王新剛,劉 凱,連寶琴,王家鼎,邱海軍,胡 勝

(1.西北大學(xué) 地質(zhì)學(xué)系/大陸動(dòng)力學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,陜西 西安 710069;2.西北大學(xué) 城市與環(huán)境學(xué)院,陜西 西安 710127)

我國約有三分之一的滑坡災(zāi)害發(fā)生在黃土地區(qū)[1],隨著國家“一帶一路”倡儀的提出和國家黃河戰(zhàn)略的出臺(tái),黃土地區(qū)滑坡災(zāi)害的防治問題變得越來越重要。黃土-泥巖滑坡是黃土高原分布最為廣泛、發(fā)生最為頻繁的滑坡類型之一[2-6],在陜西延安、寶雞、銅川、藍(lán)田和甘肅天水、禮縣、通渭及青海、內(nèi)蒙古等地區(qū)廣泛分布[7-9],造成的災(zāi)害損失十分嚴(yán)重。黃土高原著名的灑勒山[10]、黃茨[11-12]、臥龍寺[13]、白鹿塬[14-15]、驪山滑坡[16]等大型乃至巨型滑坡均屬于此類滑坡[13，17],有關(guān)此類滑坡的研究也是我國工程地質(zhì)界的研究熱點(diǎn)問題。

黃土-泥巖滑坡主要指黃土沿下伏泥巖滑動(dòng)的黃土滑坡,此類滑坡一般發(fā)育所處的地形平緩且滑動(dòng)距離短[8],后期各種地質(zhì)作用和人為活動(dòng)使滑坡滑動(dòng)裂縫被掩蓋隱藏,導(dǎo)致此類滑坡的形態(tài)和特征不甚明顯,有一定的隱蔽性和特殊性,難以判識(shí)易被忽視。但是，由于黃土區(qū)建設(shè)用地緊張,黃土-泥巖型滑坡體往往被作為居民地和建設(shè)用地,而此類滑坡的穩(wěn)定性差,在降雨條件下復(fù)活性很強(qiáng),從而造成嚴(yán)重的隱患和災(zāi)害。因此,在黃土-泥巖型滑坡區(qū)域以及周邊進(jìn)行工程建設(shè)時(shí),考慮其不同誘發(fā)因素及形成機(jī)理變得尤為重要,它決定著滑坡周邊建筑設(shè)施設(shè)計(jì)方案的選擇和長(zhǎng)期安全。

目前,國內(nèi)外學(xué)者對(duì)于黃土-泥巖滑坡的研究較為豐富[2，5，8，18-30],但仍有許多問題等待著進(jìn)一步研究。本文分析了黃土-泥巖滑坡的誘發(fā)因素及形成機(jī)理的研究新進(jìn)展,對(duì)前人的研究成果進(jìn)行總結(jié),并提出了今后研究的可能發(fā)展方向。

1 黃土-泥巖滑坡特征與研究方法現(xiàn)狀

關(guān)于黃土-泥巖滑坡(見圖1所示)國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量開拓性的試驗(yàn)研究和理論研究工作,取得了豐碩的研究成果。歸納起來主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

1.1 “黃土-泥巖”型滑坡特征方面

黃潤秋[10，31]、殷躍平[32]、吳樹仁[33]等系統(tǒng)的研究了大型黃土滑坡在地震、降雨、工程擾動(dòng)下的失穩(wěn)機(jī)制,研究表明大型黃土滑坡易沿塬邊(黑方臺(tái)、涇陽等)、大型河流溝谷(渭河中上游、涇河上游、甘肅清水河、巴謝河等)成群發(fā)育,多受軟弱基層(紅黏土、泥巖風(fēng)化層)控制[13]。而“黃土-泥巖”型滑坡特點(diǎn)就是:滑坡發(fā)生在上覆黃土下伏泥巖的斜坡地段,滑體主要由第四系黃土和第三系、白堊系泥質(zhì)巖等組成的滑坡,規(guī)模一般為大、中型滑坡[34],并具有緩動(dòng)低速的特征。吳瑋江等[8]對(duì)黃土-泥巖滑坡的特征進(jìn)行了闡述,如圖2所示。劉偉[35]經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查與室內(nèi)試驗(yàn)分析,發(fā)現(xiàn)黃土-泥巖接觸面滑坡變形呈低速、緩動(dòng)典型特征,此類滑坡中的新型滑坡復(fù)活性強(qiáng),每次復(fù)活中產(chǎn)生的位移相對(duì)較小,變形過程中坡體后緣和坡腳處的位移相對(duì)較大,這與該類滑坡坡腳處剪出口位置滲水以及良好的臨空條件密切相關(guān)。李媛等[36]通過研究孟家山黃土-泥巖接觸面滑坡發(fā)現(xiàn),該類滑坡的變形特征在宏觀上主要表現(xiàn)為后緣拉張裂縫呈弧形不斷發(fā)育,在臨滑階段之前拉張裂縫擴(kuò)展速率極小,臨滑階段之后拉張裂縫擴(kuò)展速率變大。黃土-泥巖滑坡的破壞模式大多為坡肩先受到侵蝕產(chǎn)生了微裂隙,裂隙不斷的發(fā)展、貫通發(fā)育成大的裂縫,這時(shí)斜坡局部會(huì)出現(xiàn)滑動(dòng)破壞,久而久之滑動(dòng)面貫通從而斜坡發(fā)生整體滑動(dòng)破壞。

圖1 典型的黃土-泥巖滑坡(延安丁家溝滑坡)Fig.1 Typical loess-mudstone landslide (Dingjiagou landslide in Yan′an city)

圖2 黃土-泥巖滑坡特征Fig.2 Characteristics of loess-mudstone landslide

1.2 滑帶土強(qiáng)度試驗(yàn)方面

黃土-泥巖接觸面滑坡所特有的上部黃土、下部泥巖型“雙層異質(zhì)”斜坡結(jié)構(gòu)[8，37],使得黃土與泥巖之間的接觸面發(fā)育著一定范圍的軟弱帶[28，38],這種軟弱帶容易形成滑坡的滑帶,控制著滑坡的滑動(dòng)[39]。國內(nèi)外學(xué)者們對(duì)此類滑坡滑帶土進(jìn)行了大量的試驗(yàn)研究,如:劉偉[35]、高東源[40]等進(jìn)行了直剪試驗(yàn);Kimura[22]、諶文武等[2]進(jìn)行了三軸試驗(yàn)研究;穆鵬[41]、車福東[42]等進(jìn)行了動(dòng)三軸試驗(yàn)研究;封凱強(qiáng)[43]、楊晨[44]進(jìn)行了環(huán)剪試驗(yàn),這些主要的試驗(yàn)方法和結(jié)論見表1所示。滑帶土在大剪切位移條件下的殘余強(qiáng)度對(duì)于進(jìn)行滑坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)、開展滑坡工程治理具有重要的指導(dǎo)作用,相對(duì)于反復(fù)直剪試驗(yàn)和三軸試驗(yàn),具有大剪切位移條件的環(huán)剪試驗(yàn)更適合獲取滑帶土殘余強(qiáng)度參數(shù)[45]。

表1 滑帶土強(qiáng)度試驗(yàn)研究主要結(jié)論Tab.1 The main conclusions of the strength test of the sliding zone soil

1.3 黃土-泥巖滑坡的蠕變現(xiàn)象方面

滑坡長(zhǎng)期實(shí)地的監(jiān)測(cè)資料表明,多數(shù)滑坡具有蠕變性質(zhì),滑帶土的蠕變變形不斷積累到一定程度時(shí),在外界因素的觸發(fā)下,最終會(huì)導(dǎo)致坡體的大面積滑動(dòng)[15，48-50]。王家鼎等[51]對(duì)黑方臺(tái)焦家崖頭滑坡第三系泥巖之上黃土的蠕動(dòng)變形現(xiàn)象進(jìn)行了研究,提出了黃土滑坡飽和蠕動(dòng)液化的定義; Sasaki[52]通過對(duì)滑坡的蠕變特性進(jìn)行研究,發(fā)現(xiàn)滑坡的蠕變破壞主要是在雨季中滑帶土或軟弱夾層的蠕變變形開始,并最終引起滑坡的失穩(wěn)破壞。龍建輝等[53]對(duì)黃土滑坡滑帶土的蠕變特性進(jìn)行研究,并討論了滑帶土蠕變特性與邊坡失穩(wěn)時(shí)間預(yù)報(bào)模型之間的內(nèi)在聯(lián)系。許強(qiáng)等[54]對(duì)具有蠕變特點(diǎn)的滑坡進(jìn)行試驗(yàn)研究,揭示了滑坡的變形破壞行為與內(nèi)在機(jī)理。李濱[55]、辛鵬等[56]對(duì)寶雞、黑方臺(tái)地區(qū)的大型深層黃土滑坡(這類滑坡具有典型的黃土-泥巖結(jié)構(gòu)性)進(jìn)行了研究,提出了蠕變誘發(fā)深層黃土滑坡滑動(dòng)的觀點(diǎn),這些研究總結(jié)了黃土-泥巖接觸面滑坡的特征及滑坡蠕變現(xiàn)象,具有重要的理論和現(xiàn)實(shí)意義。黃土-泥巖滑坡的蠕變現(xiàn)象方面研究的主要結(jié)論如表2所示。

表2 黃土-泥巖滑坡的蠕變現(xiàn)象方面主要結(jié)論

1.4 室內(nèi)物理模型試驗(yàn)方面

斜坡的物理模型試驗(yàn)?zāi)軌蚩陀^地反映該類滑坡的成因機(jī)理。將野外所取的土樣或相似材料經(jīng)過處理在室內(nèi)制成模型,將一定精度的傳感器置于模型各部位,模擬各種條件下(斜坡形態(tài)、振動(dòng)、降雨)邊坡變形的過程,再結(jié)合傳感器監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)即可分析滑坡的形成機(jī)理。劉傳成等[9]進(jìn)行了內(nèi)蒙古黃土泥巖滑坡的室內(nèi)模型試驗(yàn),在降雨條件下黃土?xí)l(fā)生濕陷,雨水也會(huì)在黃土與泥巖的交接處匯集形成塑流軟弱帶,最終導(dǎo)致滑坡的發(fā)生。張澤林等[57]研究了黃河階地演變過程對(duì)黃土-泥巖滑坡活動(dòng)的控制效應(yīng);齊笛[58]對(duì)延安地區(qū)黃土-泥巖滑坡滑帶土進(jìn)行了直接剪切強(qiáng)度與微觀結(jié)構(gòu)變化特征的探討;Li等[59]對(duì)黃土-泥巖滑坡進(jìn)行了物理模型試驗(yàn),研究了降雨強(qiáng)度和持續(xù)時(shí)間以及上覆黃土地層的厚度對(duì)此類滑坡啟動(dòng)的影響。朱建東等[60]設(shè)計(jì)開展了黃土-泥巖接觸面滑坡的兩種雨型模型試驗(yàn),對(duì)比分析兩種降雨條件下雨水入滲規(guī)律及變形破壞模式。物理模型的振動(dòng)試驗(yàn)是一種有效的模擬方式,黃土-泥巖滑坡振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)結(jié)合數(shù)值模擬表明陡傾順層斷裂帶黃土-泥巖滑坡加速度動(dòng)力響應(yīng)具有趨表效應(yīng),即越靠近地表放大效應(yīng)越明顯[61]。

1.5 數(shù)值模擬方面研究

在滑坡發(fā)生變形的過程中一些變形特征往往位于坡體內(nèi)部而難以被觀察,故國內(nèi)外許多學(xué)者采用數(shù)值模擬的方法來研究滑坡的運(yùn)動(dòng)過程和形成機(jī)理。數(shù)值模擬具有可靠、成本低、可操作性強(qiáng)等特點(diǎn),但也有一定局限性,比如有的數(shù)值模擬軟件建模復(fù)雜、計(jì)算效率低導(dǎo)致可行性降低。王念秦[62]利用離散單元數(shù)值模擬了黃土滑坡的運(yùn)動(dòng)過程;張澤林[47]在離心機(jī)振動(dòng)臺(tái)物理模擬試驗(yàn)的基礎(chǔ)上,進(jìn)一步采用數(shù)值模擬分析方法,分析了黃土梁峁邊坡的地震動(dòng)響應(yīng);雷超[63]利用FLAC3D數(shù)值仿真計(jì)算分析了天水市黃土泥巖滑坡滑坡體的應(yīng)力應(yīng)變特征及滑坡形成機(jī)理；周琪等[64]采用采用Massflow數(shù)值模擬軟件對(duì)黑方臺(tái)一滑坡進(jìn)行模擬,分析了滑坡啟動(dòng)后不同時(shí)刻的堆積厚度和運(yùn)動(dòng)速度；王璋等[65]通過FLAC3D軟件建立了泥巖上覆黃土斜坡模型,得出了在地震作用下,斜坡的變形主要發(fā)生在加載后的5～10s,黃土-泥巖滑坡水平位移最大的位置在滑坡后緣較陡處,中部和坡腳處的位移都相對(duì)較小。

1.6 滑坡監(jiān)測(cè)預(yù)警方面

滑坡監(jiān)測(cè)預(yù)警一直是滑坡災(zāi)害研究中的重要問題,其中監(jiān)測(cè)是手段,預(yù)警是目的[66-67]。獲取高精度、高可靠性的滑坡變形數(shù)據(jù)是進(jìn)行滑坡預(yù)警的重要手段,開展滑坡災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警是進(jìn)行滑坡災(zāi)害研究與防治的重要基礎(chǔ)工作[68]。

鐵道科學(xué)院西北分院于1995年1月30日對(duì)黃茨大型滑坡的劇滑時(shí)間做出了準(zhǔn)確的預(yù)報(bào),這是我國第一例依據(jù)位移動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確做出的滑坡臨滑預(yù)報(bào)。InSAR技術(shù)可以對(duì)潛在的黃土滑坡開展了多時(shí)相編目、形變監(jiān)測(cè)以及失穩(wěn)模式研究,識(shí)別的黃土滑坡能夠成功捕捉滑坡加速變形的階段,具有較高的可靠性與準(zhǔn)確性[69]。近些年來北斗三號(hào)全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)組網(wǎng)成功,滑坡位移監(jiān)測(cè)的精度有了進(jìn)一步的提高，形成了一套實(shí)用性較強(qiáng)的滑坡監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[70-71]。

2 黃土-泥巖滑坡的影響因素研究

滑坡的發(fā)生往往是多種因素的復(fù)合,其中降水和人類活動(dòng)是最積極的誘發(fā)因素[72]。黃土滑坡與降雨的關(guān)系極為密切,據(jù)報(bào)道僅2013年暴雨期間，甘肅天水、環(huán)縣、定西等地區(qū)以及陜西榆林、延安、寶雞等地區(qū)均誘發(fā)了多處黃土滑坡[73-74],降雨因素實(shí)質(zhì)是滑帶土受水作用后的軟化過程,Zhang等[37]、Piccinini等[75]、Xu等[24，76]、李萍等[77]、Zhou等[78]、谷天峰等[79]、Gance等[80]、王念秦等[81]、Wu等[82]、王新剛等[48，83-84]在這方面進(jìn)行了有效的嘗試;鄧龍勝等[85]、王蘭民等[86]對(duì)地震和降雨耦合作用下黃土邊坡進(jìn)行了研究,提出其失穩(wěn)破壞過程可劃分為:彈性動(dòng)變形階段、殘余變形快速增加階段、液化滑移階段、蠕滑階段4個(gè)階段。韓帥等[87]通過研究天水地區(qū)黃土-泥巖滑坡發(fā)現(xiàn),水分對(duì)于該類滑坡的影響主要體現(xiàn)在降低了接觸面的抗滑力、增加了黃土的自重、產(chǎn)生了孔隙水壓力及降低了有效應(yīng)力幾個(gè)方面。

黃土-泥巖滑坡因?yàn)槠湓袨?zāi)土體的特殊性,影響黃土-泥巖滑坡穩(wěn)定性的外在因素包括反復(fù)降雨、地表水、地下水、季節(jié)性凍融、地震以及人類工程活動(dòng)等[17，86，88],其中最積極的誘發(fā)因素是:受到水的長(zhǎng)期損傷劣化作用(經(jīng)過雨水浸潤黃土與泥巖二者之間接觸面幾乎長(zhǎng)期處于過濕飽和軟塑狀態(tài),且水增加了坡體的自重),以及人類活動(dòng)(開挖卸載)的促滑作用。多數(shù)滑坡在上述兩種典型劣化因素的作用下,滑帶土的抗剪強(qiáng)度持續(xù)被削弱,其蠕變特性將發(fā)生一系列值得探索的顯著變化,滑帶土不斷產(chǎn)生蠕變變形,將產(chǎn)生滑動(dòng)破壞。

Wen等[5]通過現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)和室內(nèi)物理模擬的方法,對(duì)黃土-泥巖滑坡進(jìn)行了綜合研究，表明此類滑坡的變形特征主要受斜坡地形、黃土和風(fēng)化泥巖的獨(dú)特結(jié)構(gòu)、物理力學(xué)性質(zhì)等的制約。吳瑋江等[8]指出地下水作用是黃土-泥巖接觸面滑坡的重要引發(fā)因素,受斜坡地質(zhì)結(jié)構(gòu)和水文地質(zhì)條件的控制,黃土-泥巖滑坡變形破壞的地質(zhì)力學(xué)模式為滑移-拉裂型或塑流-拉裂型。Peng等[89]對(duì)天水市劉家堡的黃土-泥巖滑坡進(jìn)行了地質(zhì)特征研究,指出其演化進(jìn)程是由斷層斷裂帶控制的。Zhuang等[74]研究指出水遇到相對(duì)不透水層,如古土壤、第三紀(jì)紅黏土或基巖,會(huì)逐步積累造成其上方土壤軟化誘發(fā)滑坡。黃土-泥巖滑坡的影響因素總結(jié)如圖3所示。

圖3 黃土-泥巖滑坡的影響因素Fig.3 Influencing factors of loess-mudstone landslide

3 黃土-泥巖滑坡機(jī)理研究

對(duì)于黃土-泥巖滑坡的機(jī)理,國內(nèi)外學(xué)者做了大量的研究,并且取得了豐碩的成果。如:Wen等[5]通過現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)和實(shí)驗(yàn)室物理建模方法研究了黃土-紅層泥巖接觸面滑坡的坡體變形過程。張澤林[90]利用野外調(diào)查、遙感解譯、動(dòng)三軸試驗(yàn)、電鏡掃描SEM、離心振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)以及數(shù)值模擬等方法,從微細(xì)觀角度分析了黃土、泥巖的動(dòng)力學(xué)特性及損傷效應(yīng),并以此為基礎(chǔ)反演了大型黃土-泥巖滑坡在地震動(dòng)過程中的啟動(dòng)機(jī)制、運(yùn)動(dòng)過程及成災(zāi)模式。孫萍等[91]通過野外地質(zhì)調(diào)查、工程地質(zhì)鉆探、室內(nèi)力學(xué)試驗(yàn)以及FLAC3D數(shù)值計(jì)算的方法對(duì)地震作用下甘肅天水地區(qū)黃土-泥巖接觸面滑坡機(jī)理進(jìn)行了研究,發(fā)現(xiàn)此類滑坡主滑面(帶)的形成方式為剪切破壞,后壁為典型的拉裂破壞,滑坡變形破壞的地質(zhì)力學(xué)模式為滑移-拉裂型。韓帥等[87]研究了黃土-泥巖滑坡在強(qiáng)降雨作用下的動(dòng)態(tài)變形演化過程,揭示該類斜坡的破壞機(jī)理和破壞模式為:坡肩侵蝕→微裂隙產(chǎn)生、發(fā)展、貫通→斜坡局部滑動(dòng)破壞→斜坡整體滑動(dòng)破壞。Mu等[92]根據(jù)彈塑性力學(xué)數(shù)值模型,揭示了黃土-泥巖滑坡的觸發(fā)機(jī)制,然后結(jié)合極限平衡法和蒙特卡羅法對(duì)潛在滑坡的活化概率進(jìn)行了評(píng)價(jià),結(jié)果表明,由于水巖相互作用使得黃土-泥巖接觸帶的剪切強(qiáng)度對(duì)含水量非常敏感,這是此類滑坡發(fā)生的主要原因。

4 存在問題及展望

綜上所述,關(guān)于黃土-泥巖滑坡促發(fā)因素及形成機(jī)理的研究較為豐富,但仍存在以下幾個(gè)問題亟待解決或進(jìn)一步深入開展研究:

1)黃土-泥巖滑坡災(zāi)害誘發(fā)因素研究不全面,黃土-泥巖滑坡誘發(fā)因素多種多樣,包括黃土和泥巖的地質(zhì)構(gòu)造情況、地形地貌影響、水的影響、人類工程活動(dòng)影響。考慮到黃土-泥巖滑坡的復(fù)雜性,應(yīng)綜合考慮多種因素的影響,從而對(duì)主控因素和次要因素有全面的把握。

2)針對(duì)黃土-泥巖滑坡的特殊性,黃土-泥巖接觸面滑坡的底部泥巖是相對(duì)隔水層,黃土與泥巖二者之間接觸面幾乎長(zhǎng)期處于過濕飽和軟塑狀態(tài);黃土與泥巖接觸面表現(xiàn)出即不同于土體、又不同于巖體的復(fù)雜性質(zhì)。因此，我們要考慮黃土與泥巖兩種“異質(zhì)土體”的接觸面滑動(dòng)力學(xué)作用,對(duì)于滑帶土凍融、干濕循環(huán)等劣化因素也要考慮到。

3)針對(duì)黃土-泥巖接觸面滑坡滑帶土,需要同時(shí)聯(lián)系滑帶土相應(yīng)因素作用下的應(yīng)力-應(yīng)變-時(shí)間曲線以及滑帶飽和黃土與泥巖界面之間的剪切蠕變特性規(guī)律,來探索降雨等復(fù)雜因素作用下滑帶土的長(zhǎng)期強(qiáng)度,進(jìn)而建立一種描述此類滑坡滑帶土復(fù)雜影響因素的蠕變本構(gòu)模型。

4)研究誘發(fā)因素及形成機(jī)理的目的是預(yù)防滑坡的發(fā)生。根據(jù)黃土-泥巖滑坡的發(fā)育機(jī)理及特征,基于Web-GIS地質(zhì)災(zāi)害實(shí)時(shí)預(yù)警預(yù)報(bào)研究。根據(jù)區(qū)域?qū)崟r(shí)的人為活動(dòng)、降雨信息等,對(duì)滑坡災(zāi)害進(jìn)行預(yù)測(cè)預(yù)報(bào),針對(duì)性地提出防治性措施,探索新技術(shù)新方法。

隨著社會(huì)的不斷發(fā)展,人類對(duì)于空間的需求越來越大,更多的黃土-泥巖滑坡及其所帶來的問題亟待人類去治理解決,這是目前與今后一段時(shí)期黃土高原地區(qū)滑坡災(zāi)害防治與預(yù)警預(yù)報(bào)所亟需解決的科學(xué)難題。因此，我們要深入研究其誘發(fā)因素及形成機(jī)理,加深理論認(rèn)識(shí),提出更多生態(tài)防控的創(chuàng)新思路,預(yù)測(cè)其長(zhǎng)期穩(wěn)定性,解決更多相關(guān)的實(shí)際問題，以減輕黃土-泥巖滑坡對(duì)人民群眾的危害。