呂梁市某黃土邊坡穩(wěn)定性分析與工程治理

胡 凱

(山西省煤炭建設(shè)監(jiān)理有限公司,太原 030012)

我國黃土廣泛分布于西北地區(qū),具有黃土地層全、類型多、厚度大等特點(diǎn),總面積約6.3×105km2。黃土本身的濕陷性、大孔隙、力學(xué)強(qiáng)度較低等特性時(shí)常帶來崩塌、滑坡等環(huán)境地質(zhì)災(zāi)害[1]。黃土邊坡災(zāi)害是黃土地區(qū)最主要的災(zāi)害之一,災(zāi)害類型復(fù)雜、數(shù)量多、規(guī)模大、發(fā)生頻率高,并且災(zāi)害類型很有地域特殊性[2]。因此,對黃土邊坡失穩(wěn)機(jī)制展開研究并對比分析、提出通用的工程治理方案具有重要意義。

本文以呂梁市柳林縣煤礦區(qū)東南部某邊坡為例,通過室外調(diào)查和室內(nèi)研究相結(jié)合的方法,對工程地質(zhì)條件及失穩(wěn)機(jī)制進(jìn)行綜合分析,并給出相應(yīng)的工程治理措施[3],為該地區(qū)邊坡治理提供科學(xué)依據(jù)和技術(shù)借鑒。

1 工程概況

本工程位于柳林縣某煤礦區(qū)東南部,南部為人工開挖形成的較陡邊坡,北部則為填土形成的自然邊坡,主要由填土和原狀土組成。目前,該邊坡坡高15.0 m～35.0 m,坡率1:0.5～1:1.3,對南部的煤氣站場、進(jìn)場道路及邊坡上部擬建鍋爐廠房的安全形成巨大的威脅。

2 邊坡工程地質(zhì)條件

2.1 氣象與水文

研究區(qū)為大陸性季風(fēng)氣候,汛期在七月至九月。年最大降雨量744.8 mm(1985年),年最小降雨量245.0 mm(1970年),平均降水量為472.3 mm。年平均氣溫10.5 ℃,極端最高溫度36.8 ℃,最低溫度-17.0 ℃,無霜期平均為199 d。

研究區(qū)原為三川河?xùn)|岸一小型沖溝,為常年干溝,遇暴雨時(shí)坡面流沖刷劇烈。場區(qū)匯水面積約5 km2。

2.2 地形地貌

研究區(qū)屬呂梁山復(fù)背斜西翼中部黃土中低山丘陵區(qū)黃土梁、峁地帶,地形高低起伏不平。微地貌形態(tài)以黃土梁、黃土峁為主,沖溝發(fā)育。其南部為人工開挖形成的陡坡,北部為填土形成自然邊坡。邊坡東西走向,坡率1:0.5～1:1.3,幾乎無植被發(fā)育,僅在坡頂生長少量雜草。

2.3 地層時(shí)代及成因類型

研究區(qū)上浮地層均為第四系沉積物,下伏地層有部分上石盒子組分布。鉆孔揭露7層地層,依次為:

第①層:松散人工填土(Q42ml),主要分布在邊坡坡面,褐黃色,以黃土狀粉土為主,稍濕,很松散,含少量雜草,覆蓋層厚度不均勻,呈上薄下厚趨勢,該層在邊坡頂部坡面厚度約2.2 m～3.6 m,坡底坡面厚度5.0 m～10.0 m,具高等壓縮性,屬于欠固結(jié)土。

第②層:黃土狀粉土(Q42dl+pl),褐黃色,稍濕,稍密,含云母等,具大孔結(jié)構(gòu)。層厚2.8 m～35.7 m,平均厚14.3 m。

第③層:粉土(Q42dl+pl),褐黃色,稍濕-濕,中密,含云母等。層厚1.8 m～16.0 m,平均厚6.4 m。

第④層:粉質(zhì)粘土(Q3dl+pl),黃色、黃紅色,稍密-中密,可塑-硬塑狀,含云母等,層厚3.5 m～14.5 m,平均厚8.2 m。

第⑤層:粉質(zhì)粘土夾卵石(Q2dl+pl),黃色-黃紅色,中密-密實(shí),可塑-硬塑狀,土層中夾有卵石薄層,含姜石、鈣質(zhì)結(jié)核、菌絲,偶見碎石、漂石,局部夾有細(xì)中砂薄層或透鏡體。層厚1.4 m～15.2 m,平均厚4.9 m。

第⑥層:卵石(Q2dl+pl),雜色,濕,稍密-中密,顆粒多呈圓形-亞圓形,磨圓度較好,母巖成分以灰?guī)r、砂巖為主,以礫砂、中粗砂和少量粉土充填,顆粒級配不良。層厚0.6 m～8.0 m,平均厚4.3 m。

第⑦層:全風(fēng)化～強(qiáng)風(fēng)化泥巖(Pmc),灰黃色,礦物成分以粘土巖為主,泥質(zhì)結(jié)構(gòu),薄層狀構(gòu)造,層厚0.8 m～5.0 m,平均厚2.5 m。

3 邊坡穩(wěn)定性分析與評價(jià)

3.1 邊坡現(xiàn)狀

邊坡為黃土邊坡,頂部地形平緩,坡長約226 m,坡高15 m～35 m,坡面以填土為主,且較為陡峭,整體坡度40°～60°,為填溝時(shí)自然塌落而成,邊坡處于不穩(wěn)定狀態(tài),特別在外界影響下,極易滑塌。

3.2 邊坡穩(wěn)定性分析

影響邊坡穩(wěn)定性的因素分為內(nèi)因和外因兩方面,其中,內(nèi)因主要為地層巖性、結(jié)構(gòu)構(gòu)造、地下水等;外因則包括人類工程活動、地震、降雨等[4]。結(jié)合勘察場地邊坡的具體情況進(jìn)行分析,此處影響邊坡側(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)邊坡形態(tài)及可能形成的滑動方向,本工程采用圓弧滑動法(瑞典條分法),選取8條剖面,分別計(jì)算邊坡在天然工況和暴雨(飽和)工況下的穩(wěn)定性系數(shù),邊坡穩(wěn)定性計(jì)算巖土參數(shù)建議值見表1。

表1 邊坡穩(wěn)定性計(jì)算巖土參數(shù)建議值表Table 1 Recommended geotechnical parameters based on slope stability calculation

圓弧滑動法(瑞典條分法)穩(wěn)定安全系數(shù)計(jì)算公式如下所示:

Ni=Gicosθi，

Ti=Gisinθi，

Ri=Nitgφi+cili.

式中:Fs為穩(wěn)定安全系數(shù);ci為第i條塊土體的粘聚力,kPa;φi為第i條塊土體的內(nèi)摩擦角，(°);li為第i條塊滑動面的長度，m;θi為第i條塊底面的傾角,(°);Gi為第i條塊土體的自重,kN/m;Ni為第i條塊在滑動面法線方向上的分力,kN/m;Ti為第i條塊在滑動面切線方向上的分力,kN/m;Ri為第i條塊滑動面上的抗滑力,kN/m。

根據(jù)各坡面計(jì)算結(jié)果可知:

工況一:天然含水量狀態(tài)下,1-1′剖面穩(wěn)定系數(shù)Fs為1.001,邊坡均處于穩(wěn)定狀態(tài),2-2′至8-8′剖面穩(wěn)定系數(shù)Fs為0.647～0.928,邊坡均處于不穩(wěn)定狀態(tài);

工況二:邊坡在飽水狀態(tài)下,所有剖面穩(wěn)定性系數(shù)均小于1.0,故在飽水狀態(tài)下整個(gè)邊坡均將會失穩(wěn)。因此,需對邊坡進(jìn)行相應(yīng)的治理。

4 邊坡工程治理措施

該邊坡主要受到降雨的影響,其2-2′剖面以西主要為粉土,以東則為人工回填土,在長期降雨侵蝕和風(fēng)化作用下坡面土體松散。依據(jù)邊坡的設(shè)計(jì)要求,邊坡治理采用削坡+骨架護(hù)坡+輕型格構(gòu)+錨桿+坡腳修筑擋墻+截排水的方案[5]。

4.1 削坡設(shè)計(jì)

邊坡單級坡率設(shè)為1: 0.75,單級坡高為6 m～8 m,馬道寬為3 m,并采用1%的傾斜角。

4.2 輕型格構(gòu)梁

坡面上布設(shè)格構(gòu)梁,錨桿孔距為2.8 m,垂直排距為1.4 m,孔徑為90 mm,桿體鋼筋為Φ25 mm,錨桿長度15 m。框架梁截面為200 mm×200 mm,采用C25混凝土澆筑。

4.3 錨桿

在框架格構(gòu)梁十字交叉處設(shè)置錨桿對坡體進(jìn)行加固,錨桿設(shè)計(jì)孔徑均為90 mm,桿體鋼筋為Φ25 mm,采用M10的水泥砂漿,注漿壓力為0.20 MPa～0.50 MPa。

4.4 水溝

在邊坡坡頂處及邊坡兩側(cè)設(shè)置排水溝,沿自然坡率修筑，坡頂處排水溝修筑在距坡頂邊緣5 m處,坡底處排水溝修筑在距邊坡底部2 m處,平臺上則修筑在距單級邊坡坡底0.5 m處。排水溝采用簡單的人工挖方,人工修筑,材料選用1:2的M10漿砌片石,在溝底、溝頂、溝內(nèi)側(cè)壁用防水水泥砂漿抹面,抹面厚度為20 mm。

4.5 重力式擋墻

采用M10漿砌毛石砌筑,設(shè)置于邊坡坡腳處,利用自身重力受土體側(cè)壓力,提高邊坡穩(wěn)定性。重力式擋土墻外側(cè)坡比為1:0.5,內(nèi)側(cè)坡比為1:0.5,擋墻頂寬1.8 m,墻高6.5 m,基礎(chǔ)埋深2.5 m。擋土墻墻身設(shè)泄水孔布設(shè)兩排,材料選用孔徑110 mm的PVC管,外斜5%,下排泄水孔距地面0.1 m,上排泄水孔距地面2.0 m,排泄水孔間距為2.0 m,呈梅花狀布置。每間隔10 m設(shè)置一道變形縫,縫寬約0.3 cm,縫中充填有彈性的防水材料,并使用水泥砂漿勾縫。本邊坡工程治理示意圖如圖1所示。

圖1 邊坡設(shè)計(jì)治理示意圖Fig.1 Slope design and management

5 結(jié)束語

黃土地區(qū)的高填方邊坡工程一直是巖土工程的復(fù)雜課題,本文以柳林縣某礦區(qū)東南部邊坡為例,在野外調(diào)查的基礎(chǔ)上結(jié)合室內(nèi)土工試驗(yàn)分析，可知該邊坡是受風(fēng)化、水流沖刷以及人工開挖回填的多重作用影響而形成的。通過對邊坡現(xiàn)狀穩(wěn)定性進(jìn)行分析計(jì)算和評價(jià),可知:在天然含水量狀態(tài)下,除1-1′剖面穩(wěn)定系數(shù)Fs略大于1,其余各剖面穩(wěn)定系數(shù)均小于1,Fs為0.647～0.928,邊坡均處于不穩(wěn)定狀態(tài);在飽水狀態(tài)下,邊坡整體失穩(wěn)。

通過對邊坡穩(wěn)定性分析計(jì)算可知降雨因素對邊坡穩(wěn)定性影響極大,建議設(shè)置完善的截排水系統(tǒng),防止地表水入滲坡體。根據(jù)上述穩(wěn)定性分析結(jié)果,并結(jié)合現(xiàn)場施工條件,建議采用削坡+骨架護(hù)坡+輕型格構(gòu)+錨桿+坡腳修筑擋墻+截排水的治理方案對本邊坡進(jìn)行加固。建議對該邊坡進(jìn)行定期觀測,雨季時(shí)觀測加密,直至變形穩(wěn)定。