西宁北山崩塌形成机理的模拟分析

蔡 军 黄丽娟

1 概述

西宁市坐落在湟水河漫滩和一级阶地上，周围被一系列山体环绕。这些山体由第三系含石膏的泥岩和泥质砂岩构成，地层产状接近水平，这种软硬相间的水平地层结构，导致山体和阶地之间的基岩几乎为直立的陡壁。差异风化导致泥岩剥落，砂岩失去支撑而崩塌。因此在基岩斜坡之下堆积了大量崩积物，这些崩积物在人类工程扰动和灌溉作用下会再次发生滑动，如林家崖滑坡和一颗印滑坡等。除此之外，崩塌堆积体之上现存的大量陡边坡继续发生崩塌。其中以北山自林家崖向东由一系列直立的自然高边坡最为典型。随着城市的扩展，用地的紧张，这些地段仍有大量建筑物和铁路、公路设施，边坡经常发生崩塌，威胁坡下人员和设施的安全。本文应用2-D-block软件模拟了随着泥岩剥落砂岩崩塌的过程，揭示了该类崩塌的成因机理，为进一步采取防治措施提供技术支撑。

2 地质模型及参数取值

从坡体的一颗印陡壁上出露的地层结构可见，该边坡的岩组可分为三种类型:黄土、泥质砂岩和含石膏泥岩。黄土出露在泥岩和砂岩的顶部，砂岩和泥岩互层。崩塌主要由砂岩和泥岩引起，黄土不起控制作用，因此模型中可不考虑黄土的影响。砂岩主要成分为长石、石英砂岩，中～厚层，单层厚度0.3 m～1.5 m，中～粗粒，褐红色，泥质胶结。泥岩为褐红色，单层厚度0.3 m～0.8 m，含白色石膏结晶体，局部析出，形成白色粉末。根据地层结构将该类地质模型进行概化为图1。图2为模型的单元剖分图，考虑泥岩遭受风化剥落，以模拟砂岩的崩塌过程。

图1 初始地质模型

图2 泥岩风化剥落过程

表1 离散元模拟参数取值

图2的离散化的块体中含两组结构面，水平的为层理，垂直的为节理。采用离散元模拟需要提供结构面的法向和切向刚度、摩擦角，以及块体的重度。根据对附近林家崖滑坡勘察提供的砂岩和泥岩物理力学参数，该模型的有关参数取值见表1。

3 离散元模拟结果

将模型的左边界、下边界和右边界作为固定单元来处理，对其进行约束，整个计算过程中不发生横向和竖向位移，其他则作为自由边界来处理。重力是产生崩塌拉裂、坠落、运动的唯一作用力。模拟时，先将泥岩向内开挖，以反映风化剥落的过程，泥岩剥落到一定程度，砂岩开始崩塌。崩塌过程通过不同的迭代步反映，图3为开始崩塌时的情形，图4～图7为崩塌的过程，图8为崩塌停止时的情形。可见最终的堆积体为一锥形，堆积体一般很稳定，但坡顶还残留有危险岩块，随着泥岩风化剥落的继续，新的崩塌又有可能产生。由此可见，利用离散元可逼真地模拟崩塌发生的过程和机理。

图3 迭代2万次计算结果

图4 迭代4万次计算结果

图5 迭代8万次计算结果

图6 迭代20万次计算结果

图7 迭代40万次计算结果

图8 迭代80万次计算结果

4 结语

西宁北山地区的崩塌主要是由于其特殊的地层结构所致。坚硬的砂岩和软弱泥岩互层，泥岩中含有大量石膏，遇水容易溶解，加剧了泥岩的风化，差异风化导致砂岩下边失去支撑，发生崩塌。利用离散元可以逼真地再现这一过程和机理。因此防止西宁北山崩塌的主要措施是阻止泥岩的风化剥落，可采用格构或挂网的形式稳定坡脚和坡面，并尽可能减少地表水下渗，减缓溶蚀作用。

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