延安北部地區(qū)公路邊坡穩(wěn)定性影響因素研究

賈拓 董琪

近年來，因?yàn)榇笠?guī)模石油開采和新農(nóng)村建設(shè)的需要，延安北部的公路網(wǎng)絡(luò)快速發(fā)展，除了延安—子長、延安—靖邊、延安—吳旗等主干線路外，縣鄉(xiāng)之間、鄉(xiāng)鎮(zhèn)之間和村村之間的低等級(jí)公路建設(shè)速度也逐年提高。快速的道路建設(shè)工程對黃土地貌進(jìn)行了截彎取直、削坡填平的施工活動(dòng)，形成了大量高陡邊坡。黃土斜坡的內(nèi)應(yīng)力平衡被普遍破壞，抗剪強(qiáng)度降低，增加了坡體不穩(wěn)定性。同時(shí)，低等級(jí)公路缺乏必要的坡面防護(hù)措施，為地質(zhì)災(zāi)害的形成埋下了許多隱患。本文通過對延安北部六縣一區(qū)的低等級(jí)公路邊坡專門的調(diào)查研究，分析了該地區(qū)公路邊坡穩(wěn)定性的影響因素，并針對性地提出了邊坡設(shè)計(jì)和治理的應(yīng)對措施。

1 延安北部地區(qū)公路邊坡破壞特征

延安北部六縣一區(qū)低等級(jí)公路沿線的邊坡破壞形式主要以小規(guī)模的淺層黃土滑坡為主，且具有明顯的發(fā)育特征:

1)滑坡發(fā)育密度大:由于區(qū)內(nèi)黃土地貌復(fù)雜多變，公路建設(shè)過程中需要多次修坡削坡工程，對黃土地貌擾動(dòng)點(diǎn)多，導(dǎo)致公路沿線滑坡發(fā)育廣泛分布，相對密度很大。以延川縣境內(nèi)的延川—賀土坪公路為例，在不到2 km的路段上，公路一側(cè)發(fā)生的大小滑坡共達(dá)到6個(gè)～8個(gè)之多，且局部路段滑坡的發(fā)生呈現(xiàn)串珠狀的特征。

2)滑坡規(guī)模小:該地區(qū)公路黃土邊坡破壞多為小型的淺層滑坡，滑體厚約5 m～8 m，高度約30 m～50 m，滑動(dòng)體積均小于2 000 m3，個(gè)別小滑坡僅有數(shù)十立方米。

3)滑坡滑面及堆積物特征:該地區(qū)公路滑坡的破壞模式多為直線形—圓弧形崩滑模式，滑體后緣陡直，高度1 m～3 m不等。滑坡發(fā)生后殘積坡體坡面較平滑，上部坡度約在70°～85°之間，中下部為55°～67°，多呈“L”形，滑體破壞時(shí)豎直位移較大，水平位移較小，多呈現(xiàn)滑塌的特征。滑坡的堆積體松散，原有結(jié)構(gòu)完全被破壞，強(qiáng)度僅剩土體的殘余強(qiáng)度。而且在滑坡發(fā)生后，為確保公路的暢通，滑坡堆積體多數(shù)被及時(shí)清理，僅余下比較平直的滑面。

2 邊坡穩(wěn)定性影響因素分析

2.1 黃土物理力學(xué)性質(zhì)的影響

延安北部地區(qū)由黃土粒度組成，總體上自北向南逐漸變細(xì)，同時(shí)黃土中的粘粒增多，松散度也隨著降低。在榆林市以南吳起—志丹—安塞—子長—延長—延川一線之間，晚更新世(Q3)黃土物理力學(xué)性質(zhì)具有以下特點(diǎn)和變化趨勢:

1)塑性較弱。塑性指數(shù)多在8～14之間，水理性質(zhì)呈現(xiàn)北低南高。

2)含水率較低。天然含水量總的變化是自北向南，逐漸增高，一般在10%～25%之間，但在該地區(qū)，由于氣候干燥降雨較少，含水量甚至低于10%。隨著粘土礦物含量的增加，干容重也是自北向南逐漸增高。

3)密實(shí)度很差。孔隙較大，孔隙率高，壓縮性自北向南逐漸減小。

4)抗剪強(qiáng)度較低。內(nèi)聚力c自北向南明顯增大，而內(nèi)摩擦角φ變化不大。總體來說，延安北部地區(qū)由北向南黃土工程特性由差變好，土體工程性質(zhì)趨向良好。

5)強(qiáng)滲透性。垂直節(jié)理發(fā)育形成黃土獨(dú)特的滲透性，因此垂直方向的滲透系數(shù)大于其水平方向，大孔隙越發(fā)育，其差值越大。且新黃土比老黃土的滲透性強(qiáng)，致使黃土剖面自上而下滲透性逐漸減弱。這也是暴雨期間黃土邊坡經(jīng)常發(fā)生淺層滑動(dòng)的一個(gè)重要原因。

6)濕陷性較強(qiáng)。在區(qū)內(nèi)有自北向南逐漸減小的趨勢。

區(qū)內(nèi)黃土的以上典型物理力學(xué)特點(diǎn)，對黃土邊坡的穩(wěn)定性具有以下重要影響:

1)良好的滲透性和較強(qiáng)的水化變軟性質(zhì)，導(dǎo)致黃土邊坡抗滑力下降，是邊坡失穩(wěn)破壞的重要原因。

2)黃土土體較高的可壓縮性和濕陷性加劇了黃土邊坡陷落滑塌的危險(xiǎn)性。

3)含水量的高低與黃土邊坡穩(wěn)定性的關(guān)系極為密切，含水量增加，土粒間的膠結(jié)作用遭到破壞，強(qiáng)度大幅度降低，進(jìn)而影響邊坡的穩(wěn)定性。在延安北部地區(qū)，氣候干燥，降水量少，蒸發(fā)量大，黃土的含水量很低，抗剪強(qiáng)度也很低，黃土具有類脆性變形特征，含水量一旦升高，內(nèi)聚力是先增大后減小，而內(nèi)摩擦角則逐漸減小，黃土抗剪強(qiáng)度整體表現(xiàn)為快速下降，這是該地區(qū)多發(fā)黃土邊坡破壞的一個(gè)重要原因[1］。

調(diào)查取樣試驗(yàn)結(jié)果表明，天然含水量適中的黃土具有較高的強(qiáng)度，形成常見的垂直陡坎、土柱。而飽和黃土的抗剪強(qiáng)度大幅度降低，其中降幅最大的是c值，降幅達(dá)到2倍～3倍，φ值降幅不大，僅為1.1倍～1.2倍。因此含水量的高低與黃土邊坡穩(wěn)定性的關(guān)系極為密切，它通過土的強(qiáng)度指標(biāo)進(jìn)而影響邊坡的穩(wěn)定性。

2.2 降雨的影響

該地區(qū)地下水位較深，地下水對邊坡的穩(wěn)定性影響極小，但是大氣降水形成的地表水極易從具有裂隙的土體中直接滲入，而垂直大孔隙發(fā)育又加速了雨水的入滲速度，直接影響斜坡的穩(wěn)定性。一方面，降雨對已開挖的坡面沖刷，形成細(xì)小的匯水沖溝，隨著降雨歷時(shí)的增大，沖溝擴(kuò)大，破壞了坡面的完整性[2］;另一方面，坡頂面的新黃土結(jié)構(gòu)較疏松，且具有原生的節(jié)理和裂隙，降雨形成的地表水沿著黃土中的接力和裂隙下滲，使得坡體內(nèi)部土體的含水量增大，內(nèi)聚力減小，發(fā)生滑動(dòng)破壞。

室內(nèi)滲透試驗(yàn)明顯得出，黃土的垂直滲透系數(shù)是水平滲透系數(shù)的1.1倍～1.5倍。且黃土的垂直滲透性具有上快下慢的特點(diǎn)，水位埋深在5 m以內(nèi)，滲水在7 d以內(nèi)可達(dá)潛水面，水位埋深在10 m左右滲水在30 d內(nèi)可達(dá)潛水面，水位埋深在20 m～30 m時(shí)滲水在80 d～200 d可達(dá)潛水面。這就是降雨誘發(fā)的滑坡往往滯后降雨發(fā)生的原因，也是公路邊坡破壞的模式均是淺層、小型滑坡的原因。

2.3 坡頂植被的影響

陡坡頂部長根植物具有典型的根蝕特點(diǎn)，根系沿著坡體頂部的裂縫生長，并不斷向坡體內(nèi)部延伸，根系使得裂縫的寬度增大，深度加深，雨水不斷的流入到裂縫之中，加大了坡體的不穩(wěn)定性。坡頂植被對雨水的涵養(yǎng)和滯洪作用盡管防止了水土流失，但會(huì)形成雨水原地積聚和垂直下滲。如樹坑會(huì)形成相對低洼的洼地，雨水會(huì)積聚在這些洼地上，當(dāng)時(shí)間久了就會(huì)形成積水洼地和落水洞，將會(huì)成為快速滲水通道，從而成為影響邊坡穩(wěn)定性的因素。本次野外調(diào)查研究表明，大多數(shù)的滑坡在滑動(dòng)之前都有快速滲水通道，或?yàn)槔瓘埩芽p，或?yàn)槁渌矗驗(yàn)榉e水洼地。

3 公路邊坡設(shè)計(jì)和防護(hù)措施

3.1 公路邊坡的設(shè)計(jì)建議

通過對公路邊坡坡度的調(diào)查統(tǒng)計(jì)可以看出，邊坡發(fā)生滑動(dòng)后達(dá)到穩(wěn)定的坡度為45°～55°，而原始邊坡坡度在53°～67°;現(xiàn)階段穩(wěn)定的邊坡坡度在48°～56°。結(jié)合現(xiàn)場取樣測試和對失穩(wěn)坡體與穩(wěn)定坡體的調(diào)查測量，利用計(jì)算機(jī)對其進(jìn)行穩(wěn)定性計(jì)算得出不同坡度、坡高情況下的坡體穩(wěn)定性系數(shù)如表1所示。從表1可以看出，對于坡高超過30 m的邊坡，開挖后邊坡坡度不宜超過55°，否則就很容易發(fā)生滑坡破壞。

表1 延安北部地區(qū)公路邊坡穩(wěn)定系數(shù)計(jì)算表

因此，在該地區(qū)進(jìn)行公路邊坡設(shè)計(jì)時(shí)要綜合坡高和坡度的關(guān)系，科學(xué)考慮坡度、坡高、多級(jí)平臺(tái)、平臺(tái)寬度、平均坡比、單級(jí)坡比等設(shè)計(jì)要素，在邊坡高陡時(shí)應(yīng)考慮設(shè)置多級(jí)平臺(tái)。根據(jù)表1和前人總結(jié)的經(jīng)驗(yàn)，該地區(qū)公路邊坡總坡度適宜在30°～50°范圍，多級(jí)平臺(tái)放坡時(shí)單級(jí)坡度可以考慮放寬至40°～70°，適宜的總坡比為 1∶1.26，單級(jí)坡比為 1∶0.57 ～1∶0.71[3］。

3.2 公路邊坡防護(hù)措施

1)排水防水措施:

水是高邊坡破壞的最重要誘發(fā)因素，該地區(qū)降水主要集中在7月～10月，降雨量約占全年降雨量的60%～70%，降水集中、強(qiáng)度大，土體由非飽和向飽和狀態(tài)轉(zhuǎn)變過程中，抗剪強(qiáng)度下降很快，是滑坡誘發(fā)產(chǎn)生的重要原因。因此，必須加強(qiáng)公路邊坡的排水防水設(shè)施，在坡頂和平臺(tái)上設(shè)置截水溝，在坡面設(shè)置匯水溝、急流槽，在坡腳部位設(shè)置排水涵洞，在坡體內(nèi)部設(shè)置排水豎井和平硐等，是防治雨水誘發(fā)滑坡產(chǎn)生的重要措施。

2)邊坡工程防護(hù):

為了保證邊坡的穩(wěn)定，防止碎落、滑塌、掉塊和雨水沖蝕等不良邊坡災(zāi)害發(fā)生，邊坡要進(jìn)行坡腳襯砌和刷坡處理。高邊坡地段由于地質(zhì)構(gòu)造裂隙的影響，為避免雨水大量沖刷邊坡，在分級(jí)設(shè)置坡面的同時(shí)，設(shè)置平臺(tái)，有助于減少風(fēng)化和侵蝕。對于邊坡高陡而分級(jí)設(shè)置困難的情況，應(yīng)采取高邊坡治理的工程措施，如加筋結(jié)構(gòu)、排擋支護(hù)、格構(gòu)錨固等。

3)坡面植物防護(hù):

通過種植草、灌木或者鋪設(shè)生物綠化帶(如苔蘚)等對邊坡表層進(jìn)行防護(hù)，以防治表層溜塌、減少地表水入滲和沖刷等。

4 結(jié)語

1)在區(qū)域內(nèi)特殊的黃土工程地質(zhì)條件下，延安北部地區(qū)低等級(jí)公路沿線滑坡的發(fā)育具有密度高、規(guī)模小且滑面及堆積體具有特殊的狀態(tài)和性質(zhì);

2)黃土的物理力學(xué)性質(zhì)、大氣降雨和坡頂植被情況在不同程度上均對公路邊坡的穩(wěn)定性產(chǎn)生較大的影響，在設(shè)計(jì)和施工的時(shí)候應(yīng)予以充分考慮;

3)公路邊坡設(shè)計(jì)的開挖坡度和縱坡比在很大程度上影響了公路邊坡的穩(wěn)定性，在該地區(qū)進(jìn)行公路邊坡開挖時(shí)需要對邊坡的坡度和坡比進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì);

4)在進(jìn)行公路建設(shè)時(shí)，需要對已開挖的公路邊坡進(jìn)行必要的坡面防護(hù)措施，以減少滑坡和崩塌等地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生，減少其對人民生命財(cái)產(chǎn)的威脅。

[1]何紅前，陳志新，葉萬軍，等.黃土高邊坡變形破壞的基本形式及其機(jī)理分析[J］.西部探礦工程，2005(11):109-111.

[2]陳志新，李亞蘭.黃土高邊坡穩(wěn)定性影響因素分析[A］.全國巖土與工程學(xué)術(shù)大會(huì)論文集(上冊)[C］.北京:人民交通出版社，2003:601-607.

[3]葉萬軍，陳志新，邢嬌秀，等.黃土高邊坡優(yōu)化設(shè)計(jì)[A］.全國巖土與工程學(xué)術(shù)大會(huì)論文集(上冊)[C］.北京:人民交通出版社，2003:608-613.

[4]楊春友.公路邊坡防護(hù)和加固技術(shù)探析[J］.山西建筑，2010，36(15):263-264.