陜北綏德某黃土邊坡穩定性評價及防治措施探討

楊克儉,高成虎,羅星

(1.陜西省水工環地質調查中心,陜西 西安 710068;2.陜西科睿斯達環境科技有限公司,陜西 西安 710068)

0 引 言

由于黃土本身的特性,如濕陷性、大孔隙、力學強度較低等,黃土地區的環境地質災害,如水土流失、地基沉陷、崩塌、坍塌、滑坡等,時常發生,嚴重制約著黃土地區的經濟發展[1]。綏德地處陜北黃土高原丘陵溝壑地貌單元,地形切割強烈,梁峁起伏,溝壑縱橫,黃土分布范圍廣、厚度大,黃土邊坡大量存在。在降雨、凍融、人工開挖擾動等影響下,黃土邊坡變形失穩引發地質災害的可能性較大,對人民生命財產安全構成嚴重威脅。

近年來,隨著社會經濟飛速發展,陜北地區依山而建的工程建設項目日漸增多,為滿足工程建設項目對建設場地的需求,大部分工程存在邊坡開挖現象。由于其獨特的地層條件和區域水文地質條件,大量文獻表明,對于具有較強裂隙性、結構性、水敏性的黃土地層來說,在人工開挖、降雨入滲和地震荷載等工況下,邊坡的開挖將會產生不安全因素[2]。同時,邊坡開挖不規范、防護不到位等因素,極易造成黃土邊坡發生變形失穩,誘發黃土崩塌、滑坡地質災害,對工程建設項目構成嚴重危害。因此,在工程建設項目開展前期,查明邊坡的基本特征,評價其穩定性,并科學合理地進行防護治理,對保障工程建設項目安全有著重要的意義。

本文以陜北綏德張家砭鎮五里店村某緊鄰工程建設項目場地的黃土邊坡為例,系統開展了該邊坡的地質環境背景、基本特征、影響因素、穩定性評價及防治措施等相關研究。

1 地質環境背景

1.1 氣象水文

1.1.1 氣 象

綏德縣屬溫帶大陸性半干旱氣候。根據綏德縣1978～2018年氣象資料統計[3],年平均氣溫為10.2 ℃;年平均相對濕度為55.4%;年平均風速為2.4 m/s;年平均總日照時數為2 610.8 h;年平均無霜期為165 d;年平均最大凍土深度為92 cm;年平均降水量為446.5 mm,降水多集中在夏季,7月份降水最多為109.7 mm,12月份降水最少為2.8 mm,夏季降水比例占全年的56.86%。

1.1.2 水 文

研究區地處無定河流域,無定河自東北向西南從工程建設項目場地東側約50 m處流過。區內無地表河流水系分布,僅在邊坡東北和西南兩側各發育一條沖溝,屬季節性溝谷,匯水面積較小。

1.2 地形地貌

研究區位于綏德縣城北側的張家砭鎮五里店村,總體地形為西北高東南低,海拔介于820～910 m,最大相對高差90 m。地貌分為河谷階地和黃土梁峁。

1.2.1 河谷階地

河谷階地分布于研究區東南部,位于無定河右岸,屬無定河一級階地,為工程建設項目場地主要分布區,已完成人工整平,地形平緩開闊,海拔標高介于820～825 m。

1.2.2 黃土梁峁

黃土梁峁分布于研究區西北部,為本次研究的黃土邊坡所在區域。邊坡總體呈西南—東北走向展布,坡向約145°,平面形態呈扇形,剖面形態呈直線型,海拔標高約介于825～915 m。

1.3 地層巖性

經野外調查,研究區廣泛分布第四系地層,出露地層由老到新為第四系中更新統離石黃土(Q2eol)、上更新統馬蘭黃土(Q3eol)和全新統人工填土(Q4ml)。

1.3.1 離石黃土

離石黃土出露于邊坡中下部,厚度約50～60 m,褐黃色,成分主要為粉土,稍密—中密,稍濕,土質均勻,含少量蟲孔、蝸牛殼,具濕陷性。

1.3.2 馬蘭黃土

馬蘭黃土出露于邊坡上部,厚度約20～35 m,淺黃—灰黃色,成分主要為粉土,質地均一,稍密—中密,稍濕,多大孔隙,土質疏松,垂直節理發育,遇水易崩解,具濕陷性。

1.3.3 人工填土

人工填土出露于工程建設項目場地,厚度約2～3 m,灰黃色—褐黃色,成分以粉土為主,松散,稍濕,土質不均勻,局部夾細砂、植物根系及建筑垃圾,級配較差,承載力低,工程性能較差。

1.4 地質構造與地震

1.4.1 地質構造

綏德縣位于華北地臺鄂爾多斯臺向斜東部陜北斜坡上,區內地質構造簡單,無大型褶皺、斷裂,主要發育兩條斷層,郝家橋斷層和霍家溝斷層,同呈東西向展布。新生代第四紀以來,本區構造運動以振蕩性間歇性緩慢上升為主,外營力作用較強烈,以剝蝕、侵蝕為主,堆積為輔[4]。

1.4.2 地 震

根據《中國地震動參數區劃圖:GB 18306-2015》[5],研究區所在地區的地震動峰值加速度為0.05 g,地震動反應譜特征周期為0.35 s,對應的地震基本烈度為Ⅵ度。根據《建筑抗震設計規范(2016年版):GB 50011-2010》[6],綏德縣抗震設防烈度為Ⅵ度,設計基本地震加速度值為0.05 g,所屬的設計地震分組為第一組。

據史料記載,綏德縣未發生過破壞性強的地震,屬弱地震區,也無地震引發滑坡、崩塌等地質災害的記載[7]。地震對邊坡穩定性影響較小。

1.5 水文地質條件

研究區內地下水類型主要為黃土層裂隙孔洞潛水,含水層巖性為粉土,賦存在黃土層的大孔隙、小孔洞和柱狀裂隙中,分布零散而不連續,埋深較大,水量貧乏,富水性極弱。該類地下水主要依靠大氣降水補給,徑流方向大體與地形條件相一致,一般由梁峁頂部或斜坡向溝谷排泄。

研究區地下水埋藏較深,在坡體周圍未發現泉水跡象,勘探深度內均未見地下水,地下水對邊坡穩定性影響較小。

1.6 人類工程活動

研究區及周邊人口分布較為密集,人類工程活動形式較為多樣,主要表現為道路修建、房屋修建、邊坡開挖等,對地質環境尤其是地形地貌的改變較為強烈。

2 邊坡基本特征及影響因素

2.1 邊坡基本特征

2.1.1 基本特征

該黃土邊坡位于綏德縣張家砭鎮五里店村,地處無定河一級階地與黃土梁峁過渡的斜坡地帶,位于工程建設項目場地西側,為早期人工削坡后形成的黃土邊坡,西南—東北走向展布,坡向約145°,坡體長約170 m,寬約200 m,海拔高程約介于820～910 m之間,最大相對高差90 m,組成物質為第四系中、上更新統黃土。

邊坡坡面種植有灌木、油松及側柏,平面形態呈扇形,剖面形態呈直線型,總體坡度約35°。坡體中部因人工開挖形成兩級寬度約1～2 m的窄平臺和高約1 m的陡坎;坡體前緣由于人工開挖破壞原始地貌,形成高約10～14 m的近直立陡坎。

邊坡工程地質平面示意圖如圖1,工程地質剖面如圖2。

2.1.2 變形特征

通過野外詳細調查,在邊坡坡面可見到3條明顯的裂縫,分別位于西側邊緣(L1裂縫)、西側前緣陡坎頂部(L2裂縫)及中東部(L3裂縫)。其中,L1裂縫南西-北東方向延伸,長度約80 m,寬度約1～5 cm,下錯約10 cm,為局部滑塌錯動形成;L2裂縫走向與斜坡走向一致,呈西南-東北走向,長度約25 m,寬度約10～50 cm,可見深度約1.5～2 m,為坡面流水沖蝕形成;L3裂縫縱向順坡面延伸,長度約20 m,寬度約5～20 cm,可見深度約1 m,為坡腳開挖卸荷后形成的拉張裂縫。

調查發現,該邊坡坡面無完善的截排水措施,受降雨沖刷侵蝕較為嚴重,加之坡體上部發育的沖溝積水匯水,加劇了坡面雨水沖蝕程度,坡面及坡腳可見明顯發育的落水洞3處(D1～D3),洞口均呈不規則狀,長度約0.5～1 m,寬度約0.3～0.5 m,可見深度約1～3 m,為初期地面裂縫在坡面長時間沖刷、雨水下滲作用下不斷擴張而形成。

此外,受人工開挖及降雨沖蝕影響,邊坡前緣陡坎處土體松散破碎,節理裂隙發育強烈,裂隙寬度約3～10 cm,縱向延伸長度約1～3 m,土體剝墜及落掉塊跡象明顯,多處有危巖體存在,存在崩塌隱患。

2.2 影響因素

影響邊坡穩定的因素主要有內在因素和外在因素兩方面。內在因素對邊坡的穩定性起主導控制作用,外部因素對邊坡的穩定性起誘發破壞作用[8]。

調查發現,該黃土邊坡地處黃土梁峁與河谷階地過渡的斜坡地帶,影響其穩定的內在因素主要包括地形地貌和地層巖性,是基礎條件;外在因素主要包括降水及凍融作用和人類工程活動,是誘發條件。

2.2.1 地形地貌

地形地貌對地質災害的發育程度起著決定性作用,黃土斜坡的地形地貌,則是黃土滑坡災害產生的先決條件[9]。斜坡越高,臨空面越大,其穩定性越差。該邊坡最大相對高差90 m,前緣坡腳人工開挖形成高度約10～14 m的陡坎,這些都為邊坡的變形破壞提供了良好的動力條件和空間基礎。

2.2.2 地層巖性

地層巖性是滑坡、崩塌等地質災害發生的物質基礎,巖土體特性是滑坡、崩塌等地質災害發生的力學要素。該邊坡由第四系中、上更新統黃土組成,成分以粉土為主,土體松散,大孔隙發育,垂直節理發育,具濕陷性,在干燥情況下土體強度較高,浸水時易發生變形及崩解,抗剪強度大幅度降低,在降雨、凍融等因素影響下,易引發邊坡失穩形成崩塌、滑坡地質災害。

2.2.3 降水及凍融

降雨是誘發邊坡失穩滑塌的主要因素之一。在斜坡區域,強降水會加劇坡面侵蝕,加快水土流失;而連陰雨則一般歷時較長,大氣降水沿土體裂縫及孔隙滲入坡體內,導致土體飽水軟化,自重增加,抗剪強度降低,孔隙水壓力增大,水的入滲使土體強度大大降低,垂直節理迅速擴展形成貫通結構面,使坡體處于欠穩定狀態,最終在重力作用下土體沿著貫通的結構面發生滑塌。

同時,冰雪消融和凍土融化作用也會誘發地質災害[10]。由于消融—凍結—消融作用反復進行,使黃土裂隙不斷加深加寬,并形成貫通的裂隙面,加速邊坡失穩滑塌。

2.2.4 人類工程活動

地質災害的形成是自然原因和人為原因在一定環境條件下共同作用的結果。人工開挖邊坡破壞了坡體原有平衡狀態,使得坡腳應力集中,且形成高陡臨空面,下部失去抗滑阻力,在重力作用下累進性破壞導致土體抗剪強度降低,易發生滑坡、崩塌地質災害。

調查發現,該邊坡為早期人工削坡后形成。由于工程建設整平場地需要,坡體前緣再次進行開挖,形成高度約10～14 m的陡坎,在卸荷作用下陡坎邊緣裂隙發育強烈,土體剝墜落、掉塊跡象明顯,發育多處危巖體,存在崩塌隱患。坡體前緣失穩崩塌后,邊坡上部土體在自重、降雨等作用下,受到牽引極易從陡坎處剪出發生滑塌。

3 邊坡穩定性評價

3.1 定性評價

該邊坡地處河谷階地與黃土梁峁過渡的斜坡地帶,相對高差大,整體位于易滑塌變形地段,加之坡腳開挖形成高陡臨空面,不僅改變了坡體應力平衡狀態,還為邊坡失穩提供了動力基礎和滑塌空間;坡面缺乏合理有效的截排水,降雨沖蝕導致坡體多處發育落水洞及沖溝;加之黃土本身的濕陷性、大孔隙、節理發育、力學強度較低、透水性較強等特性,邊坡小范圍、小規模的滑塌、掉塊現象時有發生。

定性評價認為,該邊坡現狀處于蠕動變形階段,整體處于基本穩定狀態,若遇暴雨、連陰雨及不合理人類工程活動等情況下失穩滑塌的可能性較大,對坡腳的工程建設項目構成嚴重威脅。

3.2 定量評價

3.2.1 計算方法

極限平衡法是一種傳統而成熟的邊坡穩定性分析方法[11]。極限平衡法主要有Fellenius法、Bishop法、Janbu法、Morgenstern-Price法與Sarma法等[12]。

為最大限度反映邊坡穩定程度,本次計算采用理正邊坡穩定性分析軟件進行定量評價。根據《建筑邊坡工程技術規范:GB 50330-2013》[13],采用圓弧滑動條分法對邊坡穩定性進行定量計算,分析方法采用簡化畢肖普法,自動搜索出最危險滑裂面,算出邊坡穩定系數。

3.2.2 計算工況

研究區地震基本烈度為Ⅵ度,未發現地下水,根據《建筑邊坡工程技術規范:GB 50330-2013》[13],可不考慮地震及地下水對邊坡穩定性的影響。故本次穩定性計算分工況Ⅰ(天然狀態,自重)和工況Ⅱ(飽和狀態,自重+暴雨)兩種狀態進行。

根據前人多項研究,結合研究區降雨特征,暴雨或連陰雨時黃土邊坡不可能整體達到飽和狀態。許多現場觀測表明地表水在黃土中的垂直入滲深度有限;截止目前,人工降雨原位入滲試驗確定的黃土最大入滲深度只有4 m[14]。

因此,本次計算在工況Ⅰ時土體參數取天然重度和天然抗剪強度;在工況Ⅱ時按黃土最大入滲深度為4 m考慮,即在4 m以上深度范圍內土體參數取飽和重度和飽和抗剪強度,在4 m以下深度范圍內土體參數取天然重度和天然抗剪強度。

3.2.3 計算參數

本次穩定性計算選用的參數取值主要考慮了邊坡物質組成、土體物理力學性質試驗結果及周邊類似工程土體力學性質參數經驗值幾個因素。

野外調查對離石黃土和馬蘭黃土兩組地層進行了鉆探及探井取樣,在室內土工試驗結果數理統計分析的基礎上,結合周邊類似工程黃土參數及黃土邊坡治理工程經驗,綜合確定邊坡穩定性計算土體參數建議值(表1)。

表1 邊坡穩定性計算土體參數建議值

3.2.4 計算結果

根據邊坡形態,在可能發生滑塌變形的方向上選取具有代表性的3條剖面(1-1′～3-3′),分別在工況Ⅰ和工況Ⅱ條件下進行穩定性計算,穩定系數計算及穩定性評價結果見表2。

表2 邊坡穩定系數計算結果

根據《建筑邊坡工程技術規范:GB50330-2013》[12],對照計算結果可知,該邊坡在工況Ⅰ穩定系數為1.059～1.113,處于基本穩定狀態;在工況Ⅱ穩定系數為0.618～0.867,處于不穩定狀態。

4 防治措施建議

本著“人民至上,生命至上”和“預防為主,防治結合”的指導思想,為確保邊坡長期穩定,保障工程建設項目安全,應對該邊坡提前進行防治,消除安全隱患。

在考慮該邊坡的類型、規模、影響因素、穩定性及威脅對象的基礎上,充分結合研究區地質環境條件、施工條件及陜北地區黃土邊坡治理經驗,按照措施安全、技術可行、經費合理的原則,提出“分級削坡、坡腳支擋、截排水渠、坡面綠化、變形監測”的綜合防治措施建議。具體措施如下:

(1)對該黃土邊坡陡坎以上部分進行分級開挖削坡,對坡面發育的落水洞進行回填夯實。建議單級邊坡坡比1∶0.75～1∶1,單級邊坡高度6～8 m,平臺寬度3～6 m。

(2)在坡腳設置重力式漿砌石擋墻對坡體進行支擋防護,擋墻采用直立式,水泥砂漿砌筑,基礎采用三七灰土墊層換填,墻身設置伸縮縫及泄水孔,墻后設置反濾層。

(3)在邊坡邊界以外和各級平臺設置橫向截水渠,沿坡面設置縱向排水渠,在橫、縱水渠交匯區域設置消力池,將整個排水系統連接,并最終與坡腳建設項目排水系統相連。

(4)在分級削坡后形成的各級平臺栽種檸條、紫穗槐、側柏等苗木,在分級削坡后形成的各級邊坡采用人工打孔的方式穴播種草,能有效防治雨水沖刷,減少水土流失,美化生態環境。

(5)為保證施工安全,同時也為了檢驗工程治理效果,及時掌握邊坡變形特征,應對治理后邊坡和擋墻進行長期變形監測,特別是雨季和凍融期應加強監測,以便及時預警并采取有效防治措施。

5 結 論

本文以陜北綏德張家砭鎮五里店村某工程建設項目場地緊鄰的黃土邊坡為研究對象,在收集前人成果資料的基礎上,通過野外調查、工程地質勘查、室內土工試驗、資料綜合整理分析等方法,掌握了研究區地質環境背景,查明了邊坡特征,分析了影響因素,進行了穩定性評價,提出了防治措施建議。主要得出以下幾點結論:

(1)綏德縣某黃土邊坡地處無定河一級階地與黃土梁峁過渡的斜坡地帶,緊鄰工程建設項目場地,坡體相對高差大,原始地形受開挖破壞明顯,坡面沖刷強烈,坡腳多處臨空變形存在崩塌隱患。

(2)地形地貌、地層巖性是影響該邊坡穩定性的內在基礎因素,降水及凍融作用和人類工程活動加劇了邊坡的變形破壞。

(3)采用定性與定量相結合的方法,進行了邊坡穩定性評價:在天然狀態下基本穩定;在飽和狀態下不穩定,對緊鄰的工程建設項目的安全構成嚴重威脅。

(4)提出了“分級削坡、坡腳支擋、截排水渠、坡面綠化、變形監測”的綜合防治措施建議,能夠有效保障工程建設項目安全,也為陜北地區同類黃土邊坡防治提供借鑒。