涇陽南塬黃土滑坡的運動規(guī)律與液化效應(yīng)

段 釗, 彭建兵, 王啟耀

(1.西安科技大學(xué) 地質(zhì)與環(huán)境學(xué)院, 陜西 西安710054;2.長安大學(xué) 地質(zhì)工程與測繪學(xué)院, 陜西 西安710054; 3.長安大學(xué) 建筑工程學(xué)院, 陜西 西安710054)

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涇陽南塬黃土滑坡的運動規(guī)律與液化效應(yīng)

段 釗1,2, 彭建兵2, 王啟耀3

(1.西安科技大學(xué) 地質(zhì)與環(huán)境學(xué)院, 陜西 西安710054;2.長安大學(xué) 地質(zhì)工程與測繪學(xué)院, 陜西 西安710054; 3.長安大學(xué) 建筑工程學(xué)院, 陜西 西安710054)

摘要：[目的] 查明滑坡的運動特征及其影響因素,探討滑坡的運動規(guī)律與內(nèi)在機制,為區(qū)域防災(zāi)減災(zāi)工作提供理論借鑒。[方法] 以涇陽南塬黃土滑坡為例,通過現(xiàn)場調(diào)查及槽探查明了滑坡的運動特征,采用統(tǒng)計學(xué)方法分析了滑坡的運動規(guī)律,在此基礎(chǔ)上,探討引起滑坡運動特征分異的“液化效應(yīng)”。[結(jié)果] 按照運動特征將涇陽南塬黃土滑坡劃分為流滑型和滑動型兩類,流滑型滑坡的滑距一般為坡高的4倍,滑動型滑坡的滑距約為坡高的2倍。1.50×105 m3可近似的認為是研究區(qū)內(nèi)“足以形成最大液化程度的最小滑體體積”。[結(jié)論] 滑體體積及邊界條件對滑坡運動液化影響顯著,一般情況下滑坡體積越大、滑動邊界越簡單,運動液化程度就越高,運動距離也就越遠;而體積越小、滑動邊界越復(fù)雜,運動液化程度就越低,運動距離也就越近。

關(guān)鍵詞：運動規(guī)律; 液化效應(yīng); 統(tǒng)計方法; 黃土滑坡; 涇陽南塬

文獻參數(shù)： 段釗, 彭建兵, 王啟耀.涇陽南塬黃土滑坡運動規(guī)律與液化效應(yīng)[J].水土保持通報，2016,36(3)：46-49.DOI:10.13961/j.cnki.stbctb.2016.03.009

滑坡因破壞力強、至災(zāi)后果嚴重，已成為中國最具代表性的地質(zhì)災(zāi)害問題[1]。受各類因素影響，滑坡在下滑過程中表現(xiàn)出差異的運動特征，因此其至災(zāi)范圍一般難以準確預(yù)測。國內(nèi)外學(xué)者為把握滑坡的運動規(guī)律，多通過統(tǒng)計學(xué)方法對其運動特征進行分析。Hsu[2]在Heim“雪橇”模型的基礎(chǔ)上進行了改進，并通過統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)超額位移與碎屑流規(guī)模存在的線性關(guān)系；Zambrano[3]在前者的基礎(chǔ)上，提出了更加合理的滑坡運動學(xué)模型以預(yù)測滑坡的運動速度；Davies[4]對世界上26起體積超過1.00×107m3的高速遠程滑坡進行統(tǒng)計分析，得出了滑坡運動距離與體積的經(jīng)驗關(guān)系式；黃潤秋等[5]對汶川地震誘發(fā)的滑坡進行統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，該類滑坡具有顯著的“低傾角”特征，且滑坡體積與滑坡斜率呈現(xiàn)出對數(shù)關(guān)系；許領(lǐng)等[6]對涇陽南塬黃土滑坡的運動特征進行統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn)，該類滑坡的運動特征受運動液化程度影響顯著；樊成意等[7]以臺塬型黃土滑坡為研究對象，分析了臺緣地區(qū)滑坡滑動距離與滑體各參數(shù)的關(guān)系，結(jié)果表明滑距與滑體體積、寬度及厚度的關(guān)系較為明顯。劉維等[8]以海源大地震誘發(fā)的黃土滑坡為例，通過單因素分析及多元回歸方法推導(dǎo)出了滑距的預(yù)測公式。李鵬岳等[9]以川西高原趙瑪滑坡為例，對其發(fā)育特征及失穩(wěn)過程進行了分析，并推導(dǎo)出了滑坡的最大運動速度。此外，王念秦等[10]、李秀珍等[11]、董書寧等[12]學(xué)者也通過經(jīng)驗統(tǒng)計方法對不同地區(qū)的高速遠程滑坡運動特征進行了統(tǒng)計分析，并取得了非常有意義的結(jié)論。

自1976年至今，受人工灌溉活動影響，涇陽南塬先后發(fā)生黃土滑坡58起，曾造成嚴重的人員傷亡和經(jīng)濟財產(chǎn)損失[13]。目前研究已基本闡明了涇陽南塬黃土滑坡的誘發(fā)機制[14-15]，但滑坡在復(fù)雜邊界條件下的運動規(guī)律尚不明確，這無疑增加了涇陽地區(qū)滑坡預(yù)防工作的難度；同時，因區(qū)內(nèi)滑坡近期表現(xiàn)出的高發(fā)趨勢，更使得滑坡致災(zāi)風(fēng)險進一步升高。為此，本文以該群類黃土滑坡為研究對象，通過現(xiàn)場調(diào)查及槽探查明滑坡的運動特征，并采用統(tǒng)計學(xué)方法分析滑坡的運動規(guī)律，在此基礎(chǔ)上探討滑坡的運動機制，以期為區(qū)域防災(zāi)減災(zāi)工作提供綿薄的理論借鑒。

1涇陽南塬黃土滑坡類型與發(fā)育特征

考慮到與致災(zāi)后果密切相關(guān)的滑坡運動特征作為依據(jù)，將涇陽南塬黃土滑坡劃分為流滑型和滑動型兩類。

(1) 流滑型黃土滑坡。流滑型黃土滑坡形成于塬區(qū)地下水位埋藏較淺的地帶，受人工灌溉影響顯著，多為塬邊斜坡初次破壞形成。該類黃土滑坡具有體積大、破壞性強、致災(zāi)范圍廣等特點，是典型的高速遠程滑坡，在研究區(qū)共發(fā)生26起，占區(qū)內(nèi)滑坡總數(shù)的45%。事實上，流滑型黃土滑坡在運動過程中產(chǎn)生了強烈的液化作用。通過對典型滑坡開挖探槽發(fā)現(xiàn)，滑坡的下墊面—階地滑床中粉土(砂)層液化現(xiàn)象十分顯著，而并非單一的滑體底部液化(黃土層內(nèi))，這也表明該類滑坡的運動機制更為復(fù)雜。此外，由于該類滑坡運動距離較遠，滑體多脫離斜坡滑床堆積，使斜坡坡腳常形成洼地而缺乏支撐，受灌溉活動進一步影響，滑坡后緣易再次失穩(wěn)，形成多序次破壞。

(2) 滑動型黃土滑坡。滑動型與流滑型黃土滑坡的誘發(fā)因素相同，但發(fā)育規(guī)模相對較小，多為老滑坡后緣的再次破壞。滑動型黃土滑坡在運動過程中受體積及邊界條件影響，運動液化程度較低(通過探槽開挖發(fā)現(xiàn)該類滑坡并無顯著的滑帶土液化現(xiàn)象)，因此其運動距離相對較近，且運動停止后滑體多依附于斜坡滑床或披覆于老滑體之上堆積。此外，該類滑坡還表現(xiàn)出潛伏期短、滑體結(jié)構(gòu)完整等特點，在研究區(qū)共發(fā)生32起，占滑坡總數(shù)的55%。

2滑坡運動規(guī)律分析

2.1基本理論

對于滑坡運動特征的分析，可采用Hsu改進的“雪橇”模型，其公式為：

(1)

式中：tanφα——滑坡斜率；φα——等效摩擦角(°)；Hmax——最大垂直距離(m)，以下簡稱坡高；Lmax——最大水平距離(m)，以下簡稱滑距。下同。

實際上φα為一種經(jīng)驗參數(shù)，而并非真正的摩擦角，因此，可用滑坡斜率tanφα來判斷滑坡在下滑過程中是否發(fā)生液化。當φα<α?xí)r，滑坡在運動過程中便會產(chǎn)生額外的運動距離，說明滑坡在運動過程中產(chǎn)生“液化效應(yīng)”從而降低了摩擦阻力。通過調(diào)查發(fā)現(xiàn)，研究區(qū)內(nèi)黃土滑坡坡高Hmax接近且普遍偏低，一般在60～70 m，而滑距Lmax差異較大，范圍在70～310 m。假設(shè)區(qū)內(nèi)滑坡坡高相同，滑距越大，則能量線上移，滑坡在運動過程中能量損失Ef越小，動能Ev就越大，滑坡液化程度就越劇烈(圖1)。

注：O為起始端點；P為終止端點；α為滑體內(nèi)摩擦角；θ為滑動面夾角； ●為質(zhì)心；x，h分別為Heim“雪橇”模型中最大水平、垂直距離；Lmax，Hmax為改進的“雪橇模型中最大水平、垂直距離；Ef為能量損失；Ev為動能。

圖1黃土滑坡滑動過程能量分析

對區(qū)內(nèi)黃土滑坡的坡高和滑距進行了測量、統(tǒng)計，結(jié)果如圖2所示。從圖2中的擬合線可以看出，不同滑坡類型具有其相應(yīng)的斜率范圍，如流滑型黃土滑坡的擬合線為H=0.23L，滑動型黃土滑坡的擬合線為H=0.55L，而H=0.35L可以近似看作流滑型和滑動型黃土滑坡的判斷依據(jù)。

圖2　黃土滑坡坡高與滑距關(guān)系

進一步對區(qū)內(nèi)黃土滑坡的滑坡斜率(tanφα<1.0)與發(fā)生頻次關(guān)系統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)(圖3)，兩類黃土滑坡的滑坡斜率均表現(xiàn)為正態(tài)分布特征。其中液化更為劇烈的流滑型黃土滑坡主要集中在0.2～0.3(φα約11.3°～16.7°)，即該類滑坡的滑距約為坡高的4倍；而液化程度相對較低的滑動型黃土滑坡由于邊界條件復(fù)雜，滑坡斜率分布較為分散，高頻次主要集中在0.4～0.6(φα約21.8°～30.9°)，即滑距約為坡高的2倍。

圖3　滑坡斜率與發(fā)生頻次關(guān)系

2.2滑體體積對運動特征的影響

滑坡斜率與滑體體積表現(xiàn)為對數(shù)關(guān)系(見圖4)。當體積較小時，滑坡斜率隨著體積的增大顯著降低；當體積接近于1.50× 105m3時，曲線出現(xiàn)明顯拐點；拐點以后，隨著體積的繼續(xù)增大，滑坡斜率表現(xiàn)出收斂趨勢。滑坡斜率與體積的關(guān)系特征表明，研究區(qū)內(nèi)黃土滑坡體積接近于1.50×105m3時就足以形成較小的滑坡斜率，并形成較遠的滑距(斜坡坡高接近)，因此這一“閾值”可以近似地認為是“足以形成最大液化程度的最小滑體體積”。同樣也可以理解為，在坡高一致時，大于該規(guī)模的體積增量并不會造成更深程度的液化和更遠的滑動距離，而超出的這部分體積可以認為是一種“失距”的表現(xiàn)。對曲線進行擬合可以得到其關(guān)系式：

(2)

式中：V——滑體體積。

將橫坐標對數(shù)化，得到的關(guān)系曲線，發(fā)現(xiàn)曲線基本呈線性關(guān)系，其相關(guān)方程為：

(3)

圖4　滑坡斜率與體積的關(guān)系

可見，研究區(qū)黃土滑坡的滑坡斜率與體積規(guī)模相關(guān)性極為密切，滑坡斜率可由體積確定。如果滑坡坡高已知，那么就可通過滑坡斜率并結(jié)合體積計算出滑距。

3液化效應(yīng)

通過現(xiàn)場調(diào)查發(fā)現(xiàn)，涇陽南塬兩類黃土滑坡由于誘發(fā)因素相同，滑體在脫離斜坡滑床前運動機制單一且一致，但當滑體脫離斜坡滑床后，由于體積及邊界條件差異，滑坡運動特征表現(xiàn)出顯著的分異現(xiàn)象。

(1) 體積差異。通過對比滑體體積發(fā)現(xiàn)，流滑型黃土滑坡體積相對較大，范圍在1.00×105～1.60×106m3，其中5.00×105m3以下較為集中，總占比約為70%(19起)；而滑動型黃土滑坡體積相對較小，范圍在5.00×103～5.00×105m3，其中1.50×105m3以下較為集中，總占比約為85%(27起)。按照上述分析得到的“閾值”為標準，流滑型黃土滑坡體積多高于這一標準，而滑動型黃土滑坡體積多在這一標準以下。

(2) 邊界條件差異。一般情況下，流滑型黃土滑坡在脫離斜坡滑床后會直接與階地地層接觸；但滑動型黃土滑坡多為老滑坡后緣的再次破壞，因此滑坡在脫離斜坡滑床后則多會披覆于坡腳的老滑體之上。

綜上可知，當斜坡初次破壞且形成的滑坡體積較大時，滑體可產(chǎn)生足夠的沖擊力以擊穿階地表面非飽和堆積層并與下墊松散、飽和粉土(砂)層接觸。當滑體底部與下墊層擠壓交錯所形成的飽和復(fù)合滑帶，在封閉、高速剪切環(huán)境下發(fā)生體縮、顆粒定向排列等結(jié)構(gòu)變化，滑帶土中孔隙水壓力將不斷升高，最終液化，進而滑坡滑動阻力顯著降低，形成較遠的運動距離(見圖5a)；反之，當斜坡初次破壞但形成的滑坡體積較小或為老滑坡后緣的再次破壞，那么新滑坡會因沖擊力不足而難以擊穿坡腳厚實的老滑體與飽和下墊層接觸。此外，由于下伏老滑體表面起伏、反翹，后期形成的滑坡在運動過程中會形成較大的摩擦阻力，而且會因下伏老滑體的起伏“架空”結(jié)構(gòu)致使剪切面封閉度低。在如此剪切環(huán)境下，滑帶土孔壓增幅小、消散快，液化程度低，因此滑坡運動距離也一般較近(見圖5b)。

圖5　黃土滑坡液化模式

4結(jié) 論

(1) 涇陽南塬黃土滑坡按運動特征可劃分為流滑型黃土滑坡和滑動型黃土滑坡兩類。其中流滑型黃土滑坡共發(fā)生26起，占滑坡總數(shù)的45%，滑動型黃土滑坡共發(fā)生32起，占滑坡總數(shù)的55%。

(2) 涇陽南塬黃土滑坡運動特征具有顯著的分異性。流滑型黃土滑坡坡高與滑距的擬合曲線為H=0.23L，滑坡斜率集中在0.2～0.3，即滑坡的滑距約為坡高的4倍；滑動型黃土滑坡坡高與滑距的擬合曲線為H=0.55L，滑坡斜率集中在0.4～0.6，即該類滑坡的滑距約為坡高的2倍；H=0.35L可以近似看作為區(qū)內(nèi)黃土滑坡的類型判別依據(jù)。1.50×105m3可近似的認為是研究區(qū)內(nèi)“足以形成最大液化程度的最小滑體體積”。

(3) 滑體體積及邊界條件對滑坡運動液化影響顯著，一般情況下體積越大、滑動邊界越簡單(斜坡初次破壞)，滑坡運動液化程度越高；體積越小、滑動邊界越復(fù)雜(斜坡多次破壞)，滑坡運動液化程度越低。

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收稿日期：2015-05-12修回日期：2015-06-29

通訊作者：彭建兵(1953—),男(漢族),湖北省麻城市人,博士,教授,主要從事地質(zhì)災(zāi)害的教學(xué)與科研工作。E-mail:dicexy_1@chd.edu.cn。

文獻標識碼：A

文章編號：1000-288X(2016)03-0046-04

中圖分類號：P642

Motion Law and Liquefaction Effect of Loess Landslides in South Jingyang Plateau

DUAN Zhao1,2, PENG Jianbing2, WANG Qiyao3

(1.CollegeofGeologyandEnvironment,Xi’anUniversityofScienceandTechnology,Xi’an,Shaanxi710054,China; 2.SchoolofGeologyEngineeringandGeomatics,Chang’anUniversity,Xi’an,Shaanxi710054,China; 3.SchoolofCivilEngineering,Chang’anUniversity,Xi’an,Shaanxi710054,China)

Abstract：[Objective] To discuss the motion law and liquefaction effect by analyzing the motion characteristics and its driving factors of loess landslides in order to provide theoretical references for hazard prevention and treatment in landslide areas. [Methods] The loess landslide in South Jingyang plateau was chosen to research the motion law of landslide by site investigating, trench excavating, and statistical analysis. Based on the above works, the influences of liquefaction effects on motion characteristics were discussed. [Results] According to the motion characteristics, the landslide in South Jingyang plateau was classified into two types: flowslide and slide. In the flowslide type, the sliding distance was four times of slope height, while the sliding distance was two times of slope height in the slide type. The minimum landslide volume that was sufficient to produce the greatest degree of liquefaction was about 1.50×105 m3 in study area. [Conclusion] Greater volume and simpler sliding boundary of landslide will improve flow motion, vice versa.

Keywords:motion law; liquefaction effect; statistical methods; loess landslide; South Jingyang plateau

資助項目：國家重點基礎(chǔ)發(fā)展計劃(973計劃)項目“黃土重大災(zāi)害及災(zāi)害鏈的發(fā)生、演化機制與防控理論”(2014CB744702); 中國地質(zhì)調(diào)查局項目“涇河南岸涇陽段黃土滑坡調(diào)查評價”(12120114036001); 西安科技大學(xué)博士啟動金項目“高速遠程黃土滑坡運動機理研究”(2014QDJ029)

第一作者：段釗(1985—),男(漢族),陜西省西安市人,博士,講師,主要從事黃土滑坡機理及黃土力學(xué)行為研究。E-mail:landsliders@126.com。