降水对花岗岩残积土农村边坡稳定性影响特征及整治对策

史建松,李日升,曾 凯

(1.华北有色工程勘察院有限公司,河北 石家庄 050021;2.自然资源部金属矿山地下水灾害防治工程技术创新中心,河北 石家庄 050021)

0 引言

花岗岩残积土农村边坡广泛分布在我国东南部山区,因其自身性质的影响易受到自然环境的影响,边坡的稳定性面临严重挑战,成为亟需解决的民生问题。除坡脚开挖不规范外,降水是这一类边坡变形失稳的最主要因素,也是一直研究的热点问题。本文以广东省北部山区农村削坡建房极高风险和高风险边坡整治经验为基础,分析花岗岩残积土农村边坡的特点,研究降水对花岗岩残积土农村边坡稳定性的影响特征与对策,为制定相应的防治策略提供丰富的实践经验。

1 边坡特征

1.1 地貌特征

项目区花岗岩残积土人工边坡一般位于中低山剥蚀地貌,区域自然地形坡度24°～35°,相对高差数10～200 m,这些山岭经长期风化剥蚀,山顶一般呈浑园形(刘明俊,1988)。山坡有土层覆盖,乔、灌、草类植物茂盛,覆盖率100%。

农村住宅削坡高度处于10～20 m之间,整体坡度均较陡,为60°～75°不等,开挖多采用分级方式,单级坡高4～8 m,台阶面一般较窄,多为0.8～1.3 m。坡面一般长有少量杂草及矮小灌木,成坡时间较久的坡面基本长满藓类植物。

1.2 气象水文条件

项目区属亚热带季风气候,年降水量达2 100 mm,每年3-4月为“回南天”,阴雨连绵;5-6月为“龙舟水”,多连续大暴雨;7-9月为台风季节,多短时暴雨。根据2011年1月至2023年3月统计,项目区共出现多云天气1 908 d,降雨1 425 d,阴天584 d,晴天448 d(图1)。

图1 项目区多年天气统计(2011-2013)

1.3 边坡地质条件

花岗岩残积土因风化残余物之间有较高连接强度和整体性而使得其具有不同其他土的结构和构造:高孔隙比、低密度、较大压缩系数和高抗剪强度指标同时具备,此外在遇水条件还极易丧失强度、软化崩解,因而分类归属于“特殊土”(曾洲,2019)。

根据钻孔资料可知,坡体岩性自上而下分别为:残坡积层砂质黏性土,褐黄色夹褐红色,砂砾分散胶结于粘性土之中,砂砾含量为25%～50%,砂砾粒径1～10 mm不等,整体干强度较高,遇水迅速软化,层厚0.5～1.8 m;全风化花岗岩,含风化碎屑碎块,手捏有沙砾感,芯呈硬土柱状,遇水易软化崩解,层厚1.30～9.90 m;强风化花岗岩:呈半岩半土状,较破碎,岩质软且遇水易分解,层厚1.15～11.45 m;中风化花岗岩:中粗粒结构,短柱状构造,较坚硬,击之声较脆(图2)。

表1 岩土层主要物理力学参数与指标

图2 典型花岗岩残积土农村边坡地形地质图

1.4 地下水特征

区内属亚热带季风气候,雨量充沛,降雨补给是排查区地下水的主要补给来源。项目区属剥蚀丘陵地貌,在多雨季节,地下水沿山坡形成浅层径流,沿山体斜坡向低洼处排泄,多以潜流方式排泄,径流条件好,路程短。项目区边坡一般位于山坡根部,一般为排泄区。

项目区边坡地下含水层分为松散岩类孔隙水和基岩裂隙水。松散岩类孔隙水主要赋存于坡残积层和全、强风化花岗岩层,一般属潜水性质,局部具微承压性质,透水性一般,该含水层渗透系数为0.0029～0.078 m/d,渗透系数平均值0.034～0.049 m/d。由于含水层分布于斜坡上,地下水补给及径流通畅,地下水迅速向坡下渗流,不利于地下水的赋存,一般水量贫乏,仅局部有雨季形成的上层滞水。基岩裂隙水含水岩组为强～中风化花岗岩风化裂隙带,呈网格状及脉状,分布不均匀,水力性质以微承压水为主。区内地形高差较大,地下水径流较通畅,沿地形排泄至山前低洼地带,雨季和降雨后地下水位上升,水量增大;旱季则地下水位降低,水量减少。

地下水位及泉流量的季节性变化比较明显。泉水流量高峰一般比降雨量高峰的时间推后约一个月。

1.5 边坡破坏情况

每年强降雨时期,项目区均会发生大量农村住宅边坡失稳破坏的情形,多为浅层局部破坏,滑塌体呈现中间厚,四周薄的特征。主要原因为强降雨使得边坡表层岩土体含水率上升,导致土体体积膨胀,降低土体的抗剪强度,以及内粘聚力急速降低,使可塑性变形区不断扩大,在重力作用下前缘临空面产生较大变形从而发生滑塌破坏。据统计约95%的崩塌、滑坡地质灾害出现在年降水量1 300～2 000 mm的地区,特别是1 300～1 400 mm区域地质灾害发育密集占43.9%,当日降雨量达150 mm及以上时,将是人工边坡引发地质灾害易发、高发、频发阶段;当时降雨量达100 mm及以上时,将是花岗岩类人工边坡引发地质灾害易发、高发、频发阶段(李秀娟,2020)。

本次极高风险、高风险农村边坡整治项目中,约30%的边坡已出现了不同程度的坡表垮塌,塌方规模在2～20 m3之间(图3)。

图3 项目区农村住宅边坡坡表垮塌典型照片

2 降水对该类边坡的破坏特征

2.1 坡表侵蚀

部分住宅农户因长期不在老家居住或疏于整修边坡,致使坡表汇流持续冲刷坡面,形成于坡面并行的多条小冲沟较或集中的大型冲沟。尤其是大型冲沟发育后,在持续的汇流侵蚀下诱发边坡发生大规模的垮塌。

2.2 表层滑塌

强降雨条件下,表层岩土体含水率迅速上升,重度增加的同时抗剪能力下降,出现规模不一的坡表滑塌。在花岗岩残积土人工边坡中,坡表滑塌是典型的边坡破坏类型,这与花岗岩残积土边坡的地层特性相关。

研究表明,在不断上升的雨强下,花岗岩残积土类边坡在不同时间内发生失稳位置也发生了变化。该类边坡失稳模式及判别阈值建议采用西南交通大学高速铁路路线工程教育部重点实验室的研究成果(连继峰等,2015)。该项研究成果中的第1种失稳模式与项目区花岗岩残积土农村边坡变形破坏模式较为接近。后期研究中应加强对表征参数λ的阈值研究,λ为滑体长度L与软化深度zw的比值,加强其对项目区边坡稳定性监测和预警的指导意义。

2.3 管道流破坏

在农村地区,蛇、鼠、蚯蚓等钻洞生物量较大,边坡中存在较多的孔洞。在长期频繁的降水中,水分的渗流加剧,边坡渗透水通道不断加大,使孔洞贯穿形成管道流。降雨时,坡顶汇水通过孔洞在坡面呈射流状喷出,喷出位置的周围及下方边坡经常出现滑塌。对于此种破坏模式,应在发现的孔洞入渗路径上设置截水帷幕阻止地下水入渗到潜在滑坡区,或采取封闭的集水槽及时将积水引至坡脚排走。

3 整治对策

3.1 一般整治措施

因农村住宅边坡存量大、规模小、位置分散的特点,一般用于整治的资金较为有限,整治时应选择对降低边坡崩塌、滑坡风险性价比较高的措施。项目区边坡整治平均投入为4.2万元,采取的措施和目的介绍如下:

(1)坡面清理。根据现场实际情况对不具备放坡的坡体表面不稳定的岩土体进行清理,清理过程中由上至下,仅对凸出坡体小规模的不稳定岩土体进行适当清理整形。

(2)削坡减载。对具备削坡条件的坡体进行放坡处理,清理过程中由上至下,放坡后坡度不大于45度,分段放坡,台阶宽度不少于0.8 m,每段台阶高度不大于5 m。

(3)坡顶截排水工程。在边坡最高一级平台顶部5 m距离设截排水沟。截排水沟尺寸根据汇水面积计算确定。采用频率最高的截排水沟尺寸为净截面宽0.6 m,深0.2 m,沟底采用C25混凝土打底,厚度100 mm,垫层内设φ8钢筋网片。沟壁采用混凝土浇筑,厚度10 cm。在纵坡降较大的部位设置跌水坎,跌水坎高20 cm。此种截水沟在保证排水能力的同时,为后期农户自行清理沟内泥土及杂物提供较大的便利。

(4)台阶面硬化。对宽度大于0.3 m的台阶面进行硬化,采用C25混凝土,厚度80 mm。原台阶面已设排水沟的,对原排水沟整形夯实后硬化;原台阶面未设排水沟的,整平夯实硬化。

(5)坡脚挡墙工程。于屋后坡脚处设置混凝土挡土墙,根据坡高及坡面垮塌情况选择高度1 m或1.5 m挡土墙,墙后不进行回填,用于阻挡及收集坡面垮塌物。

(6)坡脚地面硬化。坡脚至房屋后墙地面铺设一层C25混凝土,厚度80 mm,铺设混凝土前对原地面进行找平夯实。用于及时排出积水防止坡脚冲刷。

3.2 合理选择边坡整治时间

农村住宅边坡整治不宜选择在降水较多的时期进行,原因有二:

(1)在新鲜面不能及时遮盖,或播撒的草灌种子未能生出足够的根系达到固坡作用时,削坡形成的新鲜面有利于雨水入渗,更易造成边坡垮塌。2022年整治过程中,受资金量影响大部分边坡未设计削坡工作,但部分农户强硬要求削坡,在5月份龙舟水强降雨时,这些边坡基本都发生了不同规模大小的坡面垮塌。而其他未削坡的边坡虽经此强降雨,但大部分保持了坡面完整。这就侧面说明了整治时间选择和坡面保护的重要性。

(2)坡顶排水沟在施时的“负作用”。项目区坡顶乔灌草茂盛,排水沟作业面窄,一般情况下3～5 d才能完成施工,侧壁完成土方回填后才能发挥截排水功能。在最终功能形成前,如遇强降雨天气,在施的排水沟则变成了集水沟,大量地汇集上游坡面来水并集中下渗,更易造成坡体垮塌。整治期间,仅5月20日-21日,一次持续20 h的90 mm降雨,造成了3处在施边坡失稳。垮塌体的上缘均位于在施排水沟附近,已完部分的排水沟则因下方土体失稳而遭破坏。

因此,项目区边坡整治时间应尽量选择在10月至来年2月份进行,尤其是涉及削坡工作的,应提前清理屋后杂物、规划削坡实施方案和弃土地点,以便削坡工作顺利快速完成,并及时进行坡面防护工作。

3.3 不宜及时清理垮塌体

对坡面垮塌下来的土体、不宜立即进行清理。因为坡面发生垮塌后,整个坡体很有可能仍处于不稳定状态,此时去坡脚位置清理渣土,造成坡脚自重减轻,极易造成二次垮塌,清理人员容易被再次垮塌的土体砸伤或被埋,造成人身伤亡事故,存在很大的安全风险,2022年龙舟水期间,因雨后清理垮塌土体发生了两起类似伤情事故。不宜及时清理坡脚的另一原因是,垮塌下来的土体能起到压脚的作用,减缓或阻止边坡不稳定部分的继续下滑运动,为后续治理创造有利条件,可起到降低整治费用的效果。

3.4 详尽的现场调查

调查时应沿坡顶向上调查足够远的距离。避免仅在坡脚观察,测量完边坡形态后即完成工作。农村削坡建房由于挖除了坡脚,边坡内部应力重新调整分布,坡顶一段距离处存在拉应力区,易发育拉裂缝,甚至存在一定落差的滑坡后壁。对于发现的这些裂缝、应及时用混凝土浇筑或打孔使用压力注浆的方式进行封闭。

比如在某住宅边坡应急抢险工程勘查中,技术人员根据滑体上缘为排水沟位置,推断滑坡主因为坡顶排水沟“截而不排”导致,虽用无人机进行了全方位高空调查,未见坡顶植被存在明显高差和“醉汉林”特征,因而在设计中仅采取了削坡分级和坡面加固措施。但在施工过程中,工人发现坡顶上缘12 m的位置存在两条贯通的拉张裂缝,而不得不停工进行重新计算和设计,给工程抢险带来工期和预算增加的后果。

3.5 边坡监测与预警

根据大量边坡垮塌案例分析,前期降雨条件与48 h雨量对花岗岩残积土类边坡稳定性有较大影响,边坡监测与预警时应重点考虑这两项因素。

(1)长期干旱后,黏粒含量较高的土质边坡表层土壤发生板结作用,短时强降雨并不会使土壤含水率有效增加,而径流系数显著增加,边坡稳定性一般变化不大。但对于该类残坡积或全风化花岗岩边坡,因其结构较为松散,水敏性差,数月干旱少雨后的强降雨更易激发滑坡,久旱强雨是此类边坡警和防控的关键时段。

(2)农村削坡建房边坡一般形成时间较长,坡面长有大量藓类植被,在强降雨初期存在降雨入渗率较低的现象。随降雨时长增大,坡表砂质粘性土含水率逐渐增大而发生垮塌。根据当地经验,一般48h雨量大于100 mm时,较多的住宅边坡会发生坡面垮塌现象。

4 建议

根据降水对项目区花岗岩残积土农村边坡的破坏特征分析,结合当地农户的边坡整治经验,现提出以下针对性建议。

4.1 技术层面

1)削坡坡度的控制。边坡的坡度对边坡的稳定性产生非常重要的影响。在不同坡度下,边坡的承载能力和抗滑性都不同。(1)对于经济条件有限的农户,尽量避免一坡到底的削坡方式,建议采取简易分级式.每级边坡高度不大于5 m,台阶面宽度不小于0.4 m,台阶面采取中间高两端低的形式。目的在于避免水分滞留对边坡的稳定性产生负面影响,最大程度保持坡面稳定。(2)对有条件的农户,建议采取综合防治措施:①规范化削坡,控制整体坡度低于45°,单级坡不大于8 m,台阶宽度不小于2 m;②建立完善的坡顶截水、坡中和坡脚排水措施,尽量减少坡面受水蚀影响;③坡面适当考虑绿化防治,如人工种植桉树、小型灌木等措施。在边坡植被覆盖率和根系分布等生物因素的作用下,土体的结构也会产生很大的变化。较好的植被覆盖率和较为完整的植被根系结构可以显著提升土体的抗剪强度和抗侵蚀能力。

2)应加强边坡管理和维护,定期检查边坡的破坏状况,并及时采取排水或者其他措施降低边坡内部土体含水率,从而控制静水压力的升高,延缓松弛带的扩展和沉降过程,保障边坡的稳定性。

4.2 资金层面

对于经济条件有限的农户,采取政府全额补贴或部分补贴的方式,支持引导农户进行边坡整治,在整治资金有限的情况下,首先确保采取治理边坡最有效的截排水沟措施,根据情况增加其他治理措施;

对于经济条件好且愿意自己出资整治的农户,采取政府部分补贴或不补贴的方式,积极引导农户进行边坡整治。对坡体进行全面整治,包括坡顶截排水措施、坡体削坡减载、坡面封闭措施、坡脚挡土墙措施等,在保证有效减灾的治理目的下,最大程度的消除地质灾害风险,达到消灾效果;

4.3 管理层面

(1)加强制度宣贯。让避险责任人充分认识防灾减灾工作重要性,从基层抓起认真开展灾害预防工作。在地质灾害易发生地区,山边水边坡谷地带的居民千万要牢记防地质灾害“五字经”:住前不住后、住上不住下、小雨不休息、大雨走亲戚,切实增强防范和应对灾害风险的意识和能力。

(2)优化土地利用规划与管理。土地利用规划与管理是农村边坡稳定性提升的关键因素之一,当前坡顶存在的坟墓问题、风水问题大大限制了截排水措施的设置。建议应首先应避免随意开垦拓展,尽可能保持原有的自然状况和地貌特征,其次积极引导农户关于丧葬风俗的意识问题,将其规范化、制度化管理。

(3)建立边坡稳定性监测体系,分类开展典型边坡稳定性监测,实现分类预警。边坡分类事应考虑地质背景、边坡形态、边坡工程学特性、监测手段和监测点布设等。具体来说,应该采用多种监测手段进行边坡稳定性监测,例如岩土工程监测、气象监测、水文监测、地形测量等,同时建立合理的监测点布设方案,以覆盖整个边坡的监测范围,从而实现全面、准确地监测边坡稳定性。

5 结语

(1)本文针对花岗岩残积土农村边坡这一典型边坡进行了坡面特征和失稳破坏模式总结,论证了降雨对边坡稳定性的影响机理,针对性得提出了有效的预防和整治措施,为同类边坡整治提供可供借鉴的指导意义。

(2)为更好地认识降水对花岗岩残积土农村边坡稳定性的影响,还需要进一步研究其作用机理,包括降水引起的水力压力及侵蚀、渗流作用等方面的细节研究,以及花岗岩残积土的松散化机理、渗透特性等因素与降水的关系探讨。可以通过多种实验手段,如现场实验、室内模拟等方式继续提高研究的可靠性。为实际工程建设提供更加准确、细致的规划与指导。