陕北复合型特高人工边坡治理工程设计

魏建柄

(陕西铁道工程勘察有限公司，陕西 西安 710043)

0 引 言

陕北黄土高原地区地形支离破碎，沟壑遍布，为滑坡、崩塌等地震灾害的多发区。随着陕北地方经济的发展及城镇建设规模的扩大，建设用地需求量急剧增加，大量的边坡开挖工程活动增多，形成了坡高达几十米甚至上百米的高陡边坡。与此同时，工程开挖导致滑坡发生，高陡边坡开挖形成的滑坡对工程建设危害更大，治理难度更大，治理费用也更高[1-6]。因此，选择合适的治理措施是边坡工程必须面对的难题。

本文以陕北某黄土-砂泥岩组合型人工特高边坡(坡高110 m)为研究对象，对人工特高边坡开挖后形成的滑坡的稳定性及工程治理方案进行研究，以期为该类边坡治理提供参考。

1 地质环境条件

该高边坡位于延安市富县洛阳村和段家庄村附近，为延安能源化工项目西区人工开挖形成的高边坡。地貌上属黄土梁峁单元，地形起伏较大，总体地势西高东低，自然山坡坡度为20°～30°，坡面较多陡坎。边坡总体为黄土质边坡，表层为耕植土，其下为晚更新世黄土、古土壤，中更世黄土、古土壤，下伏三叠系下瓦窑堡组砂岩、泥岩互层，倾向为西，倾角为1°～5°。

坡面植被覆盖相对较好，主要以刺槐为主，局部地段撂荒。沟谷下切较深，存在多处老滑坡。区内四季分明，属亚暖温带半干旱大陆性季风气候。年平均降雨约550.8 mm，集中降雨的七月、八月、九月3个月占全年降水量的60%，且多暴雨。

在区域大地构造单元上，边坡区处于中朝准地台陕甘宁台坳陕北台凹，陕北台凹是鄂尔多斯盆地的一部分。新构造运动在本区中、新生代地层中变化不明显，褶皱断裂构造不发育，属新构造运动相对稳定区。

2 高边坡工程地质特征

2.1 高边坡形态特征

边坡总体走向为NW20°，最高约110 m，坡顶水平长度约900 m，坡体总体呈后陡前缓状，局部发育黄土陡坎微地貌，边坡整体坡度约25°～35°，边坡现状为多级平台，边坡上有植树并修建有浆砌片石急流槽，平台上有浆砌片石排水沟。坡面发育冲沟和黄土陡坎，局部地段冲沟切割较深。本次勘察治理前，边坡按原设计坡率完成削坡，除发生滑坡区段外，其他区段一二级坡面已完成护面墙施工，二级以上坡面裸露，未进行加固处理。

2.2 高边坡物质结构特征

从现场边坡开挖出露的地层岩性的调查可知，该高边坡为陕北典型的岩土混合型高边坡。表层多为耕植土，自实行退耕还林后，坡体后部陡峭部位均为荒地，坡体前部相对平缓部位为人工种植林木，以刺槐为主；上部为全新世黄土(Q4)，层位不稳定，层厚变化大，分布不均匀，常分布于坡体近坡脚位置，呈批覆状；其下为晚更新世黄土、古土壤(Q3)，呈披被状分布于整个坡体，层位、层厚变化大；中部为中更新世黄土与古土壤互层分布，为坡体的主要地层，水平状分布，其层厚等受下伏基岩面控制，后期剥蚀、侵蚀等外动力地质作用对其层厚、分布有较大的影响；下伏地层为强风化、中风化、微风化状砂岩泥岩互层，基岩层构成上覆松散土层的基座，层位稳定，产状近水平。

2.3 高边坡滑塌破坏特征

根据该边坡的勘察资料，边坡北部伸入H2 老滑坡体后缘，因坡体开挖形成的2处次生滑坡分别为CH1和CH2，如图1所示。

图1 C边坡滑坡影像

CH1滑坡位于边坡北侧，该处边坡已按设计坡率完成刷坡，并在一、二级坡体上采用浆砌片石护面墙进行了加固，上部坡面裸露。现滑坡后缘拉裂缝位于六级平台后缘(高约24 m)，六级平台向坡内倾斜，多处有拉张裂缝，局部落水洞发育；滑坡侧界在各处裸露坡面清晰可见，一级坡面出现剪切破坏，推测滑坡剪出口位于该处(该处为土石界面、砂泥岩互层)，滑坡前缘宽约100 m。滑坡主轴滑向NE50°，坡体后缘拉张裂缝发育，坡体处于极限平衡状态。

CH2滑坡位于C边坡中部，该处边坡已按设计坡率完成刷坡，坡体未进行加固，坡面裸露，表层风化严重。滑坡已失稳滑动，滑坡平面形态呈圈椅状，滑坡主轴滑向NW10°，滑坡后缘位于六级平台中部，高约24 m，坡体后缘下错最大约12 m，后壁近直立，坡体向前滑动约10 m；滑动土石方约6万方，滑坡剪出口位于一级平台土石交接处(该处为土石界面、砂泥岩互层)。

2.4 高边坡滑塌破坏原因分析

根据野外调查并结合勘察资料分析认为，该高边坡发生滑塌破坏的原因主要分为内在因素和诱发因素2个方面。

(1)内在因素。边坡表层坡体主要为第四系黄土，结构比较松散，孔隙发育，多大孔隙，渗透性比较好，在水的作用下其性质能发生较大变化，抗剪强度低，力学性质差；下伏三叠系泥岩及砂岩，基岩面与上部土体在结构等方面存在明显差异，一般为隔水层，表层在一些外在因素影响下易形成软弱面，这就为滑坡形成提供了很好的条件[7-11]。

(2)诱发因素。边坡较高，工程削坡施工后，边坡临空面过高，临空坡体内黄土应力释放，坡脚应力集中，土体强度下降。雨水沿裂缝渗入隔水层(土石分界面)，造成分界面附近土体强度降低，同时雨水入渗造成土体含水量增加，部分呈饱和状，下滑力增加；一般情况下,降水不可能到达下部相对隔水层,但是由于张裂隙及一些大的空洞存在，降水时地表水形成面流,会沿这些裂隙、孔洞直接灌入达到一定深度，加之地下水的侧向补给，就会在该处形成地下潜水或上层滞水，使黄土呈现流塑或软塑状态，并在坡体重力作用下沿着薄弱面产生滑动,使边坡破坏[12-15]。

3 边坡稳定性分析

3.1 工程地质条件宏观分析

根据野外调查并结合勘察资料分析认为，坡体滑动的原因主要有以下几方面。

(1)该高边坡为黄土-砂泥岩二元结构，剖面形态为上缓下陡，前缘坡脚拟建能源化工场地削坡，工程削坡施工后，临空坡体应力释放，坡体松弛产生裂缝，为该高边坡滑塌变形提供了很有利的临空面，不利于坡体稳定[16-18]。

(2)削坡完成后，坡体裸露，临空坡体应力释放，坡体松弛产生裂缝，加之Q2黄土具有极为发育的竖向裂隙，坡面水下渗通道顺畅，坡面排水系统排水效果欠佳，导致坡面水集中沿坡体裂隙下灌[19-21]。

(3)持续降雨使滑坡体含水量大，Q2黄土遇水崩解软化，强度降低，坡面水下渗至土石界面。下伏基岩是以泥岩、砂岩互层为主，其中砂岩类孔隙较发育，垂直节理发育，为地下水的赋存提供了条件，形成含水层；而泥岩类节理不发育，透水性较差，构成了相对隔水层。高边坡坡体上张拉裂缝、落水洞和陷穴大量发育，降雨时雨水灌入其中，使水分富集于坡体内。高边坡开挖时，将开挖土方填至原边坡前缘冲沟(原出水点)中，加之场地建设开挖出新的临空面，故水分在新的临空面低洼处从泥岩顶面渗出。即基岩裂隙水从基岩面与第四系覆盖层接触面或基岩出露的地方以下降泉的形式排泄[22-24]。

综上所述，该高边坡失稳破坏的主要模式是人工开挖后破坏了原有的坡体应力条件和坡体中地下水径流条件，坡体沿岩土结合面发生滑移破坏。

3.2 稳定性计算分析

3.2.1 计算模型及参数

该高边坡后期产生CH1和CH2两个滑坡，两滑坡性质基本相同，边坡工程布置见图2，剖面线1-1’、2-2’分别通过CH1和CH2两滑坡。

图2 C边坡工程布置平面

选择1-1’剖面作为稳定性计算剖面，该边坡高度最大110 m左右，剖面线SWW方向，计算剖面地层由上至下分别为耕植土、第四纪全新世坡(洪)积黄土状土；第四纪晚更新世风积黄土、残积古土壤；第四纪中更世风积黄土、残积古土壤，三叠系下统瓦窑堡组砂、泥岩互层体。取边坡两侧伸展各50 m作为横向分析宽度，向下伸展50 m作为分析深度，计算剖面见图3。

图3 C边坡稳定性计算剖面

考虑到降雨和地震对边坡稳定性的影响,并参考滑坡的成因和形成机理，滑前C边坡稳定性计算考虑3种工况：自重；自重与地震；自重与暴雨。

土体稳定性计算参数主要由室内试验获得，具体见表1。

3.2.2 计算结果及稳定性分析

利用Geo-Studio软件的SLOPE/W模块，以边坡顶部和边坡下部作为滑移面入口和出口，自动搜索最危险滑动面，从而确定C边坡在滑动前不同工况下的滑动安全系数，记为C边坡稳定性计算结果1，见表2。

表1 边坡稳定性计算参数建议值

表2 C边坡稳定性计算结果1

根据滑坡的实际位置，改变计算模型滑移面的入口和出口，将滑移面入口定为第六级平台，自动搜索最危险滑动面，最终得到的安全系数记为C边坡稳定性计算结果2，见表3。

3.3 综合评价

综合而论，根据稳定性计算结果1，滑动前C边坡在天然工况、地震工况、暴雨工况下的安全系数分别为1.266、1.117、1.253，均大于1.00，说明边坡整体处于稳定状态；根据稳定性计算结果2，天然工况、地震工况、暴雨工况下的安全系数分别为1.491、1.326、0.942，说明六级平台以下边坡天然、地震工况下处于稳定状态，暴雨工况下处于失稳状态。计算结果与宏观地质分析基本吻合，与边坡实际发生的破坏模式基本吻合。综合分析治理工程技术、经济的合理性，采取适宜措施予以防范。

表3 C边坡稳定性计算结果2

4 治理工程设计

该高边坡区内保护对象主要为开挖平整形成的能源化工基本建设区，人工边坡较陡，施工场地狭小，治理工程布置受到很大限制。为了能够最大程度地减少对坡体的扰动以及对拟建场区的影响，避免大规模开挖、填方使高边坡的地质环境条件进一步恶化，所以治理工程位置选择在该高边坡前缘，治理方案选择地表排水、抗滑支挡与坡面防护相结合的综合措施；此外,根据春融后坡面渗水及1010平台桩基施工发现的地下水情况，需增设地下水处理措施。通过方案比选，最终确定的综合治理措施包括浆砌石护面墙、地表排水沟、竖井排水、抗滑桩[25]。

(1)在一级坡设置片石混凝土重力式挡土墙，墙高5.5 m，背坡率为1∶0.25，基底埋深为1.5 m。

(2)在二级、三级坡设浆砌片石护面墙；四级、五级和六级坡坡脚设高0.4 m、厚0.3 m的浆砌片石护脚，坡顶平台外侧设宽0.4 m、厚0.1 m的C20混凝土护肩。

(3)在三级坡平台设置抗滑桩，桩截面尺寸分别为1.25 m×1.75 m、1.50 m×2.00 m，对应桩身长16 m和18 m，桩中对中间距为5.5 m，共设置41根。

(4)每级平台设置截水沟，截水沟截面尺寸为0.4 m×0.4 m，增做截水沟可以与原有截水沟联通，将滑坡体地表水排出坡体。

(5)于六级平台设4个排水竖井，井口高于地面以上0.5 m，深度按伸入基岩不小于2 m控制；竖井内自井壁向靠山侧方向施打仰斜式排水孔，孔径为110 mm，长度不小于25 m，向上倾角为8°。距竖井底1.0 m设背离靠山侧向外的排水孔，孔径为150 mm；排水孔向下倾角不小于3°，长度按竖井井壁至边坡坡脚处一级挡土墙出水口的距离控制，约40～60 m。

5 结 语

本文以陕北某高边坡的治理工程勘查设计为实例，在岩土混合型高边坡的治理设计方面得到以下几点结论。

(1)对于陕北黄土-砂泥岩混合型人工高边坡的治理，首先应查清坡体的结构特征，确定最不利的软弱结构面，然后分析其变形破坏模式，建立正确的分析计算模型，再采用合适的计算方法进行稳定性计算，并结合高边坡工程地质条件综合分析法分析预测高边坡削坡前后的稳定性及可能的破坏特征，最后根据分析结果进行相应的治理工程设计。

(2)治理工程措施的选择应因地制宜，根据高边坡的结构特点和变形破坏模式合理确定，高边坡的多级台阶治理要以稳定性评价为依据。

(3)削坡回填后破坏了高边坡坡体内原有的地下水径流途径，边坡工程治理设计应做好边坡内地下水的排水设计，防止地表水入渗在土石结合部位形成滑动面。