陜北復合型特高人工邊坡治理工程設計

魏建柄

(陜西鐵道工程勘察有限公司，陜西 西安 710043)

0 引 言

陜北黃土高原地區(qū)地形支離破碎，溝壑遍布，為滑坡、崩塌等地震災害的多發(fā)區(qū)。隨著陜北地方經(jīng)濟的發(fā)展及城鎮(zhèn)建設規(guī)模的擴大，建設用地需求量急劇增加，大量的邊坡開挖工程活動增多，形成了坡高達幾十米甚至上百米的高陡邊坡。與此同時，工程開挖導致滑坡發(fā)生，高陡邊坡開挖形成的滑坡對工程建設危害更大，治理難度更大，治理費用也更高[1-6]。因此，選擇合適的治理措施是邊坡工程必須面對的難題。

本文以陜北某黃土-砂泥巖組合型人工特高邊坡(坡高110 m)為研究對象，對人工特高邊坡開挖后形成的滑坡的穩(wěn)定性及工程治理方案進行研究，以期為該類邊坡治理提供參考。

1 地質(zhì)環(huán)境條件

該高邊坡位于延安市富縣洛陽村和段家莊村附近，為延安能源化工項目西區(qū)人工開挖形成的高邊坡。地貌上屬黃土梁峁單元，地形起伏較大，總體地勢西高東低，自然山坡坡度為20°～30°，坡面較多陡坎。邊坡總體為黃土質(zhì)邊坡，表層為耕植土，其下為晚更新世黃土、古土壤，中更世黃土、古土壤，下伏三疊系下瓦窯堡組砂巖、泥巖互層，傾向為西，傾角為1°～5°。

坡面植被覆蓋相對較好，主要以刺槐為主，局部地段撂荒。溝谷下切較深，存在多處老滑坡。區(qū)內(nèi)四季分明，屬亞暖溫帶半干旱大陸性季風氣候。年平均降雨約550.8 mm，集中降雨的七月、八月、九月3個月占全年降水量的60%，且多暴雨。

在區(qū)域大地構造單元上，邊坡區(qū)處于中朝準地臺陜甘寧臺坳陜北臺凹，陜北臺凹是鄂爾多斯盆地的一部分。新構造運動在本區(qū)中、新生代地層中變化不明顯，褶皺斷裂構造不發(fā)育，屬新構造運動相對穩(wěn)定區(qū)。

2 高邊坡工程地質(zhì)特征

2.1 高邊坡形態(tài)特征

邊坡總體走向為NW20°，最高約110 m，坡頂水平長度約900 m，坡體總體呈后陡前緩狀，局部發(fā)育黃土陡坎微地貌，邊坡整體坡度約25°～35°，邊坡現(xiàn)狀為多級平臺，邊坡上有植樹并修建有漿砌片石急流槽，平臺上有漿砌片石排水溝。坡面發(fā)育沖溝和黃土陡坎，局部地段沖溝切割較深。本次勘察治理前，邊坡按原設計坡率完成削坡，除發(fā)生滑坡區(qū)段外，其他區(qū)段一二級坡面已完成護面墻施工，二級以上坡面裸露，未進行加固處理。

2.2 高邊坡物質(zhì)結(jié)構特征

從現(xiàn)場邊坡開挖出露的地層巖性的調(diào)查可知，該高邊坡為陜北典型的巖土混合型高邊坡。表層多為耕植土，自實行退耕還林后，坡體后部陡峭部位均為荒地，坡體前部相對平緩部位為人工種植林木，以刺槐為主；上部為全新世黃土(Q4)，層位不穩(wěn)定，層厚變化大，分布不均勻，常分布于坡體近坡腳位置，呈批覆狀；其下為晚更新世黃土、古土壤(Q3)，呈披被狀分布于整個坡體，層位、層厚變化大；中部為中更新世黃土與古土壤互層分布，為坡體的主要地層，水平狀分布，其層厚等受下伏基巖面控制，后期剝蝕、侵蝕等外動力地質(zhì)作用對其層厚、分布有較大的影響；下伏地層為強風化、中風化、微風化狀砂巖泥巖互層，基巖層構成上覆松散土層的基座，層位穩(wěn)定，產(chǎn)狀近水平。

2.3 高邊坡滑塌破壞特征

根據(jù)該邊坡的勘察資料，邊坡北部伸入H2 老滑坡體后緣，因坡體開挖形成的2處次生滑坡分別為CH1和CH2，如圖1所示。

圖1 C邊坡滑坡影像

CH1滑坡位于邊坡北側(cè)，該處邊坡已按設計坡率完成刷坡，并在一、二級坡體上采用漿砌片石護面墻進行了加固，上部坡面裸露?，F(xiàn)滑坡后緣拉裂縫位于六級平臺后緣(高約24 m)，六級平臺向坡內(nèi)傾斜，多處有拉張裂縫，局部落水洞發(fā)育；滑坡側(cè)界在各處裸露坡面清晰可見，一級坡面出現(xiàn)剪切破壞，推測滑坡剪出口位于該處(該處為土石界面、砂泥巖互層)，滑坡前緣寬約100 m?；轮鬏S滑向NE50°，坡體后緣拉張裂縫發(fā)育，坡體處于極限平衡狀態(tài)。

CH2滑坡位于C邊坡中部，該處邊坡已按設計坡率完成刷坡，坡體未進行加固，坡面裸露，表層風化嚴重?；乱咽Х€(wěn)滑動，滑坡平面形態(tài)呈圈椅狀，滑坡主軸滑向NW10°，滑坡后緣位于六級平臺中部，高約24 m，坡體后緣下錯最大約12 m，后壁近直立，坡體向前滑動約10 m；滑動土石方約6萬方，滑坡剪出口位于一級平臺土石交接處(該處為土石界面、砂泥巖互層)。

2.4 高邊坡滑塌破壞原因分析

根據(jù)野外調(diào)查并結(jié)合勘察資料分析認為，該高邊坡發(fā)生滑塌破壞的原因主要分為內(nèi)在因素和誘發(fā)因素2個方面。

(1)內(nèi)在因素。邊坡表層坡體主要為第四系黃土，結(jié)構比較松散，孔隙發(fā)育，多大孔隙，滲透性比較好，在水的作用下其性質(zhì)能發(fā)生較大變化，抗剪強度低，力學性質(zhì)差；下伏三疊系泥巖及砂巖，基巖面與上部土體在結(jié)構等方面存在明顯差異，一般為隔水層，表層在一些外在因素影響下易形成軟弱面，這就為滑坡形成提供了很好的條件[7-11]。

(2)誘發(fā)因素。邊坡較高，工程削坡施工后，邊坡臨空面過高，臨空坡體內(nèi)黃土應力釋放，坡腳應力集中，土體強度下降。雨水沿裂縫滲入隔水層(土石分界面)，造成分界面附近土體強度降低，同時雨水入滲造成土體含水量增加，部分呈飽和狀，下滑力增加；一般情況下,降水不可能到達下部相對隔水層,但是由于張裂隙及一些大的空洞存在，降水時地表水形成面流,會沿這些裂隙、孔洞直接灌入達到一定深度，加之地下水的側(cè)向補給，就會在該處形成地下潛水或上層滯水，使黃土呈現(xiàn)流塑或軟塑狀態(tài)，并在坡體重力作用下沿著薄弱面產(chǎn)生滑動,使邊坡破壞[12-15]。

3 邊坡穩(wěn)定性分析

3.1 工程地質(zhì)條件宏觀分析

根據(jù)野外調(diào)查并結(jié)合勘察資料分析認為，坡體滑動的原因主要有以下幾方面。

(1)該高邊坡為黃土-砂泥巖二元結(jié)構，剖面形態(tài)為上緩下陡，前緣坡腳擬建能源化工場地削坡，工程削坡施工后，臨空坡體應力釋放，坡體松弛產(chǎn)生裂縫，為該高邊坡滑塌變形提供了很有利的臨空面，不利于坡體穩(wěn)定[16-18]。

(2)削坡完成后，坡體裸露，臨空坡體應力釋放，坡體松弛產(chǎn)生裂縫，加之Q2黃土具有極為發(fā)育的豎向裂隙，坡面水下滲通道順暢，坡面排水系統(tǒng)排水效果欠佳，導致坡面水集中沿坡體裂隙下灌[19-21]。

(3)持續(xù)降雨使滑坡體含水量大，Q2黃土遇水崩解軟化，強度降低，坡面水下滲至土石界面。下伏基巖是以泥巖、砂巖互層為主，其中砂巖類孔隙較發(fā)育，垂直節(jié)理發(fā)育，為地下水的賦存提供了條件，形成含水層；而泥巖類節(jié)理不發(fā)育，透水性較差，構成了相對隔水層。高邊坡坡體上張拉裂縫、落水洞和陷穴大量發(fā)育，降雨時雨水灌入其中，使水分富集于坡體內(nèi)。高邊坡開挖時，將開挖土方填至原邊坡前緣沖溝(原出水點)中，加之場地建設開挖出新的臨空面，故水分在新的臨空面低洼處從泥巖頂面滲出。即基巖裂隙水從基巖面與第四系覆蓋層接觸面或基巖出露的地方以下降泉的形式排泄[22-24]。

綜上所述，該高邊坡失穩(wěn)破壞的主要模式是人工開挖后破壞了原有的坡體應力條件和坡體中地下水徑流條件，坡體沿巖土結(jié)合面發(fā)生滑移破壞。

3.2 穩(wěn)定性計算分析

3.2.1 計算模型及參數(shù)

該高邊坡后期產(chǎn)生CH1和CH2兩個滑坡，兩滑坡性質(zhì)基本相同，邊坡工程布置見圖2，剖面線1-1’、2-2’分別通過CH1和CH2兩滑坡。

圖2 C邊坡工程布置平面

選擇1-1’剖面作為穩(wěn)定性計算剖面，該邊坡高度最大110 m左右，剖面線SWW方向，計算剖面地層由上至下分別為耕植土、第四紀全新世坡(洪)積黃土狀土；第四紀晚更新世風積黃土、殘積古土壤；第四紀中更世風積黃土、殘積古土壤，三疊系下統(tǒng)瓦窯堡組砂、泥巖互層體。取邊坡兩側(cè)伸展各50 m作為橫向分析寬度，向下伸展50 m作為分析深度，計算剖面見圖3。

圖3 C邊坡穩(wěn)定性計算剖面

考慮到降雨和地震對邊坡穩(wěn)定性的影響,并參考滑坡的成因和形成機理，滑前C邊坡穩(wěn)定性計算考慮3種工況：自重；自重與地震；自重與暴雨。

土體穩(wěn)定性計算參數(shù)主要由室內(nèi)試驗獲得，具體見表1。

3.2.2 計算結(jié)果及穩(wěn)定性分析

利用Geo-Studio軟件的SLOPE/W模塊，以邊坡頂部和邊坡下部作為滑移面入口和出口，自動搜索最危險滑動面，從而確定C邊坡在滑動前不同工況下的滑動安全系數(shù)，記為C邊坡穩(wěn)定性計算結(jié)果1，見表2。

表1 邊坡穩(wěn)定性計算參數(shù)建議值

表2 C邊坡穩(wěn)定性計算結(jié)果1

根據(jù)滑坡的實際位置，改變計算模型滑移面的入口和出口，將滑移面入口定為第六級平臺，自動搜索最危險滑動面，最終得到的安全系數(shù)記為C邊坡穩(wěn)定性計算結(jié)果2，見表3。

3.3 綜合評價

綜合而論，根據(jù)穩(wěn)定性計算結(jié)果1，滑動前C邊坡在天然工況、地震工況、暴雨工況下的安全系數(shù)分別為1.266、1.117、1.253，均大于1.00，說明邊坡整體處于穩(wěn)定狀態(tài)；根據(jù)穩(wěn)定性計算結(jié)果2，天然工況、地震工況、暴雨工況下的安全系數(shù)分別為1.491、1.326、0.942，說明六級平臺以下邊坡天然、地震工況下處于穩(wěn)定狀態(tài)，暴雨工況下處于失穩(wěn)狀態(tài)。計算結(jié)果與宏觀地質(zhì)分析基本吻合，與邊坡實際發(fā)生的破壞模式基本吻合。綜合分析治理工程技術、經(jīng)濟的合理性，采取適宜措施予以防范。

表3 C邊坡穩(wěn)定性計算結(jié)果2

4 治理工程設計

該高邊坡區(qū)內(nèi)保護對象主要為開挖平整形成的能源化工基本建設區(qū)，人工邊坡較陡，施工場地狹小，治理工程布置受到很大限制。為了能夠最大程度地減少對坡體的擾動以及對擬建場區(qū)的影響，避免大規(guī)模開挖、填方使高邊坡的地質(zhì)環(huán)境條件進一步惡化，所以治理工程位置選擇在該高邊坡前緣，治理方案選擇地表排水、抗滑支擋與坡面防護相結(jié)合的綜合措施；此外,根據(jù)春融后坡面滲水及1010平臺樁基施工發(fā)現(xiàn)的地下水情況，需增設地下水處理措施。通過方案比選，最終確定的綜合治理措施包括漿砌石護面墻、地表排水溝、豎井排水、抗滑樁[25]。

(1)在一級坡設置片石混凝土重力式擋土墻，墻高5.5 m，背坡率為1∶0.25，基底埋深為1.5 m。

(2)在二級、三級坡設漿砌片石護面墻；四級、五級和六級坡坡腳設高0.4 m、厚0.3 m的漿砌片石護腳，坡頂平臺外側(cè)設寬0.4 m、厚0.1 m的C20混凝土護肩。

(3)在三級坡平臺設置抗滑樁，樁截面尺寸分別為1.25 m×1.75 m、1.50 m×2.00 m，對應樁身長16 m和18 m，樁中對中間距為5.5 m，共設置41根。

(4)每級平臺設置截水溝，截水溝截面尺寸為0.4 m×0.4 m，增做截水溝可以與原有截水溝聯(lián)通，將滑坡體地表水排出坡體。

(5)于六級平臺設4個排水豎井，井口高于地面以上0.5 m，深度按伸入基巖不小于2 m控制；豎井內(nèi)自井壁向靠山側(cè)方向施打仰斜式排水孔，孔徑為110 mm，長度不小于25 m，向上傾角為8°。距豎井底1.0 m設背離靠山側(cè)向外的排水孔，孔徑為150 mm；排水孔向下傾角不小于3°，長度按豎井井壁至邊坡坡腳處一級擋土墻出水口的距離控制，約40～60 m。

5 結(jié) 語

本文以陜北某高邊坡的治理工程勘查設計為實例，在巖土混合型高邊坡的治理設計方面得到以下幾點結(jié)論。

(1)對于陜北黃土-砂泥巖混合型人工高邊坡的治理，首先應查清坡體的結(jié)構特征，確定最不利的軟弱結(jié)構面，然后分析其變形破壞模式，建立正確的分析計算模型，再采用合適的計算方法進行穩(wěn)定性計算，并結(jié)合高邊坡工程地質(zhì)條件綜合分析法分析預測高邊坡削坡前后的穩(wěn)定性及可能的破壞特征，最后根據(jù)分析結(jié)果進行相應的治理工程設計。

(2)治理工程措施的選擇應因地制宜，根據(jù)高邊坡的結(jié)構特點和變形破壞模式合理確定，高邊坡的多級臺階治理要以穩(wěn)定性評價為依據(jù)。

(3)削坡回填后破壞了高邊坡坡體內(nèi)原有的地下水徑流途徑，邊坡工程治理設計應做好邊坡內(nèi)地下水的排水設計，防止地表水入滲在土石結(jié)合部位形成滑動面。