2009年蘭州市九州石峽口滑坡成因及其西側高邊坡穩定性研究①

穆 鵬，吳瑋江，楊 濤

（1.長安大學公路學院，陜西西安 710064；2.武警工程學院，陜西西安 710086；3.甘肅省科學院地質自然災害防治研究所，甘肅蘭州 730000）

2009年蘭州市九州石峽口滑坡成因及其西側高邊坡穩定性研究①

穆 鵬1，2，吳瑋江3，楊 濤3

（1.長安大學公路學院，陜西西安 710064；2.武警工程學院，陜西西安 710086；3.甘肅省科學院地質自然災害防治研究所，甘肅蘭州 730000）

2009年5月16日蘭州市九州石峽口小區西側山體發生滑坡災害，造成重大生命和財產損失。本文對石峽口滑坡的特征和成因進行了系統研究，認為滑坡區高陡的地形、不合理的綠化灌溉和不良的巖土體工程地質性質是誘發該滑坡的主要因素。在分析石峽口滑坡成因的基礎上對與該滑坡相鄰的西側高邊坡進行了穩定性研究，采用有限元強度折減法計算出潛在滑面的位置和穩定系數，并和極限平衡法計算結果做比較，結果表明有限元強度折減法與傳統極限平衡法計算的穩定性系數很接近，增強了計算結果的可靠性。

蘭州；石峽口滑坡；成因；穩定性；有限元強度折減法；極限平衡法

Abstract：A landslide disaster happened at the hill west to Shixiakou district in Jiuzhou，Lanzhou city，on May 16，2009，which caused great life and property lose.A systematic research on the characteristics and forming cause of Shixiakou landslide is achieved in this paper.It is considered that the key factors of the landslide are unreasonable false virescence irrigation，the high and steep topography in landslides region，and poor rock and soil mass engineering geological properties.Based on the cause analysis of Shixiakou landslide，research on Stability of its western neighbouring high slope is done.The safety coefficient and the potential failure surface are evaluated by strength reduction FEM.As a comparison，limit equilibrium method is executed.The calculation results show that the safety factor calculated by the strength reduction FEM is fairly close to the that calculated by the traditional limit equilibrium method，which ensured the reliability of the result.

Key words：Lanzhou；Shixiakou landslide；Forming cause；Stability；Strength reduction FEM；Limit equilibrium method

0 引言

2009年5月16日21時05分左右，蘭州市九州石峽口小區西側山體發生滑坡災害，體積約2.0 ×104m3的滑坡體整體快速下滑，摧毀了石峽口小區4號樓5、6兩個單元30戶居民的住房和鍋爐房。該滑坡造成7人死亡、1人受傷，堵塞羅鍋溝洪道約60m，并壓埋部分九州大道。該事件引起了黨中央、省、市各級政府和社會各界的極大關注。由于該滑坡主滑體的滑動能量釋放較徹底，并且滑坡災害發生后采取了削坡減載、臨時支擋等一系列的工程措施，故其穩定程度較高。但與“5·16”滑坡相鄰的西側高邊坡與該滑坡地質結構相似，并且該高邊坡西側相鄰山體在2007年9月17日也發生過大規模滑動，故該高邊坡對九州大道交通安全的潛在威脅非常大。因此在分析“5·16”滑坡成因基礎上，采用工程地質分析法、有限元（FEM）強度折減法和極限平衡法，定性與定量相結合的對其西側高邊坡穩定性進行評價，為下一步該區的綜合治理提供理論指導。

1 滑坡區地質環境

該滑坡所處地段為黃河Ⅴ級高階地地區，地勢相對較高，總體為西北高，東南低，海拔高程為1 540～1 700m，相對高差100～150m。由于受后期水流侵蝕切割和人為改造破壞，階地形態已不明顯，現階面殘留部分東西寬70～150m，南北長260m左右，其余地段受水流侵蝕切割已失去原有河流階地地貌的基本形態。

滑坡區出露地層相對簡單，從新到老分別為：全新統滑坡堆積物（Qdel4），主要分布于滑坡體的中部和前緣一帶，巖性多為馬蘭黃土和皋蘭群片巖破碎后的重新堆積；上更新統（Qeol3）主要為馬蘭黃土，分布較廣泛，披覆于老地層之上；中更新統，在溝谷兩側和坡體前緣陡壁下部有零星出露，可分為兩期，早期堆積物為沖洪積物（Qal－pl2），晚期堆積物為風積離石黃土（Qeol2）；前寒武系皋蘭群（An∈gl）巖性為黑云角閃片巖、黑云絹云片巖和片麻巖、夾薄層石英巖和酸性侵入巖巖脈，主要分布于坡體的下部。

構造上滑坡地處青藏高原與隴西黃土高原交接帶附近，并處于馬御山一霧宿山NWW向構造帶與大黃山－積石山NNW向構造帶復合部位。大地構造屬于祁連山褶皺系中祁連隆起帶東段。新構造時期滑坡區附近以整體間歇性隆升為主要特征，差異活動不甚強烈，無區域性深、大、活動斷裂切割。滑坡區附近主要發育有規模不大的金城關斷裂及雷壇河斷裂，這兩條斷裂至少在晚更新世晚期以來處于穩定狀態。

蘭州市抗震設防烈度為Ⅷ度，設計基本地震加速度為0 20g。史料記載蘭州附近曾發生4次5～6級地震，最大為1125年蘭州7級地震（震中位置北緯3 6.1°，東經103.7°），對該滑坡區附近可能造成最大地震烈度達IX度的影響，使“蘭州六城城壞，倉庫皆沒，陷數百家”，同時發生大規模滑坡和地裂縫產生。另外，鄰區強烈地震也可波及本區，造成崩塌、滑坡的發生。

滑坡區地下水主要有松散巖類孔隙水和基巖裂隙水兩種類型。松散巖類孔隙水賦存于更新統黃土和碎石層中，受補給條件、賦存條件及排泄條件控制，地下水量貧乏；基巖裂隙水主要賦存于皋蘭群變質巖的風化裂隙和構造裂隙中，補給來源于大氣降水和綠化灌溉水的入滲。

2 滑坡發生過程及滑坡特征

2.1 滑坡發生過程

據對現場目擊者楊開義老人的訪問，2009年5月16日19時許，他發現自己居住的樓側面不斷有土石墜落，于是上山去察看情況，發現山頂出現20～30cm寬的裂縫，急忙通知山下的住戶；19時40分許，石塊和黃土不斷地涌向山下石峽口小區，數量和規模都較四十分鐘前有所增大，此時絕大部分住戶都已撤離；21時05分左右山體整體下滑，土體劇烈傾瀉到山下的石峽口小區，轟隆的巨響聲伴隨著塵土彌漫，在幾秒鐘內滑坡就摧毀了石峽口小區4號樓5、6兩個單元（圖1、2）。

圖1 石峽口滑坡滑前全貌Fig.1 Scope of Shixiakou landslide before sliding.

2.2 滑坡特征

圖2 石峽口滑坡滑后全貌Fig.2 Scope of Shixiakou landslide after sliding.

滑坡位于九州石峽口小區西側山體上，平面上呈不規則的啞鈴形（圖2、3、5），滑坡體長160m，后緣寬50m，前緣寬60m，滑坡前后緣高差近60m，主滑方向為27°。滑坡體上部平均坡度約為40°，下部平均坡度約30°。滑坡面積約7 500m2，平均厚度約4m左右，總體積約為3.2×104m3，主體劇烈滑動部分約2.0×104m3。

圖3 滑坡區工程地質平面圖Fig.3 Engineering geological map of the landslide area.

滑坡后壁呈典型圈椅狀（圖2、3），由馬蘭黃土和沖洪積黃土（夾礫卵石）組成，長約50m，高15～20m，坡度62°左右，較平直光滑，擦痕明顯，土體含水量高。

滑坡剪出口位于黃土底部和皋蘭群強風化片巖頂部，高程1 590m左右，高出石峽口小區地面約40 m。剪出口以上的滑動區長約60m，寬50m，坡度約40°，由黃土組成。由于滑體重心和剪出口高，臨空條件好，滑動勢能大，導致該滑坡的滑動速度快，破壞力強。

該滑坡的滑動面發育在上部的晚更新統黃土中。總體來說，滑坡的滑動面較陡，后壁一帶滑動面的傾角在60°左右，最陡處達62°，向下逐漸變緩，在剪出口一帶滑動面較為平直。受滑體擠壓和錯動作用，滑面呈光亮面，顔色較一般黃土的深，呈淺褐黃色，其上擦痕較為清晰。

滑體主要由第四系風積和沖洪積黃土組成，前緣部位擠壓鏟動了少量的下部前寒武系皋蘭群片巖強風化層。按照滑坡體積規模和滑坡體的地層巖性，石峽口“5·16”滑坡屬小型黃土滑坡［1－3］（圖2，3，4）。

圖4 滑坡縱剖面圖（1－1）Fig.4 The profile（1－1）of the landslide.

3 滑坡成因分析

滑坡的發生是多方面因素綜合影響的結果，既有內在原因也有外在因素作用［4］。石峽口滑坡形成的內在因素有斜坡地形地貌、組成斜坡的巖土體工程地質性質、地質構造；外因歸納起來主要是水的作用和人類工程活動。

3.1 內因

（1）地形地貌條件。研究表明，合適的地形坡度和坡高能為滑坡的發育和形成提供必需的勢能和物質積累［5］。石峽口小區西南側山體地形高陡，山體總高度100m左右，平均坡度35°左右，上陡下緩，是滑坡發育的有利地形條件。

（2）組成斜坡的巖土體工程地質性質較差。坡體上部黃土疏松，垂直節理和落水洞發育，具有自重濕陷性，強度低，遇水易軟化；下部變質巖結構破碎，裂隙發育，風化強烈，強風化層厚度達5～8m，強度也較低，易失穩滑動。

（3）構造條件。滑坡研究區內地質構造復雜，附近發育的幾條斷裂使滑坡區的前寒武系地層受到一定影響，節理裂隙發育，結構破碎，有利于風化作用向深部的發展和地下水向深部的滲入，使斜坡的穩定性降低，為滑坡的發育提供了有利的地質構造環境。

3.2 外因

（1）水是滑坡的重要觸發因素，故有“無水不滑”之說。5月26日，在滑體剪出口以上地段布置的3個鉆孔中均發現，滑體下部黃土滑體的含水量高達20%左右，處于過濕－飽和狀態，遠高于蘭州地區斜坡地帶黃土10%左右的自然含水量。滑坡發生后第二天看到滑坡壁下部土體非常潮濕，此后的幾天內因蒸發而干燥，滑壁上潮濕處形成白色鹽斑。據現場調查，滑坡上部山體上樹木較多，是重點綠化區，灌水量較大，滑坡壁后部近滑壁處分布有4處直徑0.4～0.8m的落水洞，坡面上長期綠化灌溉水和近期的降水沿落水洞和黃土的垂直結理滲入斜坡體深部，水的大量入滲增加了坡體物質的容重，使得斜坡土體含水量增高，強度降低。

（2）人類工程活動也是影響滑坡的重要因素。如工程建設過程中由于不適當過量開挖坡腳，造成斜坡失穩。據原1：1萬地形圖資料和當地人介紹，該滑坡區下部山體原為一凸出的基巖山嘴，20世紀90年代以來的工程建設活動中將此山嘴削除，削弱了斜坡前緣支撐作用，降低了斜坡的穩定性。

4 西側高邊坡穩定性研究

“5·16”滑坡相鄰的西側高邊坡與該滑坡地質結構相似，并且該邊坡西側山體在2007年9月17日也發生過大規模滑動［6］（圖3、5），對九州大道的交通安全、電力線路和輸氣管道存在的潛在威脅非常嚴重。因此必須對該高邊坡進行穩定性分析，為下一步該區的綜合治理提供理論指導。

4.1 高邊坡穩定性定性分析

邊坡地形高陡，頂部高程為1 688m，底部九州大道高程1 550m，高差138m，平均坡度約為40°。由于兩側山體都發生了滑坡，故其三面臨空，降低了坡體的整體穩定性。

圖5 西側高邊坡全貌Fig.5 Scope of the western high slope

邊坡的坡體結構也是上部披覆著厚層的第四系中上更新統黃土，馬蘭黃土厚約20m，離石黃土厚約40m；下部為前寒武系變質片巖，強風化層厚5～8m，基巖頂面呈波狀，總體傾向坡外，傾角10°～15°，出露高程為1 585～1 610m之間（圖6）。斜坡區1 590～1 640m高程斜坡地帶的黃土中垂直落水洞和順坡面的水平向落水洞十分發育，且相互貫通，是影響邊坡穩定性的重大隱患，由于落水洞的發育，使沖溝兩側的斜坡由于下部空虛，支撐力弱而發生局部小的滑塌和變形，產生裂縫。在斜坡上部重點綠化的地段因灌水量較大，形成了多處短淺的裂縫，這都有利于各種水體的入滲，使邊坡的穩定性降低。

圖6 高邊坡縱剖面圖（2－2）Fig.6 The profile（2－2）of the high slope.

此外，高邊坡東側發生了“5·16”滑坡，西側2007年9月17日也發生過大規模的滑動，該邊坡與這兩個滑坡的坡體結構相似，而且高度更大。采用工程地質類比法，并綜上所述，可以定性的判斷該邊坡的穩定性很差。

4.2 高邊坡穩定性定量評價

4.2.1 有限元強度折減法的基本原理

隨著計算機技術及巖土材料的非線性彈塑性有限元計算技術的發展，有限元強度折減法近年來受到國內外巖土工程界的青睞，取得了較好的成果，并證實了該法應用于工程實踐中的可行性。所謂邊坡穩定分析的有限元強度折減法，就是在理想彈塑性有限元計算中將邊坡巖土體抗剪強度參數逐漸降低直到其達到破壞狀態為止，程序可以自動根據彈塑性計算結果得到潛在滑動面（塑性應變和位移突變的地帶），同時得到邊坡的強度儲備安全系數f［7］，將有限元應用于邊坡的穩定分析，為邊坡穩定開辟了一條新的途徑。該法認為：滑動面塑性區貫通是巖土體破壞的必要條件，但不是充分條件，巖土體破壞的標志應該是部分土體出現無限移動，此時滑移面上的應變或者位移出現突變，這種突變同時會引起有限元計算的不收斂現象。因而，采用有限元數值計算是否收斂作為土體破壞的依據是合適的［8］。

4.2.2 有限元模型的建立

本次計算選取2－2剖面作為計算模型。合理的計算網格是保證有限元計算能夠順利和強度折減法精度的必備因素，本文在計算分析過程中采用平面應變問題來處理，有限元網格劃分后生成的結點總數為4 053個，六結點三角形平面應變元有800個（圖7）。計算模型所采用的邊界條件為：設定模型的上部為自由邊界，左右兩側為水平約束，底面邊界采用固定約束。此外，計算中考慮由自重應力引起的初始地應力。

圖7 高邊坡有限元劃分網格Fig.7 The FEM grid of the high slope.

4.2.3 計算參數與計算工況

該邊坡有限元計算的有關力學參數是在試驗資料的基礎上，并參考了當地有關黃土抗剪強度經驗值綜合確定的。此外，將前寒武系片巖按風化程度不同分為強風化和微風化兩層。目前，降雨條件下的邊坡穩定性計算方法還不成熟，在參數的選取時結合黃土的增濕試驗，將上部黃土的重度適當增加，并降低巖土體的C、φ值。計算模型巖土體的物理力學參數見表1，采用莫爾－庫侖等面積圓屈服準則計算。

選則模型計算的工況為天然工況、降雨工況（強度按日降雨量50mm計算）和地震工況（抗震設防烈度為Ⅷ度，設計基本地震加速度為0.20g）。本文僅圖示天然工況下的數值計算。

表1 計算模型巖土體物理力學參數

4.2.4 有限元強度折減法計算結果

根據上述邊坡的計算模型和各類巖土體力學參數，通過數值模擬獲得了研究區的應力應變圖和邊坡塑性剪應變破壞區隨強度折減系數F的變化情況。據此推斷出潛在滑面，包括一個深層潛在滑面和一個淺層潛在滑面（圖8、9）。通過有限元強度折減法計算，天然條件下深層潛在滑面破壞模式，當折減系數為1.117時，邊坡處于臨界破壞狀態，當折減系數為1.125時，有限元程序計算不再收斂，由此確定邊坡的穩定系數為1.117。

為將有限元強度折減法計算結果與極限平衡法計算結果進行對比，建立極限平衡計算模型（圖10）。有限元強度折減法（Y）計算結果和極限平衡法（利用簡化Bishop法（B）、Morgenstern－price法（M）、規范方法（G））計算結果對比如表2、表3所示。從表2、表3可知，天然工況下邊坡深層潛在滑面破壞模式的穩定系數在1.103～1.117之間，淺層滑面穩定系數在1.081～1.102之間，穩定系數都比較低，說明該邊坡穩定性較差。當在降雨和地震工況下，其穩定系數分別為0.971～1.065和0.961～ 1.012之間，該邊坡將有可能失穩滑動。此外，有限元強度折減法與極限平衡法計算得出的穩定系數很接近，但有限元強度折減法計算值略大。究其原因，筆者認為是有限元強度折減法更好地發揮了巖土體的彈塑性變形所致，其結果更能符合實際情況，也更趨于合理。

圖8 最大主應力云圖Fig.8 The nephogram of maximum principal stress.

圖9 剪應變云圖（F＝1.117）Fig.9 The nephogram of shear strain（F＝1.117）.

表2 不同計算方法下的穩定系數（潛在深層滑面）

表3 不同計算方法下的穩定系數（潛在淺層滑面）

5 結論

圖10 極限平衡法計算模型Fig.10 Model of limit equilibrium method.

（1）蘭州“5·16”石峽口滑坡平面上呈不規則的啞鈴形，總體積約3.0×104m3，主滑方向27°；滑坡前緣剪出口位于黃土底部和強風化片巖頂部，高出石峽口小區地面約40m，滑動勢能大，導致該滑坡的滑動速度快，破壞力強。滑體主要由第四系風積和沖洪積黃土組成，屬小型黃土滑坡。

（2）滑坡區高陡的地形、不合理的綠化灌溉和不良的巖土體工程地質性質是誘發“5·16”滑坡的主要因素。

（3）本文利用有限元強度折減法和極限平衡法來計算分析西側高邊坡穩定性，計算結果顯示邊坡在天然狀態深層潛在滑面破壞模式下穩定系數在1.103～1.17之間，淺層滑面穩定系數在1.081～1.102之間，達不到規范要求，穩定性很差。為保證九州大道交通安全，必須要對該邊坡進行治理。將兩種方法計算結果相比較，表明有限元強度折減法與傳統極限平衡法計算的穩定性系數很接近，增強了計算結果的可靠性。

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Study on the Forming Cause of Shixiakou Landslide at Jiuzhou，Lanzhou City，in 2009and Stability of Its Western Neighbouring High Slope

MU Peng1，2，WU Wei－jiang3，SHE Xue－sen1，YANG Tao3
（1.School of Highway；Chang＇an University，Xi＇an 710064，China；2.Engineering College of Armed Police Force，xi＇an 710086，China；3.Geological Hazards Prevention Institute，Gansu Academy of Sciences，Lanzhou 730000，China）

P642.22

A

1000－0844（2010）04－0343－06

2009－07－23

武警工程學院基礎研究基金（WJY201038）；甘肅省科學院項目（2008YS－JK－16）；交通運輸部行業聯合科技攻關項目（2008353361420）

穆 鵬（1979－），男（漢族），安徽蕭縣人，博士研究生，講師，主要從事巖土工程研究.