蘭州丘陵溝壑區挖方黃土高邊坡面臨的工程地質問題及穩定性分析

蒲小武， 王蘭民，吳志強， 劉 琨， 趙文琛， 馬林偉, 任 棟

(1.中國地震局蘭州地震研究所，甘肅 蘭州 730000； 2.中國地震局黃土地震工程重點實驗室，甘肅 蘭州 730000)

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蘭州丘陵溝壑區挖方黃土高邊坡面臨的工程地質問題及穩定性分析

蒲小武1,2， 王蘭民1,2，吳志強1，2， 劉 琨1,2， 趙文琛1,2， 馬林偉1,2, 任 棟1

(1.中國地震局蘭州地震研究所，甘肅 蘭州 730000； 2.中國地震局黃土地震工程重點實驗室，甘肅 蘭州 730000)

通過對蘭州黃土丘陵溝壑區大量黃土挖方高邊坡的實地調查發現，這些剛開挖不久的黃土邊坡多數都出現了不同程度的工程地質問題，如卸荷裂隙、坡面沖溝、落水洞、局部滑塌等。通過有限元方法，對挖方過程進行數值模擬，結果顯示挖方后的位移場、應力及應變場都出現了顯著變化，挖方后的應力釋放與局部集中、卸荷作用、風化作用及雨水沖刷等內因與外因及其相互作用是出現各種工程地質問題的根本原因，而這些問題又會導致邊坡穩定性出現不同程度的降低。黃土丘陵溝壑區的自然邊坡在天然狀態下坡體穩定，用不同計算方法計算的安全系數達1.7左右；人工切坡以后坡度變陡，邊坡整體穩定性下降，安全系數下降了約0.6；在Ⅷ度烈度地震作用下挖方邊坡處于臨界狀態，存在失穩風險。因此，在該類場地上的建設工程項目中必須重視挖方邊坡的抗震設防問題。

削山造地; 挖方邊坡; 工程地質問題; 穩定性

0 引言

黃土是一種特殊土類，有特殊的微結構，具有水敏性和地震易損性等物理力學性質[1-2]。當黃土遭遇中強地震作用或遇水浸濕時，其微結構遭到破壞，強度喪失，從而產生嚴重的地質災害[3-8]。黃土高原是我國黃土主體分布區，地形地貌復雜，新構造活動強烈，強震頻發，中強以上地震就會誘發大量的黃土滑坡災害[9-12]。隨著城鎮化進程的加速推進，各地利用切坡造地、削山造地的方式獲取新的土地資源，極易造成城鎮毗鄰于黃土高邊坡之側而面臨潛在的滑坡災害風險。

據《蘭州市土地規劃(2011—2015年)》，蘭州市區黃河以北的青白石—九州—忠和片區已經被規劃為建設用地的重點區域。2012年啟動的“蘭州新城”建設項目中預計要推平700多座荒山，開發整理青白石低丘緩坡等未利用土地，為城市發展提供新的建設用地。隨著該項目的實施，必將會產生大量的高陡黃土邊坡。

由于城鎮地帶人口密集, 人類工程活動強烈, 人與地質環境相互作用機制復雜, 稍有不慎便有可能引起地質環境破壞, 甚至引發重大地質災害, 導致群死群傷和巨大財產損失等災害事件的發生。2009 年 5 月 16 日晚21點蘭州市九州臺山體發生滑坡，滑坡體推倒1棟6層樓的2個單元，導致7死1傷的嚴重傷亡事故。這一傷亡代價還是在有關人員發現山體異動后及時做出預警的結果。如果遭遇尚不能準確預知的突發性強震作用，就會誘發規模更大的突發性地震滑坡，造成難以估量的人員傷亡和財產損失。

本文擬通過對蘭州黃河北丘陵溝壑區削山造地邊坡工程地質問題的現場調查及相關數值模擬計算，分析該場地上的邊坡穩定性，以期對未來的工程建設場地規劃利用有所裨益，最大限度地規避地質災害事件發生的可能性。

1 削山造地區的地質環境與面臨的工程地質問題

1.1 地質環境狀況

蘭州地處青藏高原與隴西黃土高原交接帶附近，處于馬銜山—霧宿山NWW向構造帶與大黃山—積石山NNW向構造帶交匯復合部位。根據甘肅省地震區帶劃分，該區處于青藏高原東北緣天水—蘭州—河西走廊地震帶。1125年曾經在馬銜山斷裂帶發生了7級地震，產生了大規模的滑坡和大量地裂縫。1995年永登5.8級地震是有儀器記錄以來發生的對蘭州市影響較大的破壞性地震，出現了許多滑坡及震陷災害。

本文研究的削山造地區位于蘭州市黃河北青白石鎮白道坪村， 處在黃河四、五級高階地之上, 地勢相對較高，海拔高程1 600～1 850 m, 比高50～150 m。區內溝壑縱橫，階地形態已基本不存在，主要為黃土梁峁狀低山丘陵地貌。 區內地層相對簡單, 從新到老分別為：晚更新世馬蘭黃土，中更新世離石黃土，早更新午城石黃土；黃土覆蓋層之下為第三紀紅層，多為石英砂巖。該區域屬半干旱溫帶氣候，年均氣溫 9.4℃，降雨量僅260～360 mm，而蒸發量達1 500 mm，極度干旱。該區未挖方前的自然斜坡，坡面有較好的植被覆蓋，形狀渾圓，無明顯工程地質問題[圖1(a)]。

1.2 挖方邊坡出現的工程地質問題

“蘭州新城”建設項目工作區內土質極其疏松，孔隙比很大，具有粒狀架空大孔隙結構，強度很低，普遍具有嚴重的濕陷性、高壓縮性和動力易損性。為了減緩雨季坡面雨水沖刷，挖方邊坡以多級矮坡形式為主，并且在坡面防護了塑料網(質量較差且多已風化)。現場測量發現，次級矮坡一般坡高5 m，坡頂面2～3 m，坡角在45°～78°間變化，一般下部幾級矮坡較陡，坡角在40°～50°，中間幾級很陡，六七十度不等，最上的幾級矮坡較緩[圖1(b)]。項目作業區內已經產生了許多高達數十米甚至上百米的挖方邊坡，時至2014年底，該類邊坡已經出現了許多工程地質問題。

(1) 卸荷作用引起的地質問題

通過現場調查，發現在挖方邊坡第一、二級矮坡坡腳1～2 m的范圍內出現了大量卸荷裂隙，裂隙傾角小于坡面傾角，張開度自坡面由外向內逐漸變小，深度從十幾厘米至幾十厘米不等。對于暴露在空氣中的開挖坡面，風化作用增強，再加上雨水沖刷剝蝕，土體浸水增重及強度降低，因此被卸荷裂隙切割的土體出現大塊掉落現象[圖1(d)]。

圖1 挖方邊坡工程地質問題Fig.1 Engineering geological problems of the excavation slope

(2) 坡面沖溝及落水洞

蘭州屬溫帶半干旱氣候，降雨多集中于7—9月份。在降雨季節，當遇到暴雨天氣時，由于非飽和黃土的滲透性較低，短時間的強降雨使得來不及滲透的雨水形成較大的坡面流，這樣長期的反復沖刷作用便會在坡面形成大小不一、規模不等的坡面沖溝。現場發現，許多次級矮坡的坡面已經形成了密集的貫通坡頂至坡底的沖溝，深度10～30 cm、寬度10～20 cm不等[圖1(e)]。順坡而下的水流流至下一階矮坡坡面處時，水勢減緩并匯聚在坡頂面逐漸向下滲透，又形成大小不一的落水洞，個別矮坡坡頂面甚至形成了直徑達30～40 cm、深度超過1 m的落水洞[圖1(f)]。

(3) 局部滑塌

在青白石平填場地，個別挖方邊坡的次級矮坡已經出現小規模的局部滑塌現象。有一處滑塌發生于某一邊坡左側邊緣，由第二階矮坡后緣開始至第一階矮坡坡面上部剪出，滑體僅限于第二級及第一級矮坡上部，呈楔形體狀，方量約5～6 m2，規模較小，失穩滑體堆積于坡腳處[圖1(c)]。

蘭州青白石挖方邊坡出現的工程地質問題，表面上看似乎主要與風化作用、雨水沖刷剝蝕等外部因素有很大關聯,但實質上對于黃土這類低強度的土，挖方后卸荷減載使得應力的釋放及重分布才是問題的關鍵。要弄清楚挖方后邊坡土體受到卸荷作用的程度，就需要研究挖方后邊坡位移場、應力及應變場的量值變化特征。基于此，本文利用有限元方法對挖方過程及邊坡靜動力穩定性進行了數值模擬研究。

2 黃土邊坡開挖過程及穩定性數值模擬分析

2.1 有限元方法

2.1.1 有限元強度折減法

目前邊坡穩定性分析最普遍、最常用、也最成熟的方法是有限元強度折減法。所謂強度折減法就是用一個折減法系數F將土體的抗剪強度指標C和φ不斷折減，如式(1)和(2)所示，然后用折減后抗剪強度指標Cf和φf取代原來的抗剪強度指標C和φ，這樣不斷增加F值，C值和φ值則不斷減小，直到某一抗剪強度下整個土坡發生失穩。那么在發生整體失穩前的那個折減系數值就是這個土坡的安全系數。

(1)

(2)

(3)

式中：Cf是折減后土體的黏聚力；C為土體實際黏聚力；F為折減系數；φf是折減后土體內摩擦角；φ為土體內摩擦角；τf是折減后的抗剪強度；σ為作用在滑動面上的正應力。

2.1.2 擴展Mohr-Coulomb屈服準則

巖土工程領域應用最廣泛的強度準則為Mohr-Coulomb準則，對于黃土也具適用性，但其最主要的缺點是屈服面在應力空間中存在不連續點。基于此,采用擴展的Mohr-Coulomb 準則以解決上述問題。

(1) 屈服面

擴展Mohr-Coulomb模型屈服面函數為：

(4)

(5)

其中:φ是材料內摩擦角；C是材料黏聚力；α是極偏角；p為平均主應力；q為廣義剪應力(等效剪應力)；J3是第三偏應力不變量。

(2) 塑性勢面

采用如下的橢圓函數作為塑性勢面：

(6)

式中:β是塑性勢面在子午面上的偏心率，控制塑性勢面在子午面上的形狀與函數漸近線之間的相似度；C0是初始黏聚力；ω是剪脹角；Umw則控制了塑性勢面在π平面上的形狀，其式為：

(7)

(8)

有限元計算中,非關聯流動法則能在一定程度上減少剪脹現象的發生, 因此在本文計算中選用非關聯流動準則。

2.2 數值模型

選取蘭州青白石白道坪削山造地區某一勻質馬蘭黃土邊坡作為數值分析、研究對象。邊坡比高為50 m，挖方前坡度30°，挖方后總體坡度45°；次級矮坡的坡度自坡底向上在45°～75°間變化，坡高5 m，中間設2 m平臺(圖2)。

圖2 邊坡模型簡圖(單位：m)Fig.2 Slope model diagram (Unit:m)

有限元模型均采用四邊形四節點平面應變單元劃分，節點總個數為15 165，單元總個數為14 880。模型中所有單元均采用擴展Mohr-Column屈服準則。模型參數根據現場采集土樣的室內試驗結果選取，土樣取自挖方邊坡坡腳以上1 m處，參數通過三軸儀測定，所測參數如表1所列。

表 1 土體的基本參數

2.3 邊坡開挖前后位移場、應力場及應變場的變化

(1) 位移場

挖方前邊坡總位移變化在坡腳處最大，僅為1.222×10-7m；挖方后，坡腳區域及1～5級次級矮坡(自下而上)出現了明顯的以垂直向為主的位移變化，上部荷重挖除得越多，向上的位移變化量越大(圖3)。圖4是1～9級次級矮坡計算穩定后坡肩及坡腳位移、應力應變對比曲線圖，是空間尺度上的變化。從圖中可以看到，1～4級矮坡坡肩、坡腳位移有較大差異，這種差異性自下而上逐漸減小，自第5級矮坡，坡腳、坡肩位移基本一致且逐漸減小，至第9級矮坡，位移變化量接近于零。

(2) Mises應力的變化

圖4 不同位置位移、應力及應變變化Fig.4 Variation of displacement, stress and strain at different positions

Mises應力也稱為等效應力，其公式為：

(9)

式中:σ1、σ2、σ3為三個主應力。

挖方以后1～8級次級矮坡坡腳都出現Mises應力增強、集中現象，其中第一、二級矮坡坡腳、坡面、坡肩的Mises應力都比較大，應力集中的現象更為明顯(圖3)。

(3) 應變場的變化

挖方后，邊坡坡腳及其相鄰區域內出現較大的應變變化[圖3(c)]。空間尺度上看，變化主要發生在5級矮坡以下區域，1、2級矮坡坡腳應變最大，達到0.006，自第1級矮坡向上，主應變逐漸變小，直到8、9級減小為零。

(4) 挖方后出現的工程地質問題的原因探討

首先在挖方過程中，土體受到擾動，擾動帶內土體強度會有所降低；其次，挖方后由于卸荷減載應力釋放，土體會出現卸荷回彈作用，位移、應變都出現較大變化，坡腳區域應力出現集中現象，對于黃土這種具有特殊微結構的低強度土，卸荷作用使得土體微結構有不同程度的損傷，土體強度會進一步降低；再者，挖方后原有的植被覆蓋被徹底破壞，新鮮黃土坡面直接暴露于空氣中，使得風化作用增強，當遇有降雨天氣時，坡面下一定深度范圍內土體含水量增大，土體的抗剪強度便會大大降低，日積月累受到雨滴的濺蝕及坡面水流的沖刷剝蝕便會形成大量的坡面沖溝。

次級矮坡的頂面由于應力釋放會出現一些張性裂隙，坡面水流的沖擊便會形成許多落水洞。在坡頂面局部水流匯集區，由于土體含水量的增加，局部失穩風險加大，因此某些不利地段的次級矮坡就會出現局部滑塌現象。

挖方后的邊坡，由于坡度變陡，一、二級矮坡坡腳出現了較大的應變、位移變化，產生應力集中現象，從而產生一些張性卸荷裂隙，尤其以第一階矮坡出現的最多。浸水增重，土體強度降低，再加之風化剝蝕、雨水沖刷便會使得部分被裂隙分割的土體產生局部掉塊現象。

挖方后邊坡出現的這些工程地質問題，如發生在邊坡上部區域，屬于卸荷減載作用，則會使邊坡穩定性增加，如發生在下部區域，則會使邊坡整體穩定性下降。現場調查發現的這些問題大多發生在邊坡下部區域，這或多或少會使得邊坡穩定性有所降低。這些削弱邊坡穩定性的諸多工程地質問題，雖然影響輕微，但在邊坡總體坡度變陡的情況下其靜、動力穩定性如何還需進一步分析研究。

2.4 開挖前后邊坡穩定性分析

邊坡開挖前，坡角約30°，坡頂、坡面及坡腳無裂隙存在，整個坡形呈渾圓狀，坡體有較好的植被覆蓋，不同方法計算的安全系數在1.7～1.8間(表2)。有限元方法計算的安全系數相對極限平衡法偏小，潛在最不利滑動面位于坡體深部(圖5)，邊坡的穩定性較好。

圖5 滑移面位置圖Fig.5 Position of the sliding surface

挖方后，邊坡的坡角總體為45°，比挖方前陡峭了15°，不同方法計算的安全系數降低了約0.6左右，在1.2以內。有限元方法計算的潛在最不利滑動面上移，位于邊坡坡面淺部區域，剪出口位于第二級矮坡的坡腳處[圖5(b)]。黃土是一種低強度的特殊土，通常認為安全系數低于1.2便處于臨界穩定狀態[8]。

在Ⅷ度地震動的作用下，極限平衡法計算的挖方邊坡安全系數接近于1(表2)。用有限元方法計算安全系數時，采用了岷縣漳縣6.6級地震岷縣臺記錄的主震加速度時程(震中距18 km，近場波)，峰值加速度為220 gal，卓越頻率在4.5～5.5 Hz間 (圖6)。計算得出的安全系數僅為1.02，邊坡處于臨界穩定狀態，潛在最不利滑動面較靜力下的要深，塑性區的范圍也更大[圖5(c)]，因此邊坡失穩滑動時的危害性會更大。

表 2 穩定安全系數計算結果

圖6 地震荷載及頻譜特征Fig.6 Earthquake load and frequency spectrum characteristics

3 討論與結論

(1) 蘭州黃土丘陵溝壑區的自然邊坡在天然狀態下坡體穩定；人工切坡以后，由于土體擾動、卸荷作用、風化作用、降雨滲透及坡面水流沖刷等因素，都使得土體強度降低，邊坡出現卸荷破壞、坡面沖溝、落水洞、局部滑塌等工程地質問題。

(2) 挖方后的邊坡，坡度變陡，整體穩定性下降，處于臨界穩定狀態。由于邊坡四季溫度、干濕循環變化，土體性狀隨之發生變化，邊坡穩定性也會發生周期性的變化。雨季時土體濕度增大、強度降低，會使得邊坡局部區域處于不穩定狀態。

(3) 作為Ⅷ度設防區，蘭州及其周邊是地震活動性很強的區域，歷史上曾發生過多次中強以上地震。挖方邊坡在Ⅷ度地震作用下，安全系數在1左右，處于臨界穩定狀態，存在失穩風險。在平山造地地區修建住宅等工程建筑物，如果不對挖方產生的高陡邊坡進行抗震設防，將會使得人民的生命財產面臨巨大的風險。

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Engineering Geological Problems of Loess High Excavation Slope in Loess Hilly and Gully Region of Lanzhou and Its Stability Analysis

PU Xiao-wu1,2, WANG Lan-min1,2, WU Zhi-jian1,2, LIU Kun1,2, ZHAO Wen-chen1,2, MA Lin-wei1,2, REN Dong1

(1.LanzhouInstituteofSeismology,ChinaEarthquakeAdministration,Lanzhou730000,Gansu,China; 2.KeylaboratoryofLoessEarthquakeEngineering,ChinaEarthquakeAdministration,Lanzhou730000,Gansu,China)

Due to the recent rapid urbanization process, a large number of high and steep loess slopes have been excavated in the hilly-gully region of Lanzhou. Through field investigations, we found that most of the excavated high and steep loess slopes have many engineering geological problems of different degrees, such as unloading crannies, slope gullies, sinkholes, and local landslide collapses. Using finite element method, we simulated the excavation process, and the results show that the displacement and stress and strain fields of the excavation slope exhibit significant changes after excavation. These include stress release and local concentration, an unloading effect, the weathering and flushing action of water, and internal and external factors and their interaction, which lead to various engineering geological problems with respect to the excavation slope. These problems will result in reduced slope stability to different degrees. In a hilly-gully loess region, the slope body is stable in its natural state, with a safety factor of above 1.7 by different calculation methods. The slope gradient increases after the slope is cut, resulting in a decrease in the slope stability, and a 0.6 reduction in the safety factor. The excavation slope is close to the critical stable state, and is an instability risk for earthquake intensity values of Ⅷ or higher.

moving mountain and reclaiming land; excavation slope; engineering geological problems; stability

2015-05-14

國家自然科學基金項目(51478444，41472297)；中國地震局地震預測研究所基本科研業務費專項項目(2013IELSZ05)

蒲小武(1976- )，男，甘肅武都人，高級工程師，現主要從事巖土地震工程與地震預測理論研究。E-mail：wdpuxw@163.com。

王蘭民(1960-)，男，陜西蒲城人，博士，研究員，博士研究生導師，研究方向為土動力學與巖土地震工程。E-mail:wanglm@gssb.gov.cn。

TU444

A

1000-0844(2016)05-0787-08

10.3969/j.issn.1000-0844.2016.05.0787