引水灌区黄土地质灾害成因机制与防控技术 ——以黄河三峡库区甘肃黑方台移民灌区为例

黄土是具有水敏性的特殊类土,遇水后性质发生明显变化,甚至引发地质灾害.甘肃黑方台地区由于引水灌溉引发的滑坡和黄土湿陷等灾害十分严重,也很典型,已成为地质灾害研究和工程实践的热点地区之一.针对引水灌区黄土地质灾害成因机制研究与防控技术中存在的问题,以黑方台地区为例,从灌溉水入渗引起的地下水动力场与黄土工程地质性质响应及其诱发的黄土滑坡和黄土湿陷灾害等方面开展了国际合作研究.研究表明,40余年引水灌溉导致台塬中心部位地下水位上升了20m,升幅为0.476m/a,导致滑坡灾害频发,平均每年发生3～4次,引起黄土湿陷总量达5.9m,非饱和黄土和湿陷系数小于0.015的黄土所引起的湿陷量达到2.16m,对黄土湿陷性研究提出新的挑战.灌区地质灾害风险防控的关键是改变灌溉模式,减少地下水补给,实施排水工程,有效地降低斜坡地带的地下水位.     

灌溉诱发黄土滑坡的发育机制研究

黄土滑坡机理是黄土地质灾害领域研究的热点,而黄土介质干湿演替水-力特性变化、地下水动力场响应以及由此造成的斜坡稳定性变化是其形成的关键。本文在黑方台非饱和黄土水-力特性测试的基础上,结合斜坡地带灌溉引起的非饱和渗流演化过程与发展趋势,探讨了这种滑坡的发育机制。结果表明:随着灌溉持续,长期的正水均衡场引起地下水位上升,包气带增湿后非饱和黄土的吸力下降,强度显著降低,同时饱和区孔压上升,斜坡地带水力梯度增大,提高了水流的渗透力,致使斜坡稳定性下降,斜坡稳定系数随地下水位上升呈线性降低,当地下水位升至55m时达到坡体极限平衡状态,遇有利触发条件即可能失稳滑动,但地下水位变化对最危险滑面位置影响较小。     

甘肃黑方台地区灌溉型黄土滑坡形成机理 与运动学特征 ——以焦家崖头13号滑坡为例

甘肃黑方台地区常年农业灌溉导致塬边产生大量的黄土滑坡,灌溉水长期入渗引起灌区地下水位上升,因地下水作用造成水敏性黄土遇水乃至饱水后强度劣化,进而产生斜坡失稳,因黄土滑坡剪出口高悬于上缓下陡的坡体中部,其成灾模式呈现出高位剪出后高速滑动,并产生远程运移,波及范围大,致灾后果严重。以甘肃省永靖县黑方台焦家崖头滑坡为例,在现场调查和地下水动态监测的基础上,对灌溉型黄土滑坡塑流-拉裂形成机理进行分析,并运用离散元模拟方法,对地下水位上升过程中模型底部饱水黄土软弱层的形成、演化过程和滑坡运动学特征进行模拟研究。结果表明,随地下水位的上升,模型底部软弱层范围不断增大;孔隙水压力主要作用于滑坡底部软弱层饱水黄土;地下水位高程上升至标高1682m时,滑坡产生整体破坏。     

灌溉引起地下水位上升对斜坡稳定性的影响——以甘肃黑方台为例

灌溉诱发黄土滑坡是黄土高原地区一种常见的地质灾害,其实质是地下水位上升,引起黄土基质吸力下降,强度降低,最终导致黄土斜坡失稳的过程。以甘肃黑方台典型黄土斜坡为例,在非饱和土特性试验基础上,通过饱和-非饱和渗流分析,研究了地下水位上升引起的黄土斜坡内部渗流场的变化特征,探讨了地下水位变化对斜坡稳定性的影响。结果表明:地下水位上升,对斜坡内部孔压分布影响较大;地下水位上升,导致饱和区域增大,非饱和区基质吸力降低;斜坡内部基质吸力的降低与地下水位呈线性关系。以渗流分析为基础,对典型斜坡进行了极限平衡分析,结果表明,地下水位上升与稳定性系数下降基本上呈线性关系,在距离坡顶100 m位置的黄土层中地下水位约21 m时,边坡出现失稳。     

甘肃黑方台地区灌溉型黄土滑坡形成机理与运动学特征——以焦家崖头13号滑坡为例

甘肃黑方台地区常年农业灌溉导致塬边产生大量的黄土滑坡,灌溉水长期入渗引起灌区地下水位上升,园地下水作用造成水敏性黄土遇水乃至饱水后强度劣化．进而产生斜坡失稳,因黄土滑坡剪出口高悬于上缓下陡的坡体中部,其成灾模式呈现出高位剪出后高速滑动．并产生远程运移,波及范围大,致灾后果严重。以甘肃省永靖县黑方台焦家崖头滑坡为例,在现场调查和地下水动态监测的基础上,对灌溉型黄土滑坡塑流-拉裂形成机理进行分析,并运用离散元模拟方法,对地下水位上升过程中模型底部饱水黄土软弱层的形成、演化过程和滑坡运动学特征进行模拟研究。结果表明,随地下水位的上升,模型底部软弱层范围不断增大：孔隙水压力主要作用于滑坡底部软弱层饱水黄土：地下水位高程上升至标高1682m时,滑坡产生整体破坏。     

灌溉诱发型滑坡风险控制关键技术

长期灌溉引起地下水位上升诱发滑坡发生是灌溉诱发型滑坡的基本特征,有效控制地下水位是灌溉诱发型滑坡风险管理的根本措施.通过灌溉量控制、竖向混合孔疏排水、水平疏排水3种排水措施,可以实现灌溉诱发型滑坡的风险控制.采用数值模拟的手段,计算了不同灌溉量下地下水动力场及其对应的台塬斜坡稳定性,模拟了不同布井方式下的竖向混合井疏排地下水的效果,结果表明,灌溉量控制在350×10 4m3/a以下可实现滑坡风险控制,竖向混合排水井间距为40m时可提高单体斜坡的稳定性.统筹考虑各种因素,提出了以控制灌溉量为主,辅以竖向混合孔排水和水平排水的黑方台灌区滑坡的风险控制措施.     

黑方台黄土泥流滑坡及发生机制研究

黑方台因农业灌溉触发了大量泥流滑坡。为了充分反映黑方台黄土泥流滑坡发育特征,首先基于IKONOS影像对黑方台泥流滑坡进行了遥感解译,随后又开展了详细野外调查工作。结果表明,黄土泥流滑坡呈流态化运移特征,滑距可达300 m以上,是黑方台危害最为严重的一类滑坡。钻探和塬边露头测量显示,研究区黄土底部黏土高程西高东低。地下水数值模拟结果显示,研究区地下水总体上由台塬西部流向地势较低的东部台缘,使得该处地下水抬升幅度要高于西部,从而造成泥流滑坡集中分布于东部台缘。为充分反映该条件下黄土泥流滑坡的破坏机制,开展了室内饱和原状黄土应力路径试验,分析研究了黄土泥流滑坡液化机制     

黄土沟壑型煤炭开采对地下水系统影响的数值模拟研究

在黄土沟壑区,由于煤层埋藏浅,煤炭资源的开发对地下水系统造成重大影响。本文以神东矿区大柳塔煤田为例,利用地下水数值模拟技术,对采前地下水流特征、现状开采条件下地下水流场、维持开采条件的地下水动态以及采煤对地下水均衡的影响等进行深入分析和研究。得到煤炭开采造成地下水位明显下降,并且随着持续采掘,对地下水影响加剧,地下水水均衡总量持续减少,并且由于流场变化,导致侧向补给量直线减少,向采掘空间排泄量相对增加,潜水蒸发量相对减少,向河流排泄量明显减少,最后趋于稳定。     

甘肃永靖黑方台地区灌溉诱发作用与黄土滑坡响应

黑方台地区自灌溉以来,诱发了大量的滑坡,但缺乏系统地对研究区的滑坡历史分析研究 在黑方台滑坡历史分析的基础上,研究灌溉引起的地下水位上升过程与滑坡的历史关系,对比分析不同时期的地下水位对滑坡稳定性、滑坡体积及后壁垮塌速度的影响.历史数据分析表明,灌溉引起的水位上升与滑坡发生的频率、体积存在明显的相关性,选取的典型滑坡稳定性计算结果显示滑坡具有多期逐级后退式特征,随着灌溉时间的增长,滑坡体积逐渐减小,但发生频率逐渐增大,基于DEM数据计算的滑坡变形也验证了计算结果.研究成果基本反演了灌溉引起的黄土滑坡历史过程,对黑方台滑坡的综合治理提供了数据支撑.     

黑方台黄土塬区地面变形成因分析

黄土由于其特殊的物质组成和结构而具有独特的沉陷性.由于西北地区耕地长期存在不合理的灌溉方式,由此而导致的地面变形逐渐成为黄土区最为普遍的地质灾害之一,给当地居民的生命财产带来巨大威胁.通过对影响黑方台黄土塬区地面变形的各种控制因素,包括地质因素、土体结构因素、灌溉因素以及地下水因素的概括总结,分析水土相互作用的过程及灌水与地面变形之间的关系.揭示了黑方台黄土塬区各种来源的潜蚀水潜蚀黄土后导致的以地面陷缝为主的地面变形的形成条件以及形成机制,时黄土地区地面变形的治理控制具有重要意义.     

Post-failure evolution analysis of an irrigation-induced loess landslide using multiple remote sensing approaches integrated with time-lapse ERT imaging: lessons from Heifangtai,China

The Heifangtai terrace, in Northwest China, is a typical area where loess landslides have been induced by agricultural irrigation, and many of the landslides are prone to reactivation. However, the spatiotemporal evolution and hydrological-triggering mechanisms of loess landslide reactivation are not well understood. In this research, multiple remote sensing (SBAS-InSAR, TLS, and optical remote sensing), integrated with time-lapse ERT (tl-ERT) imaging, was used to monitor the post-failure evolution of the Luojiapo landslide in Heifangtai during the period of May 2015 to Nov. 2020. Pronounced temporal and spatial differences in the deformation and hydrological evolution of landslides after sliding were observed. The largest displacement rates occurred in the landslide source area, and the lateral extension of the landslide source area caused by spatial differences in reactivation is an important feature of landslide evolution. In the landslide area, the groundwater table (GWT) decreased at first ascribed to the spring hole caused by the exposure of the GWT after sliding and then increased due to the subsequent continuous irrigation, and the lag time of the GWT response to irrigation decreased significantly. Spatial differences in GWT evolution are one of the main causes of spatial differences in landslide reactivation, and reactivation was more likely to occur where the GWT fluctuated at a high level. The GWT also fell with local reactivation. Our findings highlight the potential for obtaining internal and external spatiotemporal information of loess landslide evolution using multiple remote sensing integrated with tl-ERT. Our results also help to understand the reactivation process of irrigated loess landslides and provide a reference for the monitoring and early warning of such landslides.

     

台塬塬顶裂缝对黄土斜坡水文响应的影响

针对黑方台黄土滑坡,从现场灌溉试验监测数据和数值模拟分析着手,研究灌溉过程中台塬斜坡的水文响应以及对黄土斜坡稳定性的影响。结果表明：短期的灌溉并不能对地下水位形成有效的补给,但是却容易引起斜坡浅部范围内体积含水量增加,从而使得抗剪强度降低,最终在台缘顶部发生滑塌,台塬顶部裂缝的存在会使得浅部体积含水量增加速度加快,加速土体弱化,更易发生台塬顶部的滑塌;从长期灌溉模拟来看,裂缝的存在会加速地下水位的上升。从数据上论证了黄土斜坡受裂缝的影响特性,为研究黄土滑坡与地表水入渗的关系提供数据参考。此外,数值模拟与监测数据有很好的对应关系,用其模拟灌溉引起的斜坡水文响应是可行的。     

甘肃黑方台“10·5”黄土滑坡启动及运动特征分析

数十年的塬上大面积灌溉导致甘肃黑方台地下水位不断提升,迄今为止已有约200余起黄土滑坡发生,造成了大量伤亡,给当地居民生活和财产安全带来了巨大的影响。针对黑方台黄土滑坡启动迅速、运动速度快、影响范围广的特征,文中以2019年10月5日发生在黑方台党川村附近的一起黄土滑坡为研究对象,通过野外调研和无人机手段,获取该滑坡的发育特征和地形数据。基于Massflow软件再现了该滑坡运动全过程,最终得到堆积厚度及运动速度2个方面特征,得出以下结论:（1）“10·5”黄土滑坡体积约2.7×104 m3,最大滑距355 m,属于小型黄土滑坡;（2）模拟结果显示,滑坡运动持续时间约45 s,最大运动速度为26 m/s,反演结果与实际情况较吻合。运动过程可分为启动加速阶段、稳定加速阶段、减速堆积阶段三个阶段;（3）对滑坡堆积厚度进行分析发现,该滑坡在主滑方向上平均厚度约0.59 m,最大堆积厚度为1.35 m,沿滑坡运动方向,堆积厚度呈现先增大后减小的趋势,堆积区最大堆积厚度为0.82 m。该研究成果可为黑方台黄土滑坡风险防控提供一定的技术支持。     

地下水诱发渐进后退式黄土滑坡成因机理研究——以甘肃黑方台灌溉型黄土滑坡为例

黑方台位于我国甘肃省永靖县,该区由于长期灌溉导致地下水位上升,诱发了大量的黄土滑坡,其中最典型的一类滑坡为渐进后退式黄土滑坡。通过对比代表性滑坡多期Google影像,并结合现场调查分析了近年来新发生的滑坡,发现该类黄土滑坡具有典型的渐进后退式演化过程。现场调查和对典型滑坡剖面黄土含水率的实测发现,黄土层底部受地下水的长期浸泡软化所形成的软基效应是使黄土滑坡不断发生的主要原因,而滑坡发生后留下的弧形凹槽往往成为地下水局部集中汇聚和排泄点,滑源区被滑坡残留体覆盖导致地下水位局部雍高上涨,将导致同一滑坡发生多次渐进后退式破坏。     

黑方台黄土斜坡变形破坏机理研究

黑方台常年农业灌溉引起地下水位上升,在透水性差的粉质黏土层顶部形成了厚度不断增大的饱和黄土软弱带,导致斜坡蠕动变形诱发了大量的黄土滑坡,滑坡体在地下水的浸润作用下转化为黄土泥流向前运动。为对黄土斜坡的变形破坏机理进行分析研究,进行了8个围压下的固结不排水试验。试验结果表明:饱和黄土应力应变模式表现为强烈的应变软化剪缩型,并具有一定的稳态特性。300 kPa围压以下,试样强度丧失,土体完全液化,其余围压下的试样产生部分液化,抵抗变形能力增加,土体应力状态可划分为完全液化区和部分液化区。斜坡的变形破坏特征因上覆黄土厚度不同而有所差异,通过插值计算,黄土层厚度大于临界黄土厚度（约20 m）时,斜坡产生突发性滑动变形破坏,反之斜坡产生缓慢变形的黄土泥流。研究结果证明了黑方台削方减载治理工程的科学性,并为滑坡的防治和治理提供了一定的理论依据。