灌溉条件下黄土阶地斜坡区域稳定性评价——以黑台为例

摘要

中国是世界上黄土分布面积最广的国家，黄土面积约占中国国土总面积的6.63％，在自然条件和人类活动的相互作用影响下，黄土滑坡已成为制约中国社会经济发展的障碍，同时也已成为中国西北地区最严重的地质灾害。受构造地应力的作用，黄土塬边高陡斜坡为黄土滑坡的孕育和发生提供了有利条件，在“塬-梁-峁”地貌演化过程中，受内外地质营力的共同影响，尤其黄土阶地区人类灌溉行为诱发了大量的滑坡，其中以甘肃永靖县黑方台、宝鸡-常兴黄土塬南缘和泾河下游黄土塬滑坡发育最为典型。黑方台地区是黄土台塬区典型的灌溉农业区，由于特殊的地质构造及人类活动，以及黄土的疏松结构和水敏性，黑方台地区发育有大量的黄土滑坡，频次高、规模大。自1968年以来共发生滑坡120余次，38人死亡，直接经济损失超4亿元，间接经济损失超10亿元。截止目前，黑方台地质灾害仍呈高发态势，该地区已成为国内外研究的热点地区。现有研究从黄土滑坡分类、滑坡发生机理、稳定性评价、饱和及非饱和土力学、黄土滑坡防治措施等角度开展了大量的理论研究，但缺少适用于该区区域斜坡三维稳定性评价成果来指导黄土滑坡的预警及防治。因此，探查清楚该地区的工程地质条件，获得可靠的岩土力学参数及地下水流场信息可为后续的风险管控及灾害治理提供基础条件和模型参数；开展区域斜坡三维稳定性评价，对黄土滑坡的危险性分析及灾害治理具有重大的参考价值，同时将稳定性评价方法从二维扩展至三维，由单点至区域面实现了三维稳定性评价方法从理论研究到实际应用的转化。
　　针对当前斜坡稳定性评价的不足，本文以工程地质学、土力学、地理信息科学及计算机信息科学相关理论为基础，在综合分析现有研究资料的基础上，通过野外实地踏勘甄别及测绘获得研究区准确的工程地质条件为后续的工程治理和模型计算奠定基础；利用三维高密度电法及钻孔试验数据、结合室内外物理力学试验，在ArcGIS环境中，获得模型需要的岩土体力学参数及地下水流场数据；实地调查获得研究区滑坡的空间分布特征及分布规律；将所有数据归一化，利用ArcGIS平台及ENVI环境将数据处理成为能够满足软件输入需求的源数据，在Scoops3D软件中分别计算现状条件下的区域斜坡稳定性及在升降水位条件下的区域稳定性，基于以上岩土体工程地质条件、黄土物理力学实验参数、灌溉区黄土滑坡的发育现状及不同水位条件下的区域三维稳定性评价等方面的研究成果，提出适合该地区既能实现地质灾害防治，保障生命财产安全，社会安定等目标，又能适合该区域可持续高收益的农业发展路径。研究得出的主要结论如下：
　　（1）黑台发育5条性质不同的断层，北西向和北东向两组节理。这些断层和节理不同程度的切穿黄土层、红粘土层，导致塬面内部出现大量的地裂缝；构造裂隙、节理及地裂缝成为黄土层内地下水向红粘土层、卵石层径流排泄通道，在黄土基岩滑坡分布区及黄土滑坡区下伏基岩已被入渗地下水浸润软化，强度参数衰减，适宜疏通潜在地下泉眼出露点治理群发性滑坡。
　　（2）利用室内外试验获得马兰黄土的基本物理力学参数。室内环剪试验结果表明含水量对残余抗剪强度具有显著的影响，当含水量增加时剪切阻力降低，粘聚力开始增加直到一个临界值后快速降低接近于0，残余摩擦角降低到临界值之后有轻微增加，剪切带的厚度和水分迁移能力降低，内摩擦角及粘聚力分别达到最大值时所对应的含水量分别为5.2%，20%。
　　（3）综合分析利用Scoops3D计算现状条件下的区域稳定性评价结果表明：黑台区域不稳定区的面积为145900m2、欠稳定区面积为58375m2、基本稳定区的面积为226850m2、稳定区面积为19852025m2，面积占比分别为：0.72%、0.29%、1.12%、97.87%。黑台地下水位上升会导致区域稳定系数下降，降低水位能提高区域整体的稳定性，当现状条件地下水位下降7m时，区域不稳定区、欠稳定区、基本稳定区的面积占比分别降低至0.19%、0.001%、0.73%，稳定区的面积占比提高至99.08%；现状条件下地下水位升高7m，区域不稳定区、欠稳定区、基本稳定区的面积占比大幅度增加至3.89%、0.75%、1.45%，稳定区面积占比减少至93.91%。黑台地下水位上升会导致区域稳定系数下降，降低地下水位能提高区域整体的稳定性。磨石沟中段，焦家滑坡后缘、焦家滑坡群、罗家半坡附近区域稳定系数较低，再次发生滑坡灾害的可能性较大。

目录

声明

第一章 绪论

1.1选题依据及研究意义

1.2国内外研究现状

1.3本课题研究内容、方法和技术路线

第二章 研究区地质环境条件

2.1自然地理位置

2.2气象水文

2.3地质环境背景

2.4人类活动

2.5本章小结

第三章 黑台滑坡类型及空间分布

3.1地质灾害类型

3.2黑台滑坡类型

3.3黑台滑坡的空间分布

3.4典型滑坡

3.5本章小结

第四章 模型参数

4.1黄土的物理性质

4.2现场原位直剪试验

4.3室内直接剪切试验

4.4室内环剪试验

4.5黑台地下水流场

4.6本章小结

第五章 黑台滑坡区域稳定性评价

5.1区域斜坡稳定性计算原理及方法

5.2计算参数

5.3升降水位对区域斜坡稳定系数的影响

5.4不同水位条件下滑坡稳定状态

5.5本章小结

第六章 结论及讨论

6.1结论

6.2滑坡治理对策讨论

6.3不足与展望

参考文献

在学期间研究成果

致谢