蘭州白塔山地區(qū)地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查及邊坡穩(wěn)定性分析

應(yīng)忠旺

（中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司地路處，甘肅蘭州730030）

蘭州白塔山地區(qū)地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查及邊坡穩(wěn)定性分析

應(yīng)忠旺

（中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司地路處，甘肅蘭州730030）

蘭州市白塔山地區(qū)地質(zhì)條件復(fù)雜，地質(zhì)災(zāi)害嚴(yán)重。調(diào)查發(fā)現(xiàn):該地區(qū)常見地質(zhì)災(zāi)害類型主要有滑坡、崩塌、不穩(wěn)定斜坡、泥石流和地面塌陷4種，所占比例分別為23%，6%，48%，21%和2%。本文應(yīng)用有限元和摩根斯坦-普賴斯法求解，對(duì)該區(qū)域黃土邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行了分析。結(jié)果表明:在自然工況下坡腳出現(xiàn)了拉剪破壞，在人為和暴雨工況下邊坡處于欠穩(wěn)定狀態(tài)，塑性區(qū)逐步擴(kuò)大，建議采取工程措施進(jìn)行防治。

白塔山地區(qū)；地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查；邊坡穩(wěn)定性分析

蘭州市已成為我國(guó)地質(zhì)災(zāi)害較為嚴(yán)重的省會(huì)城市之一。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，蘭州市境內(nèi)現(xiàn)有各類地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)895處，受災(zāi)害威脅的人口66.7萬(wàn)人，受災(zāi)害威脅的財(cái)產(chǎn)2600多億元。白塔山地區(qū)位于甘肅省蘭州市中山橋北側(cè)，瀕臨黃河北岸，地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜。山體多以全新世新近堆積的黃土狀土和晚更新世的馬蘭黃土為主，結(jié)構(gòu)疏松，易于成災(zāi)。該地區(qū)溝谷縱橫，土地資源稀缺，發(fā)展空間狹小，人口和建筑物密集。

特殊的地質(zhì)、地形、地貌與日益膨脹的人口及其工程活動(dòng)，使得人地矛盾突出，在地震、強(qiáng)降雨等外界因素的相互作用下，使得該地區(qū)的滑坡、崩塌、泥石流等頻發(fā)。具不完全統(tǒng)計(jì)，在蘭州白塔山地區(qū)，由人類工程活動(dòng)所引發(fā)的地質(zhì)災(zāi)害占災(zāi)害總數(shù)的90%以上，96%的崩塌、滑坡集中發(fā)育于人類工程活動(dòng)區(qū)200m范圍內(nèi)，人類工程活動(dòng)成為本區(qū)地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)增高的重要因素之一。

對(duì)山坡建筑區(qū)地質(zhì)災(zāi)害進(jìn)行科學(xué)評(píng)價(jià)分析，便于采用科學(xué)合理的搬遷避讓、工程治理及監(jiān)測(cè)預(yù)警措施，科學(xué)地進(jìn)行城市規(guī)范建設(shè)，杜絕重大地質(zhì)災(zāi)害隱患，有效保護(hù)人民生命安全，降低災(zāi)害損失。同時(shí)，為山坡區(qū)新建工程及建筑物的選址和建設(shè)提供依據(jù)。

1　地質(zhì)災(zāi)害調(diào)研

1.1調(diào)查區(qū)范圍及調(diào)查點(diǎn)分布

本次調(diào)查區(qū)域主要為蘭州市北塔山地區(qū)的黃土山坡坡頂及坡腳建筑區(qū)和人員密集活動(dòng)區(qū)的各類地質(zhì)災(zāi)害。主要調(diào)查點(diǎn)分布在坡頂、坡肩、坡腳，見表1。

表1　坡肩建（構(gòu)）筑物的調(diào)查點(diǎn)分布

1）坡頂建（構(gòu)）筑物有房屋、高壓電線塔、蓄水池、道路等，100個(gè)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查點(diǎn)中有54個(gè)位于坡頂?shù)慕ǎ?gòu)）筑物。

2）坡肩建（構(gòu)）筑物共調(diào)查了54處，其中距坡肩10m以內(nèi)有35處，距坡肩10～50m有13處，距坡肩＞50m有6處。

3）坡腳建（構(gòu)）筑物主要有房屋、道路等，共調(diào)查了100處。其中距坡腳10m以內(nèi)的建筑物有68處，距坡腳10～50m有19處，距坡腳＞50m有4處。

4）另外9處屬于安全狀態(tài)。

1.2調(diào)查數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

北塔山地區(qū)地質(zhì)災(zāi)害類型主要有滑坡、崩塌、不穩(wěn)定斜坡、泥石流和地面塌陷4種，局部發(fā)育有地裂縫和黃土陷穴，在地震動(dòng)作用下也發(fā)生黃土震陷和黃土液化等地質(zhì)災(zāi)害。

經(jīng)統(tǒng)計(jì)，北塔山地區(qū)主要地質(zhì)災(zāi)害類型所占比例見表2。

表2　主要地質(zhì)災(zāi)害類型所占比例

2　黃土邊坡穩(wěn)定性分析

2.1黃土邊坡破壞的主要影響因素

北塔山地區(qū)內(nèi)的梁、峁、丘陵上覆黃土以全新世新近堆積的黃土狀土和晚更新世的馬蘭黃土為主，黃土層覆蓋厚度一般在30～100m，九州臺(tái)最大達(dá)到了310～330m。上覆黃土一般為風(fēng)成黃土，孔隙和豎向裂隙普遍發(fā)育，且具有濕陷性。該層位于地質(zhì)剖面的中上部。

地質(zhì)剖面的底部為由離石黃土和午城黃土構(gòu)成的老黃土，其黏性大、成巖程度相對(duì)較高。其中午城黃土發(fā)育多層古土壤層，具有隔水性，構(gòu)成隔水底板，使其上部很厚的離石黃土成為含水層。離石黃土層中所夾的古土壤層、鈣板層亦具有相對(duì)隔水性質(zhì)，從而形成上層滯水。

在降水及人為用水浸蝕下，中上部的黃土狀土及馬蘭黃土遇水下陷，底部的離石黃土和午城黃土則成為隔水層，從而形成軟弱滑動(dòng)面。

該地區(qū)黃土邊坡災(zāi)害的形成是多方面因素所致，主要有：①地形、地貌；②地層巖性、產(chǎn)狀、導(dǎo)水性等，特別是黃土下伏的地層巖性；③氣候環(huán)境，主要是降水（年降水量、年徑流量等）、氣溫、最大凍土深度；④地表水和地下水（補(bǔ)給、儲(chǔ)存、排泄）。

2.2黃土邊坡的漸進(jìn)破壞過(guò)程

由于坡體上部全新世新近堆積黃土狀土和晚更新世的馬蘭黃土處于欠壓密狀態(tài)，斜坡邊緣受豎向最大主應(yīng)力的影響，在水平和垂直兩個(gè)方向出現(xiàn)主應(yīng)力變小，一旦變形足夠大，近水平向的最小主應(yīng)力出現(xiàn)負(fù)值，坡頂將出現(xiàn)拉張裂縫。

裂縫在破壞土體連續(xù)性的同時(shí)，在不斷地向坡體深部發(fā)展。而位于坡體中部正常固結(jié)的離石黃土，在高傾角壓剪應(yīng)力的作用下出現(xiàn)相應(yīng)的微應(yīng)變狀態(tài)，當(dāng)其與坡體某一微裂隙方向一致時(shí)發(fā)生局部的應(yīng)力集中。一旦集中應(yīng)力超過(guò)該處土體的極限強(qiáng)度就會(huì)發(fā)生破壞。該處土體破壞的結(jié)果不僅表現(xiàn)為土體抗力由峰值強(qiáng)度降低到殘余強(qiáng)度，而且傳遞至其周圍最大剪應(yīng)力方向的黃土體，引起該方向的應(yīng)力集中，土體破壞，進(jìn)而這種過(guò)程循環(huán)進(jìn)行，最終形成沿該方向的破壞帶。

對(duì)于坡體下部超固結(jié)的午城黃土則存在著兩個(gè)不同方向力系的作用：①是作用于其上的黃土體的重力，重力作用產(chǎn)生的壓應(yīng)力（平面上）和剪應(yīng)力（斜面上）隨深度的增加而增加；②是因超固結(jié)作用而儲(chǔ)存于坡體中的水平應(yīng)力，其值同樣有坡體下部大而上部小的規(guī)律。

綜上所述，對(duì)超固結(jié)土斜坡，可得出如圖1所示的斜坡漸進(jìn)變形破壞模式。首先在坡頂后部一定范圍內(nèi)出現(xiàn)拉張應(yīng)力區(qū)，然后在坡腳處產(chǎn)生剪應(yīng)力和壓應(yīng)力集中區(qū)，兩區(qū)的范圍隨坡高和坡率的增加而增加，并與初始水平應(yīng)力有一定的比例關(guān)系［1-3］。一旦坡高和坡率達(dá)到一定數(shù)值，兩區(qū)的集中應(yīng)力會(huì)超過(guò)土體的峰值抗剪強(qiáng)度，裂隙將發(fā)展、延伸；同時(shí)，破裂面上的強(qiáng)度將迅速由峰值強(qiáng)度降低到殘余強(qiáng)度。因此，原來(lái)提供抗剪阻力的土體又會(huì)圍繞破壞區(qū)產(chǎn)生應(yīng)力重分布。破壞區(qū)的擴(kuò)大和兩破壞區(qū)之間未破壞區(qū)的應(yīng)力集中是一個(gè)緩慢過(guò)程，當(dāng)剪力超過(guò)或等于未破壞區(qū)能提供的剪切阻力時(shí)，斜坡將失去其穩(wěn)定性，發(fā)生滑坡。

圖1　超固結(jié)斜坡漸進(jìn)變形破壞模式

2.3典型黃土邊坡的有限元分析

在邊坡穩(wěn)定性定性定量分析中，邊坡邊界范圍的確定十分重要，尤其是在不同計(jì)算方法中，對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響非常明顯。當(dāng)坡腳到左端邊界的距離為坡高的1.5倍，坡頂?shù)接叶诉吔绲木嚯x為坡高的2.5倍，而且上、下邊界總高不低于2倍坡高時(shí)，計(jì)算精度最為理想［4-5］。

根據(jù)邊坡的坡形、主要組成等，選擇了該區(qū)域典型黃土邊坡斷面，采用將裂隙區(qū)等效為荷載的摩根斯坦-普賴斯法，分天然和降雨兩種工況對(duì)邊坡的位移、強(qiáng)度因子以及塑性區(qū)的分布進(jìn)行了分析。其計(jì)算模型見圖2。

圖2　典型邊坡斷面計(jì)算模型

1）位移

借鑒相關(guān)文獻(xiàn)中對(duì)邊坡的監(jiān)測(cè)方法［6-9］，在分析中提取了邊坡坡頂?shù)乃轿灰芔x和豎向位移Uy。為了對(duì)比兩種工況下的坡頂位移，將自然工況下的位移置0，即Ux=0，Uy=0。由圖3可以看出：降雨工況下計(jì)算不收斂，邊坡發(fā)生了破壞，有明顯的下滑趨勢(shì)，位移比較大，尤其是坡頂；巖土分界線以上位移顯著。

圖3　典型斷面降雨工況下邊坡破壞示意

2）強(qiáng)度因子

強(qiáng)度因子是指材料的強(qiáng)度與當(dāng)前應(yīng)力之比，反映了巖土材料的安全儲(chǔ)備，當(dāng)強(qiáng)度因子越大，表示安全富余越多；當(dāng)強(qiáng)度因子接近于1的時(shí)候，說(shuō)明材料的強(qiáng)度接近完全發(fā)揮。對(duì)于塑性材料，強(qiáng)度因子一般≥1，不會(huì)出現(xiàn)＜1的情況。

典型斷面強(qiáng)度因子云圖見圖4?？梢钥闯?，邊坡當(dāng)前應(yīng)力接近材料極限強(qiáng)度的地方出現(xiàn)在坡頂和土巖交界的坡面位置，說(shuō)明這兩個(gè)位置會(huì)首先出現(xiàn)破壞。

圖4　典型斷面強(qiáng)度因子云圖

3）塑性區(qū)

典型斷面塑性區(qū)分布云圖見圖5。由圖5可以看出，自然工況下，塑性區(qū)主要出現(xiàn)在坡頂、土巖交界處、坡腳等位置。坡頂主要出現(xiàn)拉剪破壞，土巖交界處主要出現(xiàn)剪切破壞，坡腳也主要出現(xiàn)拉剪破壞。坡頂塑性區(qū)和土巖交界處塑性區(qū)還沒(méi)有完全貫通，邊坡處于欠穩(wěn)定狀態(tài)。降雨工況下，坡頂和土巖交界處塑性區(qū)擴(kuò)大且貫通，邊坡處于不穩(wěn)定狀態(tài)，需要采取措施進(jìn)行治理。

圖5　典型斷面塑性區(qū)分布云圖

3　結(jié)語(yǔ)

1）對(duì)北塔山地區(qū)地質(zhì)災(zāi)害隱患點(diǎn)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，潛在不穩(wěn)定的邊坡占有比重較大，泥石流溝次之。人類工程活動(dòng)為本區(qū)地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)增高的重要因素之一。

2）通過(guò)選取典型邊坡進(jìn)行有限元計(jì)算，對(duì)該區(qū)域黃土邊坡的位移、強(qiáng)度因子以及塑性區(qū)的分布進(jìn)行了分析，得出在人為活動(dòng)和降雨工況影響下，邊坡處于欠穩(wěn)定狀態(tài)，塑性區(qū)逐步擴(kuò)大，需要采取工程措施防治。

［1］BAKERR，KLEINY.AnintegratedLimitingEquilibrium Approach for Design of Reinforced Soil Retaining Structures：PartⅢ-optimal Design［J］.Geotexitles and Geomembranes，2004，5（1）：：455-479.

［2］趙學(xué)勐，陳運(yùn)理.考慮垂直裂隙影響的均質(zhì)黃土挖方邊坡穩(wěn)定性分析［J］.土木工程學(xué)報(bào)，1981，11（1）：43-50.

［3］BRITTO A M，GUNN M J.Critical State Soil Mechanics Via Finite Elements［J］.Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering，1988，68（2）：251-253.

［4］HOVLAN H J.Three-dimensional Slope Stability Analysis Method［J］.Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering，1977，5（2）：971-986.

［5］趙學(xué)勐.黃土邊坡穩(wěn)定性分析方法的推廣應(yīng)用［R］.西安：西安公路研究所，1985.

［6］孟秦倩，王健，齊清孝.基于vb的畢肖普法土坡穩(wěn)定的程序計(jì)算法［J］.水利與建筑工程學(xué)報(bào)，2005，3（1）：55-57.

［7］ZIENKIEWICZ O C，HUMPHESON C，LEWIS R W.Associated and Non-associated Visco-plasticity in Soil Mechanics［J］. Geotechnique，1975，10（4）：671-689.

［8］LYSMER J，KUHLEMEYER R L.Finite Dynamic Model for Infinite Media［J］.Soil Mechanics and Foundations，1969，7（6）：859-877.

［9］架茂田，武亞軍，年廷凱.強(qiáng)度折減有限元法中邊坡失穩(wěn)的塑性區(qū)判據(jù)及其應(yīng)用［J］.防災(zāi)減災(zāi)工程學(xué)報(bào)，2003，23（3）：1-8.

AbstractDue to the complicated geological conditions，Baitashan area，Lanzhou province，is plagued by severe geological disaster.Geological disaster survey showed that landslide，collapse，slope instability，mud-rock flow and ground collapse were the main geological disaster types，with their occurrence frequencies standing at 23%，6%，48%，21%and 2%respectively.A finite-element approach and the M orgenstern-Price method were applied to analyze the stability of loess slopes.T he results indicated that slope toe showed signs of tensile-shear failure under normal conditions，while slopes subject to human interference or rainstorm influence were unstable，and its plastic area expanded gradually.Engineering measures were suggested for prevention of slope unstability.

Geological Disaster Survey and Slope Stability Analysis in Beitashan Area，Lanzhou

YING Zhongwang
（Geological and Subgrade Design Department，China Railway First Survey and Design Institute Group Co.，Ltd.，Lanzhou Gansu 730030，China）

Baitashan area；Geological disaster survey；Slope stability analysis

U213.1+3

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2016.04.27

1003-1995（2016）04-0107-04

（責(zé)任審編葛全紅）

2015-12-10；

2016-01-15

應(yīng)忠旺（1973—），男，高級(jí)工程師。