡的穩(wěn)定性狀態(tài)與坡度20°—30°、坡高40—100 m的階梯型滑坡計算結(jié)果接近;左營溝滑坡穩(wěn)定性狀態(tài)與坡度30°、坡高100 m的凸型滑坡計算模型的計算結(jié)果接近。計算結(jié)果與滑坡基本情況相吻合，說明上述關(guān)于隴東地區(qū)黃土滑坡穩(wěn)定性規(guī)律的研究結(jié)果較為可靠。

表3 各工況下各黃土滑坡穩(wěn)定系數(shù)計算結(jié)果

5 結(jié)語

針對隴東地區(qū)的直線型、凸型、凹型和階梯型黃土滑坡，選擇具有代表性的坡度、坡高以及各坡高對應(yīng)的滑坡體厚度，對各類黃土滑坡在不同坡度、不同坡高、不同工況下的穩(wěn)定性進行了計算。由計算結(jié)果知：從影響因素看，對黃土滑坡穩(wěn)定性影響最大的是坡度，其次是坡高;從工況條件看，飽水狀態(tài)下黃土滑坡的穩(wěn)定系數(shù)比地震情況下的穩(wěn)定系數(shù)低，說明降雨入滲是誘發(fā)滑坡的主要因素;從滑坡類型看，直線型滑坡的穩(wěn)定性相對較好，階梯型滑坡和凸型滑坡次之，凹型滑坡穩(wěn)定性最差。經(jīng)過上述計算和分析，從總體上掌握了隴東地區(qū)不同類型黃土滑坡的穩(wěn)定性特征和影響因素，為下一步研究各類黃土滑坡的治理措施打下了基礎(chǔ)，也為地方政府和相關(guān)部門實施減災(zāi)防災(zāi)和建設(shè)規(guī)劃提供了參考。

［1］吳瑋江，王念秦.甘肅滑坡災(zāi)害［M］.蘭州：蘭州大學出版社，2006：16 －55.

［2］張龍，白福.甘肅省滑坡地質(zhì)災(zāi)害特征和危害研究［J］.西部探礦工程，2009，21(10)：150 －152.

［3］楊強，孫秀娟，王愛軍，等.甘肅省靈臺縣地質(zhì)災(zāi)害特征分析［J］.中國地質(zhì)災(zāi)害與防治學報，2009，20(4)：45 －49.

［4］洪嘉祥.甘肅東部滑坡遙感調(diào)查分析評價［J］.中國水土保持，2005(9)：8 －10.

［5］朱向鋒，黃春長，查小春，等.涇河流域現(xiàn)代洪水泥痕沉積學特征研究［J］.干旱區(qū)資源與環(huán)境，2009，23(8)：86 －90.

［6］王建杰，田進，楊西林，等.涇渭河沖淤規(guī)律分析及渭河下游治理對策研究［J］.西北農(nóng)林科技大學學報：自然科學版，2006，34(8)：149 －154.

［7］張立榮.甘肅隴東黃土高原黃土潛水水文地質(zhì)特征淺析［J］.西部探礦工程，2009，21(7)：158 －162.

［8］王洪德，王愛軍.甘肅省平?jīng)鍪徐`臺縣、涇川縣、崇信縣和崆峒區(qū)地質(zhì)災(zāi)害詳細調(diào)查報告［R］.保定：中國地質(zhì)調(diào)查局水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)調(diào)查中心，2010：25－56.

［9］王維升，萬鑫.淺議黃土滑坡的分布規(guī)律及形成條件［J］.災(zāi)害學，2001，16(2)：82 －86.

［10］姚清林.中國西北黃土地區(qū)地震崩滑的分布與宏觀影響因素［J］.氣象與減災(zāi)研究，2007，30(1)：41 －47.