兰州丘陵沟壑区挖方黄土高边坡面临的工程地质问题及稳定性分析

蒲小武， 王兰民，吴志强， 刘 琨， 赵文琛， 马林伟, 任 栋

(1.中国地震局兰州地震研究所，甘肃 兰州 730000； 2.中国地震局黄土地震工程重点实验室，甘肃 兰州 730000)



兰州丘陵沟壑区挖方黄土高边坡面临的工程地质问题及稳定性分析

蒲小武1,2， 王兰民1,2，吴志强1，2， 刘 琨1,2， 赵文琛1,2， 马林伟1,2, 任 栋1

(1.中国地震局兰州地震研究所，甘肃 兰州 730000； 2.中国地震局黄土地震工程重点实验室，甘肃 兰州 730000)

通过对兰州黄土丘陵沟壑区大量黄土挖方高边坡的实地调查发现，这些刚开挖不久的黄土边坡多数都出现了不同程度的工程地质问题，如卸荷裂隙、坡面冲沟、落水洞、局部滑塌等。通过有限元方法，对挖方过程进行数值模拟，结果显示挖方后的位移场、应力及应变场都出现了显著变化，挖方后的应力释放与局部集中、卸荷作用、风化作用及雨水冲刷等内因与外因及其相互作用是出现各种工程地质问题的根本原因，而这些问题又会导致边坡稳定性出现不同程度的降低。黄土丘陵沟壑区的自然边坡在天然状态下坡体稳定，用不同计算方法计算的安全系数达1.7左右；人工切坡以后坡度变陡，边坡整体稳定性下降，安全系数下降了约0.6；在Ⅷ度烈度地震作用下挖方边坡处于临界状态，存在失稳风险。因此，在该类场地上的建设工程项目中必须重视挖方边坡的抗震设防问题。

削山造地; 挖方边坡; 工程地质问题; 稳定性

0 引言

黄土是一种特殊土类，有特殊的微结构，具有水敏性和地震易损性等物理力学性质[1-2]。当黄土遭遇中强地震作用或遇水浸湿时，其微结构遭到破坏，强度丧失，从而产生严重的地质灾害[3-8]。黄土高原是我国黄土主体分布区，地形地貌复杂，新构造活动强烈，强震频发，中强以上地震就会诱发大量的黄土滑坡灾害[9-12]。随着城镇化进程的加速推进，各地利用切坡造地、削山造地的方式获取新的土地资源，极易造成城镇毗邻于黄土高边坡之侧而面临潜在的滑坡灾害风险。

据《兰州市土地规划(2011—2015年)》，兰州市区黄河以北的青白石—九州—忠和片区已经被规划为建设用地的重点区域。2012年启动的“兰州新城”建设项目中预计要推平700多座荒山，开发整理青白石低丘缓坡等未利用土地，为城市发展提供新的建设用地。随着该项目的实施，必将会产生大量的高陡黄土边坡。

由于城镇地带人口密集, 人类工程活动强烈, 人与地质环境相互作用机制复杂, 稍有不慎便有可能引起地质环境破坏, 甚至引发重大地质灾害, 导致群死群伤和巨大财产损失等灾害事件的发生。2009 年 5 月 16 日晚21点兰州市九州台山体发生滑坡，滑坡体推倒1栋6层楼的2个单元，导致7死1伤的严重伤亡事故。这一伤亡代价还是在有关人员发现山体异动后及时做出预警的结果。如果遭遇尚不能准确预知的突发性强震作用，就会诱发规模更大的突发性地震滑坡，造成难以估量的人员伤亡和财产损失。

本文拟通过对兰州黄河北丘陵沟壑区削山造地边坡工程地质问题的现场调查及相关数值模拟计算，分析该场地上的边坡稳定性，以期对未来的工程建设场地规划利用有所裨益，最大限度地规避地质灾害事件发生的可能性。

1 削山造地区的地质环境与面临的工程地质问题

1.1 地质环境状况

兰州地处青藏高原与陇西黄土高原交接带附近，处于马衔山—雾宿山NWW向构造带与大黄山—积石山NNW向构造带交汇复合部位。根据甘肃省地震区带划分，该区处于青藏高原东北缘天水—兰州—河西走廊地震带。1125年曾经在马衔山断裂带发生了7级地震，产生了大规模的滑坡和大量地裂缝。1995年永登5.8级地震是有仪器记录以来发生的对兰州市影响较大的破坏性地震，出现了许多滑坡及震陷灾害。

本文研究的削山造地区位于兰州市黄河北青白石镇白道坪村， 处在黄河四、五级高阶地之上, 地势相对较高，海拔高程1 600～1 850 m, 比高50～150 m。区内沟壑纵横，阶地形态已基本不存在，主要为黄土梁峁状低山丘陵地貌。 区内地层相对简单, 从新到老分别为：晚更新世马兰黄土，中更新世离石黄土，早更新午城石黄土；黄土覆盖层之下为第三纪红层，多为石英砂岩。该区域属半干旱温带气候，年均气温 9.4℃，降雨量仅260～360 mm，而蒸发量达1 500 mm，极度干旱。该区未挖方前的自然斜坡，坡面有较好的植被覆盖，形状浑圆，无明显工程地质问题[图1(a)]。

1.2 挖方边坡出现的工程地质问题

“兰州新城”建设项目工作区内土质极其疏松，孔隙比很大，具有粒状架空大孔隙结构，强度很低，普遍具有严重的湿陷性、高压缩性和动力易损性。为了减缓雨季坡面雨水冲刷，挖方边坡以多级矮坡形式为主，并且在坡面防护了塑料网(质量较差且多已风化)。现场测量发现，次级矮坡一般坡高5 m，坡顶面2～3 m，坡角在45°～78°间变化，一般下部几级矮坡较陡，坡角在40°～50°，中间几级很陡，六七十度不等，最上的几级矮坡较缓[图1(b)]。项目作业区内已经产生了许多高达数十米甚至上百米的挖方边坡，时至2014年底，该类边坡已经出现了许多工程地质问题。

(1) 卸荷作用引起的地质问题

通过现场调查，发现在挖方边坡第一、二级矮坡坡脚1～2 m的范围内出现了大量卸荷裂隙，裂隙倾角小于坡面倾角，张开度自坡面由外向内逐渐变小，深度从十几厘米至几十厘米不等。对于暴露在空气中的开挖坡面，风化作用增强，再加上雨水冲刷剥蚀，土体浸水增重及强度降低，因此被卸荷裂隙切割的土体出现大块掉落现象[图1(d)]。

图1 挖方边坡工程地质问题Fig.1 Engineering geological problems of the excavation slope

(2) 坡面冲沟及落水洞

兰州属温带半干旱气候，降雨多集中于7—9月份。在降雨季节，当遇到暴雨天气时，由于非饱和黄土的渗透性较低，短时间的强降雨使得来不及渗透的雨水形成较大的坡面流，这样长期的反复冲刷作用便会在坡面形成大小不一、规模不等的坡面冲沟。现场发现，许多次级矮坡的坡面已经形成了密集的贯通坡顶至坡底的冲沟，深度10～30 cm、宽度10～20 cm不等[图1(e)]。顺坡而下的水流流至下一阶矮坡坡面处时，水势减缓并汇聚在坡顶面逐渐向下渗透，又形成大小不一的落水洞，个别矮坡坡顶面甚至形成了直径达30～40 cm、深度超过1 m的落水洞[图1(f)]。

(3) 局部滑塌

在青白石平填场地，个别挖方边坡的次级矮坡已经出现小规模的局部滑塌现象。有一处滑塌发生于某一边坡左侧边缘，由第二阶矮坡后缘开始至第一阶矮坡坡面上部剪出，滑体仅限于第二级及第一级矮坡上部，呈楔形体状，方量约5～6 m2，规模较小，失稳滑体堆积于坡脚处[图1(c)]。

兰州青白石挖方边坡出现的工程地质问题，表面上看似乎主要与风化作用、雨水冲刷剥蚀等外部因素有很大关联,但实质上对于黄土这类低强度的土，挖方后卸荷减载使得应力的释放及重分布才是问题的关键。要弄清楚挖方后边坡土体受到卸荷作用的程度，就需要研究挖方后边坡位移场、应力及应变场的量值变化特征。基于此，本文利用有限元方法对挖方过程及边坡静动力稳定性进行了数值模拟研究。

2 黄土边坡开挖过程及稳定性数值模拟分析

2.1 有限元方法

2.1.1 有限元强度折减法

目前边坡稳定性分析最普遍、最常用、也最成熟的方法是有限元强度折减法。所谓强度折减法就是用一个折减法系数F将土体的抗剪强度指标C和φ不断折减，如式(1)和(2)所示，然后用折减后抗剪强度指标Cf和φf取代原来的抗剪强度指标C和φ，这样不断增加F值，C值和φ值则不断减小，直到某一抗剪强度下整个土坡发生失稳。那么在发生整体失稳前的那个折减系数值就是这个土坡的安全系数。

(1)

(2)

(3)

式中：Cf是折减后土体的黏聚力；C为土体实际黏聚力；F为折减系数；φf是折减后土体内摩擦角；φ为土体内摩擦角；τf是折减后的抗剪强度；σ为作用在滑动面上的正应力。

2.1.2 扩展Mohr-Coulomb屈服准则

岩土工程领域应用最广泛的强度准则为Mohr-Coulomb准则，对于黄土也具适用性，但其最主要的缺点是屈服面在应力空间中存在不连续点。基于此,采用扩展的Mohr-Coulomb 准则以解决上述问题。

(1) 屈服面

扩展Mohr-Coulomb模型屈服面函数为：

(4)

(5)

其中:φ是材料内摩擦角；C是材料黏聚力；α是极偏角；p为平均主应力；q为广义剪应力(等效剪应力)；J3是第三偏应力不变量。

(2) 塑性势面

采用如下的椭圆函数作为塑性势面：

(6)

式中:β是塑性势面在子午面上的偏心率，控制塑性势面在子午面上的形状与函数渐近线之间的相似度；C0是初始黏聚力；ω是剪胀角；Umw则控制了塑性势面在π平面上的形状，其式为：

(7)

(8)

有限元计算中,非关联流动法则能在一定程度上减少剪胀现象的发生, 因此在本文计算中选用非关联流动准则。

2.2 数值模型

选取兰州青白石白道坪削山造地区某一匀质马兰黄土边坡作为数值分析、研究对象。边坡比高为50 m，挖方前坡度30°，挖方后总体坡度45°；次级矮坡的坡度自坡底向上在45°～75°间变化，坡高5 m，中间设2 m平台(图2)。

图2 边坡模型简图(单位：m)Fig.2 Slope model diagram (Unit:m)

有限元模型均采用四边形四节点平面应变单元划分，节点总个数为15 165，单元总个数为14 880。模型中所有单元均采用扩展Mohr-Column屈服准则。模型参数根据现场采集土样的室内试验结果选取，土样取自挖方边坡坡脚以上1 m处，参数通过三轴仪测定，所测参数如表1所列。

表 1 土体的基本参数

2.3 边坡开挖前后位移场、应力场及应变场的变化

(1) 位移场

挖方前边坡总位移变化在坡脚处最大，仅为1.222×10-7m；挖方后，坡脚区域及1～5级次级矮坡(自下而上)出现了明显的以垂直向为主的位移变化，上部荷重挖除得越多，向上的位移变化量越大(图3)。图4是1～9级次级矮坡计算稳定后坡肩及坡脚位移、应力应变对比曲线图，是空间尺度上的变化。从图中可以看到，1～4级矮坡坡肩、坡脚位移有较大差异，这种差异性自下而上逐渐减小，自第5级矮坡，坡脚、坡肩位移基本一致且逐渐减小，至第9级矮坡，位移变化量接近于零。

(2) Mises应力的变化

图4 不同位置位移、应力及应变变化Fig.4 Variation of displacement, stress and strain at different positions

Mises应力也称为等效应力，其公式为：

(9)

式中:σ1、σ2、σ3为三个主应力。

挖方以后1～8级次级矮坡坡脚都出现Mises应力增强、集中现象，其中第一、二级矮坡坡脚、坡面、坡肩的Mises应力都比较大，应力集中的现象更为明显(图3)。

(3) 应变场的变化

挖方后，边坡坡脚及其相邻区域内出现较大的应变变化[图3(c)]。空间尺度上看，变化主要发生在5级矮坡以下区域，1、2级矮坡坡脚应变最大，达到0.006，自第1级矮坡向上，主应变逐渐变小，直到8、9级减小为零。

(4) 挖方后出现的工程地质问题的原因探讨

首先在挖方过程中，土体受到扰动，扰动带内土体强度会有所降低；其次，挖方后由于卸荷减载应力释放，土体会出现卸荷回弹作用，位移、应变都出现较大变化，坡脚区域应力出现集中现象，对于黄土这种具有特殊微结构的低强度土，卸荷作用使得土体微结构有不同程度的损伤，土体强度会进一步降低；再者，挖方后原有的植被覆盖被彻底破坏，新鲜黄土坡面直接暴露于空气中，使得风化作用增强，当遇有降雨天气时，坡面下一定深度范围内土体含水量增大，土体的抗剪强度便会大大降低，日积月累受到雨滴的溅蚀及坡面水流的冲刷剥蚀便会形成大量的坡面冲沟。

次级矮坡的顶面由于应力释放会出现一些张性裂隙，坡面水流的冲击便会形成许多落水洞。在坡顶面局部水流汇集区，由于土体含水量的增加，局部失稳风险加大，因此某些不利地段的次级矮坡就会出现局部滑塌现象。

挖方后的边坡，由于坡度变陡，一、二级矮坡坡脚出现了较大的应变、位移变化，产生应力集中现象，从而产生一些张性卸荷裂隙，尤其以第一阶矮坡出现的最多。浸水增重，土体强度降低，再加之风化剥蚀、雨水冲刷便会使得部分被裂隙分割的土体产生局部掉块现象。

挖方后边坡出现的这些工程地质问题，如发生在边坡上部区域，属于卸荷减载作用，则会使边坡稳定性增加，如发生在下部区域，则会使边坡整体稳定性下降。现场调查发现的这些问题大多发生在边坡下部区域，这或多或少会使得边坡稳定性有所降低。这些削弱边坡稳定性的诸多工程地质问题，虽然影响轻微，但在边坡总体坡度变陡的情况下其静、动力稳定性如何还需进一步分析研究。

2.4 开挖前后边坡稳定性分析

边坡开挖前，坡角约30°，坡顶、坡面及坡脚无裂隙存在，整个坡形呈浑圆状，坡体有较好的植被覆盖，不同方法计算的安全系数在1.7～1.8间(表2)。有限元方法计算的安全系数相对极限平衡法偏小，潜在最不利滑动面位于坡体深部(图5)，边坡的稳定性较好。

图5 滑移面位置图Fig.5 Position of the sliding surface

挖方后，边坡的坡角总体为45°，比挖方前陡峭了15°，不同方法计算的安全系数降低了约0.6左右，在1.2以内。有限元方法计算的潜在最不利滑动面上移，位于边坡坡面浅部区域，剪出口位于第二级矮坡的坡脚处[图5(b)]。黄土是一种低强度的特殊土，通常认为安全系数低于1.2便处于临界稳定状态[8]。

在Ⅷ度地震动的作用下，极限平衡法计算的挖方边坡安全系数接近于1(表2)。用有限元方法计算安全系数时，采用了岷县漳县6.6级地震岷县台记录的主震加速度时程(震中距18 km，近场波)，峰值加速度为220 gal，卓越频率在4.5～5.5 Hz间 (图6)。计算得出的安全系数仅为1.02，边坡处于临界稳定状态，潜在最不利滑动面较静力下的要深，塑性区的范围也更大[图5(c)]，因此边坡失稳滑动时的危害性会更大。

表 2 稳定安全系数计算结果

图6 地震荷载及频谱特征Fig.6 Earthquake load and frequency spectrum characteristics

3 讨论与结论

(1) 兰州黄土丘陵沟壑区的自然边坡在天然状态下坡体稳定；人工切坡以后，由于土体扰动、卸荷作用、风化作用、降雨渗透及坡面水流冲刷等因素，都使得土体强度降低，边坡出现卸荷破坏、坡面冲沟、落水洞、局部滑塌等工程地质问题。

(2) 挖方后的边坡，坡度变陡，整体稳定性下降，处于临界稳定状态。由于边坡四季温度、干湿循环变化，土体性状随之发生变化，边坡稳定性也会发生周期性的变化。雨季时土体湿度增大、强度降低，会使得边坡局部区域处于不稳定状态。

(3) 作为Ⅷ度设防区，兰州及其周边是地震活动性很强的区域，历史上曾发生过多次中强以上地震。挖方边坡在Ⅷ度地震作用下，安全系数在1左右，处于临界稳定状态，存在失稳风险。在平山造地地区修建住宅等工程建筑物，如果不对挖方产生的高陡边坡进行抗震设防，将会使得人民的生命财产面临巨大的风险。

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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

国家自然科学基金项目(51478444，41472297)；中国地震局地震预测研究所基本科研业务费专项项目(2013IELSZ05)

蒲小武(1976- )，男，甘肃武都人，高级工程师，现主要从事岩土地震工程与地震预测理论研究。E-mail：wdpuxw@163.com。

王兰民(1960-)，男，陕西蒲城人，博士，研究员，博士研究生导师，研究方向为土动力学与岩土地震工程。E-mail:wanglm@gssb.gov.cn。

TU444

A

1000-0844(2016)05-0787-08

10.3969/j.issn.1000-0844.2016.05.0787