王念秦 张宁 段钊

摘 要：為探讨泾阳南塬地区黄土滑坡的高速远程的运动特征以及在运动过程中对阶地易侵蚀基层破坏迹象的产生机理。以泾阳南塬西庙店滑坡为研究对象，通过野外调查、勘探查明其运动特征，运用颗粒流离散元法模拟滑坡运动过程、机理。结果表明：滑坡运动过程中，滑体对阶地易侵蚀基层的冲击刮铲作用显著，宏观上表现为滑坡前缘地层隆起与逆冲剪断。滑坡滑动产生的振动作用使阶地粉土发生液化，液化后的粉土在超孔隙水压力作用下沿上覆土体导水通道涌出，形成显著的“涌砂”现象。滑坡运动全过程历时84 s，滑体颗粒最大运动速度36.2 m/s，最大运动距离253.2 m，具有典型的“高速”、“远程”特征。分析得到2点结论：①泾阳南塬典型高速远程黄土滑坡运动过程可分为3个阶段，即，冲击置换的加速阶段（0～2.9 s）、滑覆铲刮的减速阶段（2.9～5.7s）与堆积推覆的慢速波动阶段（5.7～84 s）;②滑体速度场变化特征明显，也可划分为3个阶段，即，

加速阶段（0～2.9 s）、减速阶段（2.9～5.7 s）以及慢速波动阶段（5.7～84 s）。

关键词：黄土滑坡;颗粒流;泾阳南塬;滑坡运动

中图分类号：P 694

文献标志码：A

文章编号：1672-9315（2020）02-0244-09

DOI：10.13800/j.cnki.xakjdxxb.2020.0208开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

Impacting pocess simulation of loess landslides on the

easily-eroded terrace layers at south Jingyang plateau

WANG Nian-qin，ZHANG Ning，DUAN Zhao

（College of Geology and Environment，Xian University of Science and Technology，Xian 710054，China）

Abstract：In order to explore

the characteristics of high-speed and long-runout motion and the mechanism of the obvious signs of damage to the easily-eroded terrace layers in the course of movement in south Jingyang plateau，this paper，taking

Ximiaodian landslide in south Jingyang plateau as the research object，examines its motion characteristics

through theinvestigation and exploration in the field，and simulates the process of landslide motion by means of particle flow code（PFC）.The results show that：in the sliding process，the impact and shovel scraping action of the sliding body on the easily-eroded terrace layers is significant，and the macroscopic manifestation is the uplift of the formation at the leading edge of landslide and the thrust shear.The vibration caused by landslide sliding makes the silty soil in the terrace liquefied.And the liquefied silty soil gushes out along the water channel of the overlying soil under the action of excess pore water pressure，forming a significant phenomenon of “sand gushing”.The whole process of Ximiaodian landslide lasts for 84 s，and the maximum movement speed of the sliding particles is 36.2 m/s，and the maximum movement distance is 253.2 m，which is typical of “high speed” and “long distance”.Finally，two conclusions are drawn：the typical high-speed and long-runout loess landslide movement process in south Jingyang plateau can be divided into three stages，namely，the acceleration stage of impact and replacement（0～2.9 s），the deceleration stage of sliding cover and shovel scraping（2.9～5.7 s）as well as the slow fluctuation stage of accumulation and nappe（5.7～84 s）.According to the speed field characteristics of the sliding body，the sliding process can be divided into the acceleration stage（0～2.9 s），the deceleration stage（2.9～5.7 s）and the slow fluctuation stage（5.7～84 s）.

Key words：loess landslide;PFC;Jingyang plateau;landslide movement

0 引 言

因农业发展需要，泾阳南塬自1976年开始引水灌溉，造成了显著的地下水位抬升，成为随后40 a区域黄土滑坡发生的主导因素[1]。自1982年第1起滑坡发生以来，泾阳南塬黄土滑坡灾害接连发生，塬面不断后退，造成了严重的人员伤亡、经济损失、水土流失和林地破坏，不少文化遗迹也毁于其中[2]。由于泾阳南塬黄土滑坡具有饱水条件下的启动机制，在运动过程中常表现出高速远程的运动能力，也引起了不少学者的关注。对于高速远程滑坡的研究已颇为成熟，HSU，

icolett P G，Kilburn N C R J和Legro F先后在高速远程滑坡几何特征和运动特征、致灾范围与地形条件、运动距离与滑体体积等方面做出深刻研究[3-6];对以泾阳南塬黄土滑坡，许领等对泾阳南塬黄土滑坡类型和运动特征进行研究之后，依据滑坡发生的力学机制，将泾阳南塬黄土滑坡分为黄土流滑和黄土滑动[7];樊成意以11起典型泾阳南塬滑坡为研究对象，对黄土台塬地区滑坡的滑动距离与滑体各参数之间的关系进行了分析，并以此为基础，利用多元线性回归及模糊信息优化法量化了滑体参数与滑动距离的关系[8];杨璠在对泾阳南塬黄土滑坡取样实验分析，确定特征参数之后，利用Sassa的滑坡运动模型对泾阳南塬典型黄土滑坡运动过程进行了模拟，模拟结果与滑坡实际堆积范围吻合，模拟过程中滑坡最大运动速度可达37 m/s[9];沈伟等在实验和野外调绘基础上，对泾阳南塬高速远程黄土滑坡运动过程进行了数值模拟分析，根据模拟过程特征及模拟结果将这类滑坡的运动分为启动加速和运动减速2个阶段[10];段钊等根据现场调查及开挖探槽分析，采用统计学方法分析了泾阳南塬地区黄土滑坡的运动规律，并在此基础上，探讨了引起滑坡运动特征分异的内在机制—“液化效应”[11];许强等对泾阳南塬蒋刘村发生的4#小型滑坡分析发现，塬顶长期引水灌溉导致斜坡底部滞水软化及导流作用，是导致泾阳南塬地区黄土滑坡滑距远的根本原因[12];马鹏辉利用LS_RAPID软件对蒋刘滑坡进行数值模拟，再现了滑坡的高速运动过程，并根据运动过程中滑体的运动速度对滑坡进行了运动阶段的划分[13]。除此之外，金艳丽等学者也对泾阳南塬黄土滑坡进行了深入的研究[14-16]。

在近期对泾阳南塬黄土滑坡的调查中发现，南塬部分黄土滑坡在运动过程中会对塬下泾河阶地易侵蚀基层（饱和粉砂、粉土层）造成冲击。这种作用力的地质迹象在滑坡现场表现为地表土层中出现的涌砂现象以及探槽揭露的滑带土液化、滑坡前缘地层的逆转错断、阶地地层的错乱和重复等现象。结合前人研究，初步分析产生这种现象的主要原因为滑坡在运动过程中对阶地易侵蚀基层的冲击，使易侵蚀基层得岩土体结构被破坏，从而被滑体俘获、裹挟，进一步导致滑体体积增大，势能增大，运动距离增大[17-19]。然而，根据泾阳南塬典型黄土滑坡开挖断面后发现的地质迹象推测，泾阳南塬黄土滑坡在运动过程中垂直方向对易侵蚀阶地进行了俘获、裹挟，在水平方向上对阶地易侵蚀地层产生了推挤的同时，阶地易侵蚀基层对滑坡的水平运动也存在阻碍作用。

为探明泾阳南塬高速远程黄土滑坡运动特征及冲击阶地易侵蚀基层过程，选取泾阳南塬西庙店黄土滑坡为研究对象，基于现场调查及实验分析得出的滑坡堆积体特征，利用PFC颗粒流软件模拟滑坡演化过程，分析、探讨其运动过程中速度场与位移场变化的内在规律，以期为区域地质灾害防治工作提供借鉴。

1 地质背景

泾阳南塬位于泾河下游右岸，陕西省泾阳县南部。受早期泾河侵蚀，泾阳南塬（泾河右岸）斜坡不断破坏，低级阶地在河流的侵蚀下逐渐缺失，最终在塬边形成高30～90 m，坡度约50°的陡坡[17]。近年来，随着泾河河道的不断萎缩，泾河右岸一级阶地形成，为滑坡的运动演化提供了良好的地形条件[20]。塬区出露地层主要为第四系黄土—古土壤序列。台塬顶部为上更新统马兰黄土，厚10 m左右，中下部为中更新统离石黄土，夹5～7层古土壤。由于长年灌溉，塬区地下水位不断上升[21]，黄土遇水后产生崩解、湿陷、溶蚀等作用，在荷载作用下继而出现流变、液化、滑动等变形破坏现象[22]。

2 典型滑坡特征

2013年6月10日于泾阳县太平镇西庙店村西发生的西庙店滑坡是南塬地区新近发生的一起运动特征明显且保留较为完整的远程黄土滑坡。

该滑坡先后共发生过4起滑动，其中規模最大的为第1次滑动，此次滑动产生的堆积体体积约2.7×105m3，滑坡的最大滑动距离约为305 m.根据对西庙店滑坡的现场及走访周围群众调查、资料收集分析得出西庙店滑坡发生突然，运动速度快，是典型的高速远程滑坡（图1，图2）。

在现场调查中发现，西庙店第1起滑坡后壁与堆积体之间形成了滑坡洼地，滑坡洼地宽8～10 m，深3～5 m，堆积体表面存在连续的弧形地表起伏，堆积体两侧靠近边界地区发育有羽状裂缝，滑坡前缘地表出露为原地层，且因滑体的推挤而隆起，原阶地上的树木因受力形式差异，形成“醉汉林”。

为明确滑坡在运动过程中冲击阶地易侵蚀基层产生的内部地质迹象，在西庙店滑坡前缘开挖尺寸为50 m×30 m×10 m的探槽，探槽位置如图1所示。

图3为探槽中揭示的部分地质迹象，从图3中可以看出，滑坡堆积体前缘滑带土高倾角剪出而形成的阶地地层倾斜及重复排列（图3（a））;部分位置有地层层序倒置和包卷等现像（图3（b）、（c））;从堆积体中部及前部还发现有阶地中粉砂层在地表的涌出现象（图3（d））。

3 滑坡模拟分析

已有调查表明，泾阳南塬黄土滑坡在运动过程中对阶地易侵蚀基层造成冲击，最终于堆积体表面及内部形成了一些特定的地质迹象，代表了黄土地区基层侵蚀型滑坡的一种类型。这里采用颗粒流离散元PFC法，再现西庙店滑坡的运动过程，探索泾阳南塬滑坡从冲击阶地、侵蚀下基层到推覆前缘阶地的运动过程。

3.1 模型建立

基于现场实测剖面，在简化边界之后，对西庙店滑坡的模型长度取值350 m，高度取值75 m，角度取值为60°，具体尺寸如图4所示。模型主体由代表阶地地层及滑体的颗粒（Ball）和代表模型边界的墙（Wall）组成，根据不同土体选取不同粒径大小，最终生成模型颗粒总数为6 895.模型地层由下到上为：1.5 m中-粗砂;1.5 m粉质黏土;1 m粉砂;2 m中砂;2 m粉质黏土。同时，在模型中设立50个监测点，以便对模拟过程中滑体的速度和位移进行监测。

3.2 参数选取

考虑到PFC软件计算环境及滑坡宏观运动研究需求，在借鉴前人研究的基础上[23-26]，对微观颗粒的粒径进行了一定倍数的放大。模型中各地层细观参数是在岩土材料模拟标定的基础上获得的，具体参见表1.

3.3 结果及分析

3.3.1 滑坡运动过程

西庙店黄土滑坡模型模拟运行时间为84 s，运行步数为22.8万步。结合整个运行过程发现，模拟时间超过55 s后，模型运动速度极小且未产生任何具有破坏性的地质迹象，因此，此次模拟仅分析模型破坏性运动的0～55 s.整理模型运动过程得到图5，图6.图5为模型运行过程中具有代表性的阶段截图，图6为模型停止运动后的最终状态。由图可以看出，滑坡运动长度为253.2 m，其中，滑体在阶地上的运动距离为189.6 m.

根据滑坡模型运动过程中滑体与阶地易侵蚀基层的相互作用特征可将此滑坡模型的运动分为以下3个阶段。

第1阶段：冲击置换阶段（图5（a）、（b）所示）。此阶段中滑体在自身的重力作用下，产生向下的滑动力，以极快的速度冲击坡脚阶地地层，短时间内在巨大的冲击力作用下，坡脚的阶地地层结构被破坏，下部滑体挤入，阶地地层被推挤出去，发生地层置换。冲击底部的滑体受到来自阶地的阻力速度减小且方向发生变化。同时，中部滑体自身裹挟着置换出来的阶地地层向前发生水平运动。

第2阶段：滑覆铲刮阶段（图5（c）、（d）所示）。此阶段特征为上下滑体之间的速度差，在第1阶段结束后，下部滑体缓慢运动，中部滑体在裹挟阶地地层之后自身加速度减小，而上部滑体此时以较快速度滑覆于中部滑体于阶地地层之上，产生了一段快速滑动，当上部滑体位移超过中部滑体而覆盖于前方阶地地层上时，滑体受到来自阶地的摩擦，对阶地地表产生了刮铲作用，其运动速度进入相对减小的状态。之后，上部滑体与中部滑体裹挟着铲刮的阶地地层一起向前滑动，下部滑体推挤阶地地层向前运动。此阶段中可见阶地地层侵入滑体的现象。

第3阶段：堆积推覆阶段（图5（e）、（f）所示）。由于第2阶段滑体对阶地铲刮过程中的能量损耗，导致此阶段中滑体的运动速度显著降低。此阶段最大特征为滑体产生的推力将自身挤入阶地中，对阶地前缘土体产生了推覆作用。

3.3.2 滑坡运动特征

模型建立时，设置有50个监测点，其中滑体中10个监测点，分4层设置，阶地中40个监测点，分8段设置，用以监测模拟过程中滑体位移、速度的变化以及阶地变形情况。

此处选取25个监测点对滑坡运动过程中整体位移进行分析，选取19个监测点对运动过程中X方向位移进行分析（图6）。

图7为监测点整体位移图，图8为监测点时间—X方向位移图。整体而言，滑体中监测点的位移量大于阶地中监测点位移量。

位于滑体中的1#～10#监测点中，滑体下部监测点的位移量基本大于上部监测点的位移量，靠近临空面的监测点位移量基本大于滑体内侧监测点的位移量。位移最大的为4#，7#监测点，最小的为8#，9#监测点。其中，1#监测点位于滑体最下部，根据其位移轨迹发现其与阶地地层发生了置换且停留在置换区域。

位于阶地地层中的15个监测点中，26#～30#监测点位移量大于11#～15#监测点位移量大于31#～35#监测点位移量。11#～15#监测点靠近滑体，位于冲击置换区，11#监测点位于阶地最底层地层中，模拟过程中主要沿X方向运动，基本为水平位移，12#～15#监测点的位移轨迹波动向前，根据图8基本可分为2个阶段，第1阶段为0～5 s，监测点受到阶地突然的冲击力而同时向前向下运动，运动轨迹波动向前，第2阶段为5 s之后，监测点被挤入阶地最底层地层，开始稳定的向前水平运动。26#～30#监测点位于滑覆铲刮区，28#～30#3个监测点位于阶地地层中下部，基本沿水平方向直线运动，26#，27# 2个监测点位于阶地上层地层中，由于受到滑体的铲刮作用，运动轨迹波动向前，

且位移比28#～30#监测点大。31#～35#监测点位于堆积推覆区，其运动轨迹为向右上方伸展的直线，且上层地层中监测点位移较下层地层监测点位移大，可以看出滑体对地层有明显的挤推作用。

选取滑体中10个监测点以及阶地中14#，27#，33#监测点对其模拟过程中运动时间与速度之间的关系进行研究，图9为选定监测点时间—速度关系图。

根据监测点1#～10#运动时间—速度图，发现滑体中设置的10个监测点中，7#监测点峰值速度最高，约36.2 m/s，其次为4#，峰值速度最小的为6#监测点，约14.4 m/s，综合分析1#～10#监测点的速度变化情况发现位于滑体临空面的监测点运动速度基本大于位于滑体中内部监测点的运动速度，且滑体整体运动速度可分为3个阶段：加速阶段、减速阶段以及低速波动阶段。其中，加速阶段对应冲击置换阶段，运动时间为0～2.9 s;减速阶段对应滑覆铲刮阶段，运动时间介于2.9～5.7 s之间，慢速波動阶段对应堆积推覆阶段，运动时间为5.7～84 s.

14#监测点靠近滑体，其速度变化符合滑体运动速度的三阶段规律，峰值速度为25.6 m/s;27#监测点位于冲击置换影响范围内，在滑体冲击和推挤作用下监测点速度迅速提升，达到峰值速度8.2 m/s后开始缓慢波动降低;33#监测点位于堆积推覆区，滑体在此处已基本停止运动，仅借助剩余的推力将阶地地层向前推覆，因此监测点的运动速度没有明显的峰值存在，最大速度仅2.4 m/s.

3.3.3 滑坡作用力與地质迹象

在对泾阳南塬黄土滑坡现场调查及数值模拟中发现了一些区域特有的地质迹象，如图10所示。

图10（a）为滑体冲击置换作用。泾阳南塬坡脚为泾河一级阶地，平坦开阔的地形为高速远程滑坡的发生提供了地形基础，黄土滑坡发生时，滑体以较快速度脱离滑床，接触阶地的瞬间对阶地地层造成了巨大的冲击，破坏阶地地层结构，滑体挤入阶地中，将阶地地层推挤向前方，从而产生地层置换的现象。

图10（b）为滑体对阶地地层的铲刮侵入作用，冲击置换发生后，推挤出去的阶地地层阻碍了下部滑体的运动，上部滑体滑下后，跃过被置换出来的阶地地层继续向前运动，在运动过程中，与阶地地表接触，对阶地软弱层进行了铲刮和侵入。

图10（c）、图10（d）为滑坡前缘阶地地层的逆冲剪断及地层揉皱现象。滑坡在运动到第3阶段时，部分滑体侵入阶地地层中，在推力消耗的过程中，滑体对阶地地层产生推挤的作用，使滑坡前缘

原地貌受力隆起，产生地层揉皱和逆冲剪断的现象。

图10（e）为滑坡洼地。滑体下滑过程中，靠近临空面的滑体与内部滑体之间的速度差导致洼地1的形成。滑体置换阶地地层停止运动之后，由于其自身重力的存在，产生了一定的塌陷，形成了洼地2.洼地3为滑体侵入阶地地层后形成。滑体推挤阶地地层导致原地貌隆起后，与堆积体之间形成洼地4.而洼地5则为地表被揉皱的凹陷处。

除此之外，在野外调查中还发现了地表涌砂的现象。初步分析产生这一现象的原因为阶地易侵蚀基层在滑坡冲击作用下产生了较高的超孔隙水压力[27-29]，液化了的粉砂沿着上覆土体的裂隙快速向上逃逸，从而形成显著的竖向渗流通道和地表涌砂现象。

4 结 论

1）以泾阳南塬西庙店滑坡为研究对象，建立数值模型，模拟其运动过程，重现了泾阳南塬地区滑坡在运动过程中产生的铲刮、推覆特征。

2）模拟滑坡运动过程共历时84 s.模拟结束后，堆积体前缘到滑坡后壁的距离为253.2 m，滑体在阶地上的运动距离为189.2 m.

3）通过对滑坡运动过程分析发现：滑坡运动过程可分为冲击置换、滑覆铲刮和堆积推覆3个阶段阶段。

4）通过对滑坡运动特征分析发现：滑坡运动过程中速度变化可分为加速（0～2.9 s）、减速（2.9～5.7 s）和慢速波动（5.7～84 s）3个阶段。

5）通过分析滑坡的位移和速度情况发现：滑体中点靠近临空面部分的位移和速度基本大于中内测部分的唯一和速度，阶地地层中上层地层的位移和速度基本大于下层地层的位移和速度。

6）滑坡运动过程的三阶段与滑坡运动速度的三阶段相对应。

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