兰州白塔山地区地质灾害调查及边坡稳定性分析
应忠旺
【摘 要】Due 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 Morgenstern-Price method were applied to analyze the stability of loess slopes. The 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.%兰州市白塔山地区地质条件复杂,地质灾害严重.调查发现:该地区常见地质灾害类型主要有滑坡、崩塌、不稳定斜坡、泥石流和地面塌陷4种,所占比例分别为23%,6%,48%,21%和2%.本文应用有限元和摩根斯坦-普赖斯法求解,对该区域黄土边坡稳定性进行了分析.结果表明:在自然工况下坡脚出现了拉剪破坏,在人为和暴雨工况下边坡处于欠稳定状态,塑性区逐步扩大,建议采取工程措施进行防治. 【期刊名称】《铁道建筑》 【年(卷),期】2016(000)004 【总页数】4页(P107-110)
【关键词】白塔山地区;地质灾害调查;边坡稳定性分析 【作 者】应忠旺
【作者单位】中铁第一勘察设计院集团有限公司 地路处,甘肃 兰州 730030 【正文语种】中 文 【中图分类】U213.1+3
兰州市已成为我国地质灾害较为严重的省会城市之一。据不完全统计，兰州市境内现有各类地质灾害点5处，受灾害威胁的人口66.7万人，受灾害威胁的财产2600多亿元。白塔山地区位于甘肃省兰州市中山桥北侧，濒临黄河北岸，地质构造复杂。山体多以全新世新近堆积的黄土状土和晚更新世的马兰黄土为主，结构疏松，易于成灾。该地区沟谷纵横，土地资源稀缺，发展空间狭小，人口和建筑物密集。
特殊的地质、地形、地貌与日益膨胀的人口及其工程活动，使得人地矛盾突出，在地震、强降雨等外界因素的相互作用下，使得该地区的滑坡、崩塌、泥石流等频发。具不完全统计，在兰州白塔山地区，由人类工程活动所引发的地质灾害占灾害总数的90%以上，96%的崩塌、滑坡集中发育于人类工程活动区200m范围内，人类工程活动成为本区地质灾害风险增高的重要因素之一。
对山坡建筑区地质灾害进行科学评价分析，便于采用科学合理的搬迁避让、工程治理及监测预警措施，科学地进行城市规范建设，杜绝重大地质灾害隐患，有效保护人民生命安全，降低灾害损失。同时，为山坡区新建工程及建筑物的选址和建设提供依据。
1.1 调查区范围及调查点分布
本次调查区域主要为兰州市北塔山地区的黄土山坡坡顶及坡脚建筑区和人员密集活
动区的各类地质灾害。主要调查点分布在坡顶、坡肩、坡脚，见表1。
1）坡顶建（构）筑物有房屋、高压电线塔、蓄水池、道路等，100个现场调查点中有54个位于坡顶的建（构）筑物。
2）坡肩建（构）筑物共调查了54处，其中距坡肩10m以内有35处，距坡肩10～50m有13处，距坡肩＞50m有6处。
3）坡脚建（构）筑物主要有房屋、道路等，共调查了100处。其中距坡脚10m以内的建筑物有68处，距坡脚10～50m有19处，距坡脚＞50m有4处。 4）另外9处属于安全状态。 1.2 调查数据统计分析
北塔山地区地质灾害类型主要有滑坡、崩塌、不稳定斜坡、泥石流和地面塌陷4种，局部发育有地裂缝和黄土陷穴，在地震动作用下也发生黄土震陷和黄土液化等地质灾害。
经统计，北塔山地区主要地质灾害类型所占比例见表2。 2.1 黄土边坡破坏的主要影响因素
北塔山地区内的梁、峁、丘陵上覆黄土以全新世新近堆积的黄土状土和晚更新世的马兰黄土为主，黄土层覆盖厚度一般在30～100m，九州台最大达到了310～330m。上覆黄土一般为风成黄土，孔隙和竖向裂隙普遍发育，且具有湿陷性。该层位于地质剖面的中上部。
地质剖面的底部为由离石黄土和午城黄土构成的老黄土，其黏性大、成岩程度相对较高。其中午城黄土发育多层古土壤层，具有隔水性，构成隔水底板，使其上部很厚的离石黄土成为含水层。离石黄土层中所夹的古土壤层、钙板层亦具有相对隔水性质，从而形成上层滞水。
在降水及人为用水浸蚀下，中上部的黄土状土及马兰黄土遇水下陷，底部的离石黄土和午城黄土则成为隔水层，从而形成软弱滑动面。
该地区黄土边坡灾害的形成是多方面因素所致，主要有：①地形、地貌；②地层岩性、产状、导水性等，特别是黄土下伏的地层岩性；③气候环境，主要是降水（年降水量、年径流量等）、气温、最大冻土深度；④地表水和地下水（补给、储存、排泄）。
2.2 黄土边坡的渐进破坏过程
由于坡体上部全新世新近堆积黄土状土和晚更新世的马兰黄土处于欠压密状态，斜坡边缘受竖向最大主应力的影响，在水平和垂直两个方向出现主应力变小，一旦变形足够大，近水平向的最小主应力出现负值，坡顶将出现拉张裂缝。
裂缝在破坏土体连续性的同时，在不断地向坡体深部发展。而位于坡体中部正常固结的离石黄土，在高倾角压剪应力的作用下出现相应的微应变状态，当其与坡体某一微裂隙方向一致时发生局部的应力集中。一旦集中应力超过该处土体的极限强度就会发生破坏。该处土体破坏的结果不仅表现为土体抗力由峰值强度降低到残余强度，而且传递至其周围最大剪应力方向的黄土体，引起该方向的应力集中，土体破坏，进而这种过程循环进行，最终形成沿该方向的破坏带。
对于坡体下部超固结的午城黄土则存在着两个不同方向力系的作用：①是作用于其上的黄土体的重力，重力作用产生的压应力（平面上）和剪应力（斜面上）随深度的增加而增加；②是因超固结作用而储存于坡体中的水平应力，其值同样有坡体下部大而上部小的规律。
综上所述，对超固结土斜坡，可得出如图1所示的斜坡渐进变形破坏模式。首先在坡顶后部一定范围内出现拉张应力区，然后在坡脚处产生剪应力和压应力集中区，两区的范围随坡高和坡率的增加而增加，并与初始水平应力有一定的比例关系［1-3］。一旦坡高和坡率达到一定数值，两区的集中应力会超过土体的峰值抗剪强度，裂隙将发展、延伸；同时，破裂面上的强度将迅速由峰值强度降低到残余强度。因此，原来提供抗剪阻力的土体又会围绕破坏区产生应力重分布。破坏区的扩
大和两破坏区之间未破坏区的应力集中是一个缓慢过程，当剪力超过或等于未破坏区能提供的剪切阻力时，斜坡将失去其稳定性，发生滑坡。 2.3 典型黄土边坡的有限元分析
在边坡稳定性定性定量分析中，边坡边界范围的确定十分重要，尤其是在不同计算方法中，对计算结果的影响非常明显。当坡脚到左端边界的距离为坡高的1.5倍，坡顶到右端边界的距离为坡高的2.5倍，而且上、下边界总高不低于2倍坡高时，计算精度最为理想［4-5］。
根据边坡的坡形、主要组成等，选择了该区域典型黄土边坡断面，采用将裂隙区等效为荷载的摩根斯坦-普赖斯法，分天然和降雨两种工况对边坡的位移、强度因子以及塑性区的分布进行了分析。其计算模型见图2。 1）位移
借鉴相关文献中对边坡的监测方法［6-9］，在分析中提取了边坡坡顶的水平位移Ux和竖向位移Uy。为了对比两种工况下的坡顶位移，将自然工况下的位移置0，即Ux=0，Uy=0。由图3可以看出：降雨工况下计算不收敛，边坡发生了破坏，有明显的下滑趋势，位移比较大，尤其是坡顶；岩土分界线以上位移显著。 2）强度因子
强度因子是指材料的强度与当前应力之比，反映了岩土材料的安全储备，当强度因子越大，表示安全富余越多；当强度因子接近于1的时候，说明材料的强度接近完全发挥。对于塑性材料，强度因子一般≥1，不会出现＜1的情况。
典型断面强度因子云图见图4。可以看出，边坡当前应力接近材料极限强度的地方出现在坡顶和土岩交界的坡面位置，说明这两个位置会首先出现破坏。 3）塑性区
典型断面塑性区分布云图见图5。由图5可以看出，自然工况下，塑性区主要出现在坡顶、土岩交界处、坡脚等位置。坡顶主要出现拉剪破坏，土岩交界处主要出现
剪切破坏，坡脚也主要出现拉剪破坏。坡顶塑性区和土岩交界处塑性区还没有完全贯通，边坡处于欠稳定状态。降雨工况下，坡顶和土岩交界处塑性区扩大且贯通，边坡处于不稳定状态，需要采取措施进行治理。
1）对北塔山地区地质灾害隐患点现场调查发现，潜在不稳定的边坡占有比重较大，泥石流沟次之。人类工程活动为本区地质灾害风险增高的重要因素之一。 2）通过选取典型边坡进行有限元计算，对该区域黄土边坡的位移、强度因子以及塑性区的分布进行了分析，得出在人为活动和降雨工况影响下，边坡处于欠稳定状态，塑性区逐步扩大，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.