西寧北山崩塌形成機理的模擬分析

蔡 軍 黃麗娟

1 概述

西寧市坐落在湟水河漫灘和一級階地上，周圍被一系列山體環繞。這些山體由第三系含石膏的泥巖和泥質砂巖構成，地層產狀接近水平，這種軟硬相間的水平地層結構，導致山體和階地之間的基巖幾乎為直立的陡壁。差異風化導致泥巖剝落，砂巖失去支撐而崩塌。因此在基巖斜坡之下堆積了大量崩積物，這些崩積物在人類工程擾動和灌溉作用下會再次發生滑動，如林家崖滑坡和一顆印滑坡等。除此之外，崩塌堆積體之上現存的大量陡邊坡繼續發生崩塌。其中以北山自林家崖向東由一系列直立的自然高邊坡最為典型。隨著城市的擴展，用地的緊張，這些地段仍有大量建筑物和鐵路、公路設施，邊坡經常發生崩塌，威脅坡下人員和設施的安全。本文應用2-D-block軟件模擬了隨著泥巖剝落砂巖崩塌的過程，揭示了該類崩塌的成因機理，為進一步采取防治措施提供技術支撐。

2 地質模型及參數取值

從坡體的一顆印陡壁上出露的地層結構可見，該邊坡的巖組可分為三種類型:黃土、泥質砂巖和含石膏泥巖。黃土出露在泥巖和砂巖的頂部，砂巖和泥巖互層。崩塌主要由砂巖和泥巖引起，黃土不起控制作用，因此模型中可不考慮黃土的影響。砂巖主要成分為長石、石英砂巖，中～厚層，單層厚度0.3 m～1.5 m，中～粗粒，褐紅色，泥質膠結。泥巖為褐紅色，單層厚度0.3 m～0.8 m，含白色石膏結晶體，局部析出，形成白色粉末。根據地層結構將該類地質模型進行概化為圖1。圖2為模型的單元剖分圖，考慮泥巖遭受風化剝落，以模擬砂巖的崩塌過程。

圖1 初始地質模型

圖2 泥巖風化剝落過程

表1 離散元模擬參數取值

圖2的離散化的塊體中含兩組結構面，水平的為層理，垂直的為節理。采用離散元模擬需要提供結構面的法向和切向剛度、摩擦角，以及塊體的重度。根據對附近林家崖滑坡勘察提供的砂巖和泥巖物理力學參數，該模型的有關參數取值見表1。

3 離散元模擬結果

將模型的左邊界、下邊界和右邊界作為固定單元來處理，對其進行約束，整個計算過程中不發生橫向和豎向位移，其他則作為自由邊界來處理。重力是產生崩塌拉裂、墜落、運動的唯一作用力。模擬時，先將泥巖向內開挖，以反映風化剝落的過程，泥巖剝落到一定程度，砂巖開始崩塌。崩塌過程通過不同的迭代步反映，圖3為開始崩塌時的情形，圖4～圖7為崩塌的過程，圖8為崩塌停止時的情形。可見最終的堆積體為一錐形，堆積體一般很穩定，但坡頂還殘留有危險巖塊，隨著泥巖風化剝落的繼續，新的崩塌又有可能產生。由此可見，利用離散元可逼真地模擬崩塌發生的過程和機理。

圖3 迭代2萬次計算結果

圖4 迭代4萬次計算結果

圖5 迭代8萬次計算結果

圖6 迭代20萬次計算結果

圖7 迭代40萬次計算結果

圖8 迭代80萬次計算結果

4 結語

西寧北山地區的崩塌主要是由于其特殊的地層結構所致。堅硬的砂巖和軟弱泥巖互層，泥巖中含有大量石膏，遇水容易溶解，加劇了泥巖的風化，差異風化導致砂巖下邊失去支撐，發生崩塌。利用離散元可以逼真地再現這一過程和機理。因此防止西寧北山崩塌的主要措施是阻止泥巖的風化剝落，可采用格構或掛網的形式穩定坡腳和坡面，并盡可能減少地表水下滲，減緩溶蝕作用。

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