延安北部地區公路邊坡穩定性影響因素研究

賈拓 董琪

近年來，因為大規模石油開采和新農村建設的需要，延安北部的公路網絡快速發展，除了延安—子長、延安—靖邊、延安—吳旗等主干線路外，縣鄉之間、鄉鎮之間和村村之間的低等級公路建設速度也逐年提高。快速的道路建設工程對黃土地貌進行了截彎取直、削坡填平的施工活動，形成了大量高陡邊坡。黃土斜坡的內應力平衡被普遍破壞，抗剪強度降低，增加了坡體不穩定性。同時，低等級公路缺乏必要的坡面防護措施，為地質災害的形成埋下了許多隱患。本文通過對延安北部六縣一區的低等級公路邊坡專門的調查研究，分析了該地區公路邊坡穩定性的影響因素，并針對性地提出了邊坡設計和治理的應對措施。

1 延安北部地區公路邊坡破壞特征

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

1)滑坡發育密度大:由于區內黃土地貌復雜多變，公路建設過程中需要多次修坡削坡工程，對黃土地貌擾動點多，導致公路沿線滑坡發育廣泛分布，相對密度很大。以延川縣境內的延川—賀土坪公路為例，在不到2 km的路段上，公路一側發生的大小滑坡共達到6個～8個之多，且局部路段滑坡的發生呈現串珠狀的特征。

2)滑坡規模小:該地區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，滑動體積均小于2 000 m3，個別小滑坡僅有數十立方米。

3)滑坡滑面及堆積物特征:該地區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，滑體破壞時豎直位移較大，水平位移較小，多呈現滑塌的特征。滑坡的堆積體松散，原有結構完全被破壞，強度僅剩土體的殘余強度。而且在滑坡發生后，為確保公路的暢通，滑坡堆積體多數被及時清理，僅余下比較平直的滑面。

2 邊坡穩定性影響因素分析

2.1 黃土物理力學性質的影響

延安北部地區由黃土粒度組成，總體上自北向南逐漸變細，同時黃土中的粘粒增多，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)黃土物理力學性質具有以下特點和變化趨勢:

1)塑性較弱。塑性指數多在8～14之間，水理性質呈現北低南高。

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

5)強滲透性。垂直節理發育形成黃土獨特的滲透性，因此垂直方向的滲透系數大于其水平方向，大孔隙越發育，其差值越大。且新黃土比老黃土的滲透性強，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常發生淺層滑動的一個重要原因。

6)濕陷性較強。在區內有自北向南逐漸減小的趨勢。

區內黃土的以上典型物理力學特點，對黃土邊坡的穩定性具有以下重要影響:

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

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性。

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

調查取樣試驗結果表明，天然含水量適中的黃土具有較高的強度，形成常見的垂直陡坎、土柱。而飽和黃土的抗剪強度大幅度降低，其中降幅最大的是c值，降幅達到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定性的關系極為密切，它通過土的強度指標進而影響邊坡的穩定性。

2.2 降雨的影響

該地區地下水位較深，地下水對邊坡的穩定性影響極小，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，而垂直大孔隙發育又加速了雨水的入滲速度，直接影響斜坡的穩定性。一方面，降雨對已開挖的坡面沖刷，形成細小的匯水沖溝，隨著降雨歷時的增大，沖溝擴大，破壞了坡面的完整性[2］;另一方面，坡頂面的新黃土結構較疏松，且具有原生的節理和裂隙，降雨形成的地表水沿著黃土中的接力和裂隙下滲，使得坡體內部土體的含水量增大，內聚力減小，發生滑動破壞。

室內滲透試驗明顯得出，黃土的垂直滲透系數是水平滲透系數的1.1倍～1.5倍。且黃土的垂直滲透性具有上快下慢的特點，水位埋深在5 m以內，滲水在7 d以內可達潛水面，水位埋深在10 m左右滲水在30 d內可達潛水面，水位埋深在20 m～30 m時滲水在80 d～200 d可達潛水面。這就是降雨誘發的滑坡往往滯后降雨發生的原因，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，根系沿著坡體頂部的裂縫生長，并不斷向坡體內部延伸，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，加大了坡體的不穩定性。坡頂植被對雨水的涵養和滯洪作用盡管防止了水土流失，但會形成雨水原地積聚和垂直下滲。如樹坑會形成相對低洼的洼地，雨水會積聚在這些洼地上，當時間久了就會形成積水洼地和落水洞，將會成為快速滲水通道，從而成為影響邊坡穩定性的因素。本次野外調查研究表明，大多數的滑坡在滑動之前都有快速滲水通道，或為拉張裂縫，或為落水洞，或為積水洼地。

3 公路邊坡設計和防護措施

3.1 公路邊坡的設計建議

通過對公路邊坡坡度的調查統計可以看出，邊坡發生滑動后達到穩定的坡度為45°～55°，而原始邊坡坡度在53°～67°;現階段穩定的邊坡坡度在48°～56°。結合現場取樣測試和對失穩坡體與穩定坡體的調查測量，利用計算機對其進行穩定性計算得出不同坡度、坡高情況下的坡體穩定性系數如表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°，否則就很容易發生滑坡破壞。

表1 延安北部地區公路邊坡穩定系數計算表

因此，在該地區進行公路邊坡設計時要綜合坡高和坡度的關系，科學考慮坡度、坡高、多級平臺、平臺寬度、平均坡比、單級坡比等設計要素，在邊坡高陡時應考慮設置多級平臺。根據表1和前人總結的經驗，該地區公路邊坡總坡度適宜在30°～50°范圍，多級平臺放坡時單級坡度可以考慮放寬至40°～70°，適宜的總坡比為 1∶1.26，單級坡比為 1∶0.57 ～1∶0.71[3］。

3.2 公路邊坡防護措施

1)排水防水措施:

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

2)邊坡工程防護:

為了保證邊坡的穩定，防止碎落、滑塌、掉塊和雨水沖蝕等不良邊坡災害發生，邊坡要進行坡腳襯砌和刷坡處理。高邊坡地段由于地質構造裂隙的影響，為避免雨水大量沖刷邊坡，在分級設置坡面的同時，設置平臺，有助于減少風化和侵蝕。對于邊坡高陡而分級設置困難的情況，應采取高邊坡治理的工程措施，如加筋結構、排擋支護、格構錨固等。

3)坡面植物防護:

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

4 結語

1)在區域內特殊的黃土工程地質條件下，延安北部地區低等級公路沿線滑坡的發育具有密度高、規模小且滑面及堆積體具有特殊的狀態和性質;

2)黃土的物理力學性質、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定性產生較大的影響，在設計和施工的時候應予以充分考慮;

3)公路邊坡設計的開挖坡度和縱坡比在很大程度上影響了公路邊坡的穩定性，在該地區進行公路邊坡開挖時需要對邊坡的坡度和坡比進行優化設計;

4)在進行公路建設時，需要對已開挖的公路邊坡進行必要的坡面防護措施，以減少滑坡和崩塌等地質災害的發生，減少其對人民生命財產的威脅。

[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.黃土高邊坡穩定性影響因素分析[A］.全國巖土與工程學術大會論文集(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.黃土高邊坡優化設計[A］.全國巖土與工程學術大會論文集(上冊)[C］.北京:人民交通出版社，2003:608-613.

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