济南高陡土质边坡稳定性分析及治理方法探讨——以济南南部山区山间平原为例<br/>

济南高陡土质边坡稳定性分析及治理方法探讨——以济南南部山区山间平原为例

2021-07-27张燕葛江琨李洪亮赵建涛

山东国土资源 2021年7期

张燕，葛江琨，李洪亮，赵建涛

(山东省鲁南地质工程勘察院(山东省地勘局第二地质大队)，山东济宁 272100)

0 引言

众多的地质灾害中边坡失稳非常常见，土质边坡崩塌和滑坡最为常见[1-2]。土质边坡失稳主要是受自然因素和人为因素影响，受到外界因素影响导致边坡抗滑能力降低，稳定性变差，从而产生边坡失稳[3]。近年来因土质边坡失稳造成人民财产经济损失的案例众多，2013年6—9月宁夏隆德县遭遇持续强降雨，导致山体崩塌、滑坡等地质灾害大量发生[4]；2014年6月，山西吉县发生崩塌，造成7人遇难[5]；2019年8月，受台风“利奇马”的影响，济南市共发生灾情12起，其中南部山区有5处边坡发生崩塌及滑坡灾害，导致道路损坏和房屋受损，给当地居民的财产造成损失。

济南南部为低山丘陵区，地形地貌变化较大，地质构造条件复杂，裂隙发育，沟谷纵横发育，人类活动强烈，修路、切坡建房等在山间形成大量高陡边坡[6-7]。济南南部山区山间倾斜平原区常见坡洪积物，主要由粉质黏土、黏土及砾石层等组成，具有二元结构，厚度由几米到十几米不等。山间的坡洪积物易受沟谷水流冲蚀，同时这些地段因土层较厚，是人类赖以生存的空间，人类为建设自己的家园对原有的坡体不断进行改造，从而形成大量高陡土质边坡[8-10]。笔者通过实际项目，探讨济南南部山区土质边坡稳定性分析方法及防治方案。

1 工程概况

1.1 地质环境背景

济南地处中纬度地带，属北温带湿润大区鲁淮区，为温暖半湿润季风性气候。年平均降水量669.30mm，年最小降水量为320.70mm，年最大降水量为1283.40mm(1973年)，一年之中降水主要集中在6—8月，多以暴雨形式降落，3个月的降水量占年降水量的65%。降雨是诱发土质边坡失稳、发生崩塌、滑坡等地质灾害的主要因素之一[11-12]。

研究区属于鲁西北断陷的过渡带，区域内地壳中生代燕山期强烈活动[13]，区内有多条断裂发育，导致山体地形起伏较大，地形切割明显。地层以古生代石灰岩地层出露为主，山间区域可见第四系坡洪积物，在降雨、人类工程活动等条件下易发生边坡失稳，从而产生崩塌、滑坡等地质灾害。

1.2 现状调查

研究区位于济南市南部山区的山间倾斜平原地带，经河流长期冲积在两条河流的中间位置形成了阶地，出露岩性主要为黄土地层。阶地在人力活动和水动力等外力影响下形成了一条长约500m的髙陡土质边坡，边坡高度10～13m，坡度75°～85°，局部地段直立，甚至可见负地形，边坡上方和下方分布有村民房屋，民房距离边坡最近距离不足1m。现场可见坡面分布有小型冲沟、土体的劈裂、降水掏蚀的洞穴及边坡底部堆积的坍塌土体等。由于研究区为黄土边坡，拥有植物赖以生存的基质条件，因此坡面上高大乔木及小灌木生长茂盛，局部坡面可见根系出露，根系纵横交错。通过调查，研究区内受边坡失稳威胁的村民共46户，该土质边坡曾因失稳垮塌，砸死坡下住户家两头猪，并且养猪棚受到不同程度损坏。

由于土质边坡高陡，在长期降水作用下，边坡中上部土体在降水入渗浸泡下，含水率增高，尤其是达到了饱和状态后，土体塑性变强、湿陷性开始显现，从而导致土体抗压、抗剪应力降低，坡体在重力作用下沿裂隙产生了变形破坏[14-15]。同时，边坡顶部植物发育，存在“根劈”作用，影响坡体稳定性[16-17]。该坡体高陡，民房距离边坡陡立面极近，土质边坡失稳后，将产生很强的破坏力，直接威胁坡上下村民的生命财产安全。

2 稳定性分析

2.1 工程地质条件

笔者在野外调查的基础上做了进一步的勘查，主要手段有地形测量、地质测量、开挖探槽和样品测试等。在研究区土质边坡上方及下方开挖探槽取原状土样，共开挖3个探槽，最大探槽深度为4m，每隔0.5m人工刻取不受扰动的土层样品，取样重量不小于1.0kg，共计11件，送往具有相关资质的山东省建勘集团有限公司实验室做土工试验。试验测试采用直剪剪切试验法，测定并计算了土体的含水率、密度、干密度、比重、孔隙比、饱和度、液限、塑限、塑性指数、液性指数、湿陷系数、黏聚力、内摩擦角等16项指标。通过勘查工作，查明了区内土质边坡岩性为黄土状粉质黏土。

黄土状粉质黏土(Q3al+pl)：黄褐色；硬塑—坚硬，局部可塑；见针孔状虫洞，含铁锰质结核及钙质结核；切面稍具光泽，无摇振反应，韧性、干强度中等；压缩性低—中，湿陷性轻微；主要物理力学性质测试指标统计结果如表1。

表1 主要物理力学性质测试指标统计成果表

2.2 不稳定边坡成因分析

土质边坡稳定性的影响因素很多，其中最主要的是边坡土体的力学性质和结构层理、水的作用、风化作用、地震作用、地下水侵蚀及人类活动。各个因素主要从两个方面影响着边坡的稳定性，一方面是增加了边坡的附加荷载，使边坡的应力状态发生变化，增加坡体的下滑力；另一方面是土体经过风化、降水入渗、地下水侵蚀、植被“根劈”等作用，降低了土体的强度，减少了土体的抗滑力[18-19]。

近30年以来，该边坡向后坍塌约3m，最大塌方距离可达7m左右，边坡坍塌主要是在暴雨季节发生，雨后坡脚可见大量淤泥及土方堆积。大气降水不但能直接冲刷土质边坡，同时还会下渗转化为地下水，从而对土体产生软化作用，使得土体强度减小，导致边坡发生破坏[20-21]。同时，在调查中发现村子里没有排水管道，村民生活用水主要以散流的形式排放，生活用水的入渗，将增加土体的含水率，使得土体的抗剪强度降低，从而降低了边坡的稳定性[22]。同时边坡上乔灌木生长茂盛，高大挺拔，其根系发达，对坡面产生了“根劈”作用，影响边坡的稳定性。综上可知，导致本区土质边坡失稳的主要原因是大气降水和生活用水入渗，次要因素是植物的“根劈”作用。

2.3 边坡稳定性计算

本边坡整体稳定性，需考虑雨季汛期工况，边坡土体浸水达到饱和状态后，塑性增强并表现出湿陷性，此时边坡土体呈现黏性土性质，边坡失稳时呈圆弧状滑动，符合圆弧滑动法分析模型的基本假定。故以雨季汛期工况，饱和状态下的边坡土体，采用毕肖普条分法[23-24]分析边坡的整体稳定性。

根据本边所处工况，边坡坡体黄土状粉质黏土饱和度达到85%时显现湿陷性，此时坡体内无自由水，故采用水土合算法计算边坡稳定性，总水压力取0。土体重度由物理力学性质测试指标统计结果及当地经验值按土的三相指标换算；抗剪指标由直剪试验指标按照当地经验折算为固结不排水剪指标。各计算参数取值见表2。

表2 计算参数取值表

经Fs与m0i双重迭代求解，得出最不利滑动面计算结果(表3)。

表3 坡面最不利滑动面计算结果表

通过计算，在考虑地震、降水等不利组合的工况下，边坡滑动安全系数为0.745。根据《建筑边坡工程技术规范》GB50330—2013第5.3.2条，在此工况下，该边坡处于整体不稳定状态。

3 不稳定边坡治理方案

3.1 指导思想

本次土质边坡失稳治理的思想是以消除安全隐患为原则，采取经济合理的治理措施，实事求是，因地制宜，在确保安全的条件下结合周边环境条件，增加美观性，美化人居环境。

3.2 方案设计

在对现场详细勘查的基础上，经过综合研究分析，村民住房距离边坡太近，边坡不具备削坡卸载的施工条件，因此只能对边坡进行加固处理。在充分考虑安全和美观的前提下，设计提出了清坡+格构+钢筋混凝土挡板+截水沟的治理方案[25]。

3.2.1 清坡

根据现场调查，研究区边坡髙陡且距离上下村民房屋较近，最近距离不足1m，不方便大量削坡。因此设计对该段边坡进行清坡处理，清坡后边坡坡度不大于80°。清除边坡表层浮土、腐殖质及影响施工的植物，清坡后使坡面平整，方便后期施工。

3.2.2 格构+钢筋混凝土挡板

所设计格构+钢筋混凝土挡板主要部分可分为纵向格构和横向格构、格构地梁、预应力锚杆、钢筋混凝土挡板等，纵、横向格构水平、竖向间距均为3.0m，格构断面尺寸300mm×300mm，格构和钢筋混凝土挡板均为现浇筑(图1)。现浇钢混挡板厚200mm，双层钢筋网绑扎。

图1 格构+钢筋混凝土设计正视图

预应力锚杆：位于横、纵向格构交叉位置，先于格构施工，锚杆水平和竖向间距均为3.0m，钻孔倾角15°，钻孔直径150mm，选用1E28钢筋，锚杆从上至下长分别为23.0m，22.0m，20.0m，锚固段长度均为7.0m，锚杆施工中加入水玻璃，减少因水入渗造成土体的湿陷从而降低锚杆的抗拉强度。锚头应穿透横、纵向格构交叉处，外露长度不小于0.3m，待锚杆和格构梁强度均达到85%以上，方可施加预应力(图2)。