蘭州白塔山地區地質災害調查及邊坡穩定性分析

應忠旺

（中鐵第一勘察設計院集團有限公司地路處，甘肅蘭州730030）

蘭州白塔山地區地質災害調查及邊坡穩定性分析

應忠旺

（中鐵第一勘察設計院集團有限公司地路處，甘肅蘭州730030）

蘭州市白塔山地區地質條件復雜，地質災害嚴重。調查發現:該地區常見地質災害類型主要有滑坡、崩塌、不穩定斜坡、泥石流和地面塌陷4種，所占比例分別為23%，6%，48%，21%和2%。本文應用有限元和摩根斯坦-普賴斯法求解，對該區域黃土邊坡穩定性進行了分析。結果表明:在自然工況下坡腳出現了拉剪破壞，在人為和暴雨工況下邊坡處于欠穩定狀態，塑性區逐步擴大，建議采取工程措施進行防治。

白塔山地區；地質災害調查；邊坡穩定性分析

蘭州市已成為我國地質災害較為嚴重的省會城市之一。據不完全統計，蘭州市境內現有各類地質災害點895處，受災害威脅的人口66.7萬人，受災害威脅的財產2600多億元。白塔山地區位于甘肅省蘭州市中山橋北側，瀕臨黃河北岸，地質構造復雜。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，結構疏松，易于成災。該地區溝谷縱橫，土地資源稀缺，發展空間狹小，人口和建筑物密集。

特殊的地質、地形、地貌與日益膨脹的人口及其工程活動，使得人地矛盾突出，在地震、強降雨等外界因素的相互作用下，使得該地區的滑坡、崩塌、泥石流等頻發。具不完全統計，在蘭州白塔山地區，由人類工程活動所引發的地質災害占災害總數的90%以上，96%的崩塌、滑坡集中發育于人類工程活動區200m范圍內，人類工程活動成為本區地質災害風險增高的重要因素之一。

對山坡建筑區地質災害進行科學評價分析，便于采用科學合理的搬遷避讓、工程治理及監測預警措施，科學地進行城市規范建設，杜絕重大地質災害隱患，有效保護人民生命安全，降低災害損失。同時，為山坡區新建工程及建筑物的選址和建設提供依據。

1　地質災害調研

1.1調查區范圍及調查點分布

本次調查區域主要為蘭州市北塔山地區的黃土山坡坡頂及坡腳建筑區和人員密集活動區的各類地質災害。主要調查點分布在坡頂、坡肩、坡腳，見表1。

表1　坡肩建（構）筑物的調查點分布

1）坡頂建（構）筑物有房屋、高壓電線塔、蓄水池、道路等，100個現場調查點中有54個位于坡頂的建（構）筑物。

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

3）坡腳建（構）筑物主要有房屋、道路等，共調查了100處。其中距坡腳10m以內的建筑物有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。

1.2調查數據統計分析

北塔山地區地質災害類型主要有滑坡、崩塌、不穩定斜坡、泥石流和地面塌陷4種，局部發育有地裂縫和黃土陷穴，在地震動作用下也發生黃土震陷和黃土液化等地質災害。

經統計，北塔山地區主要地質災害類型所占比例見表2。

表2　主要地質災害類型所占比例

2　黃土邊坡穩定性分析

2.1黃土邊坡破壞的主要影響因素

北塔山地區內的梁、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，九州臺最大達到了310～330m。上覆黃土一般為風成黃土，孔隙和豎向裂隙普遍發育，且具有濕陷性。該層位于地質剖面的中上部。

地質剖面的底部為由離石黃土和午城黃土構成的老黃土，其黏性大、成巖程度相對較高。其中午城黃土發育多層古土壤層，具有隔水性，構成隔水底板，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、鈣板層亦具有相對隔水性質，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，從而形成軟弱滑動面。

該地區黃土邊坡災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、產狀、導水性等，特別是黃土下伏的地層巖性；③氣候環境，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（補給、儲存、排泄）。

2.2黃土邊坡的漸進破壞過程

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，斜坡邊緣受豎向最大主應力的影響，在水平和垂直兩個方向出現主應力變小，一旦變形足夠大，近水平向的最小主應力出現負值，坡頂將出現拉張裂縫。

裂縫在破壞土體連續性的同時，在不斷地向坡體深部發展。而位于坡體中部正常固結的離石黃土，在高傾角壓剪應力的作用下出現相應的微應變狀態，當其與坡體某一微裂隙方向一致時發生局部的應力集中。一旦集中應力超過該處土體的極限強度就會發生破壞。該處土體破壞的結果不僅表現為土體抗力由峰值強度降低到殘余強度，而且傳遞至其周圍最大剪應力方向的黃土體，引起該方向的應力集中，土體破壞，進而這種過程循環進行，最終形成沿該方向的破壞帶。

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

綜上所述，對超固結土斜坡，可得出如圖1所示的斜坡漸進變形破壞模式。首先在坡頂后部一定范圍內出現拉張應力區，然后在坡腳處產生剪應力和壓應力集中區，兩區的范圍隨坡高和坡率的增加而增加，并與初始水平應力有一定的比例關系［1-3］。一旦坡高和坡率達到一定數值，兩區的集中應力會超過土體的峰值抗剪強度，裂隙將發展、延伸；同時，破裂面上的強度將迅速由峰值強度降低到殘余強度。因此，原來提供抗剪阻力的土體又會圍繞破壞區產生應力重分布。破壞區的擴大和兩破壞區之間未破壞區的應力集中是一個緩慢過程，當剪力超過或等于未破壞區能提供的剪切阻力時，斜坡將失去其穩定性，發生滑坡。

圖1　超固結斜坡漸進變形破壞模式

2.3典型黃土邊坡的有限元分析

在邊坡穩定性定性定量分析中，邊坡邊界范圍的確定十分重要，尤其是在不同計算方法中，對計算結果的影響非常明顯。當坡腳到左端邊界的距離為坡高的1.5倍，坡頂到右端邊界的距離為坡高的2.5倍，而且上、下邊界總高不低于2倍坡高時，計算精度最為理想［4-5］。

根據邊坡的坡形、主要組成等，選擇了該區域典型黃土邊坡斷面，采用將裂隙區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邊坡的位移、強度因子以及塑性區的分布進行了分析。其計算模型見圖2。

圖2　典型邊坡斷面計算模型

1）位移

借鑒相關文獻中對邊坡的監測方法［6-9］，在分析中提取了邊坡坡頂的水平位移Ux和豎向位移Uy。為了對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：降雨工況下計算不收斂，邊坡發生了破壞，有明顯的下滑趨勢，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）強度因子

強度因子是指材料的強度與當前應力之比，反映了巖土材料的安全儲備，當強度因子越大，表示安全富余越多；當強度因子接近于1的時候，說明材料的強度接近完全發揮。對于塑性材料，強度因子一般≥1，不會出現＜1的情況。

典型斷面強度因子云圖見圖4?？梢钥闯?，邊坡當前應力接近材料極限強度的地方出現在坡頂和土巖交界的坡面位置，說明這兩個位置會首先出現破壞。

圖4　典型斷面強度因子云圖

3）塑性區

典型斷面塑性區分布云圖見圖5。由圖5可以看出，自然工況下，塑性區主要出現在坡頂、土巖交界處、坡腳等位置。坡頂主要出現拉剪破壞，土巖交界處主要出現剪切破壞，坡腳也主要出現拉剪破壞。坡頂塑性區和土巖交界處塑性區還沒有完全貫通，邊坡處于欠穩定狀態。降雨工況下，坡頂和土巖交界處塑性區擴大且貫通，邊坡處于不穩定狀態，需要采取措施進行治理。

圖5　典型斷面塑性區分布云圖

3　結語

1）對北塔山地區地質災害隱患點現場調查發現，潛在不穩定的邊坡占有比重較大，泥石流溝次之。人類工程活動為本區地質災害風險增高的重要因素之一。

2）通過選取典型邊坡進行有限元計算，對該區域黃土邊坡的位移、強度因子以及塑性區的分布進行了分析，得出在人為活動和降雨工況影響下，邊坡處于欠穩定狀態，塑性區逐步擴大，需要采取工程措施防治。

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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

（責任審編葛全紅）

2015-12-10；

2016-01-15

應忠旺（1973—），男，高級工程師。