彭建兵黃土高原災害“追兇”30年

撰文/李子涵 李方園 攝影/行向輝 資料

2019年，彭建兵院士在長安大學地質災害大型物理模擬試驗中心指導“降雨作用下黃土滑坡啟動機理研究”試驗

黃土高原上廣覆的巨厚黃土層就是一種典型的晚新生代風成堆積層，其土性松軟，易受環境變化影響發生破裂滑移大變形，形成大規模的滑坡災害。是什么樣的“兇手”在撕扯著黃土高原上厚厚的黃土體？并且還使這些黃土體大規模地滑移和被搬運？

30年來，彭建兵科研團隊一直在追蹤和尋找著其“真兇”，探究著黃土堆積層滑移大變形規律與動力學機制。他們先后承擔了大量的黃土滑坡研究項目。1989～2001年，斷續承擔的是企業和地方政府委托的項目，開展了13年的野外調查與勘探工作；1992～1994年，受西北水電設計院委托，他們對黃河積石峽水庫10個大型滑坡開展了系統的研究。2002年獲得了交通部重大科技項目“探測濕陷性黃土暗穴技術研究”；2011年獲批國家重點基金項目“人類活動的黃土滑坡響應機理與災害預警”；2013年獲得國家973計劃項目唯一的資助，全面地開展“黃土重大災害及災害鏈的發生、演化機制與防控理論”的系統研究；2017年獲得國家自然科學基金重大項目資助，系統攻關“黃土重大工程災變機理與防控”。

黃土滑坡的“第一元兇”

彭建兵科研團隊輾轉于黃土高原的隴西、隴東、陜北、呂梁和汾渭各地，實地調查了數百個黃土滑坡，同時依據上萬個在影像圖上可識別的滑坡，編制了黃土高原滑坡分布圖。由此發現，六盤山斷裂帶以西的隴西地區有4個滑坡高發帶，它們均沿北西向展布的區域斷裂帶和地震活動帶分布，青藏高原隆升東擠的水平構造應力驅動著該區的新生代泥巖和黃土層沿著已有斷裂帶破裂滑移，形成黃土滑坡分帶高發的格局；隴東、陜北和呂梁地區，黃土滑坡主要發育在黃土塬邊、梁側、峁頭和溝畔，鄂爾多斯塊體第四紀以來持續階段性隆升的垂直構造應力驅動著這3個區域的黃土區抬升、剝蝕和沿著地貌邊界帶滑移，形成3個滑坡高發區；汾渭盆地黃土滑坡主要成帶分布在盆內臺塬與洼地相間的地貌分界帶上，這是盆地區域拉張應力驅動黃土沿著這些地貌過渡帶撕裂滑移的結果。

黃土滑坡的“第二元兇”

△2011年，考察西安市灞橋區白鹿塬北坡滑坡災害現場

?2007年，為解決西安地鐵穿越地裂縫的技術性難題，彭建兵院士帶領的科研團隊開展了西安地鐵地裂縫防治大型物理模型試驗研究

黃土邊坡土體看似均勻，實際上普遍發育著斷層、構造節理、垂直節理、卸荷裂隙和軟弱層面等奇妙而又復雜的結構面。前四類常構成邊坡土體滑移的分離面，后者常構成邊坡土體滑移的底滑面。這些結構面主要由構造應力、卸荷應力和濕陷變形應力作用所形成，它們在滑坡的孕育階段構成坡體的分割面，在滑坡啟動階段構成坡體裂解面，在滑坡運動階段放大了滑體的解體和潰散，不同結構面組合成的不同類型結構體控制著黃土滑坡的原型和規模。構造應力既造就了結構面，又不斷地改造和松動著結構面，甚至擴展結構面，持續地肢解著邊坡的完整性。

黃土滑坡的“第三元兇”

通過大量的土力學試驗，彭建兵科研團隊發現，首先是組成黃土黏粒的礦物主要為高嶺石、蒙脫石和伊利石等水敏性礦物，增濕使得黃土中可溶鹽溶解，顆粒間水膜增厚，黏粒膨脹，從而弱化土顆粒間的連接，損傷破壞黃土的結構；其次，組成黃土主要粒度成分的粉粒多呈板狀或桿狀，它們之間的搭接關系以架空結構為主，增濕和荷載的作用一方面使得顆粒發生旋轉，同時也引起粒子破碎，孔隙坍塌，土的結構屈服應力和強度顯著降低；此外，水和荷載的作用將逐漸改變黃土中的原生結構，并形成新的次生結構。黃土結構性發生改變后，既減損了其強度，同時在工程擾動荷載或土體的自重作用下又將“重新啟動”土體的固結作用，導致變形量增大，宏觀表現為濕陷性和流變性，有利于崩塌滑坡的發生。

黃土滑坡的“主兇”

2013年在陜西涇陽黃土南塬，彭建兵科研團隊依托國家基金重點項目在現場實施了大量的勘探、觀測和原型試驗，終于揭開了動水驅動滑坡形成的謎底，發現它們大致經歷了5個階段:首先，表水滲入黃土淺表部，增大黃土的水敏性，降低其土體強度，誘發深度一般不超過3m的淺表崩塌和溜滑災害；然后，水沿著微、細、宏觀優勢通道進入黃土深部后，在一定深度形成厚度20～30cm的高飽和含水層，成為坡體中的軟化層帶，為誘發深度20～30m的深層滑動提供了底滑帶；其后，水沿結構面滲透既沖蝕擴展了結構面，又松動了結構面，還對坡體形成靜、動水壓力，派生出巨大的側向壓力，增大了邊坡向下滑移的力量；再后，水在軟化帶和易滑層中聚集產生超孔隙水壓力，使其強度變得很小，產生靜態液化而啟動滑坡；最后，那些沒來得及散去的地下水在滑體底面聚集產生超孔隙水壓力，使滑體下墊層剪動液化，托著滑坡“飄”在空中遠行，鏈生轉化為具有高速、遠程、潰散和鋪撒等特征的黃土泥流。

黃土滑坡的“幫兇”

彭建兵科研團隊研究發現，黃土地區許多災難性的滑坡是由人類工程堆載或開挖卸載所引起的。通過現場觀測和模型試驗發現，工程擾動應力擴展和松動了黃土邊坡結構面，不斷地改變著邊坡的應力狀態、流場狀態和完整狀態，使黃土邊坡穩定性顯著下降和不斷變形破壞，促發黃土滑坡突然發生。通過大量的原狀土樣和擾動土樣的應力路徑三軸試驗，發現反復加載作用下坡體中下部土體的體縮量和剪應變增加，若坡體中有含水量較高的飽水帶，孔隙水壓力增加勢必激活軟化層液化致滑；通過大型物理模型和離心模型試驗，發現開挖卸荷引起黃土邊坡變形破壞可分為均衡應變、應變局部化和破壞3個階段，具有明顯的分區特征和滯后性特征。

人類認識自然的目的是利用自然和改造自然

黃土滑坡類型和模式復雜多樣，但可把它們概括為層帶軟化、靜態液化、壓覆推剪和支撐潰決四種基本模式；區域構造應力、邊坡構造應力和土體易災特性是黃土滑坡的三大“元兇”，它們孕育和形成了黃土滑坡的原型，是黃土滑坡發生的初始條件；動水滲透應力是黃土滑坡的“主兇”，它們驅動了黃土滑坡的啟動和運動，工程擾動應力是黃土滑坡的“幫兇”，它們助發了災難性黃土滑坡的頻發，這兩條是黃土滑坡發生的隨機過程。4種應力的跨尺度耦合協同作用是黃土大規?；瞥蔀牡闹饕寗恿?。

彭建兵科研團隊基于黃土滑坡成因理論和初始條件可知、隨機過程可測的思路，以甘肅黑方臺和陜西涇陽南塬兩個滑坡高發區為示范試驗基地，構建了天-空-地一體化的黃土滑坡隱患早期識別技術體系，基于高分光學遙感的黃土滑坡隱患普查，將多種InSAR技術有機結合，在黑方臺、涇陽南塬識別出數10處滑坡隱患；然后借助高精度無人機攝影測量的詳查，圈定出高風險區段，為當地政府提供了滑坡高風險區域預測；進而研發了現場監測數據的自動采集、遠程無線傳輸、實時分析處理的黃土滑坡實時監測預警系統，并4次提前數小時成功預警滑坡的發生，避免了重大人員傷亡，在黃土滑坡區域風險預測和臨災預警方面取得一些突破。

△2014年，為直觀揭露地裂縫的剖面發育特征，彭建兵院士在某科學探槽內與研究生探討地裂縫的剖面結構特征

△2019年，率領團隊考察研究東非裂谷地裂縫，為一帶一路東非鐵路建設服務

針對延安市區不斷遭受著黃土滑坡災害的侵擾，寶塔山不斷地被崩塌滑坡蠶食而漸漸縮小這一重大災害風險難題，彭建兵科研團隊基于黃土滑坡成因理論，通過大型物理模擬試驗，再現了滑坡與抗滑結構體系的相互作用過程和抗滑結構設計的合理性，提出了黃土滑坡治理的微型樁設計原則以及合理的計算方法、錨索抗滑樁對黃土滑坡的抗力參數和設計方法、格構梁的設計標準及計算方法等，并成功應用這些技術治理了延安寶塔山等多個滑坡，保障了歷史燈塔的安全，并形成了黃土滑坡防治工程示范。

總結黃土高原災害“追兇”的30年，彭建兵說：“地質科學研究需要優質的研究基地、寬松的研究環境和志同道合的研究團隊。深感幸運的是，這些優越條件我們都擁有了。我們在這里堅持了40年，深受黃土高原厚重積淀的文化影響，高原意識、高原精神、高原靈魂和高原氣質慢慢滲入我們骨子里，潤入我們心靈中，使我們的涵養、胸襟和格局不斷得以升華?！?/p>