淺談黃土高邊坡變形破壞特征

徐永建 牛彥平 胡少雷

摘? 要：近年來，黃土高邊坡的變形和破壞給黃土地區的人們的生命和財產造成了巨大損失。筆者對黃土高邊坡變形破壞的基本形式及其機理進行了分析，指出黃土高邊坡變形破壞模式主要有滑塌、滑坡的破壞模式;崩塌破壞模式和坡面破壞模式等3種。結合實際案例為黃土地區的工程實踐提供了具體的參考，以避免不必要的人員生命財產損失。

關鍵詞：黃土高邊坡;變形破壞;類型和特征

中圖分類號： P642? ? ? ? ? ? ? 文獻標志碼：A

1 案例概述

該文以我國某工程斜坡為例，該斜坡的南端及北端以黃石量為基礎界限，黃石梁的寬度為140 m，低峰與高峰之間的高差大約為150 m，山峰的坡度為40°，黃石梁剖面坡面長大約為260 m。該斜坡的上部土壤含量較高，部分區域被一些樹樁木樁及野草覆蓋，形狀大約為倒立的梯形。沿著斜坡的上部，分布了3個主要的裂縫，并形成了陡峭的山脊。最大位移高度的差為l m。

2 黃土高邊坡變形破壞類型

黃高邊坡的變形破壞可以分為坡面破壞和坡體破壞。邊坡面破壞是邊坡自身的穩定，但是由于各種外部地質力的作用，邊坡的表面長時間暴露在自然環境中，使邊坡土體不穩定，包括邊坡侵蝕、剝落和塌陷。發生邊坡體破壞是因為邊坡本身的穩定性不能滿足要求。隨著時間的流逝，邊坡開始變形并變得不穩定，例如塌陷、滑移和滑坡等（如圖1所示）。

2.1 坡度侵蝕

坡面侵蝕是指降雨形成的坡面水流在自身重量的影響下向下流動的現象，向下的流速越大，表層土壤被沖刷掉的程度就越大。斜坡上的溝渠或洞穴的形成是斜坡和切坡的一種常見形式，侵蝕主要由斜坡率控制，直接影響流量和捕獲面積。斜率越大，流量越大，匯合處的厚度越大，沖刷能力越強。在黃土高邊坡梯度設計中，通常最好將斜率控制在1∶0.4～1∶0.75。

2.2 剝落

剝落通常發生在斜坡的中間到斜坡的腳下。其特點是：與在陰影的坡度上散射相比，在向陽的坡度上散裂更為嚴重。坡度變化部分的剝落比其他部分嚴重。高鹽或高黏土含量的土壤體易碎，其產生機理為：黃土高邊坡坡度高。在開挖過程中，一定范圍內的土壤會受到干擾，破壞土壤的完整性。另外，缺乏及時的保護會蒸發地表水并形成硬皮。由于不受侵蝕，晝夜溫差等因素，在風和水的影響下逐漸分離，并沿著斜坡剝落并在斜坡上堆積。

2.3 濕陷變形

當土壤潮濕時，由于黃土具有濕陷性，在一定壓力下會塌陷，因此山坡上會形成一些洞穴，甚至發生整體下沉并破壞受損表面的完整性。

2.4 崩塌

塌陷，也稱為崩塌，塌陷或滑坡，是指陡坡的巖石和土壤表面，從陡坡分為陡峭的結構平面集，在重力和其他外力的作用下，陡峭的斜坡突然從基體上掉落并迅速下降，主要是垂直下降。崩塌的特征是沒有前兆。其產生機理：陡峭的斜坡和具有良好臨面的斜坡，斜坡附近的微裂紋在非侵蝕或以后的重建過程中逐漸擴展到深度，同時被結構面切割的土壤在自重、侵蝕或人為活動中，其坡面穩定性會降低，從而導致坍塌情況發生，主要發生了3種情況。1）沿接縫表面或交叉接縫塌陷。2）反向坡的形成導致坍塌。3）因黃土洞穴塌陷。

2.5 黃土滑坡

黃土滑坡是在厚層黃土高邊坡地段土體在重力作用下沿軟弱面整體下滑的現象。 在自重作用下，傾斜體沿薄弱的結構平面滑動，使斜坡不穩定。其滑動面是三段折的圈椅形，即上陡下緩中間為圓弧形。在自重作用下，傾斜體沿薄弱的結構平面滑動，使斜坡不穩定。其滑動面是三段折的圈椅形，即上陡下緩中間為圓弧形。

3 邊坡變形破壞的影響因素

根據現場勘察和勘探數據，對引起邊坡變形的因素的分析主要有以下3個方面。

3.1 土壤質量的特征和結構

土壤的性質和結構是導致邊坡變形的內部因素。斜坡的原始地形是由人工開挖和填埋形成的黃土峁，經過人工施工形成了當前的基礎，從而發生由于不均勻的沉降而破裂的情況; 填土分布在填充物的底部，是一種中等至高度壓縮的土壤，具有較大的塌陷性，土壤強度比填充層的土壤強度要好，但是在填充前未對原始表面進行調整。在強度不同的原始沉積黃土和填充土之間形成界面，并且坡度很容易沿該邊界滑動。

3.2 天氣，水

外界環境也是引起邊坡發生破壞及變形的主要影響因素，例如天氣，降水，氣候等。外界環境變化也會較大程度上影響邊坡的穩定性[2]。據相關統計，該地區的年平均降水量為440 ram，Id最大降水量甚至可以達到210 mm，最大降水量可達到48.4 ram。該地區的年平均降水量并不高，但大部分以集中降水的形式出現。降雨不僅腐蝕了斜坡，而且將其從斜坡排到了溝渠的底部，使溝渠的表面徑流受到侵蝕。底部斜坡的腳使溝渠底部的傾斜主體失去穩定性，從而導致塌陷（滑移）并拉低上部土壤主體，使整個斜坡不穩定。底部的大部分生活用水和生產用水都是用PVC管排放的，PVC管破裂后，生產水滲入斜坡，軟化土壤，降低土壤的抗剪強度并嚴重侵蝕斜坡，導致臨空表面生長，從而為邊坡變形和破壞創造了條件。

3.3 地形地貌條件

當地區域內的地形地貌條件也是影響邊坡發生變形及破壞的另一個重要的影響因素。該工程地區屬于黃土豎谷區，該地區的風力給水汽沖擊能力較強，石窟與黃土梁分布較為廣泛。位于該地區的峽谷大多數呈現出V字形，頂部寬，下部窄，坡度大。相對高度差為150 m，斜坡的最大坡度甚至可達到50°。基于此，該地區發生斜坡變形及破壞的幾率將大大提高。

3.4 人工不合理堆載

由于建筑材料和建筑垃圾的不適當堆積，基礎的建設加快了上坡的不均勻沉降，并且滑動強度增加，在邊緣和斜坡附近引起裂縫。

3.5 植被覆蓋率

該地區沒有自然植被，主要是人工種植的枸杞灌木和中國松樹，而舊斜坡上的灌木較少。主要為多刺的刺，狼牙刺單株分布。在雨季，雨水很容易滲入斜坡，軟化斜坡上的土壤，降低土壤的機械性能，為斜坡的變形和破壞創造一定條件。

4 邊坡穩定性評價

4.1 基于工程地質分析的定性評價

在斜坡的上平臺上，沿斜坡分布了3個主要裂縫，這些裂縫切斷了基礎變壓器的陡坡和砌體斜坡保護，形成了陡峭的山脊，最大位移高度差為1 m。深度約為2 m～5 m，寬度為3 cm～20 cm，坡度較松。填土斜坡的局部斜坡上也出現了裂縫，并且通過下部山梁的裂縫，斜坡上的樹樁發生了傾斜。在雨季，地面可能會開裂并引起地表水滲透，如果斜坡上的土壤浸沒在水中，結構會被破壞，抗剪切強度會降低，從而使斜坡不穩定。斜坡的中心是舊的斜坡體，斜坡上有溝壑，殘留的梁，陡峭的山脊，下陷和水蝕或舊的滑坡體形成的裂縫。隨著新的塌陷（滑移）發生在斜坡下方，其趨于發展為不穩定。斜坡的下部是雪崩塌陷群，后緣有裂縫，雪崩塌陷中有一條縫隙，侵蝕脊，雪崩塌陷體的前腳被侵蝕而形成山脊。由于人為排放物的侵蝕，峽谷在斜坡上形成了約2 m～4 m的深度，并且峽谷的末端靠近斜坡。由于陡峭的斜坡和斜坡上的嚴重侵蝕，在斜坡上出現了許多陡峭的裂縫。因為在斜坡上的滑動和進一步擴展會產生較大的臨空表面，從而為巖石和土壤在滑坡的后端再次滑動創造了有利條件。根據以上分析，斜率通常是不穩定的。

4.2 基于數值分析的定量評估

4.2.1 計算方法

邊坡穩定性計算的目的是確定邊坡的穩定性，并為處理邊坡提供基礎。計算方法主要有極限平衡法、有限元法和概率法等計算方法，在極限平衡法中，采用圓弧滑動法將滑坡分為幾塊，并將每一塊視為一個剛體。假設其處于邊際平衡，建立一個平衡方程進行計算，如圖2所示。

4.2.2 計算參數

根據測試結果分析和調整坡土層參數的選擇。

4.2.3 計算結果和穩定性分析

在計算邊坡穩定效果時，要考慮到水分及孔隙度的影響，因為水分對邊坡的穩定性影響較大，因此水分對于邊坡的穩定性也是一個很大的影響因素。在計算時，通常采用預應力的計算方法。考慮地面振動的影響，通常情況下以山坡的坡角為坐標原點，以山頂為坐標終點。通過調查得知，該工程區域的山坡存在較為危險的滑面，穩定性較差。

5 結論

黃土邊坡災害是我國北部地區最常見的地質災害，根據地形和地質條件，有必要對各種類型的邊坡災害的成因，影響因素和形成機理進行分析和研究。基本上，將工程地質分析和數值分析相結合，可以準確地分析和評估穩定性，從而為邊坡支護設計奠定基礎。

參考文獻

[1]頡麗.關山泵站壓實黃土邊坡變形破壞特征及穩定性分析[D].蘭州：蘭州大學，2015.

[2]劉曉玲.準備車間—中煤倉黃土邊坡變形破壞機制與穩定研究[D].西安：西安科技大學，2014.