银西铁路驿马黄土滑坡工程特性与变形研究

周福军

(中铁第一勘察设计院集团有限公司，西安　710043)



银西铁路驿马黄土滑坡工程特性与变形研究

周福军

(中铁第一勘察设计院集团有限公司，西安710043)

银西铁路途经黄土梁峁沟壑区，不良地质非常发育。通过现场地质调查、钻探、原位测试及室内土工试验等综合勘察手段，查明驿马滑坡的工程地质条件。驿马滑坡为一大型中深层-深层黄土质古滑坡，滑坡前缘临空，后缘发育陡坎，后缘后部黄土塬面发育陷穴，侧缘分布冲沟，且受灌溉、排水等人为扰动影响。采用地层宏观评判，土体物理参数细部数据分析，有限元数值模拟的方法，研究滑坡工程特性及变形规律，评价滑坡潜在危害，为铁路选线提供参考。

黄土滑坡；铁路选线；地层结构；工程特性；数值模拟

银西铁路途经陕西、甘肃、宁夏三省(区)，连接关中经济区、陇东地区和沿黄城市带[1]，是国家快速铁路网络中的重要线路。银西铁路在甘肃陇东庆阳地区，经过董志塬黄土梁峁沟壑区，黄土滑坡、错落等不良地质非常发育[2]。滑坡的发生，具有突发性、泛生性、强破坏性、高危害性等特征，对人类的生命财产造成极大危害，受到国内外研究学者的极大重视[3]，对线路选线产生重大影响，也是铁路选线的控制性因素[4]。

铁路选线范围，滑坡的规模、形成机制、变形特征及稳定性研究，是滑坡灾害研究的核心和热点问题。滑坡的形成是内外因素共同作用的结果。地形地貌、岩土性质、地质结构、水和地震，以及越来越多的人类工程活动等多种因素共同作用，对滑坡的形成产生综合效应[5]，同时，众多的影响因素不断地发展变化，最终使滑坡的形成机制复杂多变。

驿马滑坡位于甘肃省庆阳市驿马镇东侧，滑坡发育于驿马沟左岸与支沟相交处，为一黄土滑坡，拟选线路方案从滑坡后缘通过。

本文通过现场地质调查、钻探、原位测试及室内土工试验等综合勘察手段，查明驿马滑坡的工程地质条件。采用地质分析、有限元模拟的方法，分析滑坡土体的工程地质特性及变形规律，并为铁路选线提供参考[6]。

1　滑坡工程地质条件概况

驿马滑坡发育于“V”字形黄土冲沟，沟底有流水，沟岸陡立，岸坡地形破碎，两岸不良地质发育。地面高程1 345.0～1 460.0 m，相对高差约115.0 m。滑坡体后部为董志塬塬面，地势相对平坦。

图1　驿马滑坡平面

本区属中温带亚湿润气候区，春迟夏短，秋早冬长，昼夜温差大，四季分明。年平均气温9.7 ℃，极端最高气温38.1 ℃，极端最低气温-25.4 ℃，年平均降水量540.45 mm，年最大降水量848.9 mm，最大季节冻土深度83 cm。

滑坡区地层岩性主要为：第四系上更新统(Q3)、中更新统(Q2)风积黏质黄土。浅黄色、棕黄色，颗粒成分以粉粒为主，含有大量黏粒，孔隙发育，土质较均，垂直节理发育，局部含姜石。夹有多层古土壤层。

区域构造单元位于中朝准地台的陕甘宁台坳的西南部，该区以深厚的黄土覆盖，下伏第三系红黏土，基底为白垩系岩层，产状近水平，少有褶皱和断裂发育，未见岩浆侵入活动。

现场地质调查，驿马沟内有地表水发育，驿马沟长度大，支沟发育，沟底平时有小的径流，雨季水量较大，形成较大的径流，遇暴雨可引发山洪，并有驿马镇及沿沟两侧居民生活污水向沟内排放。

滑坡体后部为黄土台塬，目前为耕地，有农田灌溉流水迹象。

驿马沟沟谷特征，表明该沟目前正处于侵蚀发育阶段[7]。流水冲刷坡面，形成临空面。水利灌溉，浸润坡体，降低土体强度。多种因素共同作用，均为滑坡发育提供有利地质条件[8]。

2　滑坡发育特征分析

滑坡发育于驿马沟左岸与支沟相交处，滑坡主轴如图1中1-1’断面所示，主滑方向与主沟流向近似正交，相交角度约82.0°，滑坡倾向南西，主轴长约195.0 m，宽约145.0 m，面积约2.18×104m2，厚度10～60 m，属中深层-深层滑坡。如图1、图2所示，滑坡体前缘，高程1 345.0～1 375.0 m，呈陡峻临空面，坡度50.0°～70.0°；滑坡体后缘，陡坎高度10.0～15.0 m，后缘陡坎发育有冲刷细沟、纹沟。坡体中部坡面相对平缓连续，坡度15.0°～30.0°。坡体中部从塬顶至沟心，发育有一冲沟，长约170.0 m，宽8.0～12.0 m，深10.0～15.0 m，将坡体一分为二。滑坡区地形前、后相对陡峻，坡体中部平缓，地貌判断为古滑坡发育特征[9]。

图2　驿马滑坡全貌

图3　驿马滑坡后缘塬边黄土陷穴

图4　驿马滑坡主轴剖面

黄土土体结构疏松，孔隙发育，垂直节理裂隙发育，在滑坡体后部黄土台塬边，由于农田灌溉、降雨、渗水潜蚀冲刷等作用，发育有多处陷穴，地表出露形态多为不规则圆形，如图3所示。陷穴平面呈串珠状，沿滑坡后缘分布。

地质调查发现，滑坡体后缘共发育有7处黄土陷穴，基本呈圆形分布，直径3.0～8.0 m，可见深度8.0～15.0 m。陷穴调查统计如表1所示。

滑坡侧缘冲沟发育，坡体左侧冲沟下宽上窄，呈“V”形；坡体右侧冲沟沿滑坡前部呈“V”形，后段与滑坡陡坎相连。坡体左右两侧冲沟均交汇于滑坡后缘，切割滑坡。

表1　滑坡体后缘陷穴调查

坡体地貌形态、坡面分布、后缘及侧缘地质调查，均表明，驿马滑坡为一古滑坡体，具备滑坡发育特征。坡前流水冲刷形成临空，坡后降雨、灌溉，进一步弱化土体结构，诱发坡体向不稳定状态发展。

3　滑坡土体结构特征

3.1滑坡土体结构

为了查明驿马滑坡的滑动面，布设完成钻孔12孔/770.7 m，如图1所示，其中10孔位于滑坡坡体，另外2孔位于滑坡后黄土塬区。钻探揭示，第四系中更新统(Q2)风积黏质黄土层中夹有多层古土壤层，呈层状分布，颜色相对较深，呈浅棕红色，黏粒含量高，含有较多姜石、白色钙质菌丝。根据滑坡后台塬区2孔钻探揭示，古土壤层相对稳定，基本呈层状近水平产出。滑坡体钻孔，古土壤层发生明显错动，二者相结合，可进行滑动面推测，滑坡主轴剖面如图4所示。

分析滑坡土体结构特点，将滑坡主轴剖面分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ 3个区域(图4)，其中Ⅰ区为滑坡后缘后部黄土台塬，Ⅱ区为滑动面以下黄土区域，Ⅲ区为滑坡体所在区域。从图中可以看出Ⅰ、Ⅱ2个区域地层中的古土壤层稳定产出，近水平连续分布，尤其在Ⅰ区黄土台塬，古土壤层数相同，层厚基本一致。古土壤层的分布特征，表明这2个区域土体相对稳定，未发生过大的变形或错动；Ⅲ区滑坡体内，钻孔同样揭示多层古土壤层，但在水平方向不连续，呈向下错动分布，同一层连续古土壤层相连后，图4中虚线框上下两线间区域，地层倾向坡外产出，倾角10°～18°，且在靠近前缘钻孔有古土壤层缺失不连续现象，表明土体发生过错动。因此坡体古土壤分布特征可为滑坡发育提供证据。

3.2滑坡结构特征

如何准确地确定黄土滑坡的滑动面，一直是工程实践和科学研究中的重点和难点[10]，因黄土土质较均匀、滑动面不明显的特点，在现场勘探时，钻孔取样，依靠肉眼较难区分出滑带土的准确深度和位置[11]。对该滑坡范围12个钻孔的原状样，进行土常规试验，选取天然含水率、孔隙比、液性指数3个指标进行比较，尝试分析土体物理性质参数与滑动面分布的关系。

因所选指标类型不同、单位各异，参数比较时需进行不同指标的单位无量纲化和数据归一化处理，采用效益型线性方法进行量化计算[12]。

式中，x′为无量纲化后的指标值；x为实测数据；xmax为实测数据最大值；xmin为实测数据最小值。

以钻孔SHPZ-9为例，进行参数比较，如图5所示。

图5　黄土物理指标对比(钻孔SHPZ-9)

从图5可以看出，土体的孔隙比、天然含水率、液性指数3个指标，整体变化规律一致，即孔隙比越大，天然含水率、液性指数也越大，反之亦然。图5中不考虑钻孔表层畸变点，可见在高程1 390～1 387 m、1 375～1 367 m 2个区间，3个指标均明显突出变大。表明在这2个高程区间的土体相对疏松，土颗粒间孔隙明显增多，从而使得土体相对含水，稠度状态趋于软塑态。

根据滑坡体主轴剖面上4个钻孔取样化验成果，绘制土体孔隙比、天然含水率、液性指数横道图(图6)。从图6可以看出，本文所选的3个指标，变化规律基本一致，相对数值大小在滑坡主轴剖面的不同深度有所不同，随着深度的增加，3个指标均呈变小趋势。数据结果显示，坡面表层第四系全新统Q4滑坡体黄土比下部第四系中更新统Q2黄土，土质更加疏松，大孔隙更加发育，土体孔隙比更大；更利于地下水富存，天然含水率更高；土体稠度状态更低，液性指数更高。

图6表层第四系全新统Q4滑坡体黄土中，不同深度土体的孔隙比、天然含水率、液性指数存在明显数据凸起，表明在其对应深度，土体物质更加松散，土颗粒间粘结强度更低，进而对应位置的土体力学强度更低。根据分析，将坡面中数据突变点相连，即为滑坡潜在滑动面附近位置，分析可知该滑坡可能存在3个潜在滑动面，由浅到深分别为潜①、潜②、潜③，图6虚线所示。即该滑坡并非一次形成，而是经历过多次滑动，该坡面存在多层潜在滑动面，将更加不利于坡体稳定。

4　滑坡变形数值模拟分析

驿马滑坡，发育规模大，滑坡体物质厚，土体结构变化大，坡面黄土性质差异大，且存在多层潜在滑动面，对铁路选线确定产生较大影响。为了更好地分析该滑坡的变形特征，根据地质综合勘探成果，利用GeoStudio软件中的SIGMA模块，选择滑坡主轴剖面为研究对象，对滑坡进行数值模拟，分析滑坡体应力、变形规律，为线路工程合理设置提供依据。

4.1滑坡岩土参数与模型建立

简化驿马滑坡数值分析模型，将滑坡材料分为3种，分别为Q3黏质黄土、Q2黏质黄土、Q4滑坡体，滑坡体作为一层考虑，模型岩土假设为弹性材料[13]，各岩土材料力学参数如表2所示。

表2　岩土材料力学参数

驿马滑坡数值模型，其中地形地表面为自由边界，模型左右边界为水平约束，底边界为双向约束，即同时受水平约束和竖向约束。有限元模型单元格划分采用三角形[14]，驿马滑坡数值模型，离散网格如图7所示。

图7　主轴剖面有限元计算模型

4.2滑坡应变与应力分析

基于数值模拟，分析驿马滑坡体变形、应力发展规律特征。

(1)坡体变形：图8为滑坡主轴剖面X方向位移云图计算结果，从图8可以看出，滑坡体后缘陡坎位移量最大，可达18.5 cm，表明该坡体在自然状态，仍会变形，继续下滑，坡体处于相对不稳定状态。加之后缘黄土台塬农业灌溉，地下水下渗，更加不利于坡体稳定。

图8　剖面X方向位移云图(单位：cm)

(2)应力分析：图9为滑坡主轴剖面剪应力云图计算结果，从图9可以看出，沿潜在滑动面剪应力局部集中，尤其在坡脚、后缘陡坎下部，剪应力变大，潜在滑动面附近土体，相对松散，力学强度差，继续发展，当剪应力值大于抗剪强度时，将引起滑坡变形破坏。

图9　剖面剪应力云图(单位：kPa)

5　工程影响与方案研究

根据现场地质调查，分析驿马滑坡所在坡面地形地貌，利用多种勘察手段，研究坡体土层结构特征，并结合有限元数值模拟方法，综合评价驿马滑坡为一大型中深层-深层黄土质古滑坡。坡体古土壤层有层位错动迹象，黄土物质松散，大孔隙发育，坡体存在多个潜在滑动面，滑动面周围土体孔隙比大、含水率高、液性指数趋向软塑态，力学强度低，坡体后部平台农田灌溉等人为扰动大，坡面存在继续滑动可能，对工程施工和运营产生较大危害。

在银西铁路勘测过程中，结合驿马滑坡发育特征，线路方案选择对其进行绕避。

6　结语

银西铁路线路长大，途经地貌单元众多，尤其在经过黄土梁峁沟壑区时，不良地质非常发育。铁路建设属百年工程，线路选线应充分考虑不良地质体的潜在危害。本文研究的驿马滑坡为大型中深层-深层黄土质古滑坡，滑坡前缘临空，后缘发育陡坎，后缘后部黄土台塬陷穴发育，侧缘分布冲沟，且受人为扰动影响。

滑坡所在坡体古土壤层有滑动迹象，滑坡土体工程地质特性指标含水率、孔隙比及液性指数变化规律基本一致，随着深度的增加，3个指标整体呈变小趋势。滑坡体分布有多层潜在滑动面，沿潜在滑动面土体物理指标产生突变，工程特性变化。基于有限元数值模拟，沿潜在滑动面剪应力局部集中，滑坡后缘及坡前位移变形量大，银西铁路线路研究，最终绕避该滑坡体。

[1]赵文.银西铁路彬长矿区采空区地质选线[J].铁道标准设计，2012(7):26-29.

[2]郭俊奇.高速铁路在黄土高原沟壑区绕避滑坡方案分析[J].铁道工程学报，2014，58(4):36-40.

[3]周福军.日冕水电站库区滑坡稳定性早期智能判别及危害模糊综合预测研究[D].长春:吉林大学，2013.

[4]雷星.南广铁路杏江大桥右侧滑坡成因分析及治理[J].铁道标准设计，2014，58(7):179-182.

[5]祝辉，唐红梅，李明，等.重庆-贵州高速公路向家坡滑坡稳定性分析及防治对策研究[J].岩石力学与工程学报，2006，25(1):2687-2693.

[6]汪涛.阳安铁路增建第二线山区地质选线[J].铁道标准设计，2015，59(7):3-8.

[7]陈绍宇.高塬沟壑区溯源侵蚀发生发育规律研究-以董志塬为例[D].北京: 中国科学院，2009.

[8]王俊杰.某大型黄土填土滑坡成因机理与防治措施研究[D].太原：太原理工大学，2013.

[9]徐黎明，王清，陈剑平，等. 二密滑坡形成机制[J].吉林大学学报:地球科学版，2012，42(4):1104-1111.

[10]常杰峰.朔黄铁路K44滑坡整治设计[J].铁道标准设计，2005(4):23-25.

[11]曹峰.新建兰渝铁路兰州至广元段滑坡危害区划研究[J].铁道工程学报，2007(5):1-5.

[12]乔建平，王萌.贡献权重叠加法的滑坡危险度区划研究[J].自然灾害学报，2011，20(2):8-13.

[13]倪万魁，韩启龙.黄土土性参数的统计分析[J].工程地质学报，2009，9(1):62-67.

[14]文建军，王雷.某黄土滑坡破坏机理数值研究[J].路基工程，2015(2):184-186.

Study on Engineering Characteristics and Deformation of Yima Loess Landslide of Yinchuan-Xi’an Railway

ZHOU Fu-jun

(China Railway First Survey & Design Institute Group Co.， Ltd.， Xi’an 710043， China)

Yinchuan-Xi’an Railway passes through loess flat-topped ridge replat and gully area， and adverse geological phenomena are common. The engineering geological condition of the landslide is identified though field survey， drilling and laboratory soil test. Yima landslide is a large deep loess ancient landslide， the front part of the landslide is suspended and developed scarps are on the rear part with loess settlement caves on tableland behind landslide and gullies on side edge. The landslide is affected by human activities such as irrigation and drainage. The engineering characteristics and deformation law of landslide are studied by means of formation macroscopic evaluation， physical parameters analysis of soil mass and finite element numerical simulation， and the potential landslide hazards are evaluated to provide

for railway line selection．

Loess landslide; Railway line selection; Stratum structure; Engineering characteristics; Numerical simulation

2016-03-18；

2016-03-28

中铁第一勘察设计院集团有限公司科研课题(院科14-C51，院重大14-7)

周福军(1985—)，男，工程师，2013年毕业于吉林大学地质工程专业，工学博士，E-mail：287283980@qq.com。

1004-2954(2016)08-0030-05

U213.1+4

ADOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2016.08.007