陕北绥德某黄土边坡稳定性评价及防治措施探讨

杨克俭,高成虎,罗星

(1.陕西省水工环地质调查中心,陕西 西安 710068;2.陕西科睿斯达环境科技有限公司,陕西 西安 710068)

0 引 言

由于黄土本身的特性,如湿陷性、大孔隙、力学强度较低等,黄土地区的环境地质灾害,如水土流失、地基沉陷、崩塌、坍塌、滑坡等,时常发生,严重制约着黄土地区的经济发展[1]。绥德地处陕北黄土高原丘陵沟壑地貌单元,地形切割强烈,梁峁起伏,沟壑纵横,黄土分布范围广、厚度大,黄土边坡大量存在。在降雨、冻融、人工开挖扰动等影响下,黄土边坡变形失稳引发地质灾害的可能性较大,对人民生命财产安全构成严重威胁。

近年来,随着社会经济飞速发展,陕北地区依山而建的工程建设项目日渐增多,为满足工程建设项目对建设场地的需求,大部分工程存在边坡开挖现象。由于其独特的地层条件和区域水文地质条件,大量文献表明,对于具有较强裂隙性、结构性、水敏性的黄土地层来说,在人工开挖、降雨入渗和地震荷载等工况下,边坡的开挖将会产生不安全因素[2]。同时,边坡开挖不规范、防护不到位等因素,极易造成黄土边坡发生变形失稳,诱发黄土崩塌、滑坡地质灾害,对工程建设项目构成严重危害。因此,在工程建设项目开展前期,查明边坡的基本特征,评价其稳定性,并科学合理地进行防护治理,对保障工程建设项目安全有着重要的意义。

本文以陕北绥德张家砭镇五里店村某紧邻工程建设项目场地的黄土边坡为例,系统开展了该边坡的地质环境背景、基本特征、影响因素、稳定性评价及防治措施等相关研究。

1 地质环境背景

1.1 气象水文

1.1.1 气 象

绥德县属温带大陆性半干旱气候。根据绥德县1978～2018年气象资料统计[3],年平均气温为10.2 ℃;年平均相对湿度为55.4%;年平均风速为2.4 m/s;年平均总日照时数为2 610.8 h;年平均无霜期为165 d;年平均最大冻土深度为92 cm;年平均降水量为446.5 mm,降水多集中在夏季,7月份降水最多为109.7 mm,12月份降水最少为2.8 mm,夏季降水比例占全年的56.86%。

1.1.2 水 文

研究区地处无定河流域,无定河自东北向西南从工程建设项目场地东侧约50 m处流过。区内无地表河流水系分布,仅在边坡东北和西南两侧各发育一条冲沟,属季节性沟谷,汇水面积较小。

1.2 地形地貌

研究区位于绥德县城北侧的张家砭镇五里店村,总体地形为西北高东南低,海拔介于820～910 m,最大相对高差90 m。地貌分为河谷阶地和黄土梁峁。

1.2.1 河谷阶地

河谷阶地分布于研究区东南部,位于无定河右岸,属无定河一级阶地,为工程建设项目场地主要分布区,已完成人工整平,地形平缓开阔,海拔标高介于820～825 m。

1.2.2 黄土梁峁

黄土梁峁分布于研究区西北部,为本次研究的黄土边坡所在区域。边坡总体呈西南—东北走向展布,坡向约145°,平面形态呈扇形,剖面形态呈直线型,海拔标高约介于825～915 m。

1.3 地层岩性

经野外调查,研究区广泛分布第四系地层,出露地层由老到新为第四系中更新统离石黄土(Q2eol)、上更新统马兰黄土(Q3eol)和全新统人工填土(Q4ml)。

1.3.1 离石黄土

离石黄土出露于边坡中下部,厚度约50～60 m,褐黄色,成分主要为粉土,稍密—中密,稍湿,土质均匀,含少量虫孔、蜗牛壳,具湿陷性。

1.3.2 马兰黄土

马兰黄土出露于边坡上部,厚度约20～35 m,浅黄—灰黄色,成分主要为粉土,质地均一,稍密—中密,稍湿,多大孔隙,土质疏松,垂直节理发育,遇水易崩解,具湿陷性。

1.3.3 人工填土

人工填土出露于工程建设项目场地,厚度约2～3 m,灰黄色—褐黄色,成分以粉土为主,松散,稍湿,土质不均匀,局部夹细砂、植物根系及建筑垃圾,级配较差,承载力低,工程性能较差。

1.4 地质构造与地震

1.4.1 地质构造

绥德县位于华北地台鄂尔多斯台向斜东部陕北斜坡上,区内地质构造简单,无大型褶皱、断裂,主要发育两条断层,郝家桥断层和霍家沟断层,同呈东西向展布。新生代第四纪以来,本区构造运动以振荡性间歇性缓慢上升为主,外营力作用较强烈,以剥蚀、侵蚀为主,堆积为辅[4]。

1.4.2 地 震

根据《中国地震动参数区划图:GB 18306-2015》[5],研究区所在地区的地震动峰值加速度为0.05 g,地震动反应谱特征周期为0.35 s,对应的地震基本烈度为Ⅵ度。根据《建筑抗震设计规范(2016年版):GB 50011-2010》[6],绥德县抗震设防烈度为Ⅵ度,设计基本地震加速度值为0.05 g,所属的设计地震分组为第一组。

据史料记载,绥德县未发生过破坏性强的地震,属弱地震区,也无地震引发滑坡、崩塌等地质灾害的记载[7]。地震对边坡稳定性影响较小。

1.5 水文地质条件

研究区内地下水类型主要为黄土层裂隙孔洞潜水,含水层岩性为粉土,赋存在黄土层的大孔隙、小孔洞和柱状裂隙中,分布零散而不连续,埋深较大,水量贫乏,富水性极弱。该类地下水主要依靠大气降水补给,径流方向大体与地形条件相一致,一般由梁峁顶部或斜坡向沟谷排泄。

研究区地下水埋藏较深,在坡体周围未发现泉水迹象,勘探深度内均未见地下水,地下水对边坡稳定性影响较小。

1.6 人类工程活动

研究区及周边人口分布较为密集,人类工程活动形式较为多样,主要表现为道路修建、房屋修建、边坡开挖等,对地质环境尤其是地形地貌的改变较为强烈。

2 边坡基本特征及影响因素

2.1 边坡基本特征

2.1.1 基本特征

该黄土边坡位于绥德县张家砭镇五里店村,地处无定河一级阶地与黄土梁峁过渡的斜坡地带,位于工程建设项目场地西侧,为早期人工削坡后形成的黄土边坡,西南—东北走向展布,坡向约145°,坡体长约170 m,宽约200 m,海拔高程约介于820～910 m之间,最大相对高差90 m,组成物质为第四系中、上更新统黄土。

边坡坡面种植有灌木、油松及侧柏,平面形态呈扇形,剖面形态呈直线型,总体坡度约35°。坡体中部因人工开挖形成两级宽度约1～2 m的窄平台和高约1 m的陡坎;坡体前缘由于人工开挖破坏原始地貌,形成高约10～14 m的近直立陡坎。

边坡工程地质平面示意图如图1,工程地质剖面如图2。

2.1.2 变形特征

通过野外详细调查,在边坡坡面可见到3条明显的裂缝,分别位于西侧边缘(L1裂缝)、西侧前缘陡坎顶部(L2裂缝)及中东部(L3裂缝)。其中,L1裂缝南西-北东方向延伸,长度约80 m,宽度约1～5 cm,下错约10 cm,为局部滑塌错动形成;L2裂缝走向与斜坡走向一致,呈西南-东北走向,长度约25 m,宽度约10～50 cm,可见深度约1.5～2 m,为坡面流水冲蚀形成;L3裂缝纵向顺坡面延伸,长度约20 m,宽度约5～20 cm,可见深度约1 m,为坡脚开挖卸荷后形成的拉张裂缝。

调查发现,该边坡坡面无完善的截排水措施,受降雨冲刷侵蚀较为严重,加之坡体上部发育的冲沟积水汇水,加剧了坡面雨水冲蚀程度,坡面及坡脚可见明显发育的落水洞3处(D1～D3),洞口均呈不规则状,长度约0.5～1 m,宽度约0.3～0.5 m,可见深度约1～3 m,为初期地面裂缝在坡面长时间冲刷、雨水下渗作用下不断扩张而形成。

此外,受人工开挖及降雨冲蚀影响,边坡前缘陡坎处土体松散破碎,节理裂隙发育强烈,裂隙宽度约3～10 cm,纵向延伸长度约1～3 m,土体剥坠及落掉块迹象明显,多处有危岩体存在,存在崩塌隐患。

2.2 影响因素

影响边坡稳定的因素主要有内在因素和外在因素两方面。内在因素对边坡的稳定性起主导控制作用,外部因素对边坡的稳定性起诱发破坏作用[8]。

调查发现,该黄土边坡地处黄土梁峁与河谷阶地过渡的斜坡地带,影响其稳定的内在因素主要包括地形地貌和地层岩性,是基础条件;外在因素主要包括降水及冻融作用和人类工程活动,是诱发条件。

2.2.1 地形地貌

地形地貌对地质灾害的发育程度起着决定性作用,黄土斜坡的地形地貌,则是黄土滑坡灾害产生的先决条件[9]。斜坡越高,临空面越大,其稳定性越差。该边坡最大相对高差90 m,前缘坡脚人工开挖形成高度约10～14 m的陡坎,这些都为边坡的变形破坏提供了良好的动力条件和空间基础。

2.2.2 地层岩性

地层岩性是滑坡、崩塌等地质灾害发生的物质基础,岩土体特性是滑坡、崩塌等地质灾害发生的力学要素。该边坡由第四系中、上更新统黄土组成,成分以粉土为主,土体松散,大孔隙发育,垂直节理发育,具湿陷性,在干燥情况下土体强度较高,浸水时易发生变形及崩解,抗剪强度大幅度降低,在降雨、冻融等因素影响下,易引发边坡失稳形成崩塌、滑坡地质灾害。

2.2.3 降水及冻融

降雨是诱发边坡失稳滑塌的主要因素之一。在斜坡区域,强降水会加剧坡面侵蚀,加快水土流失;而连阴雨则一般历时较长,大气降水沿土体裂缝及孔隙渗入坡体内,导致土体饱水软化,自重增加,抗剪强度降低,孔隙水压力增大,水的入渗使土体强度大大降低,垂直节理迅速扩展形成贯通结构面,使坡体处于欠稳定状态,最终在重力作用下土体沿着贯通的结构面发生滑塌。

同时,冰雪消融和冻土融化作用也会诱发地质灾害[10]。由于消融—冻结—消融作用反复进行,使黄土裂隙不断加深加宽,并形成贯通的裂隙面,加速边坡失稳滑塌。

2.2.4 人类工程活动

地质灾害的形成是自然原因和人为原因在一定环境条件下共同作用的结果。人工开挖边坡破坏了坡体原有平衡状态,使得坡脚应力集中,且形成高陡临空面,下部失去抗滑阻力,在重力作用下累进性破坏导致土体抗剪强度降低,易发生滑坡、崩塌地质灾害。

调查发现,该边坡为早期人工削坡后形成。由于工程建设整平场地需要,坡体前缘再次进行开挖,形成高度约10～14 m的陡坎,在卸荷作用下陡坎边缘裂隙发育强烈,土体剥坠落、掉块迹象明显,发育多处危岩体,存在崩塌隐患。坡体前缘失稳崩塌后,边坡上部土体在自重、降雨等作用下,受到牵引极易从陡坎处剪出发生滑塌。

3 边坡稳定性评价

3.1 定性评价

该边坡地处河谷阶地与黄土梁峁过渡的斜坡地带,相对高差大,整体位于易滑塌变形地段,加之坡脚开挖形成高陡临空面,不仅改变了坡体应力平衡状态,还为边坡失稳提供了动力基础和滑塌空间;坡面缺乏合理有效的截排水,降雨冲蚀导致坡体多处发育落水洞及冲沟;加之黄土本身的湿陷性、大孔隙、节理发育、力学强度较低、透水性较强等特性,边坡小范围、小规模的滑塌、掉块现象时有发生。

定性评价认为,该边坡现状处于蠕动变形阶段,整体处于基本稳定状态,若遇暴雨、连阴雨及不合理人类工程活动等情况下失稳滑塌的可能性较大,对坡脚的工程建设项目构成严重威胁。

3.2 定量评价

3.2.1 计算方法

极限平衡法是一种传统而成熟的边坡稳定性分析方法[11]。极限平衡法主要有Fellenius法、Bishop法、Janbu法、Morgenstern-Price法与Sarma法等[12]。

为最大限度反映边坡稳定程度,本次计算采用理正边坡稳定性分析软件进行定量评价。根据《建筑边坡工程技术规范:GB 50330-2013》[13],采用圆弧滑动条分法对边坡稳定性进行定量计算,分析方法采用简化毕肖普法,自动搜索出最危险滑裂面,算出边坡稳定系数。

3.2.2 计算工况

研究区地震基本烈度为Ⅵ度,未发现地下水,根据《建筑边坡工程技术规范:GB 50330-2013》[13],可不考虑地震及地下水对边坡稳定性的影响。故本次稳定性计算分工况Ⅰ(天然状态,自重)和工况Ⅱ(饱和状态,自重+暴雨)两种状态进行。

根据前人多项研究,结合研究区降雨特征,暴雨或连阴雨时黄土边坡不可能整体达到饱和状态。许多现场观测表明地表水在黄土中的垂直入渗深度有限;截止目前,人工降雨原位入渗试验确定的黄土最大入渗深度只有4 m[14]。

因此,本次计算在工况Ⅰ时土体参数取天然重度和天然抗剪强度;在工况Ⅱ时按黄土最大入渗深度为4 m考虑,即在4 m以上深度范围内土体参数取饱和重度和饱和抗剪强度,在4 m以下深度范围内土体参数取天然重度和天然抗剪强度。

3.2.3 计算参数

本次稳定性计算选用的参数取值主要考虑了边坡物质组成、土体物理力学性质试验结果及周边类似工程土体力学性质参数经验值几个因素。

野外调查对离石黄土和马兰黄土两组地层进行了钻探及探井取样,在室内土工试验结果数理统计分析的基础上,结合周边类似工程黄土参数及黄土边坡治理工程经验,综合确定边坡稳定性计算土体参数建议值(表1)。

表1 边坡稳定性计算土体参数建议值

3.2.4 计算结果

根据边坡形态,在可能发生滑塌变形的方向上选取具有代表性的3条剖面(1-1′～3-3′),分别在工况Ⅰ和工况Ⅱ条件下进行稳定性计算,稳定系数计算及稳定性评价结果见表2。

表2 边坡稳定系数计算结果

根据《建筑边坡工程技术规范:GB50330-2013》[12],对照计算结果可知,该边坡在工况Ⅰ稳定系数为1.059～1.113,处于基本稳定状态;在工况Ⅱ稳定系数为0.618～0.867,处于不稳定状态。

4 防治措施建议

本着“人民至上,生命至上”和“预防为主,防治结合”的指导思想,为确保边坡长期稳定,保障工程建设项目安全,应对该边坡提前进行防治,消除安全隐患。

在考虑该边坡的类型、规模、影响因素、稳定性及威胁对象的基础上,充分结合研究区地质环境条件、施工条件及陕北地区黄土边坡治理经验,按照措施安全、技术可行、经费合理的原则,提出“分级削坡、坡脚支挡、截排水渠、坡面绿化、变形监测”的综合防治措施建议。具体措施如下:

(1)对该黄土边坡陡坎以上部分进行分级开挖削坡,对坡面发育的落水洞进行回填夯实。建议单级边坡坡比1∶0.75～1∶1,单级边坡高度6～8 m,平台宽度3～6 m。

(2)在坡脚设置重力式浆砌石挡墙对坡体进行支挡防护,挡墙采用直立式,水泥砂浆砌筑,基础采用三七灰土垫层换填,墙身设置伸缩缝及泄水孔,墙后设置反滤层。

(3)在边坡边界以外和各级平台设置横向截水渠,沿坡面设置纵向排水渠,在横、纵水渠交汇区域设置消力池,将整个排水系统连接,并最终与坡脚建设项目排水系统相连。

(4)在分级削坡后形成的各级平台栽种柠条、紫穗槐、侧柏等苗木,在分级削坡后形成的各级边坡采用人工打孔的方式穴播种草,能有效防治雨水冲刷,减少水土流失,美化生态环境。

(5)为保证施工安全,同时也为了检验工程治理效果,及时掌握边坡变形特征,应对治理后边坡和挡墙进行长期变形监测,特别是雨季和冻融期应加强监测,以便及时预警并采取有效防治措施。

5 结 论

本文以陕北绥德张家砭镇五里店村某工程建设项目场地紧邻的黄土边坡为研究对象,在收集前人成果资料的基础上,通过野外调查、工程地质勘查、室内土工试验、资料综合整理分析等方法,掌握了研究区地质环境背景,查明了边坡特征,分析了影响因素,进行了稳定性评价,提出了防治措施建议。主要得出以下几点结论:

(1)绥德县某黄土边坡地处无定河一级阶地与黄土梁峁过渡的斜坡地带,紧邻工程建设项目场地,坡体相对高差大,原始地形受开挖破坏明显,坡面冲刷强烈,坡脚多处临空变形存在崩塌隐患。

(2)地形地貌、地层岩性是影响该边坡稳定性的内在基础因素,降水及冻融作用和人类工程活动加剧了边坡的变形破坏。

(3)采用定性与定量相结合的方法,进行了边坡稳定性评价:在天然状态下基本稳定;在饱和状态下不稳定,对紧邻的工程建设项目的安全构成严重威胁。

(4)提出了“分级削坡、坡脚支挡、截排水渠、坡面绿化、变形监测”的综合防治措施建议,能够有效保障工程建设项目安全,也为陕北地区同类黄土边坡防治提供借鉴。