濟南高陡土質邊坡穩定性分析及治理方法探討——以濟南南部山區山間平原為例

張燕，葛江琨，李洪亮，趙建濤

(山東省魯南地質工程勘察院(山東省地勘局第二地質大隊)，山東 濟寧 272100)

0 引言

眾多的地質災害中邊坡失穩非常常見，土質邊坡崩塌和滑坡最為常見[1-2]。土質邊坡失穩主要是受自然因素和人為因素影響，受到外界因素影響導致邊坡抗滑能力降低，穩定性變差，從而產生邊坡失穩[3]。近年來因土質邊坡失穩造成人民財產經濟損失的案例眾多，2013年6—9月寧夏隆德縣遭遇持續強降雨，導致山體崩塌、滑坡等地質災害大量發生[4]；2014年6月，山西吉縣發生崩塌，造成7人遇難[5]；2019年8月，受臺風“利奇馬”的影響，濟南市共發生災情12起，其中南部山區有5處邊坡發生崩塌及滑坡災害，導致道路損壞和房屋受損，給當地居民的財產造成損失。

濟南南部為低山丘陵區，地形地貌變化較大，地質構造條件復雜，裂隙發育，溝谷縱橫發育，人類活動強烈，修路、切坡建房等在山間形成大量高陡邊坡[6-7]。濟南南部山區山間傾斜平原區常見坡洪積物，主要由粉質黏土、黏土及礫石層等組成，具有二元結構，厚度由幾米到十幾米不等。山間的坡洪積物易受溝谷水流沖蝕，同時這些地段因土層較厚，是人類賴以生存的空間，人類為建設自己的家園對原有的坡體不斷進行改造，從而形成大量高陡土質邊坡[8-10]。筆者通過實際項目，探討濟南南部山區土質邊坡穩定性分析方法及防治方案。

1 工程概況

1.1 地質環境背景

濟南地處中緯度地帶，屬北溫帶濕潤大區魯淮區，為溫暖半濕潤季風性氣候。年平均降水量669.30mm，年最小降水量為320.70mm，年最大降水量為1283.40mm(1973年)，一年之中降水主要集中在6—8月，多以暴雨形式降落，3個月的降水量占年降水量的65%。降雨是誘發土質邊坡失穩、發生崩塌、滑坡等地質災害的主要因素之一[11-12]。

研究區屬于魯西北斷陷的過渡帶，區域內地殼中生代燕山期強烈活動[13]，區內有多條斷裂發育，導致山體地形起伏較大，地形切割明顯。地層以古生代石灰巖地層出露為主，山間區域可見第四系坡洪積物，在降雨、人類工程活動等條件下易發生邊坡失穩，從而產生崩塌、滑坡等地質災害。

1.2 現狀調查

研究區位于濟南市南部山區的山間傾斜平原地帶，經河流長期沖積在兩條河流的中間位置形成了階地，出露巖性主要為黃土地層。階地在人力活動和水動力等外力影響下形成了一條長約500m的髙陡土質邊坡，邊坡高度10～13m，坡度75°～85°，局部地段直立，甚至可見負地形，邊坡上方和下方分布有村民房屋，民房距離邊坡最近距離不足1m。現場可見坡面分布有小型沖溝、土體的劈裂、降水掏蝕的洞穴及邊坡底部堆積的坍塌土體等。由于研究區為黃土邊坡，擁有植物賴以生存的基質條件，因此坡面上高大喬木及小灌木生長茂盛，局部坡面可見根系出露，根系縱橫交錯。通過調查，研究區內受邊坡失穩威脅的村民共46戶，該土質邊坡曾因失穩垮塌，砸死坡下住戶家兩頭豬，并且養豬棚受到不同程度損壞。

由于土質邊坡高陡，在長期降水作用下，邊坡中上部土體在降水入滲浸泡下，含水率增高，尤其是達到了飽和狀態后，土體塑性變強、濕陷性開始顯現，從而導致土體抗壓、抗剪應力降低，坡體在重力作用下沿裂隙產生了變形破壞[14-15]。同時，邊坡頂部植物發育，存在“根劈”作用，影響坡體穩定性[16-17]。該坡體高陡，民房距離邊坡陡立面極近，土質邊坡失穩后，將產生很強的破壞力，直接威脅坡上下村民的生命財產安全。

2 穩定性分析

2.1 工程地質條件

筆者在野外調查的基礎上做了進一步的勘查，主要手段有地形測量、地質測量、開挖探槽和樣品測試等。在研究區土質邊坡上方及下方開挖探槽取原狀土樣，共開挖3個探槽，最大探槽深度為4m，每隔0.5m人工刻取不受擾動的土層樣品，取樣重量不小于1.0kg，共計11件，送往具有相關資質的山東省建勘集團有限公司實驗室做土工試驗。試驗測試采用直剪剪切試驗法，測定并計算了土體的含水率、密度、干密度、比重、孔隙比、飽和度、液限、塑限、塑性指數、液性指數、濕陷系數、黏聚力、內摩擦角等16項指標。通過勘查工作，查明了區內土質邊坡巖性為黃土狀粉質黏土。

黃土狀粉質黏土(Q3al+pl)：黃褐色；硬塑—堅硬，局部可塑；見針孔狀蟲洞，含鐵錳質結核及鈣質結核；切面稍具光澤，無搖振反應，韌性、干強度中等；壓縮性低—中，濕陷性輕微；主要物理力學性質測試指標統計結果如表1。

表1 主要物理力學性質測試指標統計成果表

2.2 不穩定邊坡成因分析

土質邊坡穩定性的影響因素很多，其中最主要的是邊坡土體的力學性質和結構層理、水的作用、風化作用、地震作用、地下水侵蝕及人類活動。各個因素主要從兩個方面影響著邊坡的穩定性，一方面是增加了邊坡的附加荷載，使邊坡的應力狀態發生變化，增加坡體的下滑力；另一方面是土體經過風化、降水入滲、地下水侵蝕、植被“根劈”等作用，降低了土體的強度，減少了土體的抗滑力[18-19]。

近30年以來，該邊坡向后坍塌約3m，最大塌方距離可達7m左右，邊坡坍塌主要是在暴雨季節發生，雨后坡腳可見大量淤泥及土方堆積。大氣降水不但能直接沖刷土質邊坡，同時還會下滲轉化為地下水，從而對土體產生軟化作用，使得土體強度減小，導致邊坡發生破壞[20-21]。同時，在調查中發現村子里沒有排水管道，村民生活用水主要以散流的形式排放，生活用水的入滲，將增加土體的含水率，使得土體的抗剪強度降低，從而降低了邊坡的穩定性[22]。同時邊坡上喬灌木生長茂盛，高大挺拔，其根系發達，對坡面產生了“根劈”作用，影響邊坡的穩定性。綜上可知，導致本區土質邊坡失穩的主要原因是大氣降水和生活用水入滲，次要因素是植物的“根劈”作用。

2.3 邊坡穩定性計算

本邊坡整體穩定性，需考慮雨季汛期工況，邊坡土體浸水達到飽和狀態后，塑性增強并表現出濕陷性，此時邊坡土體呈現黏性土性質，邊坡失穩時呈圓弧狀滑動，符合圓弧滑動法分析模型的基本假定。故以雨季汛期工況，飽和狀態下的邊坡土體，采用畢肖普條分法[23-24]分析邊坡的整體穩定性。

根據本邊所處工況，邊坡坡體黃土狀粉質黏土飽和度達到85%時顯現濕陷性，此時坡體內無自由水，故采用水土合算法計算邊坡穩定性，總水壓力取0。土體重度由物理力學性質測試指標統計結果及當地經驗值按土的三相指標換算；抗剪指標由直剪試驗指標按照當地經驗折算為固結不排水剪指標。各計算參數取值見表2。

表2 計算參數取值表

經Fs與m0i雙重迭代求解，得出最不利滑動面計算結果(表3)。

表3 坡面最不利滑動面計算結果表

通過計算，在考慮地震、降水等不利組合的工況下，邊坡滑動安全系數為0.745。根據《建筑邊坡工程技術規范》GB50330—2013第5.3.2條，在此工況下，該邊坡處于整體不穩定狀態。

3 不穩定邊坡治理方案

3.1 指導思想

本次土質邊坡失穩治理的思想是以消除安全隱患為原則，采取經濟合理的治理措施，實事求是，因地制宜，在確保安全的條件下結合周邊環境條件，增加美觀性，美化人居環境。

3.2 方案設計

在對現場詳細勘查的基礎上，經過綜合研究分析，村民住房距離邊坡太近，邊坡不具備削坡卸載的施工條件，因此只能對邊坡進行加固處理。在充分考慮安全和美觀的前提下，設計提出了清坡+格構+鋼筋混凝土擋板+截水溝的治理方案[25]。

3.2.1 清坡

根據現場調查，研究區邊坡髙陡且距離上下村民房屋較近，最近距離不足1m，不方便大量削坡。因此設計對該段邊坡進行清坡處理，清坡后邊坡坡度不大于80°。清除邊坡表層浮土、腐殖質及影響施工的植物，清坡后使坡面平整，方便后期施工。

3.2.2 格構+鋼筋混凝土擋板

所設計格構+鋼筋混凝土擋板主要部分可分為縱向格構和橫向格構、格構地梁、預應力錨桿、鋼筋混凝土擋板等，縱、橫向格構水平、豎向間距均為3.0m，格構斷面尺寸300mm×300mm，格構和鋼筋混凝土擋板均為現澆筑(圖1)。現澆鋼混擋板厚200mm，雙層鋼筋網綁扎。

圖1 格構+鋼筋混凝土設計正視圖

預應力錨桿：位于橫、縱向格構交叉位置，先于格構施工，錨桿水平和豎向間距均為3.0m，鉆孔傾角15°，鉆孔直徑150mm，選用1E28鋼筋，錨桿從上至下長分別為23.0m，22.0m，20.0m，錨固段長度均為7.0m，錨桿施工中加入水玻璃，減少因水入滲造成土體的濕陷從而降低錨桿的抗拉強度。錨頭應穿透橫、縱向格構交叉處，外露長度不小于0.3m，待錨桿和格構梁強度均達到85%以上，方可施加預應力(圖2)。

圖2 治理后剖面圖

3.2.3 截水溝

截水溝設置在坡頂，主要用于攔截地表水，保護坡面穩定性。在邊坡上邊緣隨地形走勢修建截水溝，橫截面為一梯形，底寬0.3m，頂寬0.5m，高0.3m，溝壁厚度0.2m，用M10水泥砂漿修筑。排水溝縱坡不應小于0.3×10-3，以保證迅速排除地面水流，以免水流停滯。

3.2.4 治理后坡面穩定性計算

邊坡護坡設計后對坡面穩定性進行了計算，在考慮地震和降水的影響下，邊坡滑動安全系數為1.673。根據《建筑邊坡工程技術規范》(GB50330—2013)表5.3.2邊坡穩定安全系數要求可知，治理后的邊坡均滿足規范要求的穩定安全系數。

4 結論

(1)濟南南部山區屬于單斜構造，區內有多條斷裂發育，導致山體地形起伏較大，地形切割明顯，山間區域可見第四系坡洪積物，年降雨量集中，多以暴雨降落，為土質邊坡失穩發生提供了基礎條件。

(2)通過研究分析可知，誘發該土質邊坡失穩的主要因素是水的作用，地表水和地下水對邊坡土體的沖刷和軟化，降低了土體強度，抗滑力減弱。

(3)采用畢肖普條分法對邊坡整體穩定性做了定量計算，計算結果表明在考慮地震、降水等不利組合的工況下，該土質邊坡處于不穩定狀態。

(4)根據場地實際條件提出了主動防護為主的治理思路，設計采用清坡+格構+鋼筋混凝土擋板+截水溝的方式治理邊坡失穩問題，方案技術方法成熟，可操作性強，本方案實施可消除安全隱患，保障人民群眾的生命財產安全。

(5)濟南南部山區山間平原區常見此類土質邊坡失穩問題，通過本次方案的研究探討，為今后類似土質邊坡失穩問題提供了新的治理思路。