史建松,李日升,曾 凱

(1.華北有色工程勘察院有限公司,河北 石家莊 050021;2.自然資源部金屬礦山地下水災(zāi)害防治工程技術(shù)創(chuàng)新中心,河北 石家莊 050021)

0 引言

花崗巖殘積土農(nóng)村邊坡廣泛分布在我國東南部山區(qū),因其自身性質(zhì)的影響易受到自然環(huán)境的影響,邊坡的穩(wěn)定性面臨嚴重挑戰(zhàn),成為亟需解決的民生問題。除坡腳開挖不規(guī)范外,降水是這一類邊坡變形失穩(wěn)的最主要因素,也是一直研究的熱點問題。本文以廣東省北部山區(qū)農(nóng)村削坡建房極高風(fēng)險和高風(fēng)險邊坡整治經(jīng)驗為基礎(chǔ),分析花崗巖殘積土農(nóng)村邊坡的特點,研究降水對花崗巖殘積土農(nóng)村邊坡穩(wěn)定性的影響特征與對策,為制定相應(yīng)的防治策略提供豐富的實踐經(jīng)驗。

1 邊坡特征

1.1 地貌特征

項目區(qū)花崗巖殘積土人工邊坡一般位于中低山剝蝕地貌,區(qū)域自然地形坡度24°～35°,相對高差數(shù)10～200 m,這些山嶺經(jīng)長期風(fēng)化剝蝕,山頂一般呈渾園形(劉明俊,1988)。山坡有土層覆蓋,喬、灌、草類植物茂盛,覆蓋率100%。

農(nóng)村住宅削坡高度處于10～20 m之間,整體坡度均較陡,為60°～75°不等,開挖多采用分級方式,單級坡高4～8 m,臺階面一般較窄,多為0.8～1.3 m。坡面一般長有少量雜草及矮小灌木,成坡時間較久的坡面基本長滿蘚類植物。

1.2 氣象水文條件

項目區(qū)屬亞熱帶季風(fēng)氣候,年降水量達2 100 mm,每年3-4月為“回南天”,陰雨連綿;5-6月為“龍舟水”,多連續(xù)大暴雨;7-9月為臺風(fēng)季節(jié),多短時暴雨。根據(jù)2011年1月至2023年3月統(tǒng)計,項目區(qū)共出現(xiàn)多云天氣1 908 d,降雨1 425 d,陰天584 d,晴天448 d(圖1)。

圖1 項目區(qū)多年天氣統(tǒng)計(2011-2013)

1.3 邊坡地質(zhì)條件

花崗巖殘積土因風(fēng)化殘余物之間有較高連接強度和整體性而使得其具有不同其他土的結(jié)構(gòu)和構(gòu)造:高孔隙比、低密度、較大壓縮系數(shù)和高抗剪強度指標同時具備,此外在遇水條件還極易喪失強度、軟化崩解,因而分類歸屬于“特殊土”(曾洲,2019)。

根據(jù)鉆孔資料可知,坡體巖性自上而下分別為:殘坡積層砂質(zhì)黏性土,褐黃色夾褐紅色,砂礫分散膠結(jié)于粘性土之中,砂礫含量為25%～50%,砂礫粒徑1～10 mm不等,整體干強度較高,遇水迅速軟化,層厚0.5～1.8 m;全風(fēng)化花崗巖,含風(fēng)化碎屑碎塊,手捏有沙礫感,芯呈硬土柱狀,遇水易軟化崩解,層厚1.30～9.90 m;強風(fēng)化花崗巖:呈半巖半土狀,較破碎,巖質(zhì)軟且遇水易分解,層厚1.15～11.45 m;中風(fēng)化花崗巖:中粗粒結(jié)構(gòu),短柱狀構(gòu)造,較堅硬,擊之聲較脆(圖2)。

表1 巖土層主要物理力學(xué)參數(shù)與指標

圖2 典型花崗巖殘積土農(nóng)村邊坡地形地質(zhì)圖

1.4 地下水特征

區(qū)內(nèi)屬亞熱帶季風(fēng)氣候,雨量充沛,降雨補給是排查區(qū)地下水的主要補給來源。項目區(qū)屬剝蝕丘陵地貌,在多雨季節(jié),地下水沿山坡形成淺層徑流,沿山體斜坡向低洼處排泄,多以潛流方式排泄,徑流條件好,路程短。項目區(qū)邊坡一般位于山坡根部,一般為排泄區(qū)。

項目區(qū)邊坡地下含水層分為松散巖類孔隙水和基巖裂隙水。松散巖類孔隙水主要賦存于坡殘積層和全、強風(fēng)化花崗巖層,一般屬潛水性質(zhì),局部具微承壓性質(zhì),透水性一般,該含水層滲透系數(shù)為0.0029～0.078 m/d,滲透系數(shù)平均值0.034～0.049 m/d。由于含水層分布于斜坡上,地下水補給及徑流通暢,地下水迅速向坡下滲流,不利于地下水的賦存,一般水量貧乏,僅局部有雨季形成的上層滯水。基巖裂隙水含水巖組為強～中風(fēng)化花崗巖風(fēng)化裂隙帶,呈網(wǎng)格狀及脈狀,分布不均勻,水力性質(zhì)以微承壓水為主。區(qū)內(nèi)地形高差較大,地下水徑流較通暢,沿地形排泄至山前低洼地帶,雨季和降雨后地下水位上升,水量增大;旱季則地下水位降低,水量減少。

地下水位及泉流量的季節(jié)性變化比較明顯。泉水流量高峰一般比降雨量高峰的時間推后約一個月。

1.5 邊坡破壞情況

每年強降雨時期,項目區(qū)均會發(fā)生大量農(nóng)村住宅邊坡失穩(wěn)破壞的情形,多為淺層局部破壞,滑塌體呈現(xiàn)中間厚,四周薄的特征。主要原因為強降雨使得邊坡表層巖土體含水率上升,導(dǎo)致土體體積膨脹,降低土體的抗剪強度,以及內(nèi)粘聚力急速降低,使可塑性變形區(qū)不斷擴大,在重力作用下前緣臨空面產(chǎn)生較大變形從而發(fā)生滑塌破壞。據(jù)統(tǒng)計約95%的崩塌、滑坡地質(zhì)災(zāi)害出現(xiàn)在年降水量1 300～2 000 mm的地區(qū),特別是1 300～1 400 mm區(qū)域地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育密集占43.9%,當日降雨量達150 mm及以上時,將是人工邊坡引發(fā)地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)、高發(fā)、頻發(fā)階段;當時降雨量達100 mm及以上時,將是花崗巖類人工邊坡引發(fā)地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)、高發(fā)、頻發(fā)階段(李秀娟,2020)。

本次極高風(fēng)險、高風(fēng)險農(nóng)村邊坡整治項目中,約30%的邊坡已出現(xiàn)了不同程度的坡表垮塌,塌方規(guī)模在2～20 m3之間(圖3)。

圖3 項目區(qū)農(nóng)村住宅邊坡坡表垮塌典型照片

2 降水對該類邊坡的破壞特征

2.1 坡表侵蝕

部分住宅農(nóng)戶因長期不在老家居住或疏于整修邊坡,致使坡表匯流持續(xù)沖刷坡面,形成于坡面并行的多條小沖溝較或集中的大型沖溝。尤其是大型沖溝發(fā)育后,在持續(xù)的匯流侵蝕下誘發(fā)邊坡發(fā)生大規(guī)模的垮塌。

2.2 表層滑塌

強降雨條件下,表層巖土體含水率迅速上升,重度增加的同時抗剪能力下降,出現(xiàn)規(guī)模不一的坡表滑塌。在花崗巖殘積土人工邊坡中,坡表滑塌是典型的邊坡破壞類型,這與花崗巖殘積土邊坡的地層特性相關(guān)。

研究表明,在不斷上升的雨強下,花崗巖殘積土類邊坡在不同時間內(nèi)發(fā)生失穩(wěn)位置也發(fā)生了變化。該類邊坡失穩(wěn)模式及判別閾值建議采用西南交通大學(xué)高速鐵路路線工程教育部重點實驗室的研究成果(連繼峰等,2015)。該項研究成果中的第1種失穩(wěn)模式與項目區(qū)花崗巖殘積土農(nóng)村邊坡變形破壞模式較為接近。后期研究中應(yīng)加強對表征參數(shù)λ的閾值研究,λ為滑體長度L與軟化深度zw的比值,加強其對項目區(qū)邊坡穩(wěn)定性監(jiān)測和預(yù)警的指導(dǎo)意義。

2.3 管道流破壞

在農(nóng)村地區(qū),蛇、鼠、蚯蚓等鉆洞生物量較大,邊坡中存在較多的孔洞。在長期頻繁的降水中,水分的滲流加劇,邊坡滲透水通道不斷加大,使孔洞貫穿形成管道流。降雨時,坡頂匯水通過孔洞在坡面呈射流狀噴出,噴出位置的周圍及下方邊坡經(jīng)常出現(xiàn)滑塌。對于此種破壞模式,應(yīng)在發(fā)現(xiàn)的孔洞入滲路徑上設(shè)置截水帷幕阻止地下水入滲到潛在滑坡區(qū),或采取封閉的集水槽及時將積水引至坡腳排走。

3 整治對策

3.1 一般整治措施

因農(nóng)村住宅邊坡存量大、規(guī)模小、位置分散的特點,一般用于整治的資金較為有限,整治時應(yīng)選擇對降低邊坡崩塌、滑坡風(fēng)險性價比較高的措施。項目區(qū)邊坡整治平均投入為4.2萬元,采取的措施和目的介紹如下:

(1)坡面清理。根據(jù)現(xiàn)場實際情況對不具備放坡的坡體表面不穩(wěn)定的巖土體進行清理,清理過程中由上至下,僅對凸出坡體小規(guī)模的不穩(wěn)定巖土體進行適當清理整形。

(2)削坡減載。對具備削坡條件的坡體進行放坡處理,清理過程中由上至下,放坡后坡度不大于45度,分段放坡,臺階寬度不少于0.8 m,每段臺階高度不大于5 m。

(3)坡頂截排水工程。在邊坡最高一級平臺頂部5 m距離設(shè)截排水溝。截排水溝尺寸根據(jù)匯水面積計算確定。采用頻率最高的截排水溝尺寸為凈截面寬0.6 m,深0.2 m,溝底采用C25混凝土打底,厚度100 mm,墊層內(nèi)設(shè)φ8鋼筋網(wǎng)片。溝壁采用混凝土澆筑,厚度10 cm。在縱坡降較大的部位設(shè)置跌水坎,跌水坎高20 cm。此種截水溝在保證排水能力的同時,為后期農(nóng)戶自行清理溝內(nèi)泥土及雜物提供較大的便利。

(4)臺階面硬化。對寬度大于0.3 m的臺階面進行硬化,采用C25混凝土,厚度80 mm。原臺階面已設(shè)排水溝的,對原排水溝整形夯實后硬化;原臺階面未設(shè)排水溝的,整平夯實硬化。

(5)坡腳擋墻工程。于屋后坡腳處設(shè)置混凝土擋土墻,根據(jù)坡高及坡面垮塌情況選擇高度1 m或1.5 m擋土墻,墻后不進行回填,用于阻擋及收集坡面垮塌物。

(6)坡腳地面硬化。坡腳至房屋后墻地面鋪設(shè)一層C25混凝土,厚度80 mm,鋪設(shè)混凝土前對原地面進行找平夯實。用于及時排出積水防止坡腳沖刷。

3.2 合理選擇邊坡整治時間

農(nóng)村住宅邊坡整治不宜選擇在降水較多的時期進行,原因有二:

(1)在新鮮面不能及時遮蓋,或播撒的草灌種子未能生出足夠的根系達到固坡作用時,削坡形成的新鮮面有利于雨水入滲,更易造成邊坡垮塌。2022年整治過程中,受資金量影響大部分邊坡未設(shè)計削坡工作,但部分農(nóng)戶強硬要求削坡,在5月份龍舟水強降雨時,這些邊坡基本都發(fā)生了不同規(guī)模大小的坡面垮塌。而其他未削坡的邊坡雖經(jīng)此強降雨,但大部分保持了坡面完整。這就側(cè)面說明了整治時間選擇和坡面保護的重要性。

(2)坡頂排水溝在施時的“負作用”。項目區(qū)坡頂喬灌草茂盛,排水溝作業(yè)面窄,一般情況下3～5 d才能完成施工,側(cè)壁完成土方回填后才能發(fā)揮截排水功能。在最終功能形成前,如遇強降雨天氣,在施的排水溝則變成了集水溝,大量地匯集上游坡面來水并集中下滲,更易造成坡體垮塌。整治期間,僅5月20日-21日,一次持續(xù)20 h的90 mm降雨,造成了3處在施邊坡失穩(wěn)?？逅w的上緣均位于在施排水溝附近,已完部分的排水溝則因下方土體失穩(wěn)而遭破壞。

因此,項目區(qū)邊坡整治時間應(yīng)盡量選擇在10月至來年2月份進行,尤其是涉及削坡工作的,應(yīng)提前清理屋后雜物、規(guī)劃削坡實施方案和棄土地點,以便削坡工作順利快速完成,并及時進行坡面防護工作。

3.3 不宜及時清理垮塌體

對坡面垮塌下來的土體、不宜立即進行清理。因為坡面發(fā)生垮塌后,整個坡體很有可能仍處于不穩(wěn)定狀態(tài),此時去坡腳位置清理渣土,造成坡腳自重減輕,極易造成二次垮塌,清理人員容易被再次垮塌的土體砸傷或被埋,造成人身傷亡事故,存在很大的安全風(fēng)險,2022年龍舟水期間,因雨后清理垮塌土體發(fā)生了兩起類似傷情事故。不宜及時清理坡腳的另一原因是,垮塌下來的土體能起到壓腳的作用,減緩或阻止邊坡不穩(wěn)定部分的繼續(xù)下滑運動,為后續(xù)治理創(chuàng)造有利條件,可起到降低整治費用的效果。

3.4 詳盡的現(xiàn)場調(diào)查

調(diào)查時應(yīng)沿坡頂向上調(diào)查足夠遠的距離。避免僅在坡腳觀察,測量完邊坡形態(tài)后即完成工作。農(nóng)村削坡建房由于挖除了坡腳,邊坡內(nèi)部應(yīng)力重新調(diào)整分布,坡頂一段距離處存在拉應(yīng)力區(qū),易發(fā)育拉裂縫,甚至存在一定落差的滑坡后壁。對于發(fā)現(xiàn)的這些裂縫、應(yīng)及時用混凝土澆筑或打孔使用壓力注漿的方式進行封閉。

比如在某住宅邊坡應(yīng)急搶險工程勘查中,技術(shù)人員根據(jù)滑體上緣為排水溝位置,推斷滑坡主因為坡頂排水溝“截而不排”導(dǎo)致,雖用無人機進行了全方位高空調(diào)查,未見坡頂植被存在明顯高差和“醉漢林”特征,因而在設(shè)計中僅采取了削坡分級和坡面加固措施。但在施工過程中,工人發(fā)現(xiàn)坡頂上緣12 m的位置存在兩條貫通的拉張裂縫,而不得不停工進行重新計算和設(shè)計,給工程搶險帶來工期和預(yù)算增加的后果。

3.5 邊坡監(jiān)測與預(yù)警

根據(jù)大量邊坡垮塌案例分析,前期降雨條件與48 h雨量對花崗巖殘積土類邊坡穩(wěn)定性有較大影響,邊坡監(jiān)測與預(yù)警時應(yīng)重點考慮這兩項因素。

(1)長期干旱后,黏粒含量較高的土質(zhì)邊坡表層土壤發(fā)生板結(jié)作用,短時強降雨并不會使土壤含水率有效增加,而徑流系數(shù)顯著增加,邊坡穩(wěn)定性一般變化不大。但對于該類殘坡積或全風(fēng)化花崗巖邊坡,因其結(jié)構(gòu)較為松散,水敏性差,數(shù)月干旱少雨后的強降雨更易激發(fā)滑坡,久旱強雨是此類邊坡警和防控的關(guān)鍵時段。

(2)農(nóng)村削坡建房邊坡一般形成時間較長,坡面長有大量蘚類植被,在強降雨初期存在降雨入滲率較低的現(xiàn)象。隨降雨時長增大,坡表砂質(zhì)粘性土含水率逐漸增大而發(fā)生垮塌。根據(jù)當?shù)亟?jīng)驗,一般48h雨量大于100 mm時,較多的住宅邊坡會發(fā)生坡面垮塌現(xiàn)象。

4 建議

根據(jù)降水對項目區(qū)花崗巖殘積土農(nóng)村邊坡的破壞特征分析,結(jié)合當?shù)剞r(nóng)戶的邊坡整治經(jīng)驗,現(xiàn)提出以下針對性建議。

4.1 技術(shù)層面

1)削坡坡度的控制。邊坡的坡度對邊坡的穩(wěn)定性產(chǎn)生非常重要的影響。在不同坡度下,邊坡的承載能力和抗滑性都不同。(1)對于經(jīng)濟條件有限的農(nóng)戶,盡量避免一坡到底的削坡方式,建議采取簡易分級式.每級邊坡高度不大于5 m,臺階面寬度不小于0.4 m,臺階面采取中間高兩端低的形式。目的在于避免水分滯留對邊坡的穩(wěn)定性產(chǎn)生負面影響,最大程度保持坡面穩(wěn)定。(2)對有條件的農(nóng)戶,建議采取綜合防治措施:①規(guī)范化削坡,控制整體坡度低于45°,單級坡不大于8 m,臺階寬度不小于2 m;②建立完善的坡頂截水、坡中和坡腳排水措施,盡量減少坡面受水蝕影響;③坡面適當考慮綠化防治,如人工種植桉樹、小型灌木等措施。在邊坡植被覆蓋率和根系分布等生物因素的作用下,土體的結(jié)構(gòu)也會產(chǎn)生很大的變化。較好的植被覆蓋率和較為完整的植被根系結(jié)構(gòu)可以顯著提升土體的抗剪強度和抗侵蝕能力。

2)應(yīng)加強邊坡管理和維護,定期檢查邊坡的破壞狀況,并及時采取排水或者其他措施降低邊坡內(nèi)部土體含水率,從而控制靜水壓力的升高,延緩松弛帶的擴展和沉降過程,保障邊坡的穩(wěn)定性。

4.2 資金層面

對于經(jīng)濟條件有限的農(nóng)戶,采取政府全額補貼或部分補貼的方式,支持引導(dǎo)農(nóng)戶進行邊坡整治,在整治資金有限的情況下,首先確保采取治理邊坡最有效的截排水溝措施,根據(jù)情況增加其他治理措施;

對于經(jīng)濟條件好且愿意自己出資整治的農(nóng)戶,采取政府部分補貼或不補貼的方式,積極引導(dǎo)農(nóng)戶進行邊坡整治。對坡體進行全面整治,包括坡頂截排水措施、坡體削坡減載、坡面封閉措施、坡腳擋土墻措施等,在保證有效減災(zāi)的治理目的下,最大程度的消除地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險,達到消災(zāi)效果;

4.3 管理層面

(1)加強制度宣貫。讓避險責(zé)任人充分認識防災(zāi)減災(zāi)工作重要性,從基層抓起認真開展災(zāi)害預(yù)防工作。在地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)生地區(qū),山邊水邊坡谷地帶的居民千萬要牢記防地質(zhì)災(zāi)害“五字經(jīng)”:住前不住后、住上不住下、小雨不休息、大雨走親戚,切實增強防范和應(yīng)對災(zāi)害風(fēng)險的意識和能力。

(2)優(yōu)化土地利用規(guī)劃與管理。土地利用規(guī)劃與管理是農(nóng)村邊坡穩(wěn)定性提升的關(guān)鍵因素之一,當前坡頂存在的墳?zāi)箚栴}、風(fēng)水問題大大限制了截排水措施的設(shè)置。建議應(yīng)首先應(yīng)避免隨意開墾拓展,盡可能保持原有的自然狀況和地貌特征,其次積極引導(dǎo)農(nóng)戶關(guān)于喪葬風(fēng)俗的意識問題,將其規(guī)范化、制度化管理。

(3)建立邊坡穩(wěn)定性監(jiān)測體系,分類開展典型邊坡穩(wěn)定性監(jiān)測,實現(xiàn)分類預(yù)警。邊坡分類事應(yīng)考慮地質(zhì)背景、邊坡形態(tài)、邊坡工程學(xué)特性、監(jiān)測手段和監(jiān)測點布設(shè)等。具體來說,應(yīng)該采用多種監(jiān)測手段進行邊坡穩(wěn)定性監(jiān)測,例如巖土工程監(jiān)測、氣象監(jiān)測、水文監(jiān)測、地形測量等,同時建立合理的監(jiān)測點布設(shè)方案,以覆蓋整個邊坡的監(jiān)測范圍,從而實現(xiàn)全面、準確地監(jiān)測邊坡穩(wěn)定性。

5 結(jié)語

(1)本文針對花崗巖殘積土農(nóng)村邊坡這一典型邊坡進行了坡面特征和失穩(wěn)破壞模式總結(jié),論證了降雨對邊坡穩(wěn)定性的影響機理,針對性得提出了有效的預(yù)防和整治措施,為同類邊坡整治提供可供借鑒的指導(dǎo)意義。

(2)為更好地認識降水對花崗巖殘積土農(nóng)村邊坡穩(wěn)定性的影響,還需要進一步研究其作用機理,包括降水引起的水力壓力及侵蝕、滲流作用等方面的細節(jié)研究,以及花崗巖殘積土的松散化機理、滲透特性等因素與降水的關(guān)系探討?？梢酝ㄟ^多種實驗手段,如現(xiàn)場實驗、室內(nèi)模擬等方式繼續(xù)提高研究的可靠性。為實際工程建設(shè)提供更加準確、細致的規(guī)劃與指導(dǎo)。