劉志軍，劉文元，易志強(qiáng)

(1.山西省柳林縣自然資源局，山西 呂梁 033300;2.太原理工大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，太原 030024)

黃土廣泛分布在西北、華北與東北地區(qū),尤其集中分布在黃河中上游的甘肅、陜西、山西以及寧夏等省區(qū),總面積約為6.3×105km2,約占我國(guó)陸地面積的6.6%[1]。在黃土地區(qū),由于溝壑縱橫、高低起伏的復(fù)雜地貌形成了許多黃土高邊坡,同時(shí)因黃土獨(dú)特的工程特性使得這些高邊坡極易失穩(wěn),從而嚴(yán)重影響著人類的生產(chǎn)活動(dòng)。因此,關(guān)于黃土高邊坡的穩(wěn)定性分析及其治理措施一直是黃土地區(qū)地質(zhì)災(zāi)害防治研究的熱點(diǎn)問(wèn)題[2-4]。

本文以山西某黃土高邊坡為研究對(duì)象,通過(guò)野外現(xiàn)場(chǎng)勘察查明工程地質(zhì)條件,根據(jù)工程地質(zhì)分析原理分析其可能的破壞模式,通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)測(cè)定相關(guān)巖土力學(xué)參數(shù),最后利用Geo-studio中slope/w模塊對(duì)其進(jìn)行穩(wěn)定性分析,并提出相應(yīng)的治理方案,為該類黃土邊坡的防治提供借鑒意義[5-6]。

1 工程概況

項(xiàng)目邊坡地理位置優(yōu)越,位于307國(guó)道以西,南側(cè)毗鄰三川河。邊坡為一黃土質(zhì)邊坡,邊坡高度約在10 m～70 m左右,坡頂長(zhǎng)約650 m,坡底長(zhǎng)約450 m,勘察期發(fā)現(xiàn)此邊坡經(jīng)人工削坡,邊坡坡率約1:0.75～1：0.9。在坡腳處有一住宅小區(qū),通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)邊坡并未出現(xiàn)大面積的滑塌現(xiàn)象,且在邊坡坡頂均也無(wú)地裂縫發(fā)育,但在局部出現(xiàn)了淺層滑塌,其穩(wěn)定性對(duì)坡腳及坡頂?shù)慕ㄖ锇踩纬删薮蟮赝{。

2 邊坡工程地質(zhì)條件

2.1 地形地貌

勘察區(qū)場(chǎng)地地貌為低山丘陵,受風(fēng)化、水流沖刷以及人工開(kāi)挖的多重作用形成現(xiàn)狀地貌形態(tài)?？辈炱陂g建筑場(chǎng)經(jīng)人工削坡,邊坡坡率1:0.75～1：0.9,分臺(tái)階放坡(見(jiàn)圖1)。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)調(diào)繪,邊坡坡頂均無(wú)地裂縫發(fā)育,坡腳局部出露石炭系石灰?guī)r。

邊坡呈“U”型環(huán)抱坡腳建筑場(chǎng)地,高度約在10 m～ 70 m左右,坡頂長(zhǎng)約650 m,坡底長(zhǎng)約450 m,坡度較陡峭,坡腳標(biāo)高807.05 m～814.86 m,相對(duì)高差7.81 m,坡頂標(biāo)高882.36 m～819.25 m,相對(duì)高差63.11 m;植被少有發(fā)育,局部可見(jiàn)少量雜草。

圖1 邊坡整體地形地貌Fig.1 Overall topography and landform of slope

2.2 地層巖性

根據(jù)野外調(diào)查及鉆探揭露的地層和堆積物沉積韻律特征,結(jié)合室內(nèi)土工試驗(yàn),場(chǎng)地鉆探揭露地層主要為第四系全新統(tǒng)沖洪積層(Q4al+pl),巖性主要為粉質(zhì)粘土和卵石及石炭系石灰?guī)r;邊坡巖土體地層由新到老依次為上更新統(tǒng)風(fēng)積(Q3eol)成因的馬蘭黃土和中更新統(tǒng)風(fēng)積(Q2eol)成因的粉土及粉質(zhì)粘土(離石黃土)組成,坡體巖性主要以粉質(zhì)粘土和粉土為主,具體如下:

第①層:濕陷性粉土(Q3eol),褐黃色,稍濕,稍密,具有孔隙,垂直節(jié)理發(fā)育,表層見(jiàn)少量植物根系。夾薄層粉質(zhì)粘土。

第②層:粉土(Q3eol),黃褐色,含云母、氧化鐵、氧化鋁等,稍濕,中密,土質(zhì)不均,混少量粉質(zhì)粘土及云母碎屑,搖振反應(yīng)一般,無(wú)光澤,干強(qiáng)度中等。

第③層:粉質(zhì)粘土(Q2eol),褐色,含云母、姜石、氧化鐵、氧化鋁等,局部夾薄層粉土,無(wú)搖振反應(yīng),稍有光澤,干強(qiáng)度及韌性較高。

第④層:砂卵石(Q2al+pl),雜色,礦物成分以石英、長(zhǎng)石、云母為主,級(jí)配不良,中密,該層夾有粉土和細(xì)砂等成分。分布有從北—西—南一次減少的趨勢(shì)。

第⑤層:石灰?guī)r(C3t)灰色,中風(fēng)化—強(qiáng)風(fēng)化,礦物成分以方解石為主,隱晶質(zhì)結(jié)構(gòu),層狀構(gòu)造,巖體較完整,屬于較硬巖,巖體基本質(zhì)量等級(jí)為Ⅲ級(jí)。

2.3 地質(zhì)構(gòu)造

研究區(qū)內(nèi)構(gòu)造簡(jiǎn)單,構(gòu)造位置為鄂爾多斯地區(qū)的東緣,呂梁山塊隆與鄂爾多斯斷塊接壤的南北向構(gòu)造帶西側(cè),其構(gòu)造基本形態(tài)總體上表現(xiàn)為由北東向南西漸傾的單斜構(gòu)造,地層以幾度至十幾度的傾角緩緩向西插入黃河底下,其間伴隨有平緩的褶曲。

3 邊坡穩(wěn)定性分析與評(píng)價(jià)

3.1 邊坡現(xiàn)狀宏觀分析

邊坡為土質(zhì)邊坡,坡頂?shù)匦纹骄?坡面較為陡峭,坡表分布有少量雜草,在邊坡范圍內(nèi)未發(fā)現(xiàn)邊坡變形跡象,邊坡在現(xiàn)狀條件下大面積處于基本穩(wěn)定狀態(tài),局部處于欠穩(wěn)定狀態(tài),但是在外界影響，如降雨地影響下,存在破壞的可能性。土質(zhì)邊坡易受降雨沖刷而產(chǎn)生局部崩塌,坡面穩(wěn)定性相對(duì)較差。

3.2 邊坡穩(wěn)定性分析

結(jié)合本次勘察場(chǎng)地邊坡的具體情況進(jìn)行分析,影響邊坡側(cè)向穩(wěn)定的主要因素是降雨,自然邊坡在降雨條件下容易失穩(wěn)。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查的自然邊坡現(xiàn)狀及現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量的邊坡形態(tài)建立計(jì)算模型,抗剪強(qiáng)度指標(biāo)在室內(nèi)試驗(yàn)提供指標(biāo)的基礎(chǔ)上經(jīng)反復(fù)驗(yàn)算并結(jié)合現(xiàn)有邊坡存在的狀態(tài)綜合分析確定,計(jì)算參數(shù)見(jiàn)表1。

根據(jù)邊坡形態(tài),在可能滑動(dòng)的方向上選取具有代表性的剖面,運(yùn)用Geo-studio軟件中的slope/w模塊對(duì)其在天然和暴雨(飽和)兩種工況下進(jìn)行穩(wěn)定性分析,其計(jì)算原理采用極限平衡法,包括瑞典條分法、Bishop法、Janbu法、Morgenstern-Price法等,本次計(jì)算中采用Morgenstern-Price法進(jìn)行,其中1-1′剖面安全系數(shù)和最危險(xiǎn)滑動(dòng)面如圖2和圖3所示。

圖2 1-1′剖面天然工況計(jì)算簡(jiǎn)圖Fig.2 A Sketch of natural working conditions of 1-1′Section

計(jì)算結(jié)果表明,邊坡在天然工況下的穩(wěn)定系數(shù)為1.226,處于基本穩(wěn)定狀態(tài);而在工況Ⅱ暴雨?duì)顟B(tài)下的穩(wěn)定系數(shù)為0.936,處于不穩(wěn)定狀態(tài),即邊坡在暴雨?duì)顟B(tài)下有可能失穩(wěn)形成滑坡。因此,需對(duì)此邊坡采取相應(yīng)的治理措施。

圖3 1-1′剖面暴雨工況計(jì)算簡(jiǎn)圖Fig.3 A sketch of calculation of rainstorm conditions in 1-1′profile

4 邊坡工程治理

4.1 邊坡工程治理設(shè)計(jì)

結(jié)合高邊坡特性以及邊坡設(shè)計(jì)要求,本次邊坡設(shè)計(jì)采用削坡+框架梁+錨桿+錨索+排水溝的綜合治理措施,具體設(shè)計(jì)方案見(jiàn)圖4。

圖4 邊坡設(shè)計(jì)治理示意圖Fig.4 Sketch of slope design and treatment

1)削坡:邊坡分別按1:0.25、1:0.5、1:0.75、1:1.0坡率削坡,單級(jí)坡高4.8 m～12.3 m,中間留設(shè)1.5 m ～ 2 m寬平臺(tái)。

2)框架梁:框架梁截面為400 mm×400 mm,采用C25混凝土。

3)錨桿:設(shè)置于邊坡坡面,錨桿孔距2.5 m,垂直排距2.5 m,傾角20°,孔徑130 mm,錨桿鋼筋Φ32,錨桿長(zhǎng)度分10 m和12 m兩種,彎頭長(zhǎng)度不小于45 cm。

4)錨索:錨索設(shè)置于邊坡坡面,錨索孔距2.5 m,垂直排距2.5 m,傾角20°,孔徑130 mm,壓力分散型錨索,錨索采用15.2 mm,高強(qiáng)度,低松弛,1860級(jí)無(wú)粘結(jié)鋼絞線;每索由3根組成;錨索長(zhǎng)度、自由段及錨固段長(zhǎng)度見(jiàn)圖4。

5)排水系統(tǒng):設(shè)置于坡腳、平臺(tái)、坡頂、兩側(cè)邊坡及進(jìn)場(chǎng)道路兩側(cè),采用M10漿砌片石砌筑;橫向排水溝溝底坡率3%,縱向排水溝溝底坡率與坡比保持一致,橫縱排水溝交叉處應(yīng)至少加深排水溝至800 mm,防止上游水體下流時(shí)溢出排水溝;溝底采用100 mm,厚3:7灰土鋪底。

4.2 邊坡治理后的穩(wěn)定性評(píng)價(jià)分析

對(duì)上述設(shè)計(jì)方案進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性計(jì)算,采用計(jì)算軟件為理正巖土軟件,計(jì)算剖面簡(jiǎn)圖如圖5所示,計(jì)算結(jié)果表明:在天然狀態(tài)下穩(wěn)定系數(shù)為1.375,而在暴雨工況下穩(wěn)定系數(shù)為1.213,兩種工況下邊坡均處于穩(wěn)定狀態(tài),因此可知該設(shè)計(jì)方案可滿足邊坡穩(wěn)定性要求。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文以山西呂梁某高邊坡為例,通過(guò)野外勘察查明其工程地質(zhì)條件,分析可知邊坡在降雨?duì)顟B(tài)下容易失穩(wěn),并利用Geo-studio軟件中slope/w模塊對(duì)該邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性分析,計(jì)算結(jié)果表明邊坡在暴雨等不利工況下處于不穩(wěn)定狀態(tài)。根據(jù)分析結(jié)果結(jié)合報(bào)邊坡特性及設(shè)計(jì)要求,提出了削坡+框架梁+錨桿(索)+排水溝的綜合治理方案,最后通過(guò)巖土軟件對(duì)該方案進(jìn)行驗(yàn)算,計(jì)算結(jié)果顯示能滿足邊坡穩(wěn)定性要求,同時(shí)可為同類型黃土高邊坡的治理設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)和依據(jù)。

圖5 治理后剖面計(jì)算簡(jiǎn)圖Fig.5 Profile calculation sketch after harnessing