水工環地質條件對崩塌災害穩定性的影響分析

中圖分類號：P694 文獻標志碼：B 文章編號：2095-3305（2025）05-0308-03

我國西北地區黃土廣泛分布，地形起伏劇烈、地質構造復雜，在疊加強烈水文擾動作用下，斜坡穩定性問題變得日益突出。在特定水工環地質條件下，黃土斜坡極易發生崩塌災害，尤其是在降水、地下水位波動及人為擾動等因素共同影響時，會造成黃土結構性削弱、強度劣化和裂隙擴展等物理變化，使得滑移面迅速形成并貫通，進而誘發大規模失穩情況。當前，在區域崩塌災害研究方面仍較為薄弱，主要體現在對地質、工程、水文與環境等耦合因素的定量識別與協同分析方面。且針對黃土特殊工程性質與動態水文過程耦合機制的研究尚未深入。以水工環地質條件作為主控因子，結合塬緣溝谷地帶崩塌案例，分析地質力學特征、水文條件演變與斜坡響應之間的關系，構建穩定性影響路徑識別框架，探討水動力作用下滑移面演化及破壞機制，揭示區域崩塌災害形成與發展的關鍵控制機理，為后續防災減災提供理論基礎與技術支持。

1水工環地質條件的關鍵參數特征分析

1.1黃土類地質體的工程力學分析

在水工環地質條件控制下，黃土斜坡穩定性呈現高敏感性，其工程力學特性直接關系到滑移面形成與破壞模式的演化過程。黃土具有顯著結構性、濕陷性和孔隙性，因其干態強度較高而飽和后強度驟降的特性，在自然與工程擾動作用下易發生崩塌失穩。在實際斜坡工程中，原狀黃土呈微觀顆粒架構，黏結狀。其抗剪強度由內聚力和摩擦角共同控制。受地下水入滲或降水持續作用，引發濕度增加，顆粒結構松散、黏結力逐步喪失，導致其強度顯著衰減，從而形成滑移面。基于黃土剪切破壞的物理機制，可選用摩爾一庫倫（Mohr-Coulomb）強度準則對其抗剪力進行計算，表達式如下：

式（1）中，τ為剪應力， c 為黏聚力， σ 為法向應力，φ 為內摩擦角。

Mohr-Coulomb強度準則能夠有效反映不同含水狀態下地質體抵抗剪切破壞的能力。在隴東某黃土塬區實測資料中，原狀黃土在天然狀態下的黏聚力約為18.7kPa ，內摩擦角為 26.5^° ，當其含水率由 13% 增至 23% 時，黏聚力降低至 7.2kPa ，摩擦角降至 18.4^° ，呈現出顯著的強度劣化趨勢。該現象在天然坡體中普遍存在。

隨著深度增加，水分含量減少，黃土剪切強度呈下降趨勢，說明地下水和降雨滲入對地質體力學性質具有決定性影響，需在斜坡穩定性分析中優先考慮。

1.2區域水文與水力條件對黃土斜坡的影響

作為控制黃土斜坡穩定性的關鍵因素，區域水文與水力條件通過持續作用影響邊坡結構狀態演變和滑移面形成過程。在塬緣、溝谷等典型地貌單元，由于地形起伏顯著、地表徑流易匯集，降水形成的坡面徑流會向低洼地帶快速匯集，并沿表層裂隙滲流通道滲入形成水力擾動區。這一過程增強了地層內部水分遷移強度，加快了淺層土體濕化速率，導致原本具有一定結構性的黃土在水分長期或短時強烈入滲下，出現結構破壞、孔隙擴張及剪切強度減小等連鎖反應。

黃土作為結構性強、孔隙率高的非均質土體，在飽和一非飽和狀態轉換中，其內部水分運動受重力場控制且由毛管力場調節，表現出明顯非線性響應特征[]。濕潤鋒面在推進過程中受孔隙結構分布、初始含水率、滲透系數變化等因素影響而呈現高度不均勻性與不確定性。入滲持續時，濕潤鋒面會在局部結構松散、透水性強區域率先突破，引發局部剪切帶強度衰退與形變力集中，這類區域常成為滑移面早期孕育的“失穩熱點區”（圖1）。其空間分布受地貌單元、降水強度時空變化及地下水動態邊界條件等影響，從而形成水力耦合作用下崩塌災害的典型敏感帶。

降水入滲過程對滑坡影響主要表現在3個方面：一是淺層土體體積含水率迅速上升致使毛細吸力下降進而引發抗剪強度降低；二是滲透前沿逐步下移引發深部孔隙水壓力升高，從而削弱有效應力；三是飽和層與不飽和層交界面上形成的臨時滑移面，在后續持續降雨作用下，貫通成主滑面造成整體失穩。地下水位的季節性波動與回漲作用加劇剪切帶附近孔隙水壓，從而形成結構脆弱帶，為滑移創造水力條件。

2水工環地質因素對崩塌災害穩定性的影響機理2.1降水入滲與黃土強度減弱的演化路徑

黃土斜坡在降水過程中的強度演化表現出明顯的階段性和空間的差異性。其失穩路徑通常由淺層降雨入滲誘導的結構性破壞引發，并伴隨滲透深度增加而中深部強度持續減弱，最終形成貫通性的滑移面并導致整體失穩。干燥狀態下的結構性黃土具有較強的抗剪能力，其強度主要依賴于顆粒之間的膠結結構和原生排列體系。但其對水的敏感性極高，尤其是在遭遇高強度短歷時降水時，水分迅速通過裂隙、疏松層或微結構通道滲入土體內部，使顆粒之間原有的膠結物質發生軟化溶解反應，從而破壞黃土的結構性與完整性，導致孔隙比增大、干密度降低、剪切強度顯著減弱[2]。

這一過程中，剪應力集中的弱化區通常成為裂隙擴展的起點。微裂隙在持續滲流擾動作用下擴展并連通，形成連續性破壞帶。在淺層結構劣化達到一定程度后，水分滲透繼續向深層推進，導致原先穩定區域進入非飽和一飽和轉變狀態，進一步削弱摩阻能力，形成強度低值帶。當這些低強度區沿著一定的傾向與滲透路徑連接成面后，就容易產生滑移面。結構黃土邊坡由局部塑性破壞發展為整體剪切滑移，其演化路徑依賴水分傳輸的動態邊界條件及土體各層結構的響應特征。在非飽和滲流條件下，毛細吸力是影響有效應力（EffectiveStress， σ^′ ）的重要因子。采用相關研究人員提出的廣義有效應力公式[3]。

σ^′=σ-u_a+χ（u_a-u_w）

式（2）中， σ 為總應力， u_a 為氣相壓力， u_w 為孔隙水壓力， x 為與土體吸力相關的經驗參數。該公式說明隨著降水入滲導致吸力減小， σ^′ 相應下降，從而使土體剪切強度大幅減弱。尤其是在淺層風化裂隙區，其響應更為劇烈。在黃土塬邊溝谷地段實測中，一次短歷時暴雨引發的失穩過程表現為含水率躍增階段，剪切帶土體變形速率突增，隨即發生滑移。

2.2地表水與地下水聯動作用下的斜坡失穩過程模擬

在自然斜坡系統中，地表水與地下水所構成的完整水動力體系。其聯動過程對黃土邊坡穩定性具有決定性作用，尤其是在塬邊溝谷構造中，地表匯水一入滲一潛水上升所形成的垂向與水平疊加的水力擾動效應，是誘發滑移面形成與擴展的主控機制。滑移面形成既受水位抬升的影響，更受非飽和區應力重分布及孔隙水壓力的影響。基于西北黃王某溝谷型滑坡現場調查數據，構建的二維剖面斜坡有限元模型，選用PLAXIS2D來模擬非飽和滲流一穩定性耦合。模型綜合考慮地表降雨入滲、初始水位、邊界滲透條件及分層土體物理力學參數等，模擬3d連續暴雨工況下滑移面位置及安全系數（FactorofSafety，FoS）的演化情況，滑帶沿中部濕化區迅速下切且向坡腳推進，滑動區逐步擴大直至整體結構失穩（圖2）。

滑移帶主要沿含水率梯度區延伸，邊界毛細吸力梯度為滑動剪切帶的控制因素。地下水動態變化與地表水疊加作用是滑移面形成與演化的主要驅動力。模擬期間提取滑帶中軸線剪應力與孔隙水壓力數據，形成剪應力一孔壓對比表，用于分析滑動發展過程中水一力狀態的耦合趨勢。

由表1可知，孔壓持續增長，剪切帶有效應力降低，導致FoS連續下降，進而讓邊坡在降雨一滲流一孔壓上升三階段演化作用下，逐步轉入失穩狀態。實際工程中，由于缺乏實時監測與動態響應機制，極易引發突發性、不可控性的滑坡災害[。水工環地質條件在這類模擬分析中構建多因子聯動模型，揭示了滑移面觸發機制中的核心因素，為后續災害預警與工程干預提供了可量化的科學依據。

3案例分析

3.1隴東黃土高原塬邊溝谷地帶崩塌案例

位于隴東黃土高原塬邊溝谷區的研究區，是以梁塬一溝壑組合地貌為主，具有地形切割深度大、坡面角度普遍在 30^° 以上、黃土層厚度在 10～40m 不等呈中厚層狀分布的特點。其斜坡發育于塬緣側向沖刷帶，地基為殘積與堆積黃土的過渡帶，結構性強，局部夾雜粉砂質黏土透鏡體，地下水屬大氣降水補給型，水位年際波動幅度大，作為主要排泄通道的溝底在汛期形成地下水回漲與徑流匯集的疊加效應[5。該區域崩塌災害頻發，多在短歷時強降雨后的12＼～36h內發生，具有滑動深度淺、形變集中、失穩快速等特征。

根據現場勘查與鉆探資料可知，研究斜坡自上而下依次為粉質黃土、砂質黃土、古土壤層及粉砂質黏土層。滑帶集中發生在砂質黃土與古土壤界面處。該界面作為降水入滲后的初始飽和帶，與地下水臨時水位上升帶疊加形成滑移剪切條件。地表水沿裂隙及微溝集中入滲并在地形轉折帶匯聚造成孔壓急劇上升，觸發臨界剪應力界限。在該區布設的3個監測點連續記錄降水強度、地表位移、孔隙水壓力及地層含水率變化，數據顯示暴雨發生后第10小時淺層黃土含水率由 13.4% 升至 27.9% 且孔隙水壓力升高 62% ，滑帶王層出現非線性剪切變形，至第14小時，FoS下降至0.96，使斜坡進入臨界失穩狀態。由此可判定該類斜坡穩定性受降雨引發的滲流變形與滑面劣化共同驅動且具有明確的水一力時序演化路徑[]

3.2崩塌成因分析與演化過程還原

案例滑坡的失穩過程可劃分為前期靜穩狀態、中期降雨擾動響應及后期滑移面貫通3個階段。在初始靜穩期，斜坡FoS維持在1.30左右，地表位移穩定，孔壓保持常態的狀況。降水擾動發生后，出現淺層含水率迅速上升導致黏聚力和內摩擦角顯著降低、滑移潛能增強的情況，且滑動面由原先不連續剪切帶擴展為連續剪切帶，滑帶區域土體于孔壓升高背景下進人塑性蠕變狀態。為量化降雨影響下滑移帶強度劣化過程而構建滑帶土體強度退化模型，計算公式如下：

c-c₀×e^-α×θ，tanφ-tanφ₀×e^-β×θ

式（3）中， c₀，φ₀ 為干燥狀態下的黏聚力與摩擦角，θ 為體積含水率， a，β 為經驗衰減系數。

該模型反映了黃土結構水敏性對其力學性能的動態影響。結合含水率監測數據可推算出不同時間段剪切參數的變化趨勢，從而進行穩定性演化模擬，得到不同降雨時段監測點剪切參數與安全系數變化結果。

由監測數據還原滑坡演化路徑可見，地表徑流引發的降雨入滲快速改變滑帶土體含水狀態，并且剪切強度明顯減弱。伴隨地下水抬升，進一步促使孔壓超限，雙重機制致使安全系數持續下降，最終使得滑移面在坡中一坡腳區貫通而引發邊坡整體失穩。形變分析顯示，滑動區內土體水平位移達 1.34m 且垂向沉降0.68m ，剪切變形集中于滑帶中心，滑體前緣推力與后緣拉張破壞并存，呈現出推滑一牽引型失穩特征。案例驗證了黃土強度減弱路徑與滲流控制機制，進一步表明在水工環耦合作用下，斜坡穩定性分析需考慮降雨強度、入滲深度與孔隙水響應的聯動關系。區域水工環條件的識別精度與動態監測響應能力決定了崩塌災害預測的科學性與有效性，進而為后續工程干預策略提供必要的數據支撐與機制依據。

4結束語

圍繞西北黃土區典型崩塌災害，系統分析水工環地質條件斜坡穩定性的控制機制，并對淺層濕化、孔壓升高與滑移面貫通間的水一力耦合演化關系加以研究。研究表明：水文動態過程中地表徑流集中入滲與地下水位抬升共同驅動滑帶結構弱化，是誘發斜坡失穩的主導機制，并且穩定性演化呈現出顯著的階段性與滯后性特征；滑移面往往發育于濕化帶與滲流聚集區的交匯處，有著明顯的時空耦合性；現場監測、力學參數退化建模及數值模擬的結果高度一致，驗證了滑坡從初期裂隙滲流到臨界剪切再至整體滑移的演化路徑。

參考文獻

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