地下水位變化對高陡黃土邊坡穩定性的影響——以《甘谷縣散渡河流域污染源治理工程》為例

楊炳強

（天水市水利水電勘測設計研究院有限公司，甘肅 天水 741000）

天水市甘谷縣散渡河為渭河左岸一級支流，流經黃土高原區，散渡河流域暴雨洪災出現頻繁，來勢兇猛，破壞力強，為典型的季節性山區河流，長期受到降雨以及河流的沖刷，河谷區形成高陡黃土邊坡，極易發生崩滑，加之人類工程活動頻繁，兩岸長期受山洪災害影響，給當地的農業生產造成嚴重影響。

1 工程概況

散渡河流域為典型的黃土梁峁溝壑區，由于其特殊的地形地貌特征，黃土崩滑比較嚴重。以《天水市甘谷縣散渡河流域污染源治理工程（水利部分）》為例，該項目主要是進行散渡河流域綜合治理，河道規整治理。甘谷縣近年加大了對轄區內流域河道防洪的建設力度，本工程建成將有效保護當地群眾的生命和財產安全，促進流域內農業產業的發展，進一步完善了工程區防洪治理體系，為當地人民群眾生命財產安全提供了有力的保障，促進了散渡河流域農業生產和經濟良好發展。

1.1 工程現狀

本次治理段為散渡河左右兩岸，由于上下游整體防洪體系不健全，散渡河暴雨洪災出現頻繁，破壞力強，部分河岸沖刷、崩滑嚴重，對河床的形態影響較大，嚴重影響河道行洪，近年來受洪水沖刷，工程區多次出現毀路、毀田等險情，給兩岸群眾的生命財產安全形成嚴重威脅。河道兩岸的磚廠、脊獸加工廠在河道內違法取土、采砂現象嚴重，加劇了洪水對河道的沖刷，導致已建河堤局部被沖毀，局部岸坎受到強烈淘蝕沖刷，岸坎相對高度不斷增大，坡度變陡，從而形成高陡邊坡，嚴重危及兩岸村莊及耕地的安全。

1.2 高陡黃土邊坡治理的必要性

散渡河為典型的山區河流，洪水多由暴雨形成，流量隨季節變化較大。河道陡、流速快，洪水來勢兇猛，破壞力強等主要特征。工程區散渡河呈“S”形，多形成狹窄河道和心灘，一遇暴雨，河水極易在轉彎和狹窄段沖上岸坎，沖毀農田及基礎設施，嚴重威脅村莊及房屋安全。近年來河道來回擺動，不斷沖刷兩岸岸坎上耕地，給兩岸的居民、耕地的防洪安全形成嚴重威脅。

2 滑坡、崩塌發育條件

2.1 地形地貌

工程區地處甘谷縣北部的散渡河流域，地形地貌上屬秦嶺山地北坡西段與隴中黃土高原西南邊緣復合地帶，地貌類型屬黃土梁峁溝壑區，多為構造低中山，黃土區梁峁地形發育，溝壑縱橫，支離破碎，梁脊狹窄。按地貌形態可分為低中山黃土梁峁溝壑區和散渡河河谷區兩個地貌單元。a.低中山黃土梁峁溝壑區，工程區兩岸的II 級階地區及河谷兩岸山體II 級階地區由第四系黃土組成，村莊及農田主要分布在II 級階地區，因河流不斷下切，加之側向淘蝕沖刷，形成近乎直立的黃土陡砍，其高度在5～30m 之間，下伏第三系磚紅色泥巖，海拔約1420～1890m。b.散渡河河谷區，工程區所處散渡河河谷區，河谷寬650～1550m，河床漫灘寬50～185m，該河屬典型的山區型高彎度河流。河漫灘地下水埋深1.0～2.2m，散渡河河谷呈“S”型狀，走向大至由北向南。

2.2 地層巖性

根據挖探及工程區相關地質資料，區內出露的地層主要有：新第三系（N）和第四系（Q）。

根據工程區揭露地層巖性，高陡岸坎主要由上更新統黃土組成，為散渡河II 級階地，呈灰黃-黃褐色，厚約6.5～25.0m，具大孔隙，垂直節理發育，土質均勻，含少量鈣質結核；下伏新第三系泥巖層，厚度較大；現代河床漫灘地層巖性為沖洪積砂卵礫石層，結構稍密～密實，巖性為長石、砂巖、砂礫巖等，含泥量較高，砂卵礫石層厚度3.0～6.0m（圖1）。

圖1 散渡河典型橫斷面圖

2.3 地質構造

天水市甘谷縣地處黃土高原區，工程區隴西系旋卷構造與祁呂賀“山”字型構造體系前弧褶皺帶復合部位，地貌上屬甘肅中東部黃土覆蓋的低山丘陵區的山間河谷地，表層覆蓋著第四系黃土層，下伏基巖為新第三系磚紅色泥巖層。散渡河流經渭北黃土梁峁溝壑區，為渭河一級支流，流域河道彎曲，支溝發育，黃土覆蓋，光山禿嶺。

2.4 水文地質條件

本區地下水主要為潛水，賦存于散渡河河床漫灘及I級階地砂卵礫石層中，受大氣降水、灌溉回歸水（指II 級階地上的大片農田）的影響，地下水主要向下游排泄，轉化成地表水匯入散渡河。河漫灘地下水埋深0.5～3.5m，I級階地地下水埋深3.0～7.5m，主要受散渡河河水的補給。

2.5 物理地質現象

因工程區處在黃土覆蓋的干旱山區，河勢流態為典型的山區型高彎度河流，側向侵蝕作用強烈，兩岸岸坡均為黃土岸坡，且形成近乎直立的陡壁，高度在6.5～25.0m 之間，岸坡崩滑是區內主要的不良物理地質現象，易造成河道堵塞，侵蝕耕地、農田，危及村莊安全等，形成災害。

3 滑坡、崩塌影響因素

3.1 降雨和灌溉水作用

研究區內主要以黃土地層為主，水是滑坡、崩塌形成的關鍵因素，主要分以下幾個部分研究:

3.1.1 地表水的入滲，地表水主要通過兩種途徑入滲：a.通過黃土節理入滲，黃土垂直節理發育，水體豎向下滲受黃土垂直節理控制，而地表水通過節理入滲是個長期過程。b.通過地裂縫及落水洞入滲，岸坎上發育有落水洞和裂縫，地表水主要沿落水洞和裂縫滲入高岸坎坡體。

3.1.2 水對土體的作用：a.地下水對滑坡形成的影響，滲入土體內部的水體易在坡體內形成飽水帶，飽水帶經長期浸潤、掏蝕和軟化導致原有土體的力學性質大大降低。b.季節性凍結滯水促滑效應，黃土高陡岸坎塌滑的常在冬春季凍融期發生，因此，季節性凍融與滑坡密切相關，其可歸結為地下水的一種作用形式。

3.2 人類工程活動

近年來，隨著經濟的發展和國家對基礎設施的建設，人類對于黃土滑坡、崩塌的影響越來越大，主要有：a.改變坡體結構，在坡體上開挖，開挖坡腳和河道挖砂，部分坡體被改造，改變了坡體原有的力學平衡；b.河道兩岸的磚廠、脊獸加工廠在河道內違法取土、采砂現象嚴重，加劇了洪水對河道的沖刷，導致已建河堤局部被沖毀，岸坎高陡。

3.3 河流沖刷

河谷地帶高陡邊坡主要是河流的沖刷形成，區內主要降雨在雨季，由于上下游整體防洪體系不健全，散渡河暴雨洪災出現頻繁，破壞力強，部分河岸沖刷、崩滑嚴重，加之人類河道采砂嚴重，河床面下切較多，隨著長期的沖刷，邊坡越來越陡，陡坎相對高差越來越大，災害不斷加劇。

4 利用FLAC3D 對散渡河典型高陡邊坡進行數值模擬

4.1 FLAC3D 簡介

FLAC 是一種有限差分軟件，采用顯式拉格朗日算法，本構模型為Mohr-Coulomb 模型，M-C 模型適用于在剪應力下屈服（圖2）。

圖2 FLAC3D 一般求解流程

4.2 典型高陡黃土邊坡數值模擬

通過野外實地勘測調查和室內相關資料的學習，對黃土滑坡有了一定的認識，在此基礎上，利用FLAC3D軟件選取較典型高陡邊坡進行數值模擬。通過模擬地下水位的變化對邊坡的影響，以此來研究區內典型高陡邊坡的穩定性及變形破壞機理。根據野外調查資料，同時參考相關資料，選取典型黃土邊坡為計算模型。

4.3 數值模擬結果分析

4.3.1 數值模擬結果

高陡邊坡坡體臨空面大，上部堆積較厚的風積黃土，下部受季節性洪水沖刷，為了探究地下水位上升對坡體的影響，分別進行了不考慮地下水和地下水位逐 漸 上 升 (0m、5m 和10m)各工況下對邊坡的影響，通過M-C 模型進行模擬，模擬結果如圖3～5 所示。

圖3 位移矢量云圖

4.3.2 數值模擬結果分析

通過對邊坡模型進行了0m、5m、10m 水位和不考慮地下水條件下M-C 模型計算，分別選取位移場計算結果、剪應變增量、塑性區作為作為穩定性分析的依據，以此探究地下水位變化對高陡邊坡穩定性的影響。

塑性區作為斜坡穩定性判別的重要標志，反映了土體的應力應變所處狀態，其是否貫通可作為判別邊坡整體滑移的依據。如塑性區云圖4 所示：a.岸坎與河床漫灘交界處先形成剪切塑性區。b.隨著地下水的上升，孔隙水壓力增大，坡體內部逐漸發生塑性破壞，當塑性區完全貫通后，就從坡腳整體剪出，發生滑動。

圖4 塑性區云圖

從數值模擬的結果可以看出，地下水對高陡岸坎穩定性影響顯著。隨著地下水的上升，岸坎坡體內部水平位移、塑性區、剪應變增量等均在增大，達到一定情況時，坡體內形成弧形滑動面，隨著后緣開裂，中下部剪應力逐漸增大，塑性區進一步擴展，土體達到極限平衡狀態。隨著水位進一步上升，塑性區貫通，土體從下部剪應變集中處（即飽和層）剪出，形成整體滑動，與研究區滑坡變形破壞情況類似。

圖5 孔隙水壓力云圖

5 防治措施

通過野外實地勘測，以及黃土崩滑影響因素分析和數值模擬，散渡河流域高陡黃土邊坡穩定性主要受河流的沖刷和地下水位的影響，結合本地區區域地質概況和數值模擬情況，該地區高陡黃土邊坡防治措施主要有以下幾點：a.排水，水是黃土邊坡崩滑的主要影響因素，在高陡邊坡上，修筑縱向和側向排水渠，將水排入支溝或是河道，減少地表水的入滲，同時也能減小因地表水入滲而引起坡體自重增大，減小了滑坡下滑力。b.削坡，在地形開闊，條件允許的坡體，對于高陡黃土邊坡采用分級削坡，同時坡體上邊可以種植綠色植被。c.河道治理，河道規整治理可以有效地抵抗河流的沖刷，防止河流對坡腳的沖刷，同時可以減輕地下水對坡腳侵蝕，減少水對坡體穩定性的影響。d.削坡和護腳結合，削坡可以有效地減小坡體自重，減小下滑力；護腳可以減小水對坡體穩定性的影響，以及抗擊河流的沖刷，該措施是本地區比較可行的方案。

6 結論

散渡河流域黃土崩滑比較嚴重，已嚴重制約當地經濟農業發展，本文從區域地質概況和人類工程活動，結合野外調查資料和勘測情況，分析了高陡黃土岸坎的發育特征，及岸坎崩滑的影響因素。接著利用FLAC3D 軟件對典型高陡黃土邊坡進行了數值模擬，分別研究了未考慮地下水和考慮地下水位上升情況下對邊坡的影響，通過水平位移、剪應變增量和塑性區分析了地下水位變化對高陡邊坡穩定性的影響。