涇河南塬黃土的滲透特征及孕災機制

洪 勃， 杜少少， 李喜安， 王 力， 王少林， 張航泊

(1.礦山地質災害成災機理與防控重點實驗室， 陜西 西安 710054；2.長安大學 地質工程與測繪學院， 陜西 西安 710054； 3.陜西省地質調查中心， 陜西 西安 710054)

中國是世界上滑坡災害最為嚴重的地區之一，特別是20世紀80年代以來，隨著經濟的飛速發展以及自然因素的影響，滑坡災害發生的頻率越來越高，所造成的經濟損失和人員傷亡也不斷加大[1]。尤其是中國中西部地區滑坡災害極為發育，這些滑坡規模大、損失慘重、機理復雜等特點而成為諸多研究學者重點關注對象。

據統計90%以上的滑坡都與水的作密切相關[2]。因此，降雨入滲、大面積灌溉均是非飽和土邊坡產生滑坡的重要因素。自1976年以來，大面積引水灌溉致使涇河南塬約30 km的塬邊成了黃土滑坡的頻發帶[3]。據不完全統計，1980年至2016年涇河南塬已發生的有記錄的滑坡43起，太平鎮23起，蔣劉鄉16起，高莊鎮3起，小滑坡(滑坡體積小于0.5×104m3)不計其數[3-10]。其中以1984年12月2日發生于蔣劉鄉河灘村的滑坡損失最為慘重，滑坡體積約1.13×106m3造成整個村莊被掩埋，20人死亡，20人重傷，摧毀民房159間[11]。截至目前，涇河南塬滑坡已造成31死25傷，摧毀農田達數千畝和無法估量的經濟損失[8,12]。涇河南塬黃土滑坡已成為關中地區最具代表性的地質災害問題之一[12]。

目前，很多研究學者就涇河南塬滑坡成因機制以及滑坡特征進行了大量研究。雷祥義[3]、金艷麗等[13]、許領等[14-16]、段釗等[8,9]等研究表明，大面積灌溉導致地下水位大幅抬升是涇河南塬滑坡的重要原因。許領等[15-17]還指出灌溉也是塬邊裂縫形成的重要成因，同時裂縫的發育又是滑坡發展和發生的重要內在動力機制。唐東旗等[18]的研究表明，在有裂隙狀態下邊坡安全系數較無裂隙條件下要降低23.3%。顯然，裂隙不但降低邊坡的穩定性，而且也成為雨水入滲的優勢滲流通道[14,16,19-20]。而涇河南塬塬邊由于長期受涇河側蝕、滑塌以及灌溉作用的影響，已經遍布裂縫。許領等[17]2005—2007年對太平—蔣劉段的調查發現，塬邊裂縫發育28條，總延展長度達1 424 m。2015年，楊華[20]再對經河南塬裂縫進行調查統計時，裂縫發育達90條，累積長達6.5 km。長度超過150 m的巨型裂縫一共發育有7條，最長裂縫可達330 m，分布于太平鎮寨頭—西廟店塬邊[19]。同時，裂縫常常在滲流作用下，形成導水孔、落水洞，從而陷入縫生洞、洞生縫的惡性循環，加劇邊坡的破壞。

可見，雨水入滲依然是該地區黃土滑坡的重要因素，同時黃土本身的性質也使得其研究內容更加復雜，如滲透各向異性、節理裂隙發育以及濕陷性。因此，本文擬以涇河南塬黃土(裂隙土、不同土層土)的滲透特征為研究對象，在總結前人成果的基礎上，結合室內試驗，對涇河南塬黃土的滲透各向異性特征進行分析，同時對其孕災機理進行探討，以期為黃土分布地區雨水入滲型滑坡的災害防治提供重要的理論指導意義。

1 研究區概況與試驗方法

涇河南塬位于陜西省涇陽縣境內，受新構造運動及不同形式的侵蝕活動作用，呈現出西北高、東南低，且高低起伏較大的地形地貌特征，海拔最高1 614 m，最低361 m[7]。境內地貌主要分為基巖山地、黃土臺塬和沖洪積階地3類。而涇河南塬地勢平坦開闊，黃土覆蓋厚度較大，塬面高程約在420 m～490 m左右。上部為厚度約10～15 m的上更新世馬蘭黃土，下覆地層為厚度約45～70 m左右的中更新世離石黃土，底部為早更新世午城黃土(高莊鎮鉆孔已揭露午城黃土厚度49.4 m，未見底)，各層之內均夾雜著厚度不等的古土壤層。

2 結果與分析

雙環法、試坑法和抽水試驗都可以測得土的原位飽和滲透系數。由于野外雙環試驗操作簡單，較試坑法和抽水試驗代價低，因此被廣泛使用。

2.1 均質土與裂隙土試驗

根據大量野外觀測資料顯示，黃土地區降雨入滲深度一般不超過1.5 m。當黃土中裂隙發育時，雨水可以通過優勢滲流通道至土體深部，引起土的體積和抗剪強度變化，從而誘發滑坡、崩塌和泥流等地質災害。因此，以蔣劉鄉大堡子村塬邊附近含有裂隙的農田為裂隙土試驗場地(裂隙寬度2 cm，走向平行于塬邊)，以無裂隙的場地為對照組(稱均質土)，進行雙環滲透試驗，對裂隙處采用相同含水率的細砂土填充[20]。試驗土層為Q3馬蘭黃土，天然含水率12%，液限27.1%，塑限19.5%，天然干密度為1.56 g/cm3。

由圖1可以看出，均質土和裂隙土的滲透系數大致可以分為快滲階段、緩滲階段和穩滲階段。由于裂隙的存在，裂隙土的滲透系數一直較均質土要高，進入穩滲階段均質土的穩定滲透系數為4.05×10-4cm/s，而裂隙土的穩定滲透系數約為均質土的3倍，為1.27×10-3cm/s。同時，二者的滲透系數與入滲時間具有較好的冪函數關系，且相關系數很好。由于土體不均勻性的存在，使得入滲速率上下波動是容易理解的[20]。

圖1 裂隙土和均質土滲透系數(k)與入滲時間(t)關系[20]

2.2 不同土層滲透試驗

以涇陽高莊鎮王家村滑坡臺階為試驗場地，分別對表層黑壚土(L0)、馬蘭黃土(L1)、第一層古土壤(S1)以及S1下伏的離石黃土(L2)進行野外雙環試驗[21]。不同土層土壤的基本物理性質具體如表1所示。

表1 不同土層土壤的基本物理性質

由圖2可以看出，黑壚土、馬蘭黃土和離石黃土入滲速率與入滲時間也具有較好的冪函數關系，都隨著入滲時間的持續而逐漸趨于平穩。然而古土壤由于干密度大，土顆粒排列地更加密實，其滲透系數最小。與上述幾種土比較，其滲透系數隨入滲時間更具線性關系，且滲透系數基本保持不變。穩滲階段，以馬蘭黃土的滲透系數最大，其原因應該是馬蘭黃土由于大、中孔隙以及垂直節理裂隙發育有關[21]。而黑壚土由于腐殖質的存在，在高溫與多雨季節有利于原生礦物的分解和次生黏土礦物的形成，并使黑壚土因殘積黏化而具有隱黏化特征；另外土壤中水溶性鹽類的溶解并隨下滲水流遷移，又使明顯下移的鈣、鎂等鹽類在剖面下部形成淀積層。因此，這也是黑壚土滲透系數較馬蘭黃土較小的原因。而離石黃土滲透系數<黑壚土<馬蘭黃土，則是因其埋深厚，固結應力大，結構更加緊密所致。

圖2 不同土層滲透系數(k)與入滲時間(t)關系[21]

2.3 三軸滲透試驗

考慮到三軸滲透試驗能夠較真實的反映土體在地層中所處的應力環境，因此三軸滲透試驗測得的滲透系數較其他滲透試驗結果更加真實可靠。謝超[21]將涇陽高莊鎮王家村滑坡臺階場地的原狀試樣進行室內三軸常水頭滲透試驗，測量其垂直向和水平向滲透系數。

由圖3可以看出，隨著圍壓的增大，不論垂直向還是水平向，3種土的滲透系數呈現逐漸減小并趨于穩定。

圖3 垂直向和水平向三軸滲透試驗[21]

同一圍壓下，3種土都具有明顯的滲透各向異性性質，垂直向滲透系數均大于水平向。這顯然是土顆粒的微觀各向異性決定的，風成黃土在沉降、沉積以及成土過程受風力誘導或重力誘導作用而具有優選方向，即土顆粒排列具有定向性從而導致土體產生各向異性行為[22]。

對比圖2和圖3的3種土的垂直向滲透系數值可以發現，雙環法的測量值與三軸試驗測量值存在數量級上的差異，最大約102量級。這種差異是由于雙環試驗必須要鏟除上覆土層至試驗土層，這勢必會改變試驗土層原始應力狀態而產生卸荷裂隙，從而增大了試驗誤差。而室內三軸試驗則能較好地復原試驗土層的真實應力環境。

3 討 論

涇河南塬地區，水對邊坡的不利作用主要包括地表水(灌溉、降雨、融雪)入滲、地下水位抬升、河流侵蝕等。自1976年大面積灌溉以來，地下水位不斷抬升涇陽南塬大量的滑坡、崩塌已使其塬邊拉裂隙大量發育，以致該地區滑坡災害連年不斷，塬面不斷后退，土地資源損失嚴重[19]。

然而，涇河南塬地下水位不再是受大氣降雨單一補給，引水灌溉已然成為主控因素[3]。1976—2016年太平鎮和蔣劉鄉6個村的地下水位變化情況為：自1976年以來地下水位持續抬升，其中1992年蔣劉村的地下水位較1976年上漲達37 m[6]，地下水位年均上升速度達2.313 m/a，其他各村地下水位也均有不同程度的抬升。2010—2014年的年灌溉量有增多的趨勢，5年灌溉量均值為2.71×106m3。廟店村的鉆孔資料也證實了這種趨勢，其2016年的地下水位較1992年上漲37.4 m，地下水位年均上升速度達1.558 m/a。

地下水位的不斷抬升也致使該地區滑坡災害不斷，1976—1980年灌溉初期，地下水位主要受大氣降雨補給，灌溉并未造成地下水位大幅抬升。隨著灌溉強度的不斷增大，到1980—1992年灌溉區塬邊滑坡災害已經不斷發生，同時也促使了更多滑坡的孕育。1996年太平鎮和蔣劉鄉年累計滑坡達5次之多，累積滑坡體積2.03×106m3。自2000年后，雖然政府部門采取了控制措施，但2000—2016年累計發生中大型滑坡16次，平均1次/a。

諸多研究表明，地下水位的抬升已是涇河南塬滑坡災害的主導因素[3,8,9,13-16]，而地表水入滲則是滑坡發生的誘發因素[3]，塬邊裂隙、裂縫是滑坡發展和發生的重要內在動力機制[15-17]。涇陽縣雨季主要集中在7—9這3個月，對應1976—2016年滑坡月統計這3個月滑坡達13起。但這3個月卻不是滑坡最頻繁的月份，春夏之交的3，4，5月滑坡達17起。這則是與南塬農業活動密切相關，3—5月份果樹現蕾開花，冬小麥返青拔節、灌漿乳熟[6]，均需要長時間大面積灌溉。而大面積灌溉必然導致地下水位快速升高，地下水位的抬升不僅降低了坡體的抗剪強度，同時也增加了坡體的下滑力[3]，進而促使滑坡災害的發生。

綜上所述，涇河南塬北側由于長期受涇河強烈的側蝕作用，塬邊形成了高度約50～90 m的黃土陡崖、陡坎，為黃土滑坡、崩塌提供了有利的場地條件。由節理、裂隙發育的黃土-古土壤序列構成的陡峭邊坡為滑坡災害的發展和發生提供了有利的地層地貌及地質構造條件[3]，而灌溉和降雨又為滑坡提供了氣候水文條件。因此，涇河南塬滑坡依然形成了一種惡性循環的災害鏈模式：雨、水入滲→裂隙擴大、地下水位抬升→產生靜水、動水壓力，增大下滑力；軟弱帶軟化，抗剪強度降低；浮托力增大，抗滑力降低→滑動面貫穿→滑坡→致使滑坡后緣產生拉張裂隙→雨、水入滲→…。

顯然，水與裂隙誘發地質災害并進一步惡化地質環境，而地質環境的惡化又導致更為嚴重的地質災害的發生。可見，水與裂隙共同作用模式已成為涇河南塬滑坡的一種機制。

4 結 論

涇河南塬黃土節理裂隙發育，節理裂隙為雨水入滲的優勢滲流通道，這也是裂隙土滲透系數大于均質土滲透系數的原因所在。

因土的性質(如，孔隙比)以及地質環境(如，應力狀態)不同，各土層的雙環法滲透系數差異較大。馬蘭黃土因大、中孔隙多(孔隙比大)以及節理裂隙發育，所以馬蘭黃土滲透系數最大。黑壚土次之，離石黃土再次之，古土壤滲透系數最小。

由于雙環試驗卸去了上覆土壓力，與三軸滲透試驗結果比較存在數量級上的差異。 通過分析水與裂隙致災過程，水與裂隙共同作用模式已成為涇河南塬滑坡的一種惡性災害鏈機制。