楊炳強

（天水市水利水電勘測設計研究院有限公司，甘肅 天水 741000）

天水市甘谷縣散渡河為渭河左岸一級支流，流經(jīng)黃土高原區(qū)，散渡河流域暴雨洪災出現(xiàn)頻繁，來勢兇猛，破壞力強，為典型的季節(jié)性山區(qū)河流，長期受到降雨以及河流的沖刷，河谷區(qū)形成高陡黃土邊坡，極易發(fā)生崩滑，加之人類工程活動頻繁，兩岸長期受山洪災害影響，給當?shù)氐霓r(nóng)業(yè)生產(chǎn)造成嚴重影響。

1 工程概況

散渡河流域為典型的黃土梁峁溝壑區(qū)，由于其特殊的地形地貌特征，黃土崩滑比較嚴重。以《天水市甘谷縣散渡河流域污染源治理工程（水利部分）》為例，該項目主要是進行散渡河流域綜合治理，河道規(guī)整治理。甘谷縣近年加大了對轄區(qū)內(nèi)流域河道防洪的建設力度，本工程建成將有效保護當?shù)厝罕姷纳拓敭a(chǎn)安全，促進流域內(nèi)農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，進一步完善了工程區(qū)防洪治理體系，為當?shù)厝嗣袢罕娚敭a(chǎn)安全提供了有力的保障，促進了散渡河流域農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和經(jīng)濟良好發(fā)展。

1.1 工程現(xiàn)狀

本次治理段為散渡河左右兩岸，由于上下游整體防洪體系不健全，散渡河暴雨洪災出現(xiàn)頻繁，破壞力強，部分河岸沖刷、崩滑嚴重，對河床的形態(tài)影響較大，嚴重影響河道行洪，近年來受洪水沖刷，工程區(qū)多次出現(xiàn)毀路、毀田等險情，給兩岸群眾的生命財產(chǎn)安全形成嚴重威脅。河道兩岸的磚廠、脊獸加工廠在河道內(nèi)違法取土、采砂現(xiàn)象嚴重，加劇了洪水對河道的沖刷，導致已建河堤局部被沖毀，局部岸坎受到強烈淘蝕沖刷，岸坎相對高度不斷增大，坡度變陡，從而形成高陡邊坡，嚴重危及兩岸村莊及耕地的安全。

1.2 高陡黃土邊坡治理的必要性

散渡河為典型的山區(qū)河流，洪水多由暴雨形成，流量隨季節(jié)變化較大。河道陡、流速快，洪水來勢兇猛，破壞力強等主要特征。工程區(qū)散渡河呈“S”形，多形成狹窄河道和心灘，一遇暴雨，河水極易在轉(zhuǎn)彎和狹窄段沖上岸坎，沖毀農(nóng)田及基礎設施，嚴重威脅村莊及房屋安全。近年來河道來回擺動，不斷沖刷兩岸岸坎上耕地，給兩岸的居民、耕地的防洪安全形成嚴重威脅。

2 滑坡、崩塌發(fā)育條件

2.1 地形地貌

工程區(qū)地處甘谷縣北部的散渡河流域，地形地貌上屬秦嶺山地北坡西段與隴中黃土高原西南邊緣復合地帶，地貌類型屬黃土梁峁溝壑區(qū)，多為構(gòu)造低中山，黃土區(qū)梁峁地形發(fā)育，溝壑縱橫，支離破碎，梁脊狹窄。按地貌形態(tài)可分為低中山黃土梁峁溝壑區(qū)和散渡河河谷區(qū)兩個地貌單元。a.低中山黃土梁峁溝壑區(qū)，工程區(qū)兩岸的II 級階地區(qū)及河谷兩岸山體II 級階地區(qū)由第四系黃土組成，村莊及農(nóng)田主要分布在II 級階地區(qū)，因河流不斷下切，加之側(cè)向淘蝕沖刷，形成近乎直立的黃土陡砍，其高度在5～30m 之間，下伏第三系磚紅色泥巖，海拔約1420～1890m。b.散渡河河谷區(qū)，工程區(qū)所處散渡河河谷區(qū)，河谷寬650～1550m，河床漫灘寬50～185m，該河屬典型的山區(qū)型高彎度河流。河漫灘地下水埋深1.0～2.2m，散渡河河谷呈“S”型狀，走向大至由北向南。

2.2 地層巖性

根據(jù)挖探及工程區(qū)相關地質(zhì)資料，區(qū)內(nèi)出露的地層主要有：新第三系（N）和第四系（Q）。

根據(jù)工程區(qū)揭露地層巖性，高陡岸坎主要由上更新統(tǒng)黃土組成，為散渡河II 級階地，呈灰黃-黃褐色，厚約6.5～25.0m，具大孔隙，垂直節(jié)理發(fā)育，土質(zhì)均勻，含少量鈣質(zhì)結(jié)核；下伏新第三系泥巖層，厚度較大；現(xiàn)代河床漫灘地層巖性為沖洪積砂卵礫石層，結(jié)構(gòu)稍密～密實，巖性為長石、砂巖、砂礫巖等，含泥量較高，砂卵礫石層厚度3.0～6.0m（圖1）。

圖1 散渡河典型橫斷面圖

2.3 地質(zhì)構(gòu)造

天水市甘谷縣地處黃土高原區(qū)，工程區(qū)隴西系旋卷構(gòu)造與祁呂賀“山”字型構(gòu)造體系前弧褶皺帶復合部位，地貌上屬甘肅中東部黃土覆蓋的低山丘陵區(qū)的山間河谷地，表層覆蓋著第四系黃土層，下伏基巖為新第三系磚紅色泥巖層。散渡河流經(jīng)渭北黃土梁峁溝壑區(qū)，為渭河一級支流，流域河道彎曲，支溝發(fā)育，黃土覆蓋，光山禿嶺。

2.4 水文地質(zhì)條件

本區(qū)地下水主要為潛水，賦存于散渡河河床漫灘及I級階地砂卵礫石層中，受大氣降水、灌溉回歸水（指II 級階地上的大片農(nóng)田）的影響，地下水主要向下游排泄，轉(zhuǎn)化成地表水匯入散渡河。河漫灘地下水埋深0.5～3.5m，I級階地地下水埋深3.0～7.5m，主要受散渡河河水的補給。

2.5 物理地質(zhì)現(xiàn)象

因工程區(qū)處在黃土覆蓋的干旱山區(qū)，河勢流態(tài)為典型的山區(qū)型高彎度河流，側(cè)向侵蝕作用強烈，兩岸岸坡均為黃土岸坡，且形成近乎直立的陡壁，高度在6.5～25.0m 之間，岸坡崩滑是區(qū)內(nèi)主要的不良物理地質(zhì)現(xiàn)象，易造成河道堵塞，侵蝕耕地、農(nóng)田，危及村莊安全等，形成災害。

3 滑坡、崩塌影響因素

3.1 降雨和灌溉水作用

研究區(qū)內(nèi)主要以黃土地層為主，水是滑坡、崩塌形成的關鍵因素，主要分以下幾個部分研究:

3.1.1 地表水的入滲，地表水主要通過兩種途徑入滲：a.通過黃土節(jié)理入滲，黃土垂直節(jié)理發(fā)育，水體豎向下滲受黃土垂直節(jié)理控制，而地表水通過節(jié)理入滲是個長期過程。b.通過地裂縫及落水洞入滲，岸坎上發(fā)育有落水洞和裂縫，地表水主要沿落水洞和裂縫滲入高岸坎坡體。

3.1.2 水對土體的作用：a.地下水對滑坡形成的影響，滲入土體內(nèi)部的水體易在坡體內(nèi)形成飽水帶，飽水帶經(jīng)長期浸潤、掏蝕和軟化導致原有土體的力學性質(zhì)大大降低。b.季節(jié)性凍結(jié)滯水促滑效應，黃土高陡岸坎塌滑的常在冬春季凍融期發(fā)生，因此，季節(jié)性凍融與滑坡密切相關，其可歸結(jié)為地下水的一種作用形式。

3.2 人類工程活動

近年來，隨著經(jīng)濟的發(fā)展和國家對基礎設施的建設，人類對于黃土滑坡、崩塌的影響越來越大，主要有：a.改變坡體結(jié)構(gòu)，在坡體上開挖，開挖坡腳和河道挖砂，部分坡體被改造，改變了坡體原有的力學平衡；b.河道兩岸的磚廠、脊獸加工廠在河道內(nèi)違法取土、采砂現(xiàn)象嚴重，加劇了洪水對河道的沖刷，導致已建河堤局部被沖毀，岸坎高陡。

3.3 河流沖刷

河谷地帶高陡邊坡主要是河流的沖刷形成，區(qū)內(nèi)主要降雨在雨季，由于上下游整體防洪體系不健全，散渡河暴雨洪災出現(xiàn)頻繁，破壞力強，部分河岸沖刷、崩滑嚴重，加之人類河道采砂嚴重，河床面下切較多，隨著長期的沖刷，邊坡越來越陡，陡坎相對高差越來越大，災害不斷加劇。

4 利用FLAC3D 對散渡河典型高陡邊坡進行數(shù)值模擬

4.1 FLAC3D 簡介

FLAC 是一種有限差分軟件，采用顯式拉格朗日算法，本構(gòu)模型為Mohr-Coulomb 模型，M-C 模型適用于在剪應力下屈服（圖2）。

圖2 FLAC3D 一般求解流程

4.2 典型高陡黃土邊坡數(shù)值模擬

通過野外實地勘測調(diào)查和室內(nèi)相關資料的學習，對黃土滑坡有了一定的認識，在此基礎上，利用FLAC3D軟件選取較典型高陡邊坡進行數(shù)值模擬。通過模擬地下水位的變化對邊坡的影響，以此來研究區(qū)內(nèi)典型高陡邊坡的穩(wěn)定性及變形破壞機理。根據(jù)野外調(diào)查資料，同時參考相關資料，選取典型黃土邊坡為計算模型。

4.3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

4.3.1 數(shù)值模擬結(jié)果

高陡邊坡坡體臨空面大，上部堆積較厚的風積黃土，下部受季節(jié)性洪水沖刷，為了探究地下水位上升對坡體的影響，分別進行了不考慮地下水和地下水位逐 漸 上 升 (0m、5m 和10m)各工況下對邊坡的影響，通過M-C 模型進行模擬，模擬結(jié)果如圖3～5 所示。

圖3 位移矢量云圖

4.3.2 數(shù)值模擬結(jié)果分析

通過對邊坡模型進行了0m、5m、10m 水位和不考慮地下水條件下M-C 模型計算，分別選取位移場計算結(jié)果、剪應變增量、塑性區(qū)作為作為穩(wěn)定性分析的依據(jù)，以此探究地下水位變化對高陡邊坡穩(wěn)定性的影響。

塑性區(qū)作為斜坡穩(wěn)定性判別的重要標志，反映了土體的應力應變所處狀態(tài)，其是否貫通可作為判別邊坡整體滑移的依據(jù)。如塑性區(qū)云圖4 所示：a.岸坎與河床漫灘交界處先形成剪切塑性區(qū)。b.隨著地下水的上升，孔隙水壓力增大，坡體內(nèi)部逐漸發(fā)生塑性破壞，當塑性區(qū)完全貫通后，就從坡腳整體剪出，發(fā)生滑動。

圖4 塑性區(qū)云圖

從數(shù)值模擬的結(jié)果可以看出，地下水對高陡岸坎穩(wěn)定性影響顯著。隨著地下水的上升，岸坎坡體內(nèi)部水平位移、塑性區(qū)、剪應變增量等均在增大，達到一定情況時，坡體內(nèi)形成弧形滑動面，隨著后緣開裂，中下部剪應力逐漸增大，塑性區(qū)進一步擴展，土體達到極限平衡狀態(tài)。隨著水位進一步上升，塑性區(qū)貫通，土體從下部剪應變集中處（即飽和層）剪出，形成整體滑動，與研究區(qū)滑坡變形破壞情況類似。

圖5 孔隙水壓力云圖

5 防治措施

通過野外實地勘測，以及黃土崩滑影響因素分析和數(shù)值模擬，散渡河流域高陡黃土邊坡穩(wěn)定性主要受河流的沖刷和地下水位的影響，結(jié)合本地區(qū)區(qū)域地質(zhì)概況和數(shù)值模擬情況，該地區(qū)高陡黃土邊坡防治措施主要有以下幾點：a.排水，水是黃土邊坡崩滑的主要影響因素，在高陡邊坡上，修筑縱向和側(cè)向排水渠，將水排入支溝或是河道，減少地表水的入滲，同時也能減小因地表水入滲而引起坡體自重增大，減小了滑坡下滑力。b.削坡，在地形開闊，條件允許的坡體，對于高陡黃土邊坡采用分級削坡，同時坡體上邊可以種植綠色植被。c.河道治理，河道規(guī)整治理可以有效地抵抗河流的沖刷，防止河流對坡腳的沖刷，同時可以減輕地下水對坡腳侵蝕，減少水對坡體穩(wěn)定性的影響。d.削坡和護腳結(jié)合，削坡可以有效地減小坡體自重，減小下滑力；護腳可以減小水對坡體穩(wěn)定性的影響，以及抗擊河流的沖刷，該措施是本地區(qū)比較可行的方案。

6 結(jié)論

散渡河流域黃土崩滑比較嚴重，已嚴重制約當?shù)亟?jīng)濟農(nóng)業(yè)發(fā)展，本文從區(qū)域地質(zhì)概況和人類工程活動，結(jié)合野外調(diào)查資料和勘測情況，分析了高陡黃土岸坎的發(fā)育特征，及岸坎崩滑的影響因素。接著利用FLAC3D 軟件對典型高陡黃土邊坡進行了數(shù)值模擬，分別研究了未考慮地下水和考慮地下水位上升情況下對邊坡的影響，通過水平位移、剪應變增量和塑性區(qū)分析了地下水位變化對高陡邊坡穩(wěn)定性的影響。