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.     

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。     

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。     

黑方台黄土区灌溉诱发滑坡数值模拟研究——以黄茨滑坡为例

本文利用phase2软件对黄茨滑坡进行数值模拟,分别模拟天然状态和饱水状态下滑坡的情况,通过分析计算模型的应力、位移变化,探究黑方台黄土区灌溉诱发滑坡的形成机理。最后的计算结果比较理想,天然状态和饱水状态下应力和位移在空间上具有相同的分布规律,但在饱水状态下应力和位移均出现较大增幅,说明边坡在饱水时更容易失稳。结合黑方台地区长期使用大水漫灌这一灌溉方式的实际,从而初步得出灌溉是黑方台地区频繁发生滑坡的诱因的结论。     

突发型黄土滑坡监测预警理论方法研究——以甘肃黑方台为例

灌溉诱发的黄土滑坡大多数具有明显的突发性特征;斜坡破坏过程变形量小,历时短,具有较大的危险性。由于此类黄土滑坡加速变形阶段经历时间较短,GNSS系统和裂缝计等传统监测手段难以获取加速变形阶段系统完整的监测数据,更难以提前预警。针对这一难题,自主研发了自适应智能变频裂缝仪,它能够根据滑坡变形快慢自动调整采样频率。基于获取的黑方台多个突发型黄土滑坡的全过程变形-时间曲线,对这些变形曲线特征和规律进行分析研究,建立了针对性的黄土滑坡综合预警模型。将变形速率阈值和改进切线角作为滑坡预警的重要指标,建立了4级预警判据,通过自主研发的"地质灾害实时监测预警系统"实现滑坡的实时自动预警,并将预警信息与当地的群防群测信息平台对接,为防灾应急避让提供直接依据。2017年以来已先后6次对黑方台黄土滑坡实施成功预警,避免了重大人员伤亡,取得显著的防灾减灾效果。     

甘肃黑方台陈家8~#静态液化型黄土滑坡变形特征及成因机理

甘肃黑方台为灌溉诱发的静态液化型黄土滑坡发育地区,这类滑坡变形破坏具有明显的突发性,2015年黑方台东北侧的陈家8~#滑坡发生了3次滑动,在前方沟谷内形成了4.4×10~4 m~3黄土堆积体。通过野外调查和位移监测,获得了陈家8~#静态液化型黄土滑坡的完整变形曲线,其滑坡变形过程可分为前期稳定、匀速变形和加速变形3个阶段,位移具有明显的突发性,滑前坡体底部饱水黄土的静态液化是诱发滑坡连续发生的原因,而滑坡弧形凹槽产生的汇水作用是使3次滑动呈渐进后退式的重要因素。有效的地表变形监测和宏观上地下水渗出规律的识别是预警这类滑坡的重要手段。     

甘肃永靖黑方台地区灌溉诱发型滑坡发育特征 及力学机制

水是诱发黄土滑坡最为积极的因素,以灌溉诱发型滑坡尤为典型.基于野外水工环地质综合调查,对黑方台地区灌溉渗透诱发滑坡的发育特征进行总结.通过分析特定孕灾地质条件下滑坡发育特征的差异,认为黄土滑坡形成的力学机制以滑移-压致拉裂-剪断型和蠕滑-拉裂-滑移型为主,而黄土-基岩滑坡以滑移-压致-拉裂型为主.滑移-压致拉裂-剪断型黄土滑坡为原位溯源后退扩展式,系灌溉水入渗后造成黄土饱和带厚度增大,不仅造成台缘周边地下水溢出带部位渗透压力增大,且抗剪强度显著弱化,从而在坡体自重作用下发生蠕滑剪切.锁固段突然破坏使滑坡快速启动,滑体冲击致早期饱水滑床产生液化,产生高位抛射,借助原始地形滑体加速运移形成高速远程运动.蠕滑-拉裂-滑移型黄土滑坡是黄土底部饱和带厚度较薄或灌溉入渗影响较小的地段,以后缘拉裂为主激发形成.渗灌溉水长期入渗造成下伏基岩顺倾泥岩层面软化泥化,从而在顺向坡段产生黄土-基岩顺层滑坡,该类滑坡以低速短程滑坡为主.     

甘肃黑方台黄土滑坡地表水入渗机制初步研究

黑方台黄土底部的地下水对滑坡的发生起了重要作用,地下水的来源主要为台塬大面积灌溉,灌溉水通过孔隙、裂隙进入黄土内部并在底部向台塬四周渗出。通过探地雷达确认了台塬中部与台塬边同样发育大量裂隙延伸至黄土深部。根据灌水和开挖探槽可见裂隙为地表水的主要优势入渗通道,地表水可沿裂隙快速入渗至黄土深部。在台塬四周的陡壁和典型滑坡后壁取样测含水率发现黄土底部只有裂隙渗水点附近含水率较高,其余区域含水率增大不明显,黄土底部含水率大小分布受节理裂隙控制。     

黑方台灌溉渗透型黄土滑坡的运动学模拟研究

研究滑坡的运动学特征对于认识和减缓滑坡灾害风险具有重要的意义。以甘肃省永靖县黑方台焦家崖头灌溉渗透型黄土滑坡为研究对象,在工程地质测绘和实验测试的基础上,根据滑坡表现出的各种迹象,基于有限差分法滑坡运动模型对滑坡运动的全过程进行了模拟,并分析了滑坡的速度场。模拟结果表明:滑坡的速度可分为启动加速,高速波动和碰撞减速3个阶段,全程平均滑速为8.6ms-1,表现为高速滑动特征,具有较大的危害性。不同计算方法得出的滑坡速度不尽相同,其中数值模拟的剪出口速度比美国土木工程师协会推荐法结果大1.2ms-1,比变分法计算速度小2ms-1 左右,与潘家铮算法的下限值较接近。本次模拟工作对于潜在的灌溉型黄土滑坡的致灾范围和滑速预测具有一定参考意义。     

基于物理模拟实验的黑方台黄土滑坡破坏机理研究

在黑方台地区,由于长年的灌溉引发了大量的黄土滑坡,以焦家4#滑坡为例,对该滑坡进行了近景摄影测量分析以及详细的野外调查工作,对黄土滑坡破坏机理进行研究。结果表明:黄土滑坡破坏前期后缘开始发育大量裂缝,破坏后后缘呈圈椅状,滑动面处于液态化的状态,滑体软弱松散,是该区危害最大的一类滑坡。建立物理模型模拟该滑坡的破坏过程,结果表明:该滑坡演化过程中,边坡中后部率先出现裂缝,逐渐向坡面发展,裂缝方向顺着斜坡坡面方向,最后贯穿滑坡体。边坡破坏时,孔隙水压力激增,导致黄土液化,强度降低,前缘塑性流出,边坡破坏;表面位移量达到最大,表明该滑坡具有明显的突发性特征。     

甘肃永靖黑方台地区黄土滑坡土的力学性质

与地下水位以下的饱和黄土力学性质相比,包气带黄土力学性质具有不同的表征参数和测试方法,其对黄土斜坡渗流场和稳定性的影响不容忽视.以甘肃黑方台地区黄土为例,分别采用张力计和轴平移技术量测了黄土的部分区段土-水特征曲线,依据Gardner、Van Genuchten和Fredlund and Xing 3种经验公式对轴平移测试数据进行拟合,获取了完整的土-水特征曲线.基于GDS多功能三轴仪,通过控制基质吸力的三轴剪切试验,获取了考虑基质吸力的黄土强度参数.结果显示:张力计和轴平移技术量测的部分区段土-水特征曲线具有相近的曲线形态,但张力计曲线位于轴平移技术曲线的上方;当基质吸力由100kPa减小至20kPa时,黄土内摩擦角减小约1°,粘聚力下降近22kPa;拟合所得的黑方台地区黄土的基质吸力摩擦角为15.6°.试验为进行黑方台黄土斜坡的非饱和渗流和稳定性分析提供了参数.     

甘肃永靖黑方台地区滑坡形成的黄土时效特性

甘肃黑方台地区是中国滑坡预测预报研究和实践的热点地区,开展黄土时效特性试验是进行滑坡预测预报的基础.以黑方台原状黄土为研究对象,开展了2个含水量、4个围压、八级偏应力水平下的黄土三轴固结排水蠕变试验,研究了黑方台黄土的粘-弹-塑性变形破坏规律.蠕变试验结果表明,相同含水量和围压下,偏应力越大时,黄土的蠕变变形量越大;围压和偏应力水平一定时,含水量越高,蠕变越容易,蠕变量越大;黄土具有显著的非线性粘-弹-塑性变形特征.分析认为黑方台黄土普遍表现出稳定型和渐变型的变形特征,进行该地区滑坡预测预报是有科学基础的.以试验数据为基础,采用幂函数和对数函数分别拟合得到黄土的蠕变模型.建议采用对数型经验方程进行黑方台黄土斜坡长期稳定性分析和滑坡预测预报.     

灌溉诱发高速黄土滑坡的运动机理

针对黄土高原灌溉诱发的高速黄土滑坡所出现的各种迹象, 本文建立了滑坡体的运动模型。利用变分原理推导出了滑坡体的滑动轨迹、滑速、滑距以及黄土泥流 (液化物质)的流速公式。用这些公式对刘家峡、盐锅峡及八盘峡库区黑方台高速黄土滑坡群发生的全过程进行了模拟计算, 其结果与实际情况-致。     

2015年4.29甘肃黑方台党川2#滑坡基本特征与成因机理研究

2015年4月29日早上7点55分,甘肃省永靖县盐锅峡镇党川村发生了小规模黄土滑坡,约5104m3失稳的黄土从黄河Ⅳ级台塬黑方台冲向黄河Ⅱ级台塬。滑坡后仅3h,再次产生较大规模的黄土滑坡,约35104m3黄土泥流冲向下游,形成长约780m,宽100m的堆积体,最大的堆积厚度17m,在党川段是少有的灾难性的滑坡。本文在滑前位移监测和裂缝分布变形研究的基础上,结合详细地质调查、低空摄影测量、现场工程地质测绘、含水率实验等手段,对党川2#滑坡的基本特征进行了分析,并形成滑坡发生及成灾原因初步认识。结果表明:(1)从时间上来看,党川2#滑坡共发生2次滑动,根据滑动模式和堆积特征上分析,第Ⅰ次相对独立,第Ⅱ次分为3轮滑动,共4轮滑动;(2)第Ⅰ次滑动区域面积8396m2,变形区域仅在台塬边较小范围内,滑前长期蠕动变形是第Ⅰ次滑动发生诱发因素;(3)第Ⅱ次滑动区域面积为27422m2,地表裂缝较少,滑前裂缝无明显位移变形,底部黄土的液化对台塬黄土滑坡的运动起了非常重要的作用,该次滑动滑距长、破坏强,具有突发性;(4)党川段开始发生大规模静态液化型黄土滑坡,并以落水洞形成滑坡边界,这对其他区段早期识别和监测预警研究具有重要意义。     

诱发滑坡的地下水流系统响应历史与趋势——以甘肃黑方台灌区为例

灌溉的地下水系统响应是黑方台地区灌溉诱发地质灾害研究的基础.黑方台台塬自上而下由黄土、砂砾石和基岩3个含水岩组构成.以对斜坡稳定性影响最大的黄土含水系统为研究对象,分析了灌溉前后水均衡变化,采用数值模拟的方法恢复了引水灌溉引起的地下水流系统演化过程,对不同灌溉量下地下水流系统发展趋势进行了预测.结果表明,黑方台地区长期大量引水灌溉打破了地下水均衡,改变了地下水系统的天然状态,使地下水的分布及其水流系统发生了很大变化,中心部位地下水位44年间上升了至少20m,减少灌溉量至350× 104m3/a地下水位将呈下降趋势.研究成果可为黑方台滑坡地质灾害综合治理提供科学依据.     

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。     

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     

甘肃黑方台滑坡类型与活动特征研究

由于农业灌溉水的长期入渗软化作用,1984-2019年甘肃黑方台已频繁发生滑坡灾害约150次,沿黄土塬边形成长约10公里的滑坡密集发育带。滑坡类型以中、小型黄土层内滑坡为主,占90%以上;大、中型黄土-泥岩顺层滑坡次之。黄土层内滑坡速度快、滑程远,突发性、频发性、继发性强;黄土-泥岩顺层滑坡速度慢、滑程近、复活性强。高陡的台缘地形和强度低、水敏感性强的岩土体和岩层倾向坡外的地质结构是滑坡发生的基础,台塬区长期大量的农业灌溉是主要引发因素,大量水体入渗软化斜坡岩土体,使抗剪强度降低,并形成了约20多米厚的饱和软弱基座,导致斜坡失稳滑动,侧压力、季节性冻结滞水和溶滤作用等也有一定影响。黄土层内滑坡高速远程滑动的主要原因是：滑坡剪出口位置高,滑动势能大,释放条件好,剪出口下部有陡坡加速段和开阔、平缓的滑动空间,滑体底部饱和软弱黏性土持续产生超孔隙水压力、液化等低摩阻效应,是远程滑动的润滑剂。黄土-泥岩顺层滑坡的主滑面沿外倾15°左右的泥岩层面发育,且剪出口位于斜坡下部坡脚部位,能量释放条件差,决定了黄土-泥岩顺层滑坡的滑动速度较低、滑动距离较短,滑体易再次复活滑动。     

甘肃永靖黑方台4·29罗家坡黄土滑坡的特征

2015年4月29日上午,甘肃省永靖县盐锅峡镇黑方台滑坡高频发区的党川村罗家坡同一斜坡处连续发生了2次大规模黄土滑坡,总体积约65×10~4m~3,最大滑距630 m,摧毁14户居民房屋和3家工厂.通过现场详细调查、取样试验、1∶500地形测量、滑坡影像、视频等资料分析,对灌溉引发的罗家坡黄土滑坡的特征、滑动过程、形成机理进行了探讨.结果表明:第1次滑坡经过近2 a变形过程,整体突然失稳,高速远程滑动;第2次滑坡变形时间仅3 h,分块逐步滑动,滑动历时长而过程复杂,总体为低速远程滑动.高陡的地形和强度低、水敏感性强的土体是滑坡发生的基础,黄土台塬区长期农业灌溉是引发因素,大量水体入渗形成了20余米厚的饱和软弱基座,使抗剪强度降低,导致斜坡失稳滑动.黄土滑坡高速远程滑动的主要原因是滑坡剪出口位置高,滑动势能大,释放条件好,剪出口下部陡坡段为主要加速段;前方有开阔的滑动空间且有一定坡度、平缓的滑道;滑体底部饱和软弱黏性土在滑道上持续产生超孔隙水压力、液化等低摩阻效应,是远程滑动的润滑剂.同时,两次滑体间还存在冲击加速和能量传递作用.     

黄土斜坡内部水分二维成像研究——以黑方台罗家坡滑坡为例

黄土高原地区受构造活动及河流侵蚀形成的大量黄土斜坡, 在降雨及农业灌溉等条件影响下, 每年会有大量黄土滑坡发生, 因此, 准确揭示黄土斜坡内部水分空间分布规律及运移特征对于理解黄土滑坡机理和预警预报极其重要。本文利用电阻率层析成像技术(ERT)及模型模拟的方法对斜坡内部电阻率与含水量关系进行量化, 并结合surfer软件进行斜坡内部水分二维成像。黄土电阻率与地层物理化学参数相关性分析表明:黄土斜坡中地层含水率是地层电阻率发生变化的主导因素;基于Archie公式的模型拟合结果能更准确地量化电阻率与含水量特征关系;地层水分二维成像结果可以直观地显示斜坡内部水分时空演化。本研究定量化且更直观地对黄土斜坡内部的水分分布特征进行描述, 可为黄土滑坡预报预警提供最直接有效的数据资料。