黄土是拥有特殊结构的土，其结构较为疏松，大孔隙的结构和垂直节理比较发育的特征^[1]，这些特征对地表水入渗坡体提供了优势的通道，一旦黄土遇水软化的作用下，易造成黄土体的强度迅速降低、遇水崩解、边坡湿陷等缺点，从而引发大量的黄土滑坡^[2–3]。在水作用下诱发的黄土滑坡以黑方台区域的最为典型。黑方台20世纪60年代之前为无人居住的旱台，之后由于库区的移民安置才开始进行大规模的农业浇灌，虽发展了黑方台地区的农业生产水平，但在本世纪初该区域群发性的泥流滑坡灾害的频率也越来越高，规模越来越大。不仅造成人员伤亡，水利设施、交通设施破坏，还逐步蚕食黄土高原有限的平坦土地资源^[4–5]，因此对于灌溉导致地下水位雍高而诱发的黄土滑坡的变形破坏特征和失稳的机理的离心机模型实验研究具有重要的实践意义。

国内外众多学者从不同的角度对黑方台区域滑坡群的启动和破坏机理进行分析，但是研究的重点多集中灌溉条件下的坡体有效应力的变化，由于受限与实验的条件其启动和破坏机理的多从灌溉对边坡稳定性的角度出发^[6–8]，离心机模型试验可以重现原始重力场以及和重力相关的变形过程等的优势成为与原型相似性较好的力学模型实验^[9–11]，因此Ling等^[12]也研究了在不同斜坡角度，不同斜坡高度，不同沙土类型等条件下的边坡失稳离心模型实验研究，Zhang^[13]、Ling^[14]、潘皇宋^[15]等对于降雨入渗诱发的边坡失稳的离心机模型实验研究，王玉峰^[16]、李天斌^[17]等对黄土高边坡以及填方边坡在支护条件下进行离心模型试验研究，张敏等^[18]设计和使用了一套离心模型试验的地下水模拟控制系统，分析地下水位变化对边坡稳定性的影响，陈晓平^[19]、李邵军^[20]等利用离心机模型试验对库岸边坡以及水位波动影响下边坡的失效机理进行分析。但对于人工灌溉条件下造成地下水位的持续雍高诱发的黄土滑坡的破环演化及其失效机理研究较少。

因此把位于黑方台区域的焦家13^#滑坡作为地质结构原型，利用离心模拟技术重现了地下水位雍高引起滑坡破坏演化的整个过程，揭示地下水位雍高条件下边坡的应力–应变、孔隙水压力的响应特点以及边坡位移演化规律，进而对地下水位雍高诱发黄土滑坡的失效机理进行研究，对黑方台区域的减灾防灾具有较好的理论和现实的意义。

1 焦家滑坡特征 1.1 地质环境概况

黑方台地处黄河与湟水河交汇的上游，分为黑台和方台两个台塬，如图1所示，黑台和方台位于黄河左岸的第四级阶地，在台塬的周围因为滑坡体的群发，使得台塬底部多堆积崩滑物质。黑方台地层岩性，如图2所示，由上往下依次为：晚更新统黄土层（Q₃^eol）厚度约为26～48 m，多孔结构、垂直节理发育；中更新统冲积粉质粘土层（Q₂^al）厚度约为3～19 m，结构较实，黏粒的相对较高，因此具有隔水作用，成为坡体内相对的隔水层；中更新统冲积砂卵砾石层（Q₂^al）厚度约为1～6 m ，透水性能较好；基岩为单斜构造下的白垩统河口群砂质泥岩（K1hk）^[21]。

1.2 焦家滑坡物质组成及形态特征分析

焦家滑坡的由于上部坡体发生较多次的滑动其坡度为40°左右，形态上呈现为凸型坡，下部坡体为基岩段，其坡度为63°较陡峭。滑坡体是由黄土层和基岩层组成双层结构的边坡体类型。滑坡的滑动方向约为南偏西105°，滑坡的高度、宽度和长度分别约为130、50和75 m，其厚度约为2 m到4 m之间，因此滑坡的滑塌的方量接近0.9 $ \times$ 10⁴ m³。滑坡体主要呈现出圈椅状的形态破坏特征，滑坡的边界较清晰。

因为滑坡的剪出口海拔位置比较高，并且具有较好的临空，因此滑坡的破环具有较高变形速度、较远的破坏距离的特征。滑坡的滑源区呈现出圈椅状的形态破坏特征，后缘陡壁高程最大为1 700 m左右，剪出口的高程为1 640 m左右，二者相对高差约为60 m。由于边坡的多次滑动，滑坡体的后壁特征较明显，主要是黄土遇水软化产生边坡湿陷，导致边坡的后缘形成多条近乎相互平行宽大的错拉裂缝；流通区由于滑体的铲刮效应因此出露紫红色的砂泥岩。地下水位雍高诱发黄土滑坡，首先产生往下的快速滑移运动，运动的时间较短，滑动运动的过程瞬间结束，加之滑坡体的相对高差较大，因此滑坡体剪出时具有较高的运动速率，并且在较大的动势能作用下将滑体物质从剪出口滑抛出去。在滑抛的过程中，滑坡体物质彼此之间的摩擦碰撞，导致其物质结构瓦解。

1.3 灌溉作用下地下水运动及雍高特征分析

黑方台地区由于较长时间的农业人工灌溉，灌溉水主要沿黄土层结构中的垂直裂隙和台塬中形成的错拉裂缝产生向垂直方向的流动，入渗到下部结构较为致密的粉质粘土层后，较难入渗，因此灌溉水就暂存在底部的粉质粘土层之上的土体孔隙中，在边坡的底部的致密的粉质粘土（相对隔水层）之上形成一层饱和的黄土层，其厚度随人工灌溉量的增加而不断变厚，造成坡体内的地下水位持续的雍高（图3）。而雍高的地下水位在其自重应力的影响下从台塬周围渗出，从而演化出一系列的泉水出露点。由于处于天然的条件下，黑方台区域未经过灌溉作用的黄土体的平均湿陷系数为0.051 3，具有中等自重湿陷性；而经过灌溉影响后，该区域土体的平均湿陷系数则为0.015 8，仍然存在轻微自重湿陷性^[22]，因此在持续的人工农业灌溉不仅使得地下水补给增加，而且由于边内部土体遇水软化诱发了黄土台塬产生更为严重的滑坡和崩塌，导致巨大的人员和财产的损失。

2 离心机模型试验方案设计 2.1 模型实验设备

离心机模型试验采用TLJ-500型土工离心试验机，离心机如图4所示，土工离心机主要参数为：1）有效旋转半径： $\varphi$ 4.5 m；2）最大离心加速度：250 $ g$ ；3）最大容量：500 g•t；4）模型箱尺寸：1.0 m $ \times$ 1.0 m $ \times$ 0.6 m。

2.2 模型实验用土物理力学特性

在焦家滑坡的后壁并未发生滑动的区域，取未受到湿陷和滑动影响的原状黄土作为模型边坡的滑体，并利用原型边坡体内致密的粉质粘土层（相对隔水层）重塑为模型边坡的相对隔水层，进行离心机模型实验，如图5和表1所示。

2.3 模型试验相似关系设计及模型设计

1）模型试验相似关系设计

在制备模型时，模型的物理量必须按照相应的模型率制备，基于Fuglsang等^[23]总结的应力离心模型试验中的部分相似比尺。应用表中的相似比尺即可用离心模型对原型进行模拟，并根据试验结果，推断出原型的应力、应变、沉降、变形性态等物理力学特性。

2）模型设计

离心机模型实验利用长约为1.0 m，宽度约为0.6 m，高度约为1.0 m（内径尺寸）的模型箱，四周边界均采用透明有机玻璃板。以焦家滑坡的为地质结构原型，根据原型边坡的尺寸为145 m $ \times$ 150 m $ \times$ 100 m（长 $ \times$ 宽 $ \times$ 高）和离心模型边坡的尺寸为0.7 m $ \times$ 0.6 m $ \times$ 0.5 m（长 $ \times$ 宽 $ \times$ 高）确定离心模型的模型比尺为 $ n$ =200。

滑体采用原状土体（见表1）而相对隔水层则利用现场所取粉质粘土配比制成。而土体材料配比通过颗粒级配试验、室内筛分试验、密度测试、含水率测试和直剪试验确定，最终保证离心机模型总的土体物理力学参数与原型边坡尽可能的相近（见表2）。离心机模型中的滑床基岩，应该有足够的强度和刚度，防止其在试验过程中发生变形，因此利用刚度较大的材料来重塑基岩层。

因此基于原型边坡和离心机模型边坡在几何尺寸以及受力作用同时相似，并且确保原型和模型边坡的材料物质相同或者相似，使模型边坡和原型边坡的应力和应变基本相等，并且变形和失效模式基本一致。

进行人工农业灌溉对黑方台区域内的地下水位变化产生较大的影响，进而影响焦家地区的滑坡体稳定性。故对于地下水位雍高诱发滑坡的离心机模型实验中水的控制是主要的因素。

为模拟地下水雍高对边坡的影响，在离心机模型边坡的后部自主设计一个简易的水位控制装置，它是由排水板与一个临时水箱的水箱组成。并且在设计的排水板上排列5排排水孔，其的列间距为20 mm，行间距为30 mm，以及直径为2.5 mm。离心机实验前依据现场边坡的人工灌溉程度进行换算，通过往水箱里加不同深度的水来实现模拟边坡中地下水雍高变化。利用不同排水孔的堵塞和开放来控制地下水的入渗深度。

2.4 模型实验仪器布置及加载方案

模型试验在模型边坡内以及边坡的后缘布置14个传感器。其中2个位移传感器，6个土压力传感器和6个孔隙水压力传感器，如图6所示。在布置所有的传感器时，使传感器与传感器之间的距离不小于6 $ R$ （其中 $ R$ 为传感器的直径），为了尽可能的减小各个传感器之间的相互影响。

试验加载历时为：首先离心加载进行5 min使加速度达到50 $ g$ 并保持运行10 min。此阶段主要是让模型边坡中上部的原状黄土与下部粉质粘土层进行完全的接触，使两者之间的缝隙进一步的减小。当模型边坡的顶部位移传感器采集到的变形值渐渐稳定以后即可停机操作，此阶段为预加载阶段。停机后向水箱内注水，在加载至150 $ g$ 后稳定运行6 min，随后加载至200 $ g$ 稳定运行15 min，此阶段为实加载阶段，最终模型破坏，整个试验过程结束。

3 离心机模型试验结果及分析

在试验过程中，加速度是在变化的，为了方便分析，所有的试验数据均以模型尺寸表示。对坡体侧视图录像资料及采集到的坡体沉降、土压力、孔隙水压力数据进行分析，为后期坡体破坏机理及过程分析提供依据。

3.1 坡体沉降分析

根据坡体竖直方向的位移随时间与离心加速度的变化可知（图7）。在实加载阶段，随着加速度的逐渐提升，坡体发生竖向变形，位移传感器位移逐步增加，在位移值增大过程中位移变化与加速度的升高保持较好的对应关系，竖向位移大部分发生在150 $ g$ 之前，然后提高加速度到设计的模型比尺所对应的加速度200 $ g$ ，并且在此加速度下保持离心机匀速运行600 s，在这个阶段边坡的产生较为均匀的位移变化，位移未发生突变的情况，呈现出边坡沉降变化的连续性，因此边坡的沉降变化受控于模型实验离心加载过程中的边坡的压缩固结以及边坡底部的黄土层遇水软化导致的，最终LVDT1和LVDT2位置处的传感器监测到的边坡最大沉降量分别为33.3 mm和24.0 mm。

3.2 坡体应力变化特征分析

通过在坡体内不同位置的6个土压力传感器对土压力变化进行动态监测。不同位置土压力移随时间与离心加速度的变化情况见图8。

随着加载时间的变化，离心加速度不断增大，每个测点的土压力均随着增大，但变化幅度不相同。3^#、6^#土压力传感器从加载开始后就保持较高的增长，在离心加速度达到50 $ g$ 后土压力–时间的斜率远高于加速度–时间斜率，说明此时坡脚承受土体剪切力增大。在115 $ g$ 左右仅有3^#、6^#土压力发生突变，迅速下降，认为坡脚部分在地下水渗流作用力下，边坡土体发生了潜蚀，前缘坡体在自重应力的影响下导致小范围的滑移，能量随之释放，土压力迅速下降。随后滑坡开始进入能量蓄积，加速度达到150 $ g$ 的过程中土压力保持平稳增加，但在半坡出已经出现拉裂缝，匀速旋转60 s后发生第二次滑动破坏，土体沿着第一次滑动后产生的临空方向滑动，土压力迅速降低，此后内侧土体随时间推移发生多次叠瓦式滑动，外侧土体在本次滑动后整体相对稳定，由于第二次滑动破坏导致错拉裂缝在边坡的后缘产生。3^#、6^#土压力传感器总体保持增长趋势，在加速度达到180 $ g$ 时前缘坡顶前部已有明显沉降，后缘拉裂缝贯通，最终边坡的内侧先产生了滑动，随着离心加速度增大到200 $ g$ ，离心机保持稳定转动，边坡外侧的坡体产生剧烈滑动，导致3#位置处的土压力迅速下降。在此次剧烈滑动后，后缘拉裂缝延竖直方向进一步延伸、发展，坡体整体失稳，3^#、6^#传感器所测得土压力明显降低。

3.3 孔隙水压力变化特征分析

通过不同位置处的6个孔隙水压力传感器在离心实验中对边坡坡体内部进行实施的动态监测。随着离心加载时间推移，离心加速度逐渐增加，湿润锋逐渐向坡脚扩移，相同位置的孔隙水压力变化规律基本一致，在相对隔水层的上部5 cm处的PPT2^#、PPT5^#所测得的孔隙水压力在加速度为80 $ g$ 表层剥离后有明显下降，后面初次滑动和剧滑也有降低，最终变化趋势平稳。

位于相对隔水层以上，距水箱10 cm的PPT1^#、PPT4^#传感器测得的孔隙水压力随着加速度的增加而增大，在离心加速度达到100 $ g$ 的过程中，所有部位的孔隙水压力与离心加速度都保持较好的线性增长关系，但在加速度到达180 $ g$ 坡体发生剧烈滑动前PPT1^#、PPT4^#传感器的测量值达到峰值，分别为156 kPa和134 kPa，利用模型比尺换算下来相当于实际坡体地下水升高约为14 m，而原型边坡水位雍高接近18 m，主要由于模型实验中水位上升的速度较原型边坡快，水位升高过快将会使边坡土体内的孔隙水压力增加过快，按照有效应力原理，与此相反有效应力减小过快，坡体产生破坏的时间也就与原型相比更短一些。所以PPT1^#、PPT4^#传感器的测量值达到峰值以后，坡体经过初次滑动和剧滑，其孔隙水压力先剧增后降低。

位于坡脚位置的PPT3^#和PPT6^#传感器测量值与其他传感器的变化稍有不同，3^#传感器测得孔隙水压力数值随加速的增加而增大，仅在发生剧滑后先剧增后降低；而位于边坡内侧的PPT6^#传感器在离心加速度达到180 $ g$ 后逐渐趋于平稳，但是离心加速度进一步增大直至达到200 $ g$ 时，边坡内的孔隙水压力传感器采集到的孔压均有降低，说明坡体内已经形成了较为稳定的渗流面，随着水以下降泉的形式不断从前缘流出，造成边坡内部的地下水位线持续的降低，从而导致边坡内的孔隙水压力降低，如图9所示。

通过上述分析，地下水位雍高和土体的局部剪缩变形可能是导致孔隙水压力急剧升高的主要原因，而孔隙水压力的突然升高又是导致此类滑坡发生突发性破坏，也从地下水升高的离心机模型实验的基础上揭释了金艳丽等室内试验的结论^[8]。

3.4 孔隙水压力的全过程分析

为了定量分析孔隙水压力的全过程变化情况，定义 $\mu$ 值为孔隙水压力与土体垂直有效应力的比值，通过对边坡3^#和6^#位置处的 $\mu$ 值全过程分析如图10所示，且对模型试验过程中3次滑塌时的 $\mu$ 值分析，通过线形拟合得出孔隙水压力与垂直有效应力比值 $\mu$ 大约在0.50，从而通过换算出饱水黄土占了黄土总厚度比例大约在0.54时黑方台焦家13号坡体发生滑塌，如图11所示。

4 地下水位雍高诱发滑坡失稳破坏机制分析 4.1 滑坡破坏演化过程分析

地下水位雍高诱发边坡破坏演化的过程，如图12所示。

阶段1：在离心加载时间为0～900 s，坡体内的地下水开始缓慢升高，地下水到达坡脚之前，土体遇水开始软化，模型边坡主要以竖向的位移为主，边坡呈现出较为稳定的状态。

阶段2：由于地下水在边坡内雍高后，离心加载时间为1 059 s时，边坡的坡脚先发生破坏，地下水雍高造成底部黄土层软化并且边坡湿陷后易产生不同程度的不均匀沉降，从而导致边坡的顶部形成不同破环程度的平行错拉裂缝。

阶段3：在边坡下部饱和土层塑性流动的影响下，导致在边坡的上部产生更多的错拉裂隙，离心加载的持续增加使其演化为宽大的错拉裂缝。在土体的重力影响下，坡体内部形成了连续的贯通滑动面。在边坡主要呈现块状滑塌破坏。在离心加载时间为1 681 s时，边坡产生第二次滑动。

阶段4：随着边坡内地下水位的持续雍高，变形的开始持续的向边坡的更内侧发展，在离心加载时间为1 681 s时，最终形成叠瓦式溯源滑动，呈现出高速泥流破坏的特征。

本次模型的破坏过程是土体软化→湿陷裂缝→潜蚀→蠕滑→初滑→坡脚临空→半坡拉裂→二次滑动→后缘拉裂→剧滑→滑后调整，是典型的受地下水位雍高影响所破坏的黄土坡体。

4.2 滑坡失稳破坏机制分析

在地下水升高之前，坡体以压缩变形为主，土体具有较高的抗剪强度。开始加载后，随着地下水沿红粘土层（隔水层）和上层黄土接触带向坡脚渗流，接触带含水量增大，土颗粒间的连接强度下降，进而使黄土的抗剪强度产生损失。随离心加载的加速度增加，坡体产生自重湿陷，在边坡的表层形成弧状的湿陷裂缝，这些湿陷裂缝最终会竖向延伸，扩展，最后发展成后缘拉裂缝，为后期多次滑动提供条件。

与此同时，随着模型隔水层上部水的滞留，饱水带逐渐向边坡的上部和坡脚部位发展，此时土体抗剪强度逐渐降低，在地下水渗流作用力和自重作用下边坡向临空面的方向产生蠕变滑动，土颗粒间产生相对滑移，颗粒间的排列状态改变，在边坡的坡脚部位最先发生初次滑移破坏，随后在坡体中部的表面产生拉裂缝，其运动形式表现为滑移–崩落。

坡体内地下水水位雍高后，坡体中的孔隙水压力迅速增加。坡体中的地下水水位升高促使的孔隙水压力剧增对该边坡的滑动有非常重要的作用，并且土体的潜蚀、软化作用加速了斜坡土体蠕滑变形，坡体后缘也受到拉应力作用，处于受拉状态，当拉应力大于后缘坡体的抗拉强度时，后缘土体延表层湿陷裂缝进一步自坡表向深度发展形成后缘拉裂缝。

前缘土体受到蠕动剪切力和重力的共同作用下，土骨架破坏产生变形，滑面延后缘拉裂缝不断扩张、拉伸和延展，坡体中部锁固段终被剪断，仅依靠土颗粒间的摩擦力和极低的内聚力已经无法承受在后缘推力和土体自重下的复合作用力，滑面完全贯通，前期蠕动变形积累的能量瞬间得以释放，加上剪出口的位置较高，距基岩底座约34 cm（换算成实际尺寸约68 m），具有较高的势能，使得坡体高含水率土体高速滑动，呈现出高速泥流滑破坏的特征，坡体最终形态如下图13～14所示。

总体来说地下水位雍高诱发黄土滑坡形成机理为：牵引式蠕滑–半坡以及后缘拉裂–锁固段累进性滑移剪断–滑带贯通高速溃滑破坏。

5 结论与建议

1）地下水雍高造成底部黄土层软化和潜蚀作用致使边坡产生塑性流动，并且边坡湿陷后易产生不同程度的不均匀沉降，从而导致边坡的顶部形成不同破环程度的平行错拉裂缝，造成地下水位雍高诱发的滑坡，其滑坡的后壁形态大多呈现直立状；

2）本次试验模型比尺为200，模型坡体在加速度为115 $ g$ 时发生初次滑移，150 $ g$ 时发生2次滑动，在180 $ g$ 的条件下发生剧滑，加速度均未达到原型比尺，表明原型边坡在天然状态下即处于不稳定状态；

3）通过线形拟合得出孔隙水压力与垂直有效应力比值 $\mu $ 大约在0.50，从而通过换算出饱水黄土占了黄土总厚度比例大约在0.54时黑方台焦家13^#坡体发生滑塌；

4）本次离心试验采用原状黄土对地下水雍高的黄土滑坡进行模拟，得出坡体的破坏过程：软化→潜蚀→蠕滑→初滑→坡脚临空→半坡拉裂→二次滑动→后缘拉裂→剧滑→滑后调整，是典型的受地下水位雍高影响所破坏的黄土坡体；

5）地下水雍高使黄土层侵水软化后土体的局部剪缩变形导致孔隙水压力急剧升高，而孔隙水压力的突然升高又是导致此类滑坡发生突发性高速泥流破坏的主要原因；

6）总体来说地下水位雍高诱发黄土滑坡形成机理为：牵引式蠕滑–半坡以及后缘拉裂–锁固段累进性滑移剪断–滑带贯通高速溃滑破坏。