文冠谷堆积层滑坡特征及防护结构设计

刘 锴，张 宇，邢仕文，曹小红，2

(1.新疆工程学院，乌鲁木齐 830000； 2.新疆地质灾害防治重点实验室，乌鲁木齐 830000)

0 引言

新疆地处亚欧大陆腹地，地质环境复杂，气候条件多样，需有效应对新疆地区滑坡灾害，建立合理的边坡防护体系。乌鲁木齐市位于亚欧大陆腹地，地处北天山北麓、准噶尔盆地南缘，东经86°46′10″～88°59′48″，北纬42°54′16″～44°58′16″。全市面积13 787.6万 km2，建区面积339 km2，海拔680～920 m，自然坡度12‰～15‰。杨永清等人针对石料缺乏地区选用一种混凝土拱形截水骨架护坡形式，遵循了因地制宜、经济合理的原则[1]。张锐等人在施工原理及方法中对加筋麦克垫进行研究，其为一种经济环保的新型材料，具有较大推广价值[2]。侯倩在河水与降雨诱发的猫子山滑坡中提出了排水加支护的方法[3]。王卫等人解释了砂质黏性土吸水饱和后自重增加、抗滑力急剧下降、坡脚剪应力集中等重要特性[4]。

外动力地质作用中，水对斜坡体改造较为突出，经常成为滑坡滑动的主导因素。以新疆工程学院文冠谷北坡堆积层滑坡为实例，基于文献[5]在该地区滑坡前期的相应研究，查阅相应规范，对灌溉+降雨作用下堆积层滑坡进行防护，以达到增加坡体稳定性、减少施工成本的目的。

水土流失是指由于自然或人为因素的影响，雨水不能就地消纳，顺势下流，冲刷土壤，造成水分和土壤同时流失的现象。水是导致边坡失稳的重要因素，也是危害各类边坡、公路路基、路面的主要自然因素。暴雨径流会破坏公路及相关设施，边坡是为了保证路基稳定，在路基两侧做成的具有一定坡度的坡面。不良地质段多发育于松散崩坡基层和构造发育的软硬质岩互层路堑高边坡和滑坡地段，其长期处于蠕变状态，难以发现和预防，且现有的土质边坡防护结构可复制性差，不能长期对坡面进行防护，一旦坡面岩土风化剥落，极可能沿坡面滚落，存在安全隐患。边坡积水的渗透和土体毛细水的上升可导致边坡湿软，强度降低，重者会引起边坡塌方、垮塌，甚至导致整个路基边坡沿倾斜基底滑动，严重影响路基路面安全稳定。现有的边坡防护结构时常难以与土体协调变形，水土保持效果不好，亟需改进。

1 滑坡特征

文冠谷堆积层滑坡位于新疆乌鲁木齐头屯河区新疆工程学院主校区东侧沟谷一带，地理位置坐标为N43°50′44″ E87°25′17″，高程851 m，属于新疆维吾尔自治区乌鲁木齐市头屯河区，乌鲁木齐市西北部，东邻新市区，西至昌吉，南靠天山北麓，北与乌鲁木齐县接壤。头屯河区有旅游景点小绿谷水景公园、大绿谷生态公园等。头屯河区地势南高北低，地形平坦，南端海拔高度751 m，北端海拔高度697 m，南北坡度17‰，东西坡度3‰。头屯河区属中亚温带大陆性干旱气候，无霜期176 d，最大冻土深度162 cm，年平均降水量236 mm，极端最高温度42.1℃，极端最低温度-41.5℃。文冠谷滑坡周边多为低山丘陵，冲沟发育，侵蚀作用明显，断裂构造运动强烈，且地下水受乌鲁木齐河和水磨河影响。

滑坡地层由浅黄色砾石砂土组成，砾石均呈角砾状，磨圆度差，多呈扁平棱角状，分选性差，大小混杂。滑坡体积约150 m3，属于小型浅层堆积推移式土质滑坡，形状呈簸箕状，向东西向延展，沿沟向西运移150 m，向北冲坏分界围栏，形成4.6 m高的冲击堆。滑坡主滑方向302°，倾角约23°，纵长约27.1 m，宽20.3～25 m，坡高约14 m，厚度1.1～3.2 m，整体下滑距离4～5 m，呈“圈椅状”[5]。

2021年7月2日夜间发生滑坡，结合现场勘查与初步调查，该滑坡由夏季降雨和人工大量浇灌绿化植物所致，由于右岸人工弃碴堆积，原有的沟谷中水被挤向左岸而浸泡坡脚，起到了软化坡脚的作用，滑坡发生后冲坏了地界围栏。7月该区域进入雨季，加上夏季干旱连续的人工灌溉易使坡脚迅速积水，坡体自重急剧增加，斜坡裂隙加宽向深发展产生渗透压力，抗剪强度减弱，从而易导致坡体变形、下滑[1,5]。

通过近3年对该区土体观察发现，春季融雪过程中大量融雪水出现下渗或成为地表径流，如果最大下渗能力或最大下渗率不够大，使所有可利用的水都进入到土壤中，那么就会产生地表径流。下渗能力由土壤质地和土壤含水量决定。土壤是否冻结也是影响下渗的另一重要因子。冻结作用对土壤结构的影响因子主要有土壤类型、土壤含水率、冻结温度、冻结速率等，因此土壤结构较差，由于冰晶的挤压作用，土壤结构会出现聚集现象。如果土壤结构较好，冻结水在土壤块体中会出现膨胀，从而可以分解土壤结构。冻结影响下渗，在春季气温上升后逐渐使斜坡土体在坡脚产生蠕动变形，致使土体强度劣化。土壤中的冰晶会阻碍下渗速率，部分冻土的下渗率受到影响，这是冰晶和土壤结构、土壤温度共同作用的结果。

根据融雪期有无冻土存在条件下的土壤湿度变化监测，将融雪期分为融雪前期和融雪后期两个阶段。融雪前期有冻土存在的土壤含水量要低于没有冻土存在的，且土壤含水量也在一个较低水平，这是由于融雪前期气温和土层温度都比较低，融雪过程还没开始，没有融雪水下渗到土壤中。融雪后期有冻土的土壤含水量和没有冻土的土壤含水量数量级别相当，这是因为随着气温回升和土壤温度不断升高，冻土开始融化，伴随着融雪水的产生，融雪水出现下渗。有冻土的土壤含水量要低于没有冻土的，这是由于受到冻土的影响，土壤中的冰晶阻碍了土壤水分向深层土壤运移，融雪期土壤湿度变化不大。融雪前期有冻土条件下的土壤含水量低于没有冻土的，融雪后期有无冻土存在条件下的土壤含水量相当。

2 防护结构设计

本设计采用混凝土做拱形截水骨架，并在骨架两侧打入近于垂直坡面的锚杆，使用强度相对高的混凝土封锚。截水骨架中加入加筋麦克垫，在加筋麦克垫和边坡坡顶植草，同时设置合理的排水沟。离边坡坡脚2 m处开挖梯形排水沟，将水引流至文冠谷西侧(距滑坡中心点约200 m)的蓄水池，灌溉季通过水泵将蓄水池内的水抽调至边坡植被覆盖处，适时浇灌边坡植被，以达到水资源循环利用的目的[4-5]。

2.1 混凝土拱形截水骨架设计

混凝土拱形截水骨架采用C25混凝土浇筑主骨架。主骨架使用“凹”字型结构，主骨架延伸至坡脚总长16 m，主骨架间距8 m，垂直于坡面深60 cm。截水板厚度10 cm，垂直坡面高度10 cm，两板间距40 cm。

图1 防护结构侧向剖面图Fig.1 Lateral profile of protection structure

主骨架中部距离坡脚10 m处与15 m处分别打入锚杆，锚杆入土6 m，与坡面锐夹角约10°，深入红褐色泥岩约3.9 m。其中预设计采用长6.5 m、直径36 mm、重量7.99 kg/m、牌号为HRB400E的锚杆，使用M25水泥砂浆灌注。锚杆设计抗拔力150 kN。

主骨架上紧接拱形骨架。拱形骨架采用C25混凝土浇筑，使用“L”型结构与主骨架“凹”字型结构组成一体，起到排除边坡多余水分的作用。截水板厚度10 cm，距离坡顶7 m。拱形设计为半径为5 m，垂直于坡面深1 m，入土部分宽1 m，并在拱形骨架与主骨架交接处沿拱形骨架镶入“U”形钉，水平向测距2 m镶入1个，“U”形钉与骨架连接处为30 cm，入土40 cm。

边坡坡顶采用M10 浆砌片石镶边，并与下部拱形骨架相连。边坡坡脚使用M10浆砌片石镶边，并设计垂直地面深10 cm的高度，方便与排水沟槽相连[1-2]。

2.2 绿色护坡

铺设加筋麦克垫进行护坡，两种加筋麦克垫分别长23 m、19 m，铺设在拱顶和拱腰，加筋麦克垫宽2 m，厚度为0.012 m。加筋麦克垫采用六边形网格，六边形纵向长10 cm，横向宽8 cm，拟采用直径2.2 mm、外径3.3 mm的铝锌合金加固。

图2 防护结构平面设计Fig.2 Plane design of protection structure

加筋麦克垫先于混凝土拱形截水骨架铺设。加筋麦克垫最上端离的1 m拱形骨架中镶嵌的4根“U”形钉固定，并与拱形骨架入土部分紧密贴合，绿化部分“U”形钉间隔1 m进行梅花形布置。

加筋麦克垫上铺设5 cm种植土。大范围种植高羊茅，一排中间隔2 m种植1株马蔺，自坡脚向上4 m设置1排[3-4]。

2.3 绿化用水循坏系统设计方案

为方便顺利引流，坡脚2 m处开挖梯形排水沟，坡脚至排水沟之间需铺设厚10 cm的C25混凝土板。排水沟深60 cm，宽60 cm，梯形坡度60°。排水沟采用M10水泥砂浆磨平，再安装预制的C30钢筋混凝土板。

排水沟西侧开挖人工蓄水池。因新疆地区降水量较少，蓄水池不大。蓄水池中安装排水泵，通过地下水管将蓄水池中的水抽调至边坡处，再通过滴管方式浇灌边坡植物，对缓解新疆地区用水困难起到了一定的作用。

3 防护结构安全稳定性评价

经实验得土粒平均密度为1.97 g/cm3，滑坡体量约150 m3。根据砂砾土摩擦系数经验值和砂砾土黏聚力为0，可用式(1)计算得出。下滑力约为1.107×103N，抗滑力1.36×103N。由此得出，解决滑坡降水软化坡脚、降水冲刷坡面、增加坡重的问题后，边坡达到稳定状态。因为该滑坡滑动面以上约2 m，滑体侧壁为黄土，具有湿陷性，使用锚杆进行锚固，既提高了抗滑力也提高了边坡整体稳定性。

(1)

图3 边坡稳定性分析Fig.3 Slope stability analysis

4 结语

针对文冠谷堆积层滑坡，建议采用拱形混凝土截水骨架与加筋麦克垫相结合的方式，有助于提高边坡的稳定性和抗冲刷能力。通过开挖排水渠，将多余的水分引流至文冠谷西侧的蓄水池中，再通过水泵将水抽调至边坡处，用于边坡绿化。整个设计充分体现了生态护坡和循环经济的重要性。