楊克儉,高成虎,羅星

(1.陜西省水工環(huán)地質(zhì)調(diào)查中心,陜西 西安 710068;2.陜西科睿斯達環(huán)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(xué)強度較低等,黃土地區(qū)的環(huán)境地質(zhì)災(zāi)害,如水土流失、地基沉陷、崩塌、坍塌、滑坡等,時常發(fā)生,嚴重制約著黃土地區(qū)的經(jīng)濟發(fā)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(wěn)引發(fā)地質(zhì)災(zāi)害的可能性較大,對人民生命財產(chǎn)安全構(gòu)成嚴重威脅。

近年來,隨著社會經(jīng)濟飛速發(fā)展,陜北地區(qū)依山而建的工程建設(shè)項目日漸增多,為滿足工程建設(shè)項目對建設(shè)場地的需求,大部分工程存在邊坡開挖現(xiàn)象。由于其獨特的地層條件和區(qū)域水文地質(zhì)條件,大量文獻表明,對于具有較強裂隙性、結(jié)構(gòu)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(chǎn)生不安全因素[2]。同時,邊坡開挖不規(guī)范、防護不到位等因素,極易造成黃土邊坡發(fā)生變形失穩(wěn),誘發(fā)黃土崩塌、滑坡地質(zhì)災(zāi)害,對工程建設(shè)項目構(gòu)成嚴重危害。因此,在工程建設(shè)項目開展前期,查明邊坡的基本特征,評價其穩(wěn)定性,并科學(xué)合理地進行防護治理,對保障工程建設(shè)項目安全有著重要的意義。

本文以陜北綏德張家砭鎮(zhèn)五里店村某緊鄰工程建設(shè)項目場地的黃土邊坡為例,系統(tǒng)開展了該邊坡的地質(zhì)環(huán)境背景、基本特征、影響因素、穩(wěn)定性評價及防治措施等相關(guān)研究。

1 地質(zhì)環(huán)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(jù)綏德縣1978～2018年氣象資料統(tǒng)計[3],年平均氣溫為10.2 ℃;年平均相對濕度為55.4%;年平均風(fēng)速為2.4 m/s;年平均總?cè)照諘r數(shù)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(qū)地處無定河流域,無定河自東北向西南從工程建設(shè)項目場地東側(cè)約50 m處流過。區(qū)內(nèi)無地表河流水系分布,僅在邊坡東北和西南兩側(cè)各發(fā)育一條沖溝,屬季節(jié)性溝谷,匯水面積較小。

1.2 地形地貌

研究區(qū)位于綏德縣城北側(cè)的張家砭鎮(zhèn)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(qū)東南部,位于無定河右岸,屬無定河一級階地,為工程建設(shè)項目場地主要分布區(qū),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(qū)西北部,為本次研究的黃土邊坡所在區(qū)域。邊坡總體呈西南—東北走向展布,坡向約145°,平面形態(tài)呈扇形,剖面形態(tài)呈直線型,海拔標高約介于825～915 m。

1.3 地層巖性

經(jīng)野外調(diào)查,研究區(qū)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(tǒng)離石黃土(Q2eol)、上更新統(tǒng)馬蘭黃土(Q3eol)和全新統(tǒng)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(zhì)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(zhì)地均一,稍密—中密,稍濕,多大孔隙,土質(zhì)疏松,垂直節(jié)理發(fā)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(shè)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(zhì)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(zhì)構(gòu)造與地震

1.4.1 地質(zhì)構(gòu)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(qū)內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造簡單,無大型褶皺、斷裂,主要發(fā)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(qū)構(gòu)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(jù)《中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖:GB 18306-2015》[5],研究區(qū)所在地區(qū)的地震動峰值加速度為0.05 g,地震動反應(yīng)譜特征周期為0.35 s,對應(yīng)的地震基本烈度為Ⅵ度。根據(jù)《建筑抗震設(shè)計規(guī)范(2016年版):GB 50011-2010》[6],綏德縣抗震設(shè)防烈度為Ⅵ度,設(shè)計基本地震加速度值為0.05 g,所屬的設(shè)計地震分組為第一組。

據(jù)史料記載,綏德縣未發(fā)生過破壞性強的地震,屬弱地震區(qū),也無地震引發(fā)滑坡、崩塌等地質(zhì)災(zāi)害的記載[7]。地震對邊坡穩(wěn)定性影響較小。

1.5 水文地質(zhì)條件

研究區(qū)內(nèi)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(xù),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(qū)地下水埋藏較深,在坡體周圍未發(fā)現(xiàn)泉水跡象,勘探深度內(nèi)均未見地下水,地下水對邊坡穩(wěn)定性影響較小。

1.6 人類工程活動

研究區(qū)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(xiàn)為道路修建、房屋修建、邊坡開挖等,對地質(zhì)環(huán)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(zhèn)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(shè)項目場地西側(cè),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(zhì)為第四系中、上更新統(tǒng)黃土。

邊坡坡面種植有灌木、油松及側(cè)柏,平面形態(tài)呈扇形,剖面形態(tài)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(zhì)平面示意圖如圖1,工程地質(zhì)剖面如圖2。

2.1.2 變形特征

通過野外詳細調(diào)查,在邊坡坡面可見到3條明顯的裂縫,分別位于西側(cè)邊緣(L1裂縫)、西側(cè)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(diào)查發(fā)現(xiàn),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(fā)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(fā)育的落水洞3處(D1～D3),洞口均呈不規(guī)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(jié)理裂隙發(fā)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(wěn)定的因素主要有內(nèi)在因素和外在因素兩方面。內(nèi)在因素對邊坡的穩(wěn)定性起主導(dǎo)控制作用,外部因素對邊坡的穩(wěn)定性起誘發(fā)破壞作用[8]。

調(diào)查發(fā)現(xiàn),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(wěn)定的內(nèi)在因素主要包括地形地貌和地層巖性,是基礎(chǔ)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(fā)條件。

2.2.1 地形地貌

地形地貌對地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)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(zāi)害產(chǎn)生的先決條件[9]。斜坡越高,臨空面越大,其穩(wěn)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(chǔ)。

2.2.2 地層巖性

地層巖性是滑坡、崩塌等地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的物質(zhì)基礎(chǔ),巖土體特性是滑坡、崩塌等地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的力學(xué)要素。該邊坡由第四系中、上更新統(tǒng)黃土組成,成分以粉土為主,土體松散,大孔隙發(fā)育,垂直節(jié)理發(fā)育,具濕陷性,在干燥情況下土體強度較高,浸水時易發(fā)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(fā)邊坡失穩(wěn)形成崩塌、滑坡地質(zhì)災(zāi)害。

2.2.3 降水及凍融

降雨是誘發(fā)邊坡失穩(wěn)滑塌的主要因素之一。在斜坡區(qū)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(nèi),導(dǎo)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(jié)理迅速擴展形成貫通結(jié)構(gòu)面,使坡體處于欠穩(wěn)定狀態(tài),最終在重力作用下土體沿著貫通的結(jié)構(gòu)面發(fā)生滑塌。

同時,冰雪消融和凍土融化作用也會誘發(fā)地質(zhì)災(zāi)害[10]。由于消融—凍結(jié)—消融作用反復(fù)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(wěn)滑塌。

2.2.4 人類工程活動

地質(zhì)災(zāi)害的形成是自然原因和人為原因在一定環(huán)境條件下共同作用的結(jié)果。人工開挖邊坡破壞了坡體原有平衡狀態(tài),使得坡腳應(yīng)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(dǎo)致土體抗剪強度降低,易發(fā)生滑坡、崩塌地質(zhì)災(zāi)害。

調(diào)查發(fā)現(xiàn),該邊坡為早期人工削坡后形成。由于工程建設(shè)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(fā)育強烈,土體剝墜落、掉塊跡象明顯,發(fā)育多處危巖體,存在崩塌隱患。坡體前緣失穩(wěn)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(fā)生滑塌。

3 邊坡穩(wěn)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(yīng)力平衡狀態(tài),還為邊坡失穩(wěn)提供了動力基礎(chǔ)和滑塌空間;坡面缺乏合理有效的截排水,降雨沖蝕導(dǎo)致坡體多處發(fā)育落水洞及沖溝;加之黃土本身的濕陷性、大孔隙、節(jié)理發(fā)育、力學(xué)強度較低、透水性較強等特性,邊坡小范圍、小規(guī)模的滑塌、掉塊現(xiàn)象時有發(fā)生。

定性評價認為,該邊坡現(xiàn)狀處于蠕動變形階段,整體處于基本穩(wěn)定狀態(tài),若遇暴雨、連陰雨及不合理人類工程活動等情況下失穩(wěn)滑塌的可能性較大,對坡腳的工程建設(shè)項目構(gòu)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(tǒng)而成熟的邊坡穩(wěn)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(wěn)定程度,本次計算采用理正邊坡穩(wěn)定性分析軟件進行定量評價。根據(jù)《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范:GB 50330-2013》[13],采用圓弧滑動條分法對邊坡穩(wěn)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(wěn)定系數(shù)。

3.2.2 計算工況

研究區(qū)地震基本烈度為Ⅵ度,未發(fā)現(xiàn)地下水,根據(jù)《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范:GB 50330-2013》[13],可不考慮地震及地下水對邊坡穩(wěn)定性的影響。故本次穩(wěn)定性計算分工況Ⅰ(天然狀態(tài),自重)和工況Ⅱ(飽和狀態(tài),自重+暴雨)兩種狀態(tài)進行。

根據(jù)前人多項研究,結(jié)合研究區(qū)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(tài)。許多現(xiàn)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(shù)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(nèi)土體參數(shù)取飽和重度和飽和抗剪強度,在4 m以下深度范圍內(nèi)土體參數(shù)取天然重度和天然抗剪強度。

3.2.3 計算參數(shù)

本次穩(wěn)定性計算選用的參數(shù)取值主要考慮了邊坡物質(zhì)組成、土體物理力學(xué)性質(zhì)試驗結(jié)果及周邊類似工程土體力學(xué)性質(zhì)參數(shù)經(jīng)驗值幾個因素。

野外調(diào)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(nèi)土工試驗結(jié)果數(shù)理統(tǒng)計分析的基礎(chǔ)上,結(jié)合周邊類似工程黃土參數(shù)及黃土邊坡治理工程經(jīng)驗,綜合確定邊坡穩(wěn)定性計算土體參數(shù)建議值(表1)。

表1 邊坡穩(wěn)定性計算土體參數(shù)建議值

3.2.4 計算結(jié)果

根據(jù)邊坡形態(tài),在可能發(fā)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(wěn)定性計算,穩(wěn)定系數(shù)計算及穩(wěn)定性評價結(jié)果見表2。

表2 邊坡穩(wěn)定系數(shù)計算結(jié)果

根據(jù)《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范:GB50330-2013》[12],對照計算結(jié)果可知,該邊坡在工況Ⅰ穩(wěn)定系數(shù)為1.059～1.113,處于基本穩(wěn)定狀態(tài);在工況Ⅱ穩(wěn)定系數(shù)為0.618～0.867,處于不穩(wěn)定狀態(tài)。

4 防治措施建議

本著“人民至上,生命至上”和“預(yù)防為主,防治結(jié)合”的指導(dǎo)思想,為確保邊坡長期穩(wěn)定,保障工程建設(shè)項目安全,應(yīng)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(guī)模、影響因素、穩(wěn)定性及威脅對象的基礎(chǔ)上,充分結(jié)合研究區(qū)地質(zhì)環(huán)境條件、施工條件及陜北地區(qū)黃土邊坡治理經(jīng)驗,按照措施安全、技術(shù)可行、經(jīng)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(jiān)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(fā)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(shè)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(chǔ)采用三七灰土墊層換填,墻身設(shè)置伸縮縫及泄水孔,墻后設(shè)置反濾層。

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

(4)在分級削坡后形成的各級平臺栽種檸條、紫穗槐、側(cè)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(tài)環(huán)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(yīng)對治理后邊坡和擋墻進行長期變形監(jiān)測,特別是雨季和凍融期應(yīng)加強監(jiān)測,以便及時預(yù)警并采取有效防治措施。

5 結(jié) 論

本文以陜北綏德張家砭鎮(zhèn)五里店村某工程建設(shè)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(chǔ)上,通過野外調(diào)查、工程地質(zhì)勘查、室內(nèi)土工試驗、資料綜合整理分析等方法,掌握了研究區(qū)地質(zhì)環(huán)境背景,查明了邊坡特征,分析了影響因素,進行了穩(wěn)定性評價,提出了防治措施建議。主要得出以下幾點結(jié)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(shè)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(wěn)定性的內(nèi)在基礎(chǔ)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(jié)合的方法,進行了邊坡穩(wěn)定性評價:在天然狀態(tài)下基本穩(wěn)定;在飽和狀態(tài)下不穩(wěn)定,對緊鄰的工程建設(shè)項目的安全構(gòu)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(jiān)測”的綜合防治措施建議,能夠有效保障工程建設(shè)項目安全,也為陜北地區(qū)同類黃土邊坡防治提供借鑒。