兰州地区公路黄土边坡失稳机理研究

2018-03-02王九胜

城市道桥与防洪 2018年1期

王九胜

（甘肃省公路管理局，甘肃兰州 730030）

0 引言

近年来，兰州地区公路在新建、改扩建过程中，为提高公路线形指标，确保行车舒适度和安全性，在设计时尽可能采用较大曲线半径和较长直线距离，因此对兰州地区山丘、梁峁、台地进行必要的开挖[1-3]。在开挖过程中，对斜坡坡脚或者坡体进行切坡，在强降雨等气候耦合作用下，导致坡体失稳的可能性较大，对交通安全、交通顺畅构成威胁。因此在兰州地区进行公路工程建设的过程中，一定要研究开挖坡体的黄土类型、坡体形态、岩土体力学性质以及开挖方式方法等[4-6]。

1 兰州地区黄土特征

1.1 黄土区域分布

兰州地区总面积13 085.6 km2，占全省面积的2.88%。东临定西市，南接宁夏回族自治区，西与青海省毗邻，西北与武威市接壤，北部与白银市相连，地理位置东径 102°36′～104°34′，北纬 35°34′～37°07′。兰州市位于陇西黄土高原的西部，是青藏高原向黄土高原的过渡地区。境内大部分地区为海拔1 500～2 500 m的黄土覆盖的丘陵和盆地。石质山地是祁连山的山脉，分布在市境的南北两侧。

1.2 地形地貌

地处陇西黄土高原的西北部，是黄土高原与青藏高原的过渡地带，区内沟谷纵横，地形起伏较大，大部分地区为黄土覆盖，山区一般为基岩出露。整个地势南高北低，西高东低。地貌类型可分为黄土丘陵和侵蚀堆积河谷平原。

黄土丘陵基底基岩类型为白垩系、新近系紫红色、红色砂岩，泥岩和砂砾岩，上覆新老黄土，侵蚀强烈，沟谷相间，沟壁较陡，谷底狭窄。黄土覆盖深厚的梁顶沟头部分，黄土梁、峁、沟壑十分发育。沟谷呈树枝状，上宽下窄，基岩出露。

侵蚀堆积河谷平原分布于黄河、湟水河河域两岸，由河漫滩地、Ⅰ～Ⅳ级阶地构成。河漫滩高出现代河床1～2 m，Ⅰ级阶地不发育。Ⅱ级阶地比较发育，高出河床5～10 m，一般宽500～1 000 m，阶地上泥石流扇较发育。Ⅲ级阶地残留不多，高出河床80 m左右，侵蚀破坏严重。Ⅳ级阶地相当发育，高出河床150 m左右，阶面较宽，虽然冲沟侵蚀，但基本完整，较大的有黄河两岸的张家台、黑台、朱家台等。评估区为黄河高阶地区，由于长期受地表水流强烈侵蚀切割，阶地地貌形态除局部存在有残留的高阶地平台及冲积二元结构外，已演变为黄土丘陵的一部分。

1.3 降雨及气温

根据甘肃省气候区划，兰州市属陇中北部冷温带干旱区，总的气候特点是降水少、日照多、光能潜力大、气候干燥、昼夜温差大。根据兰州市气象站多年资料统计：该地区多年平均气温9.0℃，极端最高和最低气温分别为39.1℃和－23.1℃；年平均降雨量316.7 mm，最多年为546.7 mm；年平均蒸发量1 399 mm。区内最大冻土深度103.0 cm（1967年1月），属季节性冻土，时间为11月至翌年3月。近年来该区降水年内分配不均，多集中于7～9月（见图1），占全年降水量的61%以上，其中8月最多，平均降水量为85.3 mm，占年降水量的26%，年平均出现日降水量大于25 mm的日数为1.6 d，年平均出现日降水量大于50 mm的日数为0.1 d。兰州市短历时高强度降雨较多，降雨集中，实测日最大降雨量为96.8 mm，小时最大降雨量为51.9 mm，10 min最大降雨量为18.6 mm，连续降雨日数最长为9 d（见图1）。由于降雨量不均匀，为边坡失稳创造了条件。

图1 兰州市区气象要素

1.4 公路边坡失稳空间特征

在地形地貌上，自然滑坡在地貌上具有一定的选择性，对坡形、坡高有一定的要求。对工程开挖而言，原始坡体形态并无特殊要求，当开挖坡体高度达到一定程度，造成坡角较陡时，就能产生滑坡。因此在人工开挖坡体时，虽然部分挖坡、削坡采取了一定的护坡措施，但整体上造成坡角变大，坡体稳定性被破坏，引起滑坡。从典型滑坡来看，其发育高度多在20 m以上，主要集中在兰什公路、G109河口段。

边坡失稳多为黄土层内滑坡。典型开挖黄土滑坡，滑动地层均为黄土地层（Q3马兰黄土、Q2离石黄土和Q1午城黄土），坡脚开挖至泥岩之下时，则出现沿黄土和泥岩的接触面上剪出的滑坡。这类公路边坡很多，主要集中在九州公路、G109大沙坪段。

在空间展布上，以城市周围、交通沿线最为集中，其他零星分布。黄土山区城市受地形条件限制，城市周围的黄土边坡成为城市扩容的对象。很多工矿企业和城建部门对黄土边坡进行开挖以拓展场地，开挖区域多沿公路、河流，使得城市周边黄土滑坡分布具有高度集中性和条带性。如兰州市，四面环山，黄土厚度大，山高坡陡，具有滑坡发育的条件。近 30年来，兰州城市扩容，依山进行南北环路建设，有九州公路、G109大沙坪段、G312桃树坪段、兰永快速通道、G212兰临高速兰州段等，导致南（皋兰山）北（白塔山）两山山脚不断被开挖，同时两山绿化不断提水灌溉，致使公路边坡失稳可能性增加。

2 斜坡失稳力学机制

2.1 降雨

根据气象资料分析，兰州近年来降雨极其不平衡，主要集中在7、8、9三个月，最大降雨量可达50 mm。降雨主要有两个方面作用导致边坡失稳：一方面部分被开挖的黄土坡体并没有表现出快速滑动的迹象，但当遇强降雨时，增加坡体重量，增大下滑力，导致边坡失稳；另一方面则是降雨沿黄土节理裂隙入渗，在下部土层局部形成饱和带，软化土体，对坡体滑动起到促滑作用。如果水体不能及时排出，将激发超孔隙水压力，进一步加速土体的不稳定性，引起黄土滑坡。

2.2 坡体开挖

边坡开挖对边坡稳定性影响巨大，首先改变了原有形状，使边坡坡度变陡，坡脚受到破坏。原始坡面开挖之后，坡体在水平方向上产生卸荷作用，降低了边坡抗滑能力，改变了土体内部的应力和重力场的重新分布。在坡脚处产生应力集中，在坡顶形成拉张区域，产生微应变，并不断积累产生一系列裂隙。这些裂隙随着时间的变化在深度和宽度上也会发生变化，并不断向深处扩展，造成失稳，如图2所示。