（环境工程专业论文）典型黄土地区铁路边坡环境地质灾害分析研究.pdfVIP

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 随着西部大开发的不断深入，在不同地质条件下建造铁路项目已成为经济建 设的迫切需要。在黄土地区进行铁路项目实施过程中，边坡环境地质灾害带来的 许多问题会铁路的施工和后期运营产生严重的影响。因此，对黄土边坡上环境地 质灾害进行分析和评估是十分必要的。 本文的主要研究成果有： 一、分析了环境地质灾害的主要类型和影响因素，从中筛选出黄土地区最易 发生的滑坡、崩塌等环境地质灾害进行进一步探讨。 二、以山西中南部铁路瓦塘至洪洞段黄土边坡为研究对象，在分析研究工程 区域地形地貌、地质构造、水文地质和人类建设活动等条件后，确定了影响铁路 边坡环境地质灾害的主要因素。通过分析得出：边坡的类型和工程施工中开挖活 动对其边坡环境地质灾害的影响最大。 三、在此基础上，建立了山西中南部铁路瓦塘至洪洞段黄土地区铁路边坡环 境地质灾害影响因素的概念模型。 四、运用f l a c 3 d 软件对其黄土地区铁路边坡进行位移、应力的三维数值模 拟分析。 由数值分析得出结论：随着开挖的实施，黄土边坡开挖面上位移会不断变大， 对边坡环境地质灾害影响表现较为严重；在坡脚应力表现集中，使得边坡产生出 现环境地质灾害的趋势。最后，针对结果预测提出了相关的保护措施和建议。 本论文的完成可以为山西中南部铁路瓦塘至洪洞段铁道边坡路段工程施工 建设提供必要的理论支持，并对类似的铁道施工起到借鉴作用。 关键词山西中南部铁路瓦塘至洪洞段；环境地质灾害；黄土边坡；影响因素 西南交通大学硕士研究生学位论文第页 a b s t r a c t w i t ht h ef u r t h e ri m p l e m e n t a t i o no fw e s t e r nd e v e l o p m e n ti nc h i n a ，t h e r eh a sg r o w n u pa l lu r g e n tn e e do fe c o n o m i c c o n s t r u c t i o nf o rb u i l d i n gr a i l w a yt r a c k su n d e r d i f f e r e n tg e o l o g i c a lc o n d i t i o n s i nl o e s sa r e a s ，p r o b l e m sr e s u l t i n gf r o ms l o p e e n v i r o n m e n ta n dg e o l o g i c a ld i s a s t e r sw i l ls e r i o u s l yi n f l u e n c et h en o r m a lm a n a g e m e n t a n do p e r a t i o no ft h er o a d s t h e r e f o r e ，o nf u l l yd i s c u s s i n gt h em a j o rc a t e g o r i e sa n d i n f l u e n c i n gf a c t o r so fg e o l o g i c a lf a i l u r e s ，t h ep r e s e n ts t u d yf o c u s e so nl a n d s l i d e sa n d c o l l a p s ew h i c ha r ec o m m o ni nl o e s sd i s t r i c t s t a k i n gt h el o e s ss l o p ef r o mw a t a n g t o h o n g d o n gs e c t i o n so ft h er a i l r o a di nt h ec e n t r i c - s o u t ha r e ao fs h a n x ia si t s r e s e a r c h s u b j e c t ，w eh a v es y s t e m a t i c a l l ya n a l y z e dt h em a i nf o r c e st h a t a f f e c tt h eg e o l o g i c h a z a r d si ns l o p ee n v i r o n m e n to nt h eb a s i so fe x p l o r i n gt h et o p o g r a p h ya n d g e o m o r p h o l o g y ，g e o l o g i c a ls t r u c t u r e s ，h y d r o g e o l o g i c a lc o n d i t i o n so f t h et a r g e ta r e a s a n dc o n s t r u c t i o na c t i v i t i e so fh u m a n i tc o m e sac o n c l u s i o nt h a tt h ee n v i r o n m e n t a l g e o l o g yi sa f f e c t e dm o s tb yt h et y p e so fs l o p ea n dp r o j e c t i o no fe x c a v a t i o n w h a t s m o r e ，ac o n c e p t u a lm o d e lo ff a c t o r sa f f e c t i n gg e o l o g i c a ld i s a s t e r sw h i c h o c c u rf r o m w a t a n gt oh o n g d o n gs e c t i o n so ft h er a i l r o a di nt h ec e n t r i c s o u t ha r e ao fs h a n x i i ss e t u pi nt h er e s e a r c h t h r o u g ht h ef l a c 3 d ( f a s tl a g r a n g i a na n a l y s i so fc o n t i n u ai n3d i m e n s i o n s ) s o f t w a r e ，w ea n a l y z et h ed i s p l a c e m e n ta n dt h e3 - dn u m e r i c a ls i m u l a t i o no f s t r e s so f t h el o e s ss l o p ef r o mw a t a n gt oh o n g d o n go ft h er a i l r o a di nt h ec e n t r i c s o u t ha r e ao f s h a n x i b yc o m p a r i n gt h ed i a g r a m so fd i s p l a c e m e n ta n ds t r e s sa f t e rt h ef i r s t , t h i r d ， f i f t ha n ds e v e n t hs t e po fe x c a v a t i o n s ，w ef m dt h mw i t he x c a v a t i n g ，t h ed i s p l a c e m e n t o ft h es l o p ei si n c r e a s i n g ，w h i c hs e v e r e l ya f f e c t st h es t a b i l i t yo ft h es l o p e m e a n w h i l e ， s t r e s sc o n c e n t r a t i o no c c u r sa tt h eb o t t o mo fs l o p e ，r e n d e r i n gt h ep o s s i b i l i t yo f g e o l o g i ch a z a r d s t h u sb o t he x c a v a t i n ga r e a sa n dt h et o eo fs l o p en e e dr e i n f o r c i n gs o a st or e d u c et h ec o n c e n t r a t i o no fs t r e s s 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i i 页 t os u mu p ，t h i sr e s e a r c hw i l l p r o v i d en e c e s s a r yt h e o r e t i c a lf x a m e w o r kf o r r a i l w a yc o n s t r u c t i o nf r o mw a t a n gt oh o n g d o n gs e c t i o n si nc e n t r i c - s o u t h e r ns h a n x i a n di sh o p e dt op l a yad r a w i n gl e s s o nt ot h es i m i l a rr a i l r o a db u i l d i n gi nt h ef u t u r e k e y w o r d s ： w a t a n g t o h o n g d o n gr a i l w a yi n c e n t r i c - s o u t h e r ns h a n x i ， e n v i r o n m e n t a lg e o l o g i ch a z a r d ，l o e s ss l o p e ，i n f l u e n c i n gf a c t o r 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 1 1 问题的提出 第1 章绪论 黄土是在第四纪时期由复杂原因形成的一种陆相松散的沉积物，具有特殊的 组成成分和工程特性，主要分布在我国北纬3 0 0 4 8 0 和东经7 5 0 1 2 7 0 之间 的广大地区【l 】具体分布状况见图1 1 。 图1 1 中国黄土地区分布图 黄土具有孔隙大、湿陷性、物理力学强度较低等自身特性，所以在工程土类 中一直占据着较为特殊的地位，这也导致了黄土地区的滑坡、崩塌、坍塌等环境 地质灾害的时常发生。在黄土地区，频发的环境地质灾害严重影响了经济发展的 步伐。 得益于西部大开发的实施，铁道建设项目在黄土地区优先发展起来。随着战 略的继续深入，铁道工程项目建设的新一轮高潮也将要来临。黄土地区在我国分 布广泛，而对黄土边坡的开挖在铁路工程建设中是无可避免的。开挖工程实施后 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 的边坡地区往往成为环境地质灾害的易发区。因此，铁路边坡上环境地质灾害己 成为制约黄土地区铁道交通建设工程的最关键性因素。本文以山西中南部铁路瓦 塘至洪洞段黄土边坡为研究对象，对其边坡上可能发生的环境地质灾害进行分 析，可以对中南部铁路环境地质灾害的发生进行预测和评估，对类似的工程建设 中环境地质灾害的防治也有重要的理论和现实意义。 1 2 国内外研究现状 一段时间以来，黄土地区边坡上发生的环境地质灾害分析与评价已成为铁路 工程建设中一个极为重要的研究领域，其研究的理论方法经历了由外及里、由经 验到理论、由定性化到定量化、由单一评价到综合评估的发展过程f 2 1 。 1 2 1 国内研究现状 黄土边坡上环境地质灾害的发生与其边坡稳定性有着密切的联系。对于黄土 地区边坡上环境地质灾害及边坡稳定性的分析方法的研究，国内的专家学者已经 做了大量的探索和研究。1 9 9 8 年李靖运用并简化了b i s h o p 方法，归化出其方法 计算式，使之成为无因次方程，同时借助计算机对边坡稳定性分析程序加以应用， 获得了关于边坡稳定性的使用方便，简洁明快的分析图1 3 】。2 0 0 4 年张永双结合陕 北地区铁路建设的工程项目实际，采用弹塑性有限元方法模拟项目施工过程开 挖、大气降水因素和诱发性地震作用等因素对黄土高边坡环境地质灾害的影响 4 1 。2 0 0 4 年王念秦提出了黄土边坡环境地质灾害运动方式理论，指出其具有“滑 动抛出型”、“错动挤出型”、“错落平铺型”等类型的边坡滑动方式，并推导出了 黄土边坡滑动质点在不同方式下的运动轨迹【5 】。2 0 0 5 年叶万军等采用关于边坡理 论中传统的稳定系数的理论概念，推导出阶梯状黄土地区开挖过程边坡稳定性分 析的理论表达式【6 】。2 0 0 5 年王念秦、张倬元借助于典型黄土地区具体的环境地质 灾害实际资料，提出了一种典型黄土地区边坡环境地质灾害的滑动距离的预测模 型，模型中把与边坡环境地质灾害关系最为密切的黄土层厚度，边坡类型，灾害 发生前滑动坡体长度与厚度等具体工程参数作为预测指标1 7 诏】。 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 1 2 2 国外研究现状 在国外，也有不同程度的黄土地区存在。关于黄土边坡上环境地质灾害及稳 定性分析的研究都比国内起步要早。研究方法大致有定性分析法、定量分析法、 不确定性分析法、物理模拟分析法和现场监测分析法等。极限平衡法和数值模拟 法是在黄土边坡环境地质灾害分析研究中使用最多也较为成熟的两类方法，在实 际工程建设中得到了很好的理论印证和实践应用。 极限平衡法于1 9 1 6 年由瑞典学者k e p e t t e r s s o n 与s h u l t i n 最早提出的，后 来经过j a n b u 、f e l l e n i u s 、b i s h o p 、s a r m a 等人不断的修正和发展，已经改进成为 一套具有广泛工程建设适用性的理论。目前工程实践中用到的极限平衡分析方法 有：f e l l e n i u s 法、b i s h o p 法、t a y o r 法、j a n b u 法、m o r g e n s t e r n p r i c e 法、s p e n c e r 法、s a r m a 法、b a k e r - g a r b e r 法、g l e 法等0 1 。 计算机技术的运用给边坡工程项目研究发展带来了新的发展，数值模拟的方 法也开始被广泛地运用到边坡环境地质灾害的研究分析中。有限元法、边界元法、 有限差分法、离散元法、刚体元法、无界元法、块体理论等成为目前该领域最常 用的方法 1 1 - 1 3 】。有限差分法( f a s tl a g r a n g i a na n a l y s i so f c o n t i n u a ，缩写为f l a c ) 在以下几个方面具有较为突出的优点：它可以快捷方便地处理一般工程项目中的 变形问题，更能够模拟工程岩土体沿着某一特定软弱面发生的滑动变形；对于材 料性质的类型不一样，可以使用不同的本构方程真实的反映具体材料不同的运动 形态；在求解时可以将有限差分技术、动态求解技术和空间离散技术综合运用， 通过三种技术的结合把关于连续介质的运动方程转化为在离散单元节点上的牛 顿第二定律形式，从而可以用线性的有限差分方法将这些待求解方程求解出来 1 4 - 1 5 】。此外在岩土体的弹塑性变形和大变形问题上，有限差分法的模拟计算也较 为良好。所以，笔者决定选用f l a c 3 d 程序对黄土边坡环境地质灾害进行数值模 拟分析，以增强其对工程实际模拟的真实性和代表性。 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 1 3 本文研究的主要内容和方法 1 3 1 主要内容 在进行野外实际地质调查和查阅相关文献资料基础上，分析研究了影响黄土 边坡环境地质灾害的主要影响因素( 地形地貌、地质构造、水文地质条件等) 和 边坡失稳的诸多诱发原因，然后以中南部铁路瓦塘至洪洞段边坡为研究对象，对 其环境地质灾害进行分析与评价，本文研究的主要内容包括： l 、在了解区域工程地质背景的基础上，分析影响中南部铁路瓦塘至洪洞段 黄土边坡环境地质灾害发生的地质特征； 2 、识别黄土边坡稳定性灾害发生的影响因子，确定其主要影响因素，建立 影响黄土边坡环境地质灾害的概念模型； 3 、建立计算模型，对该边坡在工程开挖过程中坡体的变形进行数值模拟， 总结其变化规律，并对其提出相关的建议和措施。 1 3 2 研究方法 课题采用的研究方法为定性分析与定量计算相结合，主要包括现场调查、理 论分析与数值模拟等，具体如下： 1 、通过对中南部铁路瓦塘至洪洞段黄土边坡的实地调查，获取该黄土边坡 的实际地质资料。通过分析影响边坡环境地质灾害发生的主要因素，为进一步研 究和评价该边坡稳定状态提供理论依据； 2 、分析其随各因素改变的变化规律，在此基础上建立影响黄土边坡环境地 质灾害的概念模型； 3 、借助于f l a c 3 d 软件对该黄土边坡进行数值模拟，研究边坡坡脚进行开 挖施工时，坡体应力及位移的变化规律。 1 4 技术路线 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 图1 - 2 技术路线 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 第2 章黄土地区铁路边坡环境地质灾害概述 2 1 环境地质灾害简介 由于地球内外营力的影响作用而产生的自然地质环境破坏和恶化，并导致人 类社会生命财产受损的现象，我们称之为地质灾害【1 6 】；其中以人类活动为主要 营力而诱发导致的地质灾害称为环境地质灾害【朋。社会经济的持续发展要求人 类对自然不断熟悉重新认识，对自然资源的开发利用也更加依赖。人类社会的历 史是不断发展，持续进步的历史，同时也是人类开发利用自然资源的历史。自从 工业革命以后，人类的生产力水平不断提高，人们对自然资源的开发强度越来越 大；但是自然界所承受的能力是有限的，当人们对地质环境的作用已超过它的承 受范围时，就会导致各类环境地质灾害的不断产生。 也就是说，人类对自然的开发、资源的利用程度与地质环境的不匹配是环境 地质灾害发生的主要原因。环境地质灾害有很多不同的分类方式，如果以其发生 的自然地质原因对环境地质灾害进行分类，可以将环境地质灾害可大致分为三 类，具体分类见表2 1 。 表2 1 环境地质灾害的类别 随着人文科学技术的不断进步，社会经济建设在飞速的发展，自然地质环境 所能承受的范围已经不能继续满足人类工程建设活动的要求，更多的环境地质问 题开始不断出现。根据人类工程建设活动的类型对环境地质灾害进行分类，可将 其系统化，并可在不同工程建设中有效防治环境地质灾害发生。社会经济建设中 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 i ii i 主要的人类工程建设活动及引起的环境地质灾害类型见图2 1 。 图2 1 主要人类工程活动及引起的环境地质灾害分析图 2 2 黄土地区铁路边坡环境地质灾害类型分析 我国地域辽阔，工程地质条件多种多样，各类环境地质灾害频繁多发。黄 土地区是铁路工程实施建设过程中各类环境地质灾害的高发区和易发区。由于黄 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 土地区所属的特殊气候特征以及黄土本身特殊的物理力学性质，使黄土地区边坡 上环境地质问题尤为突出。 由图2 1 可以看出，涉及到本文研究的黄土地区铁路边坡的环境地质灾害类 型主要包括诱发性滑坡崩塌、地面塌陷、泥石流三种。 l 、诱发性滑坡灾害 滑坡灾害是指受到雨水冲刷、地震作用及人为开挖坡体等作用影响，倾斜 边坡上的土体或岩体沿着一定的软弱带或软弱面在重力作用下，部分地或整体地 顺坡向下活动的一种自然地质现象1 1 8 】。滑坡灾害常常在松散的土层中发生，、或沿 松散土层( 如黄土) 与基岩的接触面发生滑动，也有些是沿着岩层断面或断层处 滑动。滑坡体的滑动速度一般是很缓慢的，一昼夜也只有几厘米，有的甚至几个 月才移动几厘米。但在一些特殊情况下，如连续暴雨或工程开挖时，滑坡速度可 以达到很大。这些诱发性的滑坡发生时常常会给工农业生产建设以及人民生命财 产安全造成巨大损害。 2 、诱发性崩塌灾害 崩塌灾害是指边坡上的岩土体突然脱离原来坡体发生滑落、滚动、堆积在 坡脚或沟谷的环境地质现象【1 9 】。崩塌可以使大面积的建筑物在瞬间破坏，并使公 路和铁路等基础建设工程遭受掩埋。崩塌时滑落陷落的物质，叫做崩塌体，由于 崩塌体的不同，崩塌有土崩和岩崩之分。土崩是指崩塌体为土质的情况；岩崩是 指崩塌体为岩质的情况。大规模的岩崩，又称作为山崩。在任何地质带的斜坡上 都可能产生崩塌灾害，而山崩的发生区域只能在高山峡谷地区内。原来坡体与崩 塌体的分离面称之为崩塌面。如节理、片理、劈理、层面、破碎带等倾角很大的 界面，往往成为崩塌发生的崩塌面，崩塌体有倾倒和崩落这两种运动方式。崩塌 体中的土石碎块在运动过程中跳跃滚动，最终在坡脚处形成崩塌倒石锥状的堆积 地貌。崩塌灾害会掩埋铁路，破坏大片的建筑物，有时甚至使整个居民点遭到损 害，造成极大危害。 3 、泥石流灾害 泥石流灾害是由大量泥沙石块和水组合而成的混合土石流体从山谷沟地中 或斜坡边坡上顺势而下的一种自然地质灾害现象f 1 9 】。泥石流一般由于密集的人类 活动( 如矿产资源过度开发) 所诱发，主要分布在矿产资源丰富、项目工程活动 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 密集的地区。泥石流灾害是山区特有的一种自然环境现象，是山地区域人类活动 致使环境恶化的产物。泥石流的发生往往由于大气降水( 包括集中暴雨、冰川消 融、积雪融化水等) 的诱发产生，在沟谷或山地边坡上形成种高浓度的固液混 合颗粒流，其中夹带大量泥沙，石块等固体物质的特殊混合物。泥石流的运动类 型介于山坡崩塌、滑坡和洪水之间，是人为因素与各类自然环境因素( 地质、地 貌、水文、气象等) 综合作用的产物。泥石流一般具有发生迅速、历时短暂、来 势凶猛、破坏极强的等特点，常常在短时间内给受灾区人民群众生命财产安全造 成巨大的损害。 、 2 3 黄土地区铁路边坡环境地质灾害的特殊性 边坡环境地质灾害是铁路工程实施中普遍面临的一个问题，特别对黄土边坡 而言，这个问题就显得尤为突出和重要。 正因为黄土特殊的工程性质( 如水敏性、大孔性、结构性) ，黄土地区的铁 路建设项目中常常会出现多种工程地质灾害，如深挖方边坡的坍塌灾害，高填方 路堤的不均匀沉降现象，地基承载力低的问题，高湿度黄土中隧道的塌方现象等 多方面的问题，给铁路工程的建设施工和运营养护带来了较大的危害【2 0 1 。 黄土地区工程地质灾害的种类有很多，发生在黄土地区铁路边坡上的环境地 质灾害主要有滑坡、崩塌、泥石流。 2 3 1 黄土地区铁路边坡滑坡、崩塌灾害分析 在黄土地区，铁路边坡崩塌灾害和滑坡灾害具有非常多的相似之处。它们 的发生区域都主要分布在地形复杂、断裂构造发育、地震频发、地质切割强烈、 岩性为易风化及软弱岩层、大气降水集中的地区。在大于6 0 0 - 7 0 0 的斜坡上，崩 塌和滑坡的发生概率会大大增加。崩塌或者滑坡灾害都是由于陡峭的边坡上的岩 块或者土体在重力作用下，发生急剧地倾斜滑落运动而形成的。崩塌、滑坡灾害 具有分布广泛、发生突然和破坏力极强等主要特征，非常容易对社会财产及人民 群众安全造成巨大损失和重大伤亡。 滑坡、崩塌是都是发生在山体斜坡边坡地带的表生动力地质作用，其灾害 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 量曼皇曼曼曼鼍i i 舅曼曼曼曼曼量皇曼曼曼曼寰曼曼曼曼曼蔓 的形成原因也极为相似。在黄土边坡地区，它们的形成都需要有特定的地质条件， 包括灾害内因和外因。其内因主要包括利于坡体滑动的松散的岩、土体，存在于 特定的斜坡边坡临空界面上，地形结构上要求有软弱面或者地下水沿软弱的结构 面不断运动等基本的地质因素。诸多致使滑坡、崩塌灾害发生的诱发性因素称之 为灾害外因，如集中性大气降水、突发性地震作用、人类工程建设活动等。上述 各种灾害内部因素和灾害外部因素综合作用的结果就会导致崩塌、滑坡的发生。 在黄土边坡地区，复杂的地形条件，大规模的工程建设活动，是引起边坡 失稳，发生环境地质灾害的主要诱发因素，其影响灾害发生因素分析主要有以下 几个方面： 一、灾害内因 l 、地貌特征 黄土边坡的坡比、坡高等地形地貌上的的典型特征是崩塌、滑坡灾害发生 生的重要的内部条件。崩塌、滑坡灾害发生的有利地段一般具有大沟深川的区域 地貌条件和风化水蚀等作用切割边坡高耸临空的地形条件。各级地形和剥夷面间 的斜坡地带为黄土地区崩塌、滑坡灾害的发育创造了良好的条件。区域内存在大 量受流水冲刷掏蚀的黄土凹岸；黄土高原的山坡上部大都形成马蹄形的环状地 形，坡型也以坡脚陡、中部缓的折线型为主。当大气降水集中时，容易形成软弱 面，致使边坡滑坡沿基岩的软弱滑动带滑动发生。 2 、地层岩性 地层岩性是边坡斜坡发生滑坡、崩塌灾害的物质基础条件。容易易发生崩 塌、滑坡的岩层类型多为含碳酸盐类软弱岩层、泥化层、构造破碎层；岩石岩性 多为泥岩、页岩、板岩，主要包括松散的碎屑岩，软弱的片状岩或者变质岩。黄 土松散的地层结构，及其特殊岩性性质，使其在经过水的软化作用后，抗剪强度 明显下降，容易出现软弱滑动面，产生滑坡、崩塌灾害。 3 、地质构造 环境地质灾害的发生与其地质构造环境的关系密切。区域内的自然地质条 件对崩塌和滑坡灾害的作用是多方面的：一是崩塌、滑坡灾害的发生需要存在一 个断裂破碎带作为基础；二是滑坡、崩塌灾害的滑动面的位置空间一般由各种自 然地质的构造面或结构面决定，如岩层、断层、节理等：三是山体斜坡边坡中含 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 曼曼i 一； i 舅曼量皇曼量皇曼曼曼曼曼 水层的分布情况和地下水运动状态要受自然环境的地质构造条件所影响，如存在 承压含水层的具体数目以及地下水的排泄和补给等。四是边坡斜坡的岩石间相互 中断的面层、裂隙特征，岩层间的不同配合情况及其与边坡位置的相互作用关系 等内部地质结构环境都与崩塌、滑坡灾害发生的难易程度有着密切的关系。因此， 地质构造特性对崩塌，滑坡环境地质灾害的发展和发生有着重要影响作用。 二、灾害外因 1 、降雨条件 大气降水是滑坡、崩塌发生的主要诱发因素。降雨、融雪及其地下水的透 水作用主要表现为：一是当土体空隙或岩石裂隙有渗透水进入时，可以降低岩土 体的抗剪强度；二是降水渗透进入地下含水层中，使得地下水位上升或承压含水 层水压增加，对隔水层的岩土体产生托浮作用，其中土体也会得到软化浸水至饱 和，造成土体抗剪强度降低的结果。因此，大气降雨和冰雪融化都可以对滑坡产 生引发和促进作用。三、地下水活动也是崩塌，滑坡环境地质灾害产生的重要因 素之一。土质的黄土边坡在受到地下水作用时，泥质岩层往往泥化、软化，使黄 土层物理特性改变；地下水可以增大孔隙水水压，产生托浮力和水压动力，从而 使黄土抗剪强度降低，导致软弱面的形成。很多有地下水活动的地方，在发生崩 塌，滑坡环境地质灾害后，地下水往往会以泉的形式在崩塌面涌出或从滑坡裂隙 间渗出。 。 2 、地震 地震作用也是滑坡、崩塌环境地质灾害发生的重要诱发因素。地震作用经 常会造成斜坡土石结构条件的破坏，从而引起环境地质灾害的发生。边坡上的岩 土体会在地震波冲击作震动用下沿原有软弱面滑动，同时，地震作用也会导致新 的软弱面形成。地震会造成裂隙和断层发育，加强了大气降水和冰雪融化的水力 渗透。因此，地震过后加上降水，雪融的综合作用使崩塌或滑坡发生的概率大大 增加。 3 、人为活动 人类工程项目活动的规模已经随着人文科技的进步日益增大，目前任何的 资源开发项目和工程建设活动，都要与自然地质环境发生关系，使自然环境条件 发生改变。铁路项目施工过程中，不可避免地要对边坡地区进行人为开挖活动， 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 过多人类活动加载于边坡之上会造成崩塌、滑坡现象的发生。图2 2 所示为边坡 环境地质灾害发生的示意图。 图2 2 边坡环境地质灾害发生示意图 人类的资源开发活动或者工程建设项目可能会在短时间内扰动自然地表环 境，改变地层地表的原有形态，对环境地质构造产生巨大的影响，引起了环境地 质灾害的发生。人类活动是滑坡、崩塌环境地质灾害形成的主要诱发因素，主要 包括：原生自然环境在人为地对原来的山坡边坡进行开挖、土石方的随意堆砌搬 运等作用下，地形条件发生改变，地质结构遭到破坏；在项目实施过程，项目区 域的地层条件因为爆破产生震动或者机械作业发生改变；在黄土地区边坡斜坡 上，往往会因为建筑材料、土石弃渣的堆放、人为建筑的修建等使其超压过载， 稳定性受到破坏。 2 3 2 黄土地区铁路边坡泥石流灾害分析 地形地势崎岖、地壳结构不稳定、大气降水集中及冰雪消融快、受人为活 动影响大的山区是泥石流灾害发生的理想场所。其灾害发生原因主要有以下几个 方面： 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 一、灾害内因 l 、地形地貌 黄土地区的沟道状态对泥石流灾害的发生有着重要影响。天然沟道是泥石 流的发生的主要场所，边坡是泥石流中固液混合体物质的来源地。泥石流灾害的 发生在地形上要具备山高谷深、坡体陡斜、沟床纵深较大、流域地区便于水流汇 集等条件；在地貌上，泥石流灾害一般可分为灾害形成区、灾害流通区和土石堆 积区三部分。上游灾害形成区的地形多为三面环山，另面有地形比较开阔的出 口，周围坡体陡斜，山上岩土体破碎，植被发育不良；中游灾害流通区的地形 多为狭窄陡峻的峡谷，山谷河床纵深坡度较大，这样泥石流可以顺势直下；下游 土石堆积区的地形为平坦的山前平原地带或开阔的河谷地区，使堆积物有足够大 的堆积场所。黄土层的透水性和黄土边坡的不为陡峻的地形不利于水和碎屑物质 的集中，所以黄土地区铁路项目实施中较少遇到泥石流灾害。 2 、地质构造 泥石流常发生于自然构造复杂，地质构造活动强烈，岩土体破坏发育充分， 地震强度较高的地区，特别是在规模较大，地层活动强烈的断层带更易发生。泥 石流的固体物质来源主要由灾害发生地区地表岩土体破碎、岩层错落、边坡崩塌、 区域滑坡等不良地质现象发育产生的。因此，对黄土边坡滑坡、崩塌灾害的防治 可以有效地降低泥石流灾害发生的几率。 二、灾害外因 1 、大气降水 大气降水是泥石流灾害发生的主要外部因素。在降水集中，雨量丰富的地区， j 泥石流灾害的发生几率会增大很多。在持续降雨或者暴雨的情况下，泥石流最易 发生。 2 、冰雪消融 冰雪融水为泥石流在冰川地带和积雪山区的发生提供了重要水源。同时大量 的冰碛物在冰川区冰雪融化时形成，为区域泥石流灾害的形成提供足够的固体物 质来源，二者共同促进了泥石流灾害的形成。 3 、人类活动 之前，泥石流灾害的形成受自然环境因素的影响较大。但随着人类工程项目 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 活动日趋活跃，人们对自然资源过度开发，从而严重破坏了山区地形结构平衡， 使山地自然环境恶化，人类活动开始对泥石流灾害的发生发挥更加重要的作用。 人类活动对泥石流灾害发生的主要影响体现在：短期内集中过度砍伐森林，导 致山区地表植被退化，在降雨作用下，引发泥石流灾害。在坡体上毁林开荒， 垦植作物，落后粗暴的农业耕作方式，使森林的生态系统破坏严重，加大了泥石 流的发生频率。山区地区进行道路工程项目施工时，不注重山坡的稳定性巩固， 极易破坏道路上下边坡山体，造成边坡失稳，引起泥石流灾害的发生( 如图2 2 所示) 。 2 3 3 黄土地区铁路边坡环境地质灾害影响分析 根据上述分析，结合黄土边坡工程的实践，我们认识到黄土边坡上环境地质 灾害的发生与其边坡稳定性密切相关，边坡稳定性下降发生环境地质灾害的概率 就大大增加。影响黄土地区铁路边坡环境地质灾害的主要因素有黄土边坡类型、 降雨情况、植被情况、人类工程活动等。 对于不同的边坡类型，要协调好坡高、坡比的相互关系，坡型会影响坡高、 坡比的关系，同时它也会受到工程区域的地理地貌和铁路线路位置的限制。边坡 的坡比与其边坡高度关系密切，坡比放缓或坡型改变可以在一定程度上提高其稳 定性。受到边坡顶部自然地质的影响，边坡坡比越缓，坡高随之越高，反而降低 黄土边坡的稳定性。同时，随着坡比的放缓，开挖的土石方量也会不断增加。因 为在相同的土性指标下，坡比越小，坡高就越大，坡体的滑动势能被抬高，边坡 发生环境地质灾害的概率会增大【2 l 】。所以，在工程实践中要找好坡比和坡高二 者关系的平衡点。 在边坡高度一定的条件下，边坡稳定状态的坡比值由区域地形、地貌以及工 程岩土的性质确定，同时也与边坡土体性质和开挖过程中坡体的应力变化情况有 密切的关系。因此，合理地确定黄土边坡的稳定坡比值必须从熟悉自然地质条件 及详尽的工程力学分析两个方面出发比较。 在对黄土边坡进行开挖的开挖断面上，相同的坡型、坡比、坡高情况下，影 响黄土边坡的环境地质灾害发生的主要因素有大气降雨情况及植被情况。 雨水入渗可以增大非饱和性的黄土中的含水量，从而导致其吸附能力降低， 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 5 页 这在一定程度上使土的抗剪强度降低。对于完整的地表岩土体，如果其渗透系数 增大会导致所处边坡的稳定性变差，边坡上发生环境地质灾害的概率加大。如果 有裂隙的存在，可以加速雨水下渗，增大体积含水量，影响坡体中孔隙水水压的 分布。裂隙开裂越大，对边坡雨水渗流影响越大，安全系数就越小，边坡发生环 境地质灾害的概率就大大增加。 黄土地区边坡植被情况普遍较差，这又会加强水对边坡环境地质灾害的影 响。人类工程活动对边坡的进行开挖、大型机械震动作用往往成为环境地质灾害 的诱发因素。影响黄土边坡环境地质灾害的因素有内部和外部两方面组成，其中 内部因素主要包括项目区域的地形特征、地貌条件、地层岩性、地质构造、边坡 类型等，其控制了黄土边坡的稳定性和环境地质灾害的发生的先决条件；外部因 素主要有水文气象作用、植被覆盖情况和人类工程活动等，可以使边坡的稳定性 下降，环境地质灾害频发，生态不断恶化。当二者结合到一定程度，便破坏边坡 结构，促使黄土边坡环境地质灾害的发生。具体的黄土地区铁路边坡上的环境地 质灾害影响因素分析如下图2 3 所示： 图2 3 黄土地区铁路边坡上的环境地质灾害影响因素图 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 6 页 曼曼曼曼曼皇曼曼曼曼舅ii 鼍曼曼曼曼曼曼曼鼍曼曼皇曼曼寰鼍鼍曼皇舅皇曼曼舅鼍! 曼皇曼曼舅舅曼曼寰曼曼曼量堂皇曼曼曼 2 4 本章小结 本章对环境地质灾害的类型做了简要的论述，然后针对本文的主要研究对象 黄土地区铁路边坡环境地质灾害的特点进行了进一步的探讨。分析得出结论，发 生在黄土地区铁路边坡上的环境地质灾害主要类型有滑坡、崩塌、泥石流三种。 然后对三种常见环境地质灾害进行分析，研究其灾害发生的特点，进一步了解黄 土地区铁路边坡上的环境地质主要灾害影响因素。 1 、黄土边坡环境地质灾害的影响因素有内部影响因素和外部影响因素之分； 2 、内部因素主要有地形地貌、地层岩性、地质构造、边坡类型坡比等，它 们是黄土边坡环境地质灾害发生的先决条件； 3 、外部因素为水文作用、植被覆盖和人类工程活动等，可以使边坡的稳定 性下降，引起环境地质灾害发生： 4 、环境地质灾害的发生往往是内部因素和外部因素的结合作用。二者作用 到一定程度，会破坏黄土边坡的稳定性，引发环境地质灾害。 西南交通大学硕士研究生学位论文第17 页 第3 章山西中南部铁路瓦塘至洪洞段工程地质概况 3 1 山西中南部铁路工程背景 3 1 1 地形地貌 晋中南通道位于山西省吕梁市、临汾市境内，线路自瓦塘向南至蒲县再向东 跨越了三个不同类型的地貌单元，黄土高原的黄土丘陵及低山区、吕梁山脉的低 中山区、临汾盆地冲洪积倾斜平原区及边缘丘陵区。南吕梁山自北而南纵贯测区 中部，吕梁山区以东属临汾盆地及边缘丘陵区，吕梁山区以西是沟谷深切的黄土 高原，属陕甘宁盆地的边缘部分。 瓦塘至洪洞段黄土边坡地处黄土沟壑发育区，多处沟谷为“v ”形结构，沟深 较大，坡度较陡，瓦塘至洪洞段黄土边坡现场图见图3 1 。 图3 1 瓦塘至洪洞段黄土边坡现场图 该边坡水土流失严重，边坡顶部与河谷相对落差有1 5 0 m 左右，下部为外 露的基岩层，上部是黄土层，边坡高度达到1 3 0 m ，边坡倾斜角为4 5 0 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第18 页 3 1 2 地层岩性 铁路沿线地层出露较齐全，除泥盆系、志留系地层缺失外，其余各时代地层 均有出露。 黄土高原梁峁区( 黄河东岸、吕梁山脉西侧) ： 新生界第四系全新统( q 4 ) 新黄土、砂、砂砾及卵砾石；上更新统( q 3 ) 马兰、 丁村组新黄土夹砂砾石；中更新统( q 2 ) 离石组老黄土夹红棕色古土壤层；第三系 上新统叫2 ) 黏土和粉质黏土、砾岩、半胶结砾岩；中生界三叠系中统( t 2 ) 砂岩、 泥岩，下统( t 1 ) 砂质泥岩、砂岩、砾岩：古生界二叠系上统砂岩、砂质页岩、页 岩、泥岩及煤层。 吕梁山、临汾盆地： 新生界第四系全新统( q 4 ) 碎石类土、砂类土、粉土、黏性土、新黄土；上更 新统( q 3 ) 碎石类土、砂类土、粉土、黏性土及新黄土( 马兰黄土) ；中更新统( q 2 ) 离石组老黄土夹红棕色古土壤层；下更新统( q 1 ) 午城黄土，夹古土壤和钙质结核 层；第三系上新统洲2 ) 黏土和粉质黏土、泥岩、砾岩夹钙质层； 中生界三叠系中统( t 2 ) 砂岩、泥岩，下统( t 1 ) 砂质泥岩、砂岩、砾岩； 古生界二叠系( p 1 2 ) 上统、下统砂岩、砂质页岩、页岩、泥岩及煤层；石炭 系上统( c 3 ) 砂岩、砂质页岩、页岩及可采煤层，其中太原组( c 3 t ) 为本地主要含煤 地层之一，单层煤最厚达6 m ，中统( c 2 ) 铝土质泥岩、页岩、灰岩及蜂窝状山西 式铁矿；奥陶系中统( 0 2 ) 泥灰岩、灰岩，岩溶较发育。砂岩、页岩、白云质灰岩、 角砾状白云质泥灰岩；下统( 0 1 ) 页岩与白云岩互层、泥质白云岩；寒武系上统( 3 ) 竹叶状灰岩、白云岩、页岩，中统( 2 ) 鲕状灰岩、灰岩、泥灰岩、页岩夹砂岩， 下统( 1 ) 页岩、泥灰岩、含砾砂岩；燕山期侵入闪长岩( 6 5 ) 。 元古界长城系( z c ) 砂岩，震旦系( z ) 石英砂岩夹页岩，野鸡山群( p y ) 变质基性 火山岩夹石英岩、千枚岩、变粒岩、变质砾岩。 太古界赞皇群( a z ) 片麻岩、斜长角闪岩。吕梁山群( a l ) 界河口群( a j ) 片麻岩、 大理岩、斜长角闪岩、云母片岩、黑云变粒岩夹花岗岩、伟晶岩脉。太古代、元 古代混合杂岩带( m r ) 混合花岗岩、混合片麻岩。 太古代及元古代侵入及混合岩浆岩：花岗岩、变流纹岩。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 9 页 3 1 3 地质构造及地震 项目区域地形地质条件复杂多变，铁路沿线不断经过山地和平原。但是瓦塘 至洪洞段黄土边坡地处临汾盆地，研究区内未发现明显褶皱、断裂，属于黄土高 原稳定区域地块的一部分，主要特征表现为黄土地块隆起，总体上区域地块表现 出一定稳定性和完整性。 研究区域内无强烈的地震活动，且震点零散星布，仅发生过4 “级地震见 诸于历史记载。根据中国地震参数区划图( g b l 8 3 0 6 2 0 0 1 ) 显示，研究区域场 地地震反应谱特征周期t = 0 3 5 s 。 根据新建山西中南部铁路通道工程场地地震安全性评价报告，结合实地 调查及工程布点情况，研究区域内黄土铁路边坡地震烈度均不大于v i 度，地震 动峰值加速度小于等于0 0 5 9 ，具体中南部铁路地震基本烈度分段如表3 l ： 表3 1 南部铁路各路段地震基本烈度表 3 1 4 气象特征 研究区域地处我国西北部中纬度地区，位于晋中南吕梁山区及黄土高原地 区，气候上属于具大陆性季风气候特征的暖温带亚湿润区。根据对铁路工程的气 候影响分类，该区属于工程寒冷地区，其中临汾盆地属于工程温暖地区。冬天受 极地大陆性气流影响，夏天主要受热带海洋性气流影响。春、秋两季分别受大陆 性气团和海洋性气团共同作用，但大多时候以前者为主。 该铁路沿线土壤最大冻结深度详细划分表如下所示： 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 0 页 表3 2 中南部铁路沿线冻结深度表 工程路段冻结深度 d k 0 + 0 0 0 - - d k 8 0 + 0 9 5 6 8 d k l 3 5 + 0 5 5 。2 1 d k 2 3 4 + 2 2 0 d 比3 4 + 2 2 0 - - , d k 2 7 7 “0 0 d k 2 7 7 + 4 0 0 - d k 3 2 3 + 0 0 0 d k 3 2 3 + o o o d k 3 5 9 + 8 3 4 15 8 1 0 5 m 0 9 1 m o 7 0 m 0 7 4 m 0 5 6 m 研究区域气候特征四季分明：春季多风少雨，气温干燥，升温迅速，冷暖 交替；夏季多雨湿热，气温较高；秋季风高气爽，温度急降：冬季寒冷干燥，鲜 有降雪，气温较低。铁路沿线各气象站主要气象要素如下表3 3 所示： 表3 3 中南部铁路沿线气象要素表 3 1 5 水文地质 铁路沿线河流属黄河流域，主要河流除了有黄河外，还有汾河、尉汾河、岚 漪河、湫水河、昕水河、三川河、屈产河及其各小支流等。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 1 页 按照地下水的赋存的介质分，铁路沿线地下水有基岩裂隙水、岩溶裂隙水、 黄土孔隙潜水三种。地下水的补给和排泄主要受大气降水和地表河流影响，主要 由区域地形地貌、地层岩性、地质构造、水系切割深度等因素控制。具体研究区 域瓦塘至洪洞段黄土边坡地下水有基岩裂隙水和黄土孔隙潜水两种。 1 、基岩裂隙水 侏罗统砂岩的节理和裂隙是基岩裂隙水的主要赋存位置。边坡顶部是泥岩 层，有风化的节理裂隙，所以岩层的赋水性很好好，可以很容易接受其他水源的 补给；边坡下部是赋水性较差的未经风化的砂岩层。研究区基岩裂隙水的下渗面 无法连续，其下渗状态基本上以点滴状为主。总体上看，此类型地下水在黄土边 坡存在较少。 2 、黄土孔隙潜水 平原、倾斜平原、盆地及河谷阶地的第四系松散黄土层是黄土孔隙潜水的主 要赋存位置，地下水水量在研究区内黄土层存量较少，上层主要以滞水形式存在。 工程勘察过程中钻孔及探挖都未有地下水的发现，但根据资料显示，在铁路两侧 有黄土陷穴地段不同程度的存在，这使得极有可能有上层滞水存在于区域的黄土 内。研究区域内自然地质的