甘肃永靖:综合施策根治黑方台滑坡地质灾害“顽疾”

永靖县位于甘肃省中部西南、临夏回族自治州北部。境内山大沟深、生态环境脆弱,干旱、洪涝、滑坡等自然灾害易发频发,尤其是黑方台多次发生地质灾害,已成为影响全县经济社会发展的桎梏。为有效减少灾害损失、彻底治理黑方台地质灾害,永靖县实施了刘盐八库区地质灾害综合治理项目,通过实施避让搬迁、开展节水控水、调整产业结构、采取台下排水、完善监测预警、开展应急演练、强化物资保障等措施综合施策,有力减少了地质灾害的发生,保障了群众的生命财产安全。

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。

冻结滞水效应及其促滑机理——以甘肃黑方台地区为例

冻融期地质灾害的不断发生,愈来愈引起社会关注并被更多的学者所重视,甘肃黑方台地区冬春交接时期滑坡频发,是研究季节性冻融作用的首选之地。为了探索是否存在冻结滞水效应,揭示冻融作用诱发滑坡灾害机理,建立了气温、地温和地下水位动态等协同观测网。监测数据显示:黑方台地区存在季节性冻融现象,可划分为冻结期(秋冬)、完全冻结期(冬)、冻融期(春夏)、融化期(夏秋)的年季循环过程,也存在昼夜气温变化引起的循环冻融过程;斜坡中段冻结引起的地下水位上升了1.0m,证实了冻结滞水效应的存在。地下水模拟结果表明,冻结滞水引起斜坡坡脚水位壅高幅度超过3m,水平影响距离达到30m以上。冻结前坡体稳定系数为1.19;冻结后仅考虑冻结滞水效应引起的地下水位上升,稳定系数减小到1.09;反复冻融后,考虑黄土强度降低因素,坡体稳定系数降至0.97,说明冻结滞水效应和循环冻融的双重作用是滑坡在春季频发的根本原因。

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。

甘肃黑方台黄土固结-渗透特性试验研究

室内渗透试验过程中由于土样经过了卸荷回弹,所测得的渗透系数并不是土体真实应力状态下的渗透系数,为此对传统渗透仪进行改装,并以黑方台黄土为研究对象,对不同深度的黄土试样进行不同压力下土的固结-渗透试验,对比分析了土的变形及渗透特征.结果表明,室内常规变水头渗透试验所得黄土渗透系数较固结-渗透试验所测得数据大25～40倍.将常规渗透试验和固结-渗透试验测得的渗透系数应用于SEEP/W软件进行灌溉入渗模拟,将两种模拟结果与实际调查情况进行对比,得到后者与实际情况较一致,可见进行固结-渗透试验得到的试验数据更具有实际应用价值.

黑方台黄土滑坡类型与发育规律

20世纪60年代末期,为了安置刘家峡、盐锅峡库区移民,在黑方台建成了提水灌溉工程,造成地下水位上升,诱发了大量黄土滑坡。作者于2006-04～2007-09先后对黑方台黄土滑坡进行了野外调查。利用IKONOS影像对黄土滑坡进行了遥感解译,将其与研究区数字高程模型(DEM)进行叠加再现了滑坡场景。基于以上工作,首先对黑方台黄土滑坡进行了较为系统的分类,包括黄土泥流、黄土滑动、黄土-泥岩接触面滑坡、黄土-泥岩顺层滑坡和黄土-泥岩切层滑坡。黄土泥流集中发育于野狐狗北部凹地形处;黄土-泥岩滑坡受基岩倾向控制,分布于坡向150°～200°的塬边地段。农业灌溉补给地下水的增湿、软化作用是黑方台黄土滑坡的根本诱发原因。对黑方台黄土滑坡机制的研究进行了展望。

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。

基于DEM的黑方台焦家滑坡变形分析

以甘肃省永靖县黑方台焦家滑坡为对象,借助1977年、1997年、2001年和2010年4个时期测制的地形图资料,建立了在ArcGIS平台下基于DEM的滑坡变形分析模型,探索了一种基于DEM的滑坡变形分析的技术方法。滑坡壁后移侵蚀速率计算结果为:1977年到1997年为4.42m/a;1997年到2001年为5.81m/a;2001年到2010年为1.64m/a。

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.

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。

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。

甘肃黑方台黄土边坡稳定性的可靠度分析

在对黑方台地区的黄土进行3种含水率条件下的直接剪切试验和重塑土的反复剪切试验,并收集该区地层力学参数,利用21组实测边坡的坡高坡度建立地质模型,采用Monte Carlo法进行边坡可靠度分析,结果表明:该区黄土黏聚力基本为零,边坡稳定性与坡度显著相关,以5%作为可接受概率,则边坡稳定坡度为27.2°。对于坡度大于27.2°的边坡,宜做防护或改善地下水坏境等措施。

黑方台滑坡灾害研究

黑方台1968年开始提灌灌溉,由于灌溉水的下渗,滑坡灾害越来越严重,到1990年左右达到高峰,1992年以后基本稳定,保持在年平均4次左右。文章通过黑方台滑坡区灌溉引起的土体理化性质的变化分析,探讨了由于灌溉引起滑坡的机理。通过分析该区滑坡灾害,得到黑方台滑坡年均产沙量为5.722×105m3,年均地下潜蚀量为1.552×106m3,共计产沙1.552×106m3,年均经济损失33.8万元的结论。

IKONOS影像在黑方台黄土滑坡调查中的应用

以黑方台为典型的黄土台塬,过量农业灌溉造成了区内地下水位上升,诱发了大量黄土滑坡,该文选用IKONOS影像对其进行了遥感解译。通过对比PCA变换、Brovey变换、IHS变换和Multiplative变换融合影像效果,选用PCA变换融合影像作为分析的基础。重点分析了IKONOS影像在黑方台黄土滑坡调查中的应用。在综合分析研究区地质资料和滑坡影像特征的基础上,IKONOS影像在滑坡类型划分、滑坡周界及期次关系确定、空间分布规律和滑坡特征参数统计方面具有很好的应用前景。

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 k Pa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8.6m.s-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1.2m.s-1,比变分法计算速度小2m.s-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。

黑方台马兰黄土固结条件下孔隙变化特征

甘肃临夏地区的黑方台由于长期的农业灌溉导致台缘滑坡频发,整个台面普遍下沉3m以上.文章通过原状黄土的增湿固结实验、压汞试验和环境扫描电镜等对黑方台顶部和底部的原状黄土进行孔隙特征的分析.黑方台顶部黄土颗粒排列极为疏松、孔隙较大、黏土含量较低.底部黄土排列较为紧密,具有-定的孔隙,黏土含量较高.顶部黄土在固结实验中,21%含水量的黄土发生孔隙比突降,黄土的微观结构强度此时迅速减小或丧失.然而底部黄土没有发生明显的突变,水敏性不强.利用压汞试验确定了黑方台顶部黄土的孔隙主要压缩区间为孔径大于100μm、孔径5～20μm之间;底部黄土的孔隙主要压缩区间为孔径大于100μm、孔径1～10μm之间.而且孔径小于01μm的孔隙随含水量的升高具有增加的趋势.

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。

基于数值模拟的突发型黄土滑坡运动过程研究——以黑方台陈家8#滑坡为例

甘肃省黑方台地区农业灌溉诱发大量的静态液化型滑坡,此类滑坡失稳前变形迹象小、启动速度快、运移距离远,具有显著的突发特征并严重威胁到当地居民的生命财产安全。目前对突发型滑坡的运动过程,主要集中在定性和半定量研究方面,缺乏合理的定量研究。本文选取黑方台地区典型的陈家8#突发型滑坡,采用Massflow数值模拟软件对该滑坡进行反演,依据滑距及堆积范围吻合率定量判断反演结果的准确度,利用最优的吻合结果来分析滑坡启动后不同时刻的堆积厚度和运动速度,得出如下结论:(1)对于陈家8#滑坡,当内聚力为1000 Pa、内摩擦角为31°、基底液化系数为0. 63时,滑距与堆积范围吻合率分别为0. 94和0. 89,反演获得的滑坡堆积范围与真实堆积非常接近。(2)数值模拟结果显示,滑坡主滑方向的平均厚度约1. 20 m,最大堆积厚度约4. 10 m,反演结果与真实堆积厚度较为吻合,后缘高差与滑距之比为0. 05,体现此类滑坡较强的流态特征。(3)滑坡的运动过程可分为启动加速、稳定加速、减速堆积三个阶段,陈家8#滑坡从启动到最终静止整个过程仅用42 s,最大运动速度介于15 m/s至20. 30 m/s之间,启动加速阶段时间仅占滑坡运动总时间的12. 85%,而减速堆积阶段占滑坡运动总时间的77. 38%,进一步表明其流态特性,体现该类滑坡较强的破坏性。

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。