延安地區典型飽和塑流狀滑坡特征及形成機理分析

王 帆，焦振華

(陜西省水利電力勘測設計研究院，陜西咸陽 712000)

延安地區廣泛存在一類飽和塑流狀滑坡。這類滑坡通常在地貌上表現為平緩的斜坡且后壁不明顯，滑坡的前緣有泉水或是常年存在的濕地，其滑動面一般為厚度1～3 m的軟塑帶，滑動方式為沿著底部軟塑帶緩慢蠕動滑移。該類滑坡表現為三大特點:一是滑體呈全飽和狀態;二是滑坡類型屬于塑流牽引式;三是滑動具有低速蠕滑的特性。

1 飽和塑流狀滑坡的地質特征

1.1 地形地貌特征

延安地區黃土岸坡，由于其垂直節理發育，一般可在一二級階地前緣形成黃土陡坎或陡坡，可見清晰的二元結構，為滑坡提供有利的臨空條件。而階面上常形成較為平緩的斜坡，平臺與其上下斜坡呈現平緩的緩坡過渡狀態。這是飽和塑流狀滑坡獨特的地貌特征，常常分布于延安地區較大的河流兩岸，如延河、蟠龍川、淮寧河等。常見的近河谷斜坡結構形態主要有以下兩種，如圖1。

飽和塑流狀滑坡多分布在河流的中上游及較大的沖溝兩岸。正是由于河流及沖溝的上游下切侵蝕作用強烈，更容易為滑坡形成天然臨空面，因而滑坡多分布于河流中上游;另一方面紅粘土的出露也主要依賴河流下切侵蝕，形成河溝岸邊的黃土和紅粘土組成的獨特二元異質結構。

1.2 地層結構特征

陜北盆地在新近構造運動過程中一直處于抬升剝蝕狀態，受燕山運動影響，區內中生界地層呈向西北緩傾的單斜構造，巖層傾角約1°～3°，上覆新近系及第四系沉積物。地層由新至老依次有第四系全新統、更新統、新近系上統以及三疊系上統地層。第四系全新統黃土主要分布于河谷及一級階地上部，中下更新統黃土則主要分布于黃土梁峁上部。新近系上統三趾馬紅粘土主要分布于溝谷底部，并且是構成二級階地基座的重要地層之一，其土體致密，粘粒含量高，透水性極差，是重要的隔水層。三疊系砂巖夾頁巖為古侵蝕面，如圖1。這兩種斜坡地層結構特點在于斜坡前緣分布有一二級階地，二級階地上部為第四系中更新統黃土，該土層結構疏松，具大孔隙，垂直節理發育，工程特性較差，遇水后多呈軟塑或塑流狀，是滑坡滑體的主要組成物質，也是飽和塑流狀滑坡三大特點之一，滑體物質一般呈飽和狀態。

圖1 典型斜坡形態及結構特征

1.3 滑體形態特征

飽和塑流狀滑坡多發育在平緩斜坡地帶，斜坡前緣有臨空面，滑坡在平面上多呈半月、圈椅狀。一般滑體垂直厚度不大，約5～10 m，但也有較厚滑體。滑體上裂縫較多，后緣常常形成錯臺，滑體前緣出現鼓脹隆起以及泌水現象等。

1.4 滑動面特征

黃土、紅粘土或古侵蝕面常常形成雙層異質的二元結構。由于新近系三趾馬紅粘土層或古侵蝕面透水性極差，成為很好的隔水層，其上部常常形成匯水面，一方面紅粘土逐漸浸水飽和，強度迅速降低，通常發生膨脹或泥化，形成滑坡滑動帶;另一方面可以浸泡上覆土體形成塑流體。因而黃土層與紅粘土層接觸面附近就形成了滑動面［1－3］。一般滑動面較為平直，傾角多在10°～20°。

2 飽和塑流狀滑坡形成機理分析

2.1 滑坡形成條件

在滑坡發生發展的過程中，滑坡內在的因素對其穩定性起主導作用，且不可逆。外因對于滑坡穩定性來說常常是誘發或觸發的作用［4－5］。

2.1.1 滑坡形成的內在因素

平緩的斜坡及臨河側的天然陡坎是該類滑坡形成的良好地貌特征，一方面平緩的斜坡易于雨水的匯集及下滲，另一方面天然陡坎為滑坡形成創造了良好的臨空條件。

雙層異質的二元結構正是飽和塑流狀滑坡地層結構的特點。斜坡上覆黃土層垂直節理發育，是形成滑坡的主要土體。該土層因結構疏松，孔隙度大，利于地表徑流下滲，下伏紅粘土粘性較好，起阻水作用，形成相對的隔水層，在黃土與紅粘土接觸面上匯集，降低紅粘土抗剪強度，其接觸面容易成為滑動面，造成堆積層滑坡，是滑坡形成的內在條件。

2.1.2 產生滑坡的誘發因素

具備滑坡內在條件的坡體是否會發生滑動，這與其誘發因素緊密有關，其包括大氣降水、河岸沖刷、地震等自然因素，也包括了人工開挖、上覆加載、采空塌陷以及爆破振動等人為因素。其中大氣降雨是該類滑坡最為重要的誘發因素之一。

(1)降雨可以使得黃土微結構變化，在大量的水分被土體吸收后，破壞了土體的原始結構，導致土骨架中固體顆粒之間的連結力降低，還可在土粒間相對位移時產生潤滑的作用。

(2)降雨還使得飽和黃土層形成，隨著降雨時間的延續，雨水在相對隔水層紅粘土頂面聚集，形成飽和層，其飽和度約為80% ～90%，隨著地下水位的升高，飽水層逐漸加厚。一方面滑帶土飽和時粘聚力幾乎消失，而另一方面，滑體飽和也相應地增加了滑體的重力和下滑力。

(3)降雨可以使抗滑力減小，飽水層的存在降低了有效應力。黃土在地下水作用下局部甚至產生蠕滑液化，可以用以下公式解釋:

式中:τ為破壞面上的抗剪強度;σ'為有效壓力;φ為土的內摩擦角;c為土的粘聚力;σ為破壞面上的總壓力;μ為孔隙水壓力。

滑帶局部進入屈服狀態時，黃土骨架孔隙結構崩潰，孔隙水來不及排出，孔隙水壓力隨即上升，從而導致超孔隙水壓力產生。上式中的σ'=0，即σ=μ時，便產生液化。

2.2 滑坡應力狀態分析

對于一般的飽和塑流狀滑坡，其原地形在經歷地殼抬升河流下蝕切割后形成陡立的臨空面，從此滑帶受力狀態相應地發生改變。在長時強降雨條件下，由于斜坡存在便于匯水的地形條件及利于滲水的物質組成條件，致使斜坡體中前部逐漸飽和，在重力作用下，斜坡體前緣逐漸向臨空面蠕滑，呈現出塑性流動的特性，中后部在失去支撐條件下，向外側移動。該類滑坡是在(塑流)滑移—拉裂作用下形成，屬牽引式滑坡。又因滑體中前部為全飽和狀態，呈現出塑性流動特性，塑流牽引也是飽和塑流狀滑坡三大特性之一。

2.3 滑坡運動機理分析

飽和塑流狀滑坡具有低速蠕滑的運動特點［6－10］。緩動式低速滑坡，其滑體沿著已經貫通的滑動面(帶)緩慢啟動，而且不會有非常顯著的啟動預兆，表現出的只有十分低的滑移速度。緩動的特點主要表現為滑坡緩緩發生，滑體滑移非常緩慢。

2.3.1 滑坡啟動的緩動機理

所謂緩動，是指滑坡啟動時沒有征兆且速度極低，實質上是指啟動的加速度非常低。其緩動機理主要表現在以下幾方面的效應:

(1)滑面動、靜摩擦阻力相近緩動效應。任何滑動面都存在著動、靜摩擦阻力的差異，即使是理想光滑面也不列外。倘若兩者有非常大的差別，滑體就會產生突發性劇烈的啟動方式，表現出突躍性的粘滑現象。如果相差甚微，啟動則較為緩慢，表現出由啟動到滑動的穩滑特性。

對于飽和塑流狀滑坡，如果滑面處的剪應力降低至其殘余強度，滑體就會沿滑動面發生滑動。其靜摩阻力近似地等于滑面的殘余抗剪強度，根據滑面物質組成、含水量以及滑面擦痕光滑程度等考慮，其動、靜摩擦阻力差非常微小。

滑體在將要滑動而未滑的瞬間:

滑體在啟動瞬間:

式中:Fs為滑動面處的靜摩擦阻力;Fk為滑動面處的動摩擦阻力;F為極限平衡狀態下的滑動力;α'為由動、靜摩擦效應產生的啟動加速度。

由公式4可知，啟動加速度α'與滑面的靜動摩擦阻力之差成正比。當二者相近時，啟動加速度極小，因此，飽和塑流狀滑坡表現為啟動—滑動的緩動特性。

(2)滑帶塑性蠕變耗能緩動效應。由于構成飽和塑流狀滑坡主滑帶的飽和黃土及紅粘土處于飽和軟塑狀態，其應力應變關系為理想塑性。在滑面的發育貫通過程中，滑帶產生連續的塑性蠕動變形，得以釋放應力調整后產生的應變能，這種蠕變耗能的過程也體現出滑坡緩動的特性。

綜合分析上述緩動效應，由于飽和塑流狀滑坡滑動帶發育程度極好，兩種效應表現突出，使得滑坡的啟動表現出緩動特性。

2.3.2 滑坡滑動的低速機理

滑坡體所具的勢能大小以及牽引段下滑力的大小是決定滑坡體滑移速度快慢的主要因素。而以上兩因素最終是由滑體重心的高低和滑面傾角的陡緩來控制。分析飽和塑流狀滑坡的地貌及地層結構特點，斜坡相對平緩，其低重心、緩滑面是其低速滑移的必要條件，因此該滑坡呈低速滑動。

低速蠕滑也是飽和塑流狀滑坡的三大特性之一。

2.4 滑坡破壞機制

具有二元異質結構的平緩松散黃土斜坡在降雨作用下坡體前部逐漸浸水飽和，在重力作用下，斜坡體前緣逐漸向臨空面蠕滑，坡體后緣處于拉應力狀態。當后緣拉應力超過坡體的抗拉強度時，坡體產生拉裂，坡面表現為拉張裂縫，為后緣坡體地下水進一步入滲提供了條件，導致坡體蠕動變形加劇，拉裂向下逐漸加深，黃土與紅粘土接觸面逐漸飽水形成貫通滑面，最終當滑動面抗滑力小于下滑力時，坡體破壞形成滑坡。

2.5 滑坡形成過程

一般的黃土紅粘土接觸面滑坡形成的過程，首先是地質歷史過程中形成由黃土和紅層組成的雙層異質結構的斜坡，如圖2-a。新構造運動過程中，地殼多次抬升，河流強烈下蝕切割，致使斜坡前緣逐漸形成陡立的臨空面，斜坡應力重分布前緣產生蠕動變形區，逐漸出現潛在滑動面，斜坡后緣出現微張拉裂縫如圖2-b。斜坡在各種外營力作用下變形加劇，坡體后部拉裂縫逐漸延伸加寬加深，地表水由裂縫入滲致使接觸面土體軟化強度降低，潛在滑動面向后逐漸擴展，如圖2-c。斜坡后緣拉裂縫在坡體蠕滑變形過程中進一步擴展加深，最終延伸至潛在滑動面，此時滑動面完全貫通，如圖2-d。坡體經過滑動以后重心降低，能量得以釋放，最終保持新的平衡，滑坡體滑動終止，如圖2-e。該類滑坡在整個演化過程中表現出前緣失穩滑動牽引后部坡體繼續滑動最終整體穩定，是典型的(塑流)滑移—拉裂形式的牽引式滑坡。

圖2 黃土紅粘土滑坡演化過程示意圖

3 Midas/GTS有限元模擬分析

3.1 滑坡工程概況

延安地區某河道滑坡，滑坡體位于斜坡中下部緩坡地帶，整體滑坡平面形態上呈半月形，相對高差約12 m，坡體比較平緩，滑坡體長約55 m，前緣寬約150 m，滑體平均厚度約8 m，體積約13萬m3，屬于中型黃土滑坡。剪出口陡坎較高，為滑坡變形破壞提供了臨空和滑動空間。由于持續降雨中部大量匯水，后緣寬約110 m，出現大量張拉裂縫，局部下錯，呈半圓弧狀地形分布。坡體前緣剪出口處樹木傾倒，有滑落掉塊現象。滑體主要物質為黃土，滑動帶及滑床主要在紅粘土層附近，雙層異質二元結構見圖3。

圖3 某河道滑坡地層結構特征Fig.3 A reservoir landslide stratum structure

由于斜坡存在便于匯水的地形條件及利于滲水的物質組成條件，經長歷時強降雨以后，斜坡體大量雨水滲入，導致坡體地下水位驟升，根據鉆探水位記錄，地下水位最淺處距地表不到0.3 m，鉆孔巖芯表現出流塑—軟塑狀;斜坡體前緣土體飽和，在重力作用下滑坡體先由前緣蠕動形成蠕滑區，呈現出塑性流動的特性。

3.2 斜坡模型及巖土力學特征

依據滑坡的實際地形，應用Midas/GTS有限元軟件［11］以典型剖面繪制模擬模型，由滑體、滑帶、滑床三部分組成，見圖4。各層分別取相應的物理力學參數，見表1。

圖4 滑坡有限元網格模型Fig.4 Landslide finite element mesh model

表1 巖土體數值模擬參數表Table 1 Numerical simulation of rock and soil parameters table

3.3 飽和塑流狀滑坡MIDAS數值模擬分析

3.3.1 模型初始條件及邊界條件

(1)模型地表設為自由邊。

(2)模型右邊界紅粘土層以下設置水平位移約束，以上設置為自由邊;左邊界設置水平位移約束。

(3)模型底面約束其水平位移和垂直位移。

3.3.2 形成機理模擬方案分析

考慮滑坡主要是由于2013年雨季強降雨因素誘發，因而模擬方案如下:

圖5 天然狀態最大剪應變云圖Fig.5 Natural state maximum shear strain cloud image

圖6 天然狀態下X方向位移云圖Fig.6 Natural state X direction displacement cloud image

圖7 降雨后斜坡滲流流速分布圖Fig.7 After rain slope seepage velocity distribution

圖8 降雨后滑坡最大剪應變云圖Fig.8 After rain maximum shear strain cloud image

圖9 降雨后滑坡X方向位移云圖Fig.9 After rain X direction displacement cloud image

(1)斜坡天然狀態下。從天然狀態下斜坡最大剪切應變云圖(圖5)可知，斜坡體前緣黃土與紅粘土分界帶附近為斜坡體剪切變形最大的部位，與實際中滑坡前緣出現擠壓變形破壞比較吻合。根據天然狀態下X方向位移云圖(圖6)可以清晰地顯示斜坡前緣地層分界處位移最大，另MIDAS/GTS有限元強度折減法計算的斜坡穩定系數為1.113，說明斜坡處于基本穩定狀態，與現實中天然狀態斜坡前緣出現零星掉塊較為相符。

數值模擬結果分析與工程地質分析所得結論一致，坡體整體受到向臨空面剪切應力。中前部黃土層內垂直裂隙拉張，為降雨下滲轉化為地下水提供了通道，并逐漸形成中前部接觸面潛在滑帶。

(2)降雨后進行斜坡滲流分析。從圖7可以看出地表裂縫處出現較大滲流，且斜坡前緣地下水位附近滲流速度也比較大，這與前緣積水滲出現象比較吻合。

(3)斜坡長持時降雨后分析。從降雨后滑坡最大剪切應變云圖(圖8)可以看出，滑坡剪切變形最大的部位處于滑動面附近，根據降雨后滑坡X方向位移云圖(圖9)清晰地表明滑坡前緣Ⅰ區水平位移最大，Ⅱ區滑移位移次之，這與該滑坡前緣剪出口處樹木傾倒，滑落掉塊現象以及滑體后部蠕滑拉裂縫增多相吻合，也表現出牽引式滑坡的特性。另MIDAS/GTS有限元強度折減法計算的滑坡穩定性系數為0.788，說明斜坡處于失穩狀態，與現實中滑坡低速蠕滑相符。

4 結論

黃土紅粘土組成的雙層異質二元結構的平緩斜坡在降雨入滲作用下，雨水逐漸在相對隔水層紅粘土層頂面聚集，隨著降雨時間的延續，滑體中黃土逐漸飽和，斜坡前緣出現輕微的蠕動液化，加速了滑體的蠕動變形，在自重作用下滑體緩動低速蠕滑，斜坡前緣逐漸向臨空面蠕動滑移表現出塑性流動狀態，具有塑流牽引的特點。

延安地區飽和塑流狀滑坡具有其獨特的地質背景，野外地質調查需要注意其獨特的變形及運動規律。一般多分布在河流兩岸一級階地后緣、二級階地前緣，或是河流下切強烈，岸坡陡峭，紅粘土出露，臺階上較為平緩的斜坡地帶。另外，在斜坡前緣有大量泉水或斜坡體內含水較高形成濕地的斜坡地帶也較易發生。

飽和塑流狀滑坡處理方法一般采用截排疏干地下水再對前部進行支擋防護綜合治理。

對飽和塑流狀滑坡地質特征及形成機理的充分認識，可使該類滑坡調查及防治工作更有目的性，使滑坡的治理設計安全、可靠和經濟。

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