黃土坡頂裂縫成因及演化過程分析

抗興培，劉 曉，王彪龍，韋宏寬

(中國地質大學(武漢) 教育部長江三峽庫區地質災害研究中心，湖北 武漢 430074)

黃土覆蓋區地質災害以滑坡為主，研究黃土滑坡誘發因素、成因機制對區域防災減災具有重要的意義。大量的研究表明，黃土滑坡的誘因主要有地下水位變化[1-2]、降雨[3-5]、農業灌溉[6-8]、坡腳開挖、地震等，其中尤以降雨、灌溉誘發滑坡的研究最為豐富，而黃土坡坡頂裂縫發育對黃土滑坡的影響研究較少。Iverson[9]、Tang等[10]基于原位監測和實地調查，發現黃土區降雨入滲深度一般不超過地下3 m，而塬邊各種裂縫或漏洞常形成雨水快速入滲的優勢通道；武彩霞等[11]在現場試驗和監測的基礎上，發現短期的農業灌溉并不能有效地補給地下水，而塬邊裂縫加速了地下水位的抬升。這說明對結構完好的黃土而言，短暫的降雨或灌溉入滲的影響深度都是非常有限的，而塬邊裂縫的發育使邊坡朝著有利于滑坡的方向發展。以甘肅黑方臺滑坡群[12]、陜西涇陽南塬滑坡群[13]等為例，發現黃土滑坡具有一個普遍的特征：后緣裂縫發育，且具有數量多、延伸遠、分布范圍廣等特點。這表明研究后緣裂縫對黃土滑坡的孕育、發展、產生、分布具有重要的意義。

對于黃土坡頂裂縫形成機理的研究，目前尚處于探索階段，主要的成因觀點有：①張拉、節理成因，許領等[13]、Xu等[14]在對涇陽南塬裂縫大量調查統計的基礎上，按照邊坡形態將塬邊裂縫分為“W”型(側向拉張形成)、“U”型(前期滑坡牽引拉張形成)、“Z”型(節理的側向拉張形成)；②坡腳誘發成因，Wu等[15]認為降雨軟化了坡腳，使其發生破壞，誘使坡頂出現裂縫;③濕陷成因，廖紅建等[16]認為塬邊黃土具有強烈的濕陷性，在降雨或灌溉的條件下會產生濕陷性裂縫;④降雨沖蝕成因，陳偉等[17]通過室內人工邊坡降雨模擬，發現坡肩處易形成沖蝕溝和張拉裂縫。這些研究多是就塬邊裂縫的現象進行說明，缺乏對裂縫發育成因、發展過程的系統研究，致使這些解釋均存在一定的局限性。如濕陷性多形成串珠狀分布的落水洞，這不足以解釋裂縫在塬邊較為集中、塬邊裂縫成線性且延伸較遠的分布現象;再如裂縫均是由前次滑坡牽引張拉作用形成的說法，則忽略了未發生滑坡的區域也大量存在裂縫的現象。

本文以陜西涇陽南塬廟店西村黃土滑坡為例，在黃土坡頂裂縫勘測、觀察的基礎上，提出五階段(龜裂→發展→拉張→貫通→成型)的黃土坡頂裂縫的孕育發展過程，并分析了各階段坡頂裂縫的演化特征、發展機理，以期為黃土滑坡的防治提供理論依據。

1 黃土坡頂裂縫的發育過程分析

從大量黃土滑坡實例中不難發現：滑坡發生的區域，坡頂裂縫較為發育，且延伸較遠、張開度大、深度較深；而在未發生滑坡的區域，坡頂裂縫雖同樣存在，但規模小、延伸不遠、裂縫張開度有限，且在降雨、擾動等情況下，部分消失。這說明裂縫的孕育、產生在黃土區普遍存在，而裂縫的發育程度受前次滑坡的影響。此外，黃土坡頂裂縫在豎向上多呈楔體狀，即上寬下窄，直至尖滅；在橫向上，寬大裂縫多與坡緣走向一致，與滑坡方向呈近似垂直的關系，而遠離塬邊的窄小裂縫則沒有這一規律。

黃土坡頂裂縫的形成是一個動態發展的漸進過程，諸如用“拉張”等“一次成因”的解釋來囊括整個發展過程是粗糙且欠合理的。本文在大量邊坡勘測、力學分析的基礎上，提出黃土坡頂裂縫的發展過程可分為明顯的5個階段，即：①龜裂階段，地表破裂；②發展階段，裂縫擴展；③拉張階段，裂縫迅速發展，環狀裂縫生成；④貫通階段，坡頂裂縫與坡內裂縫聯通；⑤成型階段，裂縫穩定。黃土坡頂裂縫的演化過程見圖1，下面就各階段的形成機理、發展特征做進一步闡述。

1.1 龜裂階段

龜裂主要是土體在干燥條件下失水，體積發生不均勻收縮變形而形成[18]。目前，土體龜裂的研究主要集中于膨脹土[19]，而在黃土區研究較少，將其與黃土坡頂裂縫發展相聯系的研究則更鮮有論述。本文在地質詳勘、受力分析與演化的基礎上，認為：黃土臺塬坡頂地表龜裂會促使土體進一步破壞，是黃土坡頂裂縫發展的起始孕育階段。

在一次降雨或灌溉等飽水工況下，原非飽和的黃土會在地表層形成短暫飽水區，表層飽水區和地下水位線之間則為非飽和黃土層[見圖2(a)]。當降雨或灌溉等飽水工況停止，轉為干燥環境時，黃土水分持續減少，表層土顆粒之間的彎液面曲率增加，即收縮膜曲度增大。收縮膜的存在使得其內外表面存在氣壓(ua)與水壓(uw)的壓力差[即基質吸力(s)[20]]，基質吸力在土體中產生張拉應力，收縮膜能夠承受并在土體中傳導張拉應力[見圖2(b)]。非飽和區黃土層中，基質吸力s可表示為[21]：

圖1 黃土坡頂裂縫的演化過程Fig.1 Evolution of cracks on top of Loess slope

s=μa-μw=2Ts/Rs

(1)

式中：s為基質吸力(kPa);Ts為收縮膜的表面張力(N/m)；Rs為收縮膜的曲率半徑(m)。

隨著干燥環境的持續，土顆粒之間的間距變小，收縮膜的曲率半徑Rs減小，則由公式(1)可知基質吸力s增加，表層土體產生收縮變形趨勢。該收縮變形受到土顆粒之間的抗拉強度制約[22]，這時在土層表面形成張拉應力場，并在局部形成應力集中。隨著干燥環境的持續，一旦該水平方向合力超過土顆粒間的抗拉強度，則表層裂縫產生[見圖2(c)]。

圖2 黃土坡頂裂縫發育的龜裂階段示意圖Fig.2 Schematic diagram of cracking stage of crack development

龜裂階段裂縫的孕育主要為彈塑性張拉斷裂，為裂縫的起始孕育階段，但該階段裂縫的發育程度十分有限，其張開度較小、延伸不遠，僅存在地表層。

1.2 發展階段

因龜裂裂縫的產生，地表應力場聚集的應變能得到釋放，土體失去側向變形約束，而上寬下窄的楔形體裂縫形態，使得土顆粒之間的膠結介質和收縮膜可將應力傳導至裂縫下部尖端，產生應力集中(見圖3)，作用在裂隙尖端水平方向的分力對尖端土體產生“撕裂”效果，迫使裂縫向下發展。因此，隨著蒸發過程的進行，龜裂階段形成的地表裂縫在水平張拉等因素作用下有進一步向下延展、寬度擴大的趨勢。

圖3 裂縫尖端應力集中Fig.3 Stress concentration at crack tip

由于土體材料的不均勻性，在前期形成眾多的裂縫中總是存在相對最薄弱的一部分，表現為其尖端應力集中更為顯著，且這些部位土體材料強度更低，因此這一部分裂縫獲得了快速發展，成為優勢裂縫，其成長以侵吞非優勢裂縫的發展空間為代價，而部分非優勢裂縫在擾動、降雨或自身發展的過程中逐漸終止發育、愈合、甚至消亡。

此外，龜裂階段形成的楔形體裂縫，加大了干燥工況下水分蒸發的面積，使得在裂隙部位水分蒸發的速度大于其他部位，這種不均勻蒸發加速了沿垂直裂隙面方向土體含水率的降低，有利于裂縫的快速發展、成型。而基于裂縫線型延伸的形態，因地形條件不完全一致，在裂縫線方向同樣存在不均勻干燥，裂縫發育的深淺不同，深裂縫部位土體發展過程中，對裂縫線方向淺裂縫部位土體有“撕裂”效果，產生側向剪切作用，使得部分裂縫面上的土體不僅受拉張作用，還受到剪切力的影響，有利于土體破壞。黃土坡頂裂縫發育的發展階段示意圖，見圖4。

圖4 黃土坡頂裂縫發育的發展階段示意圖Fig.4 Schematic diagram of development stage of crack development

隨著干燥環境的持續，蒸發與應力集中效應逐漸向遠離裂隙面的方向發展，直至對其不產生影響，裂縫發展階段結束。這一階段在黃土區普遍存在，主要受裂縫自身形態、環境、地形等多種綜合因素共同作用，擴展了裂縫的延伸距離和深度。Morris等[23]基于線彈性力學，假設基質吸力從地表至地下水位呈線性遞減，則裂縫的預測深度為

(2)

式中:Z為裂縫深度(m)；S0為地表處的基質吸力(kPa)；t為抗拉強度(kPa)；v為泊松比；h為地下水位深度(m)；γ為單位土體的重度(kN/m3)。

1.3 拉張階段

深大裂縫往往發育于滑坡后緣，分析認為：前期次滑坡在滑動過程中對后緣坡體既有因土體破裂而產生的水平方向拉張，也有因滑體向下運動，與滑床摩擦而產生的沿滑面方向的牽引。這種拉張、牽引作用在裂縫部位產生應力集中，迫使裂縫張開度增大、深度加深。此外，前期次滑坡致使邊坡應力重分布，對滑坡后緣具有卸荷作用，相當于滑坡后緣坡體σ2保持不變，施加與σ3相反方向的拉應力。而黃土坡在地貌演化過程中存在許多由各類地質作用形成但在邊坡應力作用下處于閉合狀態的微小結構面[24],拉應力致使坡體內的原生結構面張開，坡體內形成環狀裂縫。黃土坡頂裂縫發育的拉張階段示意圖，見圖5。

圖5 黃土坡頂裂縫發育的拉張階段示意圖Fig.5 Schematic diagram of extension stage of crack development

1.4 貫通階段

拉張階段形成的環狀裂縫具有向長軸兩端發展的趨勢，上部裂縫在降雨或灌溉等工況下成為地表水快速入滲的優勢通道。當坡體內的環狀裂縫與坡頂裂縫距離較近時，由于環形裂縫附近的滲流速度大于周邊土體，能夠將水體通過裂縫間隙迅速彌散，這就使得坡頂裂縫內的水流浸潤鋒有優先向環形裂縫方向滲流擴張的趨勢。黃土坡頂裂縫發育的貫通階段示意圖，見圖6。

圖6 黃土坡頂裂縫發育的貫通階段示意圖Fig.6 Schematic diagram of penetration stage of crack development

基于土-水特征曲線的V-G模型[25]可知，地表水沿坡頂裂縫向下運移過程中，因裂縫部位飽和度較大、基質吸力較小，使得裂縫部位滲透系數遠大于周邊土體，裂隙水不僅對土體產生靜水壓力，還在兩個裂縫之間向下快速運移時產生動水壓力，對坡頂裂縫與坡體內環形裂縫的貫通產生積極作用。

1.5 成型階段

裂縫擴張的過程也是應變能逐步釋放的過程，部分裂縫的發育隨著應變能完全釋放而停止，裂縫為楔形體形態。部分裂縫在向坡體深部擴張的過程中，遇到強度較大的古土壤層，當應變能不足以導致古土壤層的破裂時，裂縫發展也就隨之停止，即古土壤的“阻裂”作用，形成的這種裂縫為梯形體形態。黃土坡頂裂縫發育的成型階段示意圖，見圖7。

圖7 裂縫發育的成型階段示意圖Fig.7 Schematic diagram of formation stage of crack development

此外，由于古土壤層強度較大而滲透系數遠低于黃土層[26]，水體得不到及時的排泄，沿裂縫不斷聚集在古土壤層的上部層面，形成上層滯水，即古土壤的“阻滲”作用。當該裂縫距坡面較近時，有向坡面外滲流排泄的趨勢，滲流過程軟化土體，長期作用下則產生軟弱層，而軟弱層有消散應力的性質，使得裂縫發展至此時應變能被消耗。

2 實例分析

陜西涇陽南塬位于涇陽縣城南，距咸陽市北偏東約28 km，臺塬以陡坡、高坎的形式與涇河二級階地相連，為滑坡孕育提供了有利條件。陜西涇陽南塬黃土滑坡群沿涇河呈現“帶狀群發”，具有規模大、數量多、沿臺塬呈線性分布和成因復雜等特點，成為研究黃土滑坡的天然試驗場，其中廟店西村滑坡為典型的厚層黃土滑坡。該滑坡表現為“后移式”多期次滑動，滑坡后壁、側壁特征明顯，坡頂、側壁裂縫發育，滑坡西側約120 m處平硐內可清晰觀察坡體內部裂縫的發育情況，見圖8。

涇陽南塬廟店西村平硐(見圖8)位于滑坡東側，平硐平行于地表，走向為200°，開挖于地下約40 m，洞深約35 m，洞高約1.6 m，洞寬約1.5 m。通過平硐，可觀察到坡體內部存在大量裂縫，其方向與平硐垂直，即和塬邊走向一致(見圖9)。分析認為該裂縫的形成是由于前期次滑坡的卸荷作用，坡體內部原生結構面張開，該實例證明了上述裂縫拉張階段坡體內環狀裂縫的形成。

圖8 陜西涇陽廟店西村滑坡全貌Fig.8 Panorama of West Miaodian Village Loess landslide in Jingyang,Shanxi province

圖9 平硐內觀察到的環狀裂縫Fig.9 Annular cracks in adit

圖10 廟店西村黃土滑坡側壁剖面Fig.10 Side wall of Miaodian West Village Loess landslide

該黃土滑坡側壁剖面出露清晰，上部為15.5 m的Q3黃土，中部為4.5 m的古土壤層，下部為Q2黃土和河漫灘沉積層，見圖10。該黃土滑坡側壁剖面出露裂縫3條，裂縫深度沿坡面方向遞增。分析認為，前期次滑坡張拉坡頂裂縫的過程，也是應變能釋放的過程，隨著遠離坡面，應變能逐步衰減，導致了裂縫深度的遞減。此外，當應變能不足以擊穿高強度的古土壤層時，裂縫的發展也隨之停止，這是裂縫成型階段的一個例證。

3 結 論

本文在野外地質詳勘和力學分析的基礎上，分析了黃土坡頂裂縫孕育發展的過程，并以陜西涇陽南塬廟店西村黃土滑坡為例，實證了黃土坡頂裂縫發育的過程，并得到如下結論：

(1) 提出了“五階段”黃土坡頂裂縫的發育過程，即：龜裂→發展→拉張→貫通→成型。

(2) 黃土坡頂裂縫的發育成型，屬于水土耦合作用下的混合成因，受到地表水的蒸發、入滲，坡體內部滲流運移，古土壤層的“阻滲”、“阻裂”等多因素共同作用。

(3) 持續的不均勻蒸發干燥，使部分裂縫尖端受水平張拉、側向剪切共同破壞作用，這個過程就是裂縫發育的發展階段。

(4) 前期次滑坡不僅拉張坡頂裂縫，還使坡內原生結構面張開，形成坡內環狀裂縫，這個過程就是裂縫發育的拉張階段。

(5) 坡頂裂縫匯水下滲有優先向坡內環狀裂縫滲流的趨勢，長期作用下使兩者貫通，極大地擴展了裂縫的深度，這個過程就是裂縫發育的貫通階段。

(6) 古土壤層的高強度，具有“阻裂”效果，使部分楔形體裂縫轉換為梯形體裂縫，而古土壤層的低滲透性特征，則具有“阻滲”效果，使地下水匯集于其層頂，長期浸泡，形成軟弱層。