蘭州地區公路黃土邊坡失穩機理研究

王九勝

（甘肅省公路管理局，甘肅 蘭州 730030）

0 引言

近年來，蘭州地區公路在新建、改擴建過程中，為提高公路線形指標，確保行車舒適度和安全性，在設計時盡可能采用較大曲線半徑和較長直線距離，因此對蘭州地區山丘、梁峁、臺地進行必要的開挖[1-3]。在開挖過程中，對斜坡坡腳或者坡體進行切坡，在強降雨等氣候耦合作用下，導致坡體失穩的可能性較大，對交通安全、交通順暢構成威脅。因此在蘭州地區進行公路工程建設的過程中，一定要研究開挖坡體的黃土類型、坡體形態、巖土體力學性質以及開挖方式方法等[4-6]。

1 蘭州地區黃土特征

1.1 黃土區域分布

蘭州地區總面積13 085.6 km2，占全省面積的2.88%。東臨定西市，南接寧夏回族自治區，西與青海省毗鄰，西北與武威市接壤，北部與白銀市相連，地理位置東徑 102°36′～104°34′，北緯 35°34′～37°07′。蘭州市位于隴西黃土高原的西部，是青藏高原向黃土高原的過渡地區。境內大部分地區為海拔1 500～2 500 m的黃土覆蓋的丘陵和盆地。石質山地是祁連山的山脈，分布在市境的南北兩側。

1.2 地形地貌

地處隴西黃土高原的西北部，是黃土高原與青藏高原的過渡地帶，區內溝谷縱橫，地形起伏較大，大部分地區為黃土覆蓋，山區一般為基巖出露。整個地勢南高北低，西高東低。地貌類型可分為黃土丘陵和侵蝕堆積河谷平原。

黃土丘陵基底基巖類型為白堊系、新近系紫紅色、紅色砂巖，泥巖和砂礫巖，上覆新老黃土，侵蝕強烈，溝谷相間，溝壁較陡，谷底狹窄。黃土覆蓋深厚的梁頂溝頭部分，黃土梁、峁、溝壑十分發育。溝谷呈樹枝狀，上寬下窄，基巖出露。

侵蝕堆積河谷平原分布于黃河、湟水河河域兩岸，由河漫灘地、Ⅰ～Ⅳ級階地構成。河漫灘高出現代河床1～2 m，Ⅰ級階地不發育。Ⅱ級階地比較發育，高出河床5～10 m，一般寬500～1 000 m，階地上泥石流扇較發育。Ⅲ級階地殘留不多，高出河床80 m左右，侵蝕破壞嚴重。Ⅳ級階地相當發育，高出河床150 m左右，階面較寬，雖然沖溝侵蝕，但基本完整，較大的有黃河兩岸的張家臺、黑臺、朱家臺等。評估區為黃河高階地區，由于長期受地表水流強烈侵蝕切割，階地地貌形態除局部存在有殘留的高階地平臺及沖積二元結構外，已演變為黃土丘陵的一部分。

1.3 降雨及氣溫

根據甘肅省氣候區劃，蘭州市屬隴中北部冷溫帶干旱區，總的氣候特點是降水少、日照多、光能潛力大、氣候干燥、晝夜溫差大。根據蘭州市氣象站多年資料統計：該地區多年平均氣溫9.0℃，極端最高和最低氣溫分別為39.1℃和－23.1℃；年平均降雨量316.7 mm，最多年為546.7 mm；年平均蒸發量1 399 mm。區內最大凍土深度103.0 cm（1967年1月），屬季節性凍土，時間為11月至翌年3月。近年來該區降水年內分配不均，多集中于7～9月（見圖1），占全年降水量的61%以上，其中8月最多，平均降水量為85.3 mm，占年降水量的26%，年平均出現日降水量大于25 mm的日數為1.6 d，年平均出現日降水量大于50 mm的日數為0.1 d。蘭州市短歷時高強度降雨較多，降雨集中，實測日最大降雨量為96.8 mm，小時最大降雨量為51.9 mm，10 min最大降雨量為18.6 mm，連續降雨日數最長為9 d（見圖1）。由于降雨量不均勻，為邊坡失穩創造了條件。

圖1 蘭州市區氣象要素

1.4 公路邊坡失穩空間特征

在地形地貌上，自然滑坡在地貌上具有一定的選擇性，對坡形、坡高有一定的要求。對工程開挖而言，原始坡體形態并無特殊要求，當開挖坡體高度達到一定程度，造成坡角較陡時，就能產生滑坡。因此在人工開挖坡體時，雖然部分挖坡、削坡采取了一定的護坡措施，但整體上造成坡角變大，坡體穩定性被破壞，引起滑坡。從典型滑坡來看，其發育高度多在20 m以上，主要集中在蘭什公路、G109河口段。

邊坡失穩多為黃土層內滑坡。典型開挖黃土滑坡，滑動地層均為黃土地層（Q3馬蘭黃土、Q2離石黃土和Q1午城黃土），坡腳開挖至泥巖之下時，則出現沿黃土和泥巖的接觸面上剪出的滑坡。這類公路邊坡很多，主要集中在九州公路、G109大沙坪段。

在空間展布上，以城市周圍、交通沿線最為集中，其他零星分布。黃土山區城市受地形條件限制，城市周圍的黃土邊坡成為城市擴容的對象。很多工礦企業和城建部門對黃土邊坡進行開挖以拓展場地，開挖區域多沿公路、河流，使得城市周邊黃土滑坡分布具有高度集中性和條帶性。如蘭州市，四面環山，黃土厚度大，山高坡陡，具有滑坡發育的條件。近 30年來，蘭州城市擴容，依山進行南北環路建設，有九州公路、G109大沙坪段、G312桃樹坪段、蘭永快速通道、G212蘭臨高速蘭州段等，導致南（皋蘭山）北（白塔山）兩山山腳不斷被開挖，同時兩山綠化不斷提水灌溉，致使公路邊坡失穩可能性增加。

2 斜坡失穩力學機制

2.1 降雨

根據氣象資料分析，蘭州近年來降雨極其不平衡，主要集中在7、8、9三個月，最大降雨量可達50 mm。降雨主要有兩個方面作用導致邊坡失穩：一方面部分被開挖的黃土坡體并沒有表現出快速滑動的跡象，但當遇強降雨時，增加坡體重量，增大下滑力，導致邊坡失穩；另一方面則是降雨沿黃土節理裂隙入滲，在下部土層局部形成飽和帶，軟化土體，對坡體滑動起到促滑作用。如果水體不能及時排出，將激發超孔隙水壓力，進一步加速土體的不穩定性，引起黃土滑坡。

2.2 坡體開挖

邊坡開挖對邊坡穩定性影響巨大，首先改變了原有形狀，使邊坡坡度變陡，坡腳受到破壞。原始坡面開挖之后，坡體在水平方向上產生卸荷作用，降低了邊坡抗滑能力，改變了土體內部的應力和重力場的重新分布。在坡腳處產生應力集中，在坡頂形成拉張區域，產生微應變，并不斷積累產生一系列裂隙。這些裂隙隨著時間的變化在深度和寬度上也會發生變化，并不斷向深處擴展，造成失穩，如圖2所示。

圖2 邊坡失穩機理

2.3 開挖與降雨耦合

由于許多邊坡在開挖過程中，坡體應力重新分配，很容易在應力較為集中的地方形成擠壓型裂縫、拉裂型裂縫，遇到強降雨時雨水沿裂縫滲入，加速巖土體結構破壞，力學性能逐漸降低，巖土體自重增加，加速了坡體的移動，最終導致邊坡失穩。

3 結語

黃土邊坡失穩在蘭州地區非常突出，對公路建設及公路運營安全構成極大威脅，對蘭州地區一系列公路黃土邊坡進行系統調查分析研究，認識清楚蘭州地區公路黃土邊坡失穩影響因素及失穩過程，為以后黃土邊坡治理提供可靠的科學依據。

[1]侯小強，田樹濤.基于Midas/GTS高邊坡開挖及加固施工穩定性分析[J].路基工程，2013(6):178-181.

[2]劉紅玫,石玉成.黃土地區不同類型滑坡的特征及影響因素[J].西北地震學報，2006，28(4)：360-363．

[3]王健，侯小強,等.蘭州及周邊地區灌溉對于黃土滑坡微結構的變化研究[J].城市道橋與防洪，2016(6)：208-210.

[4]穆鵬，董蘭鳳，吳瑋江.蘭州市九州石峽口滑坡形成機制與穩定性分析[J].西北地震學報，2008，30(4)：332-336．

[5]張帆宇,劉高.國道212線福津河段滑坡發育特征及成因分析[J].地質災害與環境保護,2005,16(2):130-134.

[6]張茂省，李同錄.黃土滑坡誘發因素及其形成機理研究[J].工程地質學報，2011,19(4)：86-96.