黃土高陡邊坡穩定性分析

徐江波

摘要：本文通過榆林市靖邊縣某黃土高陡邊坡典型案例，在詳細勘察的基礎上，利用Geostudio/Slope（2012）軟件進行天然狀態、考慮荷載/考慮荷載及連續降雨或暴雨等三種工況下邊坡穩定量和應力應變分析，提出以削方減載加坡面整治為主的綜合治理措施。

關鍵詞：黃土;高陡邊坡;穩定性分析

Abstract： Based on the detailed investigation of typical case of the high and steep loess slope in Jingbian county， Yulin city， the software Geostudio/Slope （2012） was used to analyze the slope stability and stress-strain under three working conditions： natural state， load and continuous rainfall or rainstorm. Comprehensive management measures are proposed， which mainly focus on cutting load and improving slope stability.

Keywords： Loess; high and steep slopes; stability analysis

一、引言

近年來，在黃土地區特別是陜北，隨著建筑物的大量興建和人們對空間的不斷開發、利用，黃土高陡邊坡越來越多。由于對黃土邊坡復雜性認識不足，加上黃土本身的特殊性，邊坡工程事故頻發，給國家經濟及人民生命財產造成巨大損失。巖土工程界普遍認為引起邊坡失穩事故的主要原因是工程地質勘查存在問題、邊坡支護設計存在問題、邊坡施工存在問題及邊坡工程在使用中存在問題[1]。工程地質勘查的目的就是為設計及施工提供工程地質依據，對邊坡穩定性的判定對設計及施工均具有指導意義。

對高陡邊坡段釗等[2-3]分別從彈塑性變形、應力-應變曲線關系方面研究黃土特性。胡晉川[4]、孫超等[5]從突變等研究了黃土高原區滑坡和崩塌的發育類型、形成特征及分布特征。劉保健等[6]理論研究黃土邊坡穩定性分析方法。榆林作為毛烏素沙漠和黃土梁峁丘陵區的過渡地帶，該地區黃土高陡邊坡穩定性研究的相關文獻不多。本文選擇靖邊縣某典型黃土邊坡作為研究對象，在詳細勘察的基礎上，利用Geostudio/Slope（2012）軟件對該高陡邊坡的穩定性進行評價，并提出相應的工程治理措施，并對治理效果進行驗算。

二、工程概況

研究區地貌單元屬靖邊縣中部梁峁澗地區，屬堆積剝蝕地形，地表形態以黃土梁峁為主，梁緩澗寬，梁澗相間。屬半干旱內陸季風氣候，四級變化明顯，年平均氣溫8.8 ℃，絕對最高溫度36.4 ℃，絕對最低溫度-27.3 ℃。年平均降雨量384.7 mm，最大日降雨量113.2 mm，主要集中7、8、9三月。年平均蒸發量1957.9 mm。年平均蒸發量1957.9 mm?？h內風多且大，年平均風速為2.3 m/s，最大風速16.0 m/s。風向以南風居多，西風次之。地面溫度11.0℃，絕對最高溫度68.4 ℃，絕對最低溫度-37.1 ℃。標準凍深79 cm，最大凍土深度115 cm。

研究區地層主要為第四系晚更新統沖黃土狀土（Q3al）、中生界白堊系下統志丹群洛河組（K1L）砂巖組成，呈典型黃土+基巖地質結構類型，勘探深度范圍內未見地下水，如圖1所示。

三、穩定性分析

（一）邊坡穩定量計算分析

邊坡穩定性計算選用Geostudio/Slope（2012）軟件的畢肖普法，選取坡體1-1～3-3典型斷面對其進行穩定計算分析。計算時分為三種工況，即工況I（天然狀態）、工況II（考慮荷載）與工況III（考慮荷載及連續降雨或暴雨）等。同時，由于邊坡后緣平臺已出現拉張裂縫，計算時以裂縫為潛在滑裂面邊界，如表1、表2所示。

根據表2計算結果，結合《建筑邊坡工程技術規范》（GB50330-2013）表5.3.1與《滑坡防治工程勘查規范》（GBT32864-2016）表7針對邊坡或滑坡穩定性狀態劃分依據可以看出，該邊坡在天然狀態下穩定系數1.073～1.098，均值1.089，處于基本穩定狀態;考慮荷載后其穩定系數為0.932～1.017，均值0.987，處于不穩定狀態;當考慮荷載與連續降雨或暴雨共同作用時其穩定系數為0.809～0.972，均值0.902，處于不穩定狀態。因此，綜合判定該邊坡處于不穩定狀態。

（二）邊坡應力應變分析

為了分析邊坡的應力應變情況，選用Geostudio/Sigma（2012）軟件，根據邊坡坡型及地質結構建立了1-1～3-3數值分析模型，模型左右兩側采用水平約束，底部邊界采用水平與豎直均約束條件，同時選用6節點三角形平面應變單元進行網格剖分。假定巖土體為彈塑性體，破壞準則選用摩爾庫倫強度準則。計算時分為三種工況，即工況I（天然狀態）、工況II（考慮荷載）與工況III（考慮荷載及連續降雨或暴雨）等。

不同工況下的最大位移及剪應力值統計列于表4。

由表4可以看出，施工完成后，即邊坡最大剪應力由工況I的342.91 kPa增加到工況III的1565.34 kPa，其剪應力增加1222.43 kPa，而水平最大位移由工況I的1.03 m增加到工況III的1.47 m，其水平位移量增加0.44 m。由此可以看出，施工對邊坡穩定性影響較大，建議加強邊坡的工程防護。

四、工程治理措施

前已述及，目前該邊坡穩定性較差，邊坡后緣已出現裂縫，加之邊坡上部呈直立狀，黃土狀土極易出現崩（滑）塌災害，因此，建議對該邊坡采取削方減載、坡面整治及修筑截排水措施等綜合治理方案。

（一）削方減載

根據前述分析可以看出，該段邊坡所處地質環境較為特殊，即三面臨空地形地貌、土體濕陷性及垂直節理發育的地質條件，邊坡后緣已出現裂縫，加之邊坡頂部存在危巖體。因此，為了保證該索塔邊坡的穩定性，建議對其進行削方卸載，削方邊界最小應至坡頂平臺裂縫處，且將邊坡頂部危巖體清除。

同時，為了分析削方后邊坡穩定性變化情況，對其重新進行穩定性驗算，計算時考慮索臺的兩種實際工況，即工況II（考慮荷載）與工況III（考慮荷載及連續降雨或暴雨）。計算參數選取見表1，計算結果見表5。

由表5計算結果，邊坡削方卸載后，考慮荷載作用下的邊坡穩定系數1.16～1.35，均值1.23，處于穩定狀態;考慮荷載及連續降雨或暴雨共同作用下邊坡穩定系數為1.05～1.26，均值為1.13，處于基本穩定狀態。

（二）邊坡坡面整治及防護措施

邊坡上部黃土狀土呈直立狀，部分脫離母巖呈孤立狀，極易發生崩塌。通過削方處理可將裂縫與直立狀的危險消除掉。但由于場地所限，削方后形成的邊坡坡度較大（55°），穩定性驗算結果表明，邊坡削方卸載后，考慮荷載作用下的邊坡處于穩定狀態，考慮荷載及連續降雨或暴雨共同作用下邊坡處于基本穩定狀態。為了保證削方邊坡的穩定性，建議采用混凝土格構進行坡面穩定，同時，坡面栽植適宜當地氣候條件的耐旱耐寒耐貧瘠的灌木花草進行植被防護，以達到既能保證坡面穩定性，又能恢復遭受工程破壞區域生態環境[7]。

邊坡中下部淺層崩塌體的整治及防護。由于邊坡中下部崩塌體厚度較薄且呈現出上薄下厚，且崩塌體土質不均勻，結構疏松，在早期降雨入滲及沖刷作用下，坡面發育了較多的沖蝕溝、落水洞、塌陷及暗穴等。同時，披覆于砂巖之上崩滑坡積物，阻止了內部泥質砂巖風化剝蝕，完全清除不既不經濟且不安全，因此，建議采用人工自上而下對坡面的落水洞、塌陷及暗穴進行夯實處理，并采取混凝土格構固定坡面，在此基礎上，栽植適宜當地氣候條件的耐旱耐寒耐貧瘠的灌木花草，減少坡面泥流及水土流失防止坡面沖刷。同時，應加強坡面的排水措施。

（三）截排水措施

1. 對施工區地表進行硬化處理，其次設置截排水渠，防止水流入滲。

2. 將水流引入北側或東側的天然沖溝內排出臺面，嚴禁水流進入邊坡體，造成下部坡面沖刷。

五、結論

通過分析可以看出，影響黃土高陡邊坡穩定性的因素主要有內在因素（黃土濕陷性、邊坡坡度、地下水）和外部因素（地震、工程荷載、人為因素）等。其中內在因素起控制性作用，外部因素起誘發作用[8]。

削方減載可以極大地降低邊坡在暴雨及外部荷載情況下失穩的可能性，在保證安全的前提下，應根據工程的具體情況采取經濟合理的治理措施。

參考文獻：

[1]顧姝偉.山西某黃土邊坡的穩定性分析[D].河北工程大學， 2016.

[2]段釗，李文可，王啟耀.涇河下游臺塬區黃土滑坡類型與時空分布規律[J].西安科技大學學報， 2015，35（3）：369-375.

[3]段釗.黃土滑坡觸發機理研究—以涇河下游南岸黃土塬區滑坡為例[D]長安大學， 2013：1-20.

[4]胡晉川.基于突變理論的黃土邊坡穩定性分析方法研究[D].長安大學， 2011：1-64.

[5]孫超，呂一彥，吳繼敏.大型堆積體邊坡極限平衡穩定性分析[J].水利與建筑工程學報， 2014，12（1）：147-150.

[6]劉保健，謝定義，謝永利，趙麗婭.土的自適應應力認識與研究[J].巖土工程學報， 2015，37（7）：1288-1293.

[7]史興奇.簡析邊坡的坡面防護[J].黑龍江交通科技， 2016，8：66-66.

[8]劉洋，劉潤，程輝，門玉明.黃土高陡邊坡穩定性研究[J].水利與建筑工程學報， 2017，15（3）：92-122.