Deformation Characteristics and Prediction of Resurrection Conditions of Landslide Ⅲ-2 in Gaolan Mountain, Lanzhou
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摘要:
皋兰山滑坡是兰州市区最大的老滑坡群，滑坡前缘是兰州市区人口最密集地段之一。 近年来，受极端降水、绿化灌溉影响，滑坡局部出现变形迹象，以Ⅲ-2号变形最显著，对坡下居民生命财产安全构成直接威胁。笔者以现场监测数据基础，分析滑坡变形特征；基于滑坡未来可能遭遇的极端工况，基于定量方法，确定滑坡整体失稳条件。结果表明，地表开裂仅是局部落水洞扩展，并非裂缝变形与降雨入渗后滑体中含水量变化密切相关，当前整体稳定，日降雨量36 mm对滑坡变形没有影响。基于定量计算结果，皋兰山Ⅲ-2大规模复活的可能性较小；百年一遇降雨后，滑坡稳定性降低，但不会整体失稳；极低概率的特大暴雨后，滑坡可能复活；Ⅷ度地震影响后，滑坡可能复活。研究结果可为当地防灾减灾和国土空间用途管制提供依据。
Abstract:The Gaolan Mountain landslide is the largest group of old landslides in Lanzhou, and the landslide front is one of the most densely populated areas in Lanzhou. In recent years, affected by extreme precipitation and green irrigation, local deformation signs have appeared in landslides, with No. Ⅲ-2 deformation being the most significant, posing a direct threat to the safety of residents' lives and property under the slope. Based on on-site monitoring data, this paper analyzes the deformation characteristics of landslides. Based on the extreme working conditions that the landslide may encounter in the future, the overall instability conditions of the landslide are determined based on quantitative methods. The results show that the surface cracking is only the extension of the local tribal water hole, and the fracture deformation is not closely related to the change of water content in the slip body after rainfall infiltration, and the overall stability is currently stable, and the daily rainfall of 36 mm has no effect on the landslide deformation. Based on quantitative calculations, the large-scale resurrection of Gaolan Mountain Ⅲ-2 is less likely. After a once-in-a-century rainfall, the stability of landslides decreases, but it will not be unstable overall; After a very low probability of heavy rainfall, the landslide may be revived; After the impact of a magnitude Ⅷ earthquake, landslides may be revived. The research results can provide a basis for local disaster prevention and mitigation and land space use control.
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Keywords:
- Loess slope /
- Dynamic monitoring /
- Water and soil relation /
- Stability analysis /
- Buckling mode
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近年来受极端天气、绿化灌溉、斜坡开挖等因素影响，皋兰山一带地质环境条件发生强烈改变，极端条件下地质灾害的发育特征和致灾形式已超出以往常规认识（黎志恒等，2014）。皋兰山Ⅲ-2号滑坡变形后可能会对当地造成很大影响，居民和政府担忧滑坡是否会失稳，是否需要采用工程治理。因此弄清当前变形现状，清楚回答滑坡失稳条件是当务之急，既为滑坡灾害预防提供科学依据，最大限度减少因地质灾害造成的损失，保护人民生命财产安全，又为相关部门决策提供参考。
国内外学者对黄土沟壑区地质灾害进行了大量的科学研究和调查，提出了黄土地区地质灾害的致灾模式和形成机制，并取得了重要进展。如涉及黄土滑坡工程地质问题的研究（许领等，2009）。涉及侵蚀、入渗对黄土滑坡（斜坡）的影响，特别是进行了黄土塬边灌溉作用下滑坡稳定性的研究（张常亮等，2012；唐亚明等，2013；周跃峰等，2013；李秀珍等，2015）。涉及对黄土滑坡的触发机制进行的研究（段钊等，2019）。对黄土滑坡诱发机制进行的研究（张茂省等，2011）；提出了重点加强黄土灾害超前预测、致灾模式等关键科学问题的建议，为今后研究黄土地区地质灾害工作指明了方向（彭建兵等，2020）。对黄土滑动带蠕变特性和黄土滑动带蠕变模型与失稳时间之间的关系进行了研究（龙建辉等，2010）。研究了2013年7月延安地区高强度降雨和黄土滑坡等地质灾害发育规律，并对浅表层黄土滑坡和坡面泥流的灾害特点和成因进行了分析（黄玉华等，2009）。以黄土饱和应力路径试验为基础，对灌溉诱发黄土滑坡机理进行了分析（金艳丽等，2007）。结合坡体灌溉造成的演化过程和发展趋势，对这种滑坡发育机理进行了探讨（朱立峰等，2016）。研究了黄土滑坡与人类活动的关系（雷祥义，1996）。研究了黄土滑坡的类型和发育特征（吴玮江等，2002）。研究了地震对黄土滑坡的岩土动力特性及其稳定性的影响（刘畅等，2020）。
以上学者研究的坡体结构多为单一的黄土层内滑坡，而本次研究的皋兰山Ⅲ-2号滑坡为皋兰山Ⅲ号滑坡局部复活，滑坡体岩性为泥岩碎屑，岩体结构较复杂。另外，学者们研究地区的地质背景和气候背景与本次研究的皋兰山Ⅲ-2号滑坡也有差异性，从降水、灌溉、地震等因素引发地质灾害形成机理及致灾模式方面在兰州城区周边黄土地区仍有待开展进一步研究。笔者以皋兰山Ⅲ-2号滑坡为例，通过对滑坡变形进行分析，采用监测仪器获取参数，利用Morgenstern-Price法（M-P法）计算不同工况下斜坡稳定性系数，研究方法相比也具有特殊性。
1. 滑坡发育特征
1.1 滑坡边界与结构特征
皋兰山Ⅲ-2滑坡位于南部山前皋兰山Ⅲ滑坡东侧，Ⅲ号老滑坡上部表层的局部复活滑坡（图1）。滑体长110 m，宽65～71 m，面积0.6×104 m2，厚度14.3～17.8 m，体积约5.74×104m3，主滑方向NW3°，斜坡剖面近直线形。滑坡前后缘相对高差达60 m。滑坡滑体为黄土夹泥岩碎块。滑面呈圆弧形，推测剪出口位于Ⅲ-1滑坡后缘（图2）。滑带沿黄土与泥岩接触带发育，物质由黄土夹泥岩碎屑，滑带处土体含水量明显高于滑体。滑床为Ⅲ号滑坡堆积物，由新近系泥质砂岩碎块石组成，钻孔揭露岩心呈桔红色，含团块状粉土颗粒，干强度较大，遇水易软化。
1.2 当前变形迹象
近期皋兰山Ⅲ-2滑坡中后部发现3条裂缝。后缘处裂缝F1长109.5 m，最宽35 cm，最大错落高度25 cm，裂缝宽向两侧逐渐变小，直至消失。探槽揭露，裂缝宽度20～35 cm，向下延伸1 m左右，后以近40°倾角向坡外延伸（图3）。滑坡两侧见两条裂缝，宽15～20 cm，地下深1.0～1.5 m处裂缝宽度0.4 m。滑坡后缘距F1裂缝南侧6 m处为F2裂缝，裂缝长12 m、宽6～10 cm，裂缝走向大致与F1平行。F1裂缝北端西侧，平行F1裂缝为F3裂缝，长2 m、宽3～5 cm。
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图 3 滑坡后缘裂缝（a）及西侧裂缝（b）Figure 3. (a) Cracks on the trailing edgeand (b) west side of the landslide2. 滑坡变形特征
据Ⅲ-2号滑坡下部ZK-1孔揭露滑体厚度14.3 m，钻孔处为Ⅲ-1号滑坡后缘平台，平台宽度10～12 m，平台下部地形较峻，地面坡度达40°，Ⅲ-2号滑坡可能从该位置剪出，剪出口高程
1540 ～1543 m。为监测滑坡动态，2021年4～11月采用GNSS、裂缝计、张力计、水分仪、雨量计等多类仪器对滑坡变形及降雨影响进行了实时监测（图4）。根据地表和监测数据，综合揭示现在滑坡的稳定性，根据地表裂缝可以看到滑坡处于欠稳定-不稳定状态，但是从监测可以看出又没动，这样可以推测处滑坡处于欠稳定状态，深部处于蠕变阶段。
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图 4 皋兰山Ⅲ-2滑坡监测点分布图Figure 4. Distribution of monitoring sites of Gaolan Mountain Ⅲ-2 landslide2.1 裂缝动态
通过裂缝简易监测桩及探槽观察（图5），2021年11月，F2裂缝长度增大至20 m。斜坡前部及其他各处未见明显变形迹象。
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图 5 皋兰山Ⅲ-2滑坡简易监测桩及探槽a.滑坡简易监测桩；b.滑坡探槽Figure 5. Simple monitoring piles and grooves for the Gaolan Mountain Ⅲ-2 landslide2.2 地表变形
GNSS监测数据显示，地表位移在x、y方向和z方向均呈现随机无规律变化（图6），反映监测期间斜坡地表没有位移。
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图 6 皋兰山Ⅲ-2滑坡典型地段地表变形监测曲线 （监测点3）a.水平方向；b.垂直方向Figure 6. Dynamic curve of GNSS03 monitoring point at the trailing edge of the Gaolan Mountain Ⅲ-2 landslide2.3 降雨对滑坡变形的影响
监测区间，滑坡区经历了最大日降雨量36 mm。降雨量、张力计和水分仪监测结果显示，降雨后滑体黄土中含水量、基质吸力尽管滞后于降雨过程，但随之明显降低（图7）。显然降雨入渗对滑体浅层黄土强度有一定影响。但同期裂缝和地表变形均无明显变化。因此，最大日雨量36 mm时，降雨对滑坡变形没有影响。
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图 7 皋兰山Ⅲ-2号滑坡浅层土体含水率、基质吸力、降雨量变化曲线（监测点2）Figure 7. Variation curves of moisture content, matric suction and rainfall of shallow soil of landslide No.Ⅲ-2, Gaolan Mountain综合当前监测结果，滑坡整体处于稳定状态，地表已经发育的裂缝极可能是局部裂缝在地表水冲刷后形成的落水洞扩展结果，并非滑坡变形迹象。
3. 滑坡整体复活条件预测
尽管滑坡当前整体稳定，但是未来滑坡变形是否复活及其复活条件如何，是当地居民和政府的最为关切。大量研究也已证实，降雨、地震是兰州地区斜坡稳定性的最主要影响因素。故通过定量评价滑坡在不同降雨地震条件下稳定性的途径，探寻滑坡复活条件。其中，因降雨在滑体中入渗是典型的非饱和渗流过程，所以采用非饱和渗流与稳定性计算耦合途径，评价通过定量评价不同强度地表水在入渗后的斜坡稳定性。
3.1 方法选择
本次采用在国内外岩土工程行业中广泛使用的商业软件Geostudio中的SEEP/W和SLOPE/W模块来分别模拟降雨入渗时斜坡区的非饱和渗流场，以及计算斜坡在不同工况下的稳定性系数（高黎黎等，2022）。GeoStudio中SEEP/W模块与SLOPE/W模块可以直接耦合，能够非常方便地计算各个工况改变后每一时刻的渗流场及其对应时刻的滑坡稳定性系数。
SEEP/W模块的理论基础建立于饱和与非饱和土体渗流的达西定律。最初的达西定律是从饱和土中得到的，研究表明，它同样适用于非饱和土，区别在于非饱和条件下的渗透系数不再是常数，而是随着含水率的变化而变化，并且间接地随着水压的变化而变化，其表述如下：
$$ q =ki $$ (1) 式中：q是单位体积流量，k是渗透系数，i是总水头梯度。
对于各向异性的岩土体来说，饱和－非饱和二维渗流的一般控制方程可以表达为：
$$ \frac{\partial }{\partial x}\left[{K}_{x}\frac{\partial h}{\partial x}\right]+\frac{\partial }{\partial y}\left[{K}_{y}\frac{\partial h}{\partial y}\right]={m}_{w}{\rho }_{w}g\frac{\partial h}{\partial t} $$ (2) 式中：$ {\rho }_{w} $是水密度；$ {{K}}_{{x}} $，$ {{K}}_{{y}} $表示水平方向以及垂直方向的饱和渗透系数（本次模拟均假定$ {{K}}_{{x}} $=$ {{K}}_{{y}} $）；$ {m}_{w} $是比水容量，定义为体积含水量$ {\theta }_{w} $对基质吸力（$ {\mu }_{a}-{\mu }_{w} $）偏导数的负值；g是重力加速度。
该模型设定，降雨强度大于岩土渗透系数时，入渗量等于渗透系数；降雨强度小于岩土渗透系数时，入渗量等于降雨量。
SLOPE/W模块的理论基础建立于刚体极限平衡理论。该模块中内置适合圆弧形滑面和非圆弧形滑面的多种计算方法，本次研究采用适合非圆弧形滑面的Morgenstern-Price法（M-P法）计算不同工况下的斜坡稳定性系数。
3.2 模型构建、计算工况与计算参数
以皋兰山Ⅲ-2号滑坡剖面图为地质概化模型（图8）为基础构建二维计算模型。其中滑带厚度为1.2 m，网格剖分精度为0.4 m，滑体网格剖分精度为2 m下部基岩网格划分较疏，网格剖分精度为10 m。模型初始孔隙水压力与原位监测数据相一致，在降雨渗流分析中，地表面设置流量边界，灌溉渗流分析中，实际灌溉区域为流量边界。
降雨工况斜坡稳定性分析考虑兰州市百年一遇降雨强度96.2 mm/24 h和致使斜坡失稳的临界降雨量两个条件。本次采用拟静力法对地震工况斜坡稳定性进行分析。国家地震局发布的《中国地震烈度区划图（2014）》和第五代《中国地震动参数区划图》显示，50年超越概率10%时，兰州地区地震烈度Ⅷ度、地震峰值加速度0.2 g。按照《建筑抗震设计规范》规定，综合水平地震系数取0.5对应地震峰值加速度。地震力只考虑水平地震力。滑坡变形特征反映现状稳定，故计算参数综合反演和室内试验结果选取（表1）。
表 1 皋兰山Ⅲ-2号滑坡岩土体物理力学参数表Table 1. Physical and mechanical parameters of rock and soil mass of Gaolan Mountain Ⅲ-2 landslide分区 渗透系数（m/s） 饱和土含水量wsr 残余水含水率r 天然重度（KN/m3） 饱和重度（KN/m3） C（kPa） Φ（°） 滑体
（Ⅲ-2）1.1E-05 0.36 0.065 18.6 19.7 19 17.75 滑体
（Ⅲ）1.0E-05 0.37 0.065 18.9 20.1 30 24 滑体
（老狼沟）1.0E-05 0.37 0.065 18.9 20.1 35 33 滑带 5E-09 0.36 0.125 19.1 19.9 27.1 15.2 3.2.1 百年一遇降雨工况
基于SEEP/W的模拟（图9）显示，伴随着降雨的进行，水分入渗深度逐渐增大，滑带两侧率先达到饱和，且孔隙水压不断增大，滑坡中部孔压明显低于前后两侧，中部坡体较厚，饱和区沿滑带由两侧向中间扩展。
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图 9 百年一遇降雨工况下斜坡内孔隙水压力等值线Figure 9. Contours of pore water pressure in slope under the condition of once-in-a-century rainfall耦合百年一遇降雨工况下坡内孔隙水压力场，斜坡稳定性系数1.05。显然，百年一遇降雨对斜坡稳定性影响不明显。
3.2.2 临界降雨条件
为探寻斜坡失稳的临界降雨量，在百年一遇降雨强度基础上持续增大暴雨强度，直至4倍雨量时（384 mm/日），斜坡稳定性系数0.996，进入失稳状态（图10）。此时，失稳区域坡内孔隙水压力趋于零，即该区域趋于饱和（图11）。因此，只有当Ⅲ-2滑坡区滑体趋于饱和时，斜坡才会失稳。显然，这个降雨量在兰州出现的概率极低，所以降雨导致该滑坡大规模复活的可能性极低。
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图 10 临界降雨条件下斜坡失稳范围Figure 10. Slope instability range under critical rainfall conditions![]()
图 11 临界降雨条件下斜坡区孔隙水压力等值线Figure 11. Contours of pore water pressure in slope area under critical rainfall conditions3.2.3 地震工况
SLOPE/W计算结果显示，在0.2 g水平地震荷载作用下，滑坡稳定性系数0.905（图12），即滑坡整体复活。0.2 g地震对应50年超越概率10%，相当于427年一遇，故尽管地震对皋兰山Ⅲ-2滑坡稳定性影响远大于降雨，但滑坡复活概率依然极低。
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图 12 0.2 g地震荷载下滑坡失稳部位（FS=0.905）Figure 12. Landslide instability position under 0.2 g earthquake load (FS=0.905)4. 结论
（1）通过宏观变形和监测数据，该滑坡处于欠稳定状态。
（2）兰州市百年一遇降雨强度96.2 mm/24 h下，经模拟计算，斜坡稳定性系数为1.05，说明百年一遇降雨对斜坡稳定性影响不明显。
（3）在百年一遇降雨强度基础上持续增大暴雨强度，直至4倍雨量时（384 mm/日），斜坡稳定性系数为0.996，进入失稳状态。
（4）在0.2 g水平地震荷载作用下，滑坡稳定性系数为0.905，即滑坡整体复活，但概率依然极低。
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图 3 滑坡后缘裂缝（a）及西侧裂缝（b）
Figure 3. (a) Cracks on the trailing edgeand (b) west side of the landslide
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图 4 皋兰山Ⅲ-2滑坡监测点分布图
Figure 4. Distribution of monitoring sites of Gaolan Mountain Ⅲ-2 landslide
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图 5 皋兰山Ⅲ-2滑坡简易监测桩及探槽
a.滑坡简易监测桩；b.滑坡探槽
Figure 5. Simple monitoring piles and grooves for the Gaolan Mountain Ⅲ-2 landslide
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图 6 皋兰山Ⅲ-2滑坡典型地段地表变形监测曲线 （监测点3）
a.水平方向；b.垂直方向
Figure 6. Dynamic curve of GNSS03 monitoring point at the trailing edge of the Gaolan Mountain Ⅲ-2 landslide
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图 7 皋兰山Ⅲ-2号滑坡浅层土体含水率、基质吸力、降雨量变化曲线（监测点2）
Figure 7. Variation curves of moisture content, matric suction and rainfall of shallow soil of landslide No.Ⅲ-2, Gaolan Mountain
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图 9 百年一遇降雨工况下斜坡内孔隙水压力等值线
Figure 9. Contours of pore water pressure in slope under the condition of once-in-a-century rainfall
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图 10 临界降雨条件下斜坡失稳范围
Figure 10. Slope instability range under critical rainfall conditions
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图 11 临界降雨条件下斜坡区孔隙水压力等值线
Figure 11. Contours of pore water pressure in slope area under critical rainfall conditions
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图 12 0.2 g地震荷载下滑坡失稳部位（FS=0.905）
Figure 12. Landslide instability position under 0.2 g earthquake load (FS=0.905)
表 1 皋兰山Ⅲ-2号滑坡岩土体物理力学参数表
Table 1 Physical and mechanical parameters of rock and soil mass of Gaolan Mountain Ⅲ-2 landslide
分区 渗透系数（m/s） 饱和土含水量wsr 残余水含水率r 天然重度（KN/m3） 饱和重度（KN/m3） C（kPa） Φ（°） 滑体
（Ⅲ-2）1.1E-05 0.36 0.065 18.6 19.7 19 17.75 滑体
（Ⅲ）1.0E-05 0.37 0.065 18.9 20.1 30 24 滑体
（老狼沟）1.0E-05 0.37 0.065 18.9 20.1 35 33 滑带 5E-09 0.36 0.125 19.1 19.9 27.1 15.2 
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