烏魯木齊市頭屯河區二號臺地邊坡臨界坡角研究

曹小紅 孟和 楊長德

摘 ? 要：基于對烏魯木齊市頭屯河區二號臺地人工開挖邊坡及滑塌體的大量現場調查、勘測及邊坡巖土體室內試驗、典型邊坡穩定性分析計算，得出不同巖土體、坡面形態與邊坡穩定性之間的關系：滑塌堆積體體積大、一般上部為凹坡、礫石含量高、砂含量低則坡體相對穩定，現場測得這類滑塌體臨界坡角約36°;砂礫石坡體表現為崩塌破壞，滑塌體含砂量越高越容易垮塌、臨界坡角約28°～32°;邊坡露頭底部強風化泥質砂巖差異風化明顯，細礫及砂含量高則易垮塌;細粉砂及含鈣質結核的粉土區低緩坡基本穩定，而高陡邊坡先期以蠕動變形為主，后期趨于垮塌;滑塌體臨界坡角為28°～36°，且隨著滑塌體臨界坡角的增大，邊坡穩定性系數有所提高。

關鍵詞：巖土體性質;坡面形態;邊坡穩定性;臨界坡角;分析計算

邊坡失穩可能會導致人員傷亡和環境破壞，妨礙公路工程、水利水電工程等，可能會對資源開發和山區發展帶來一定影響[1-3]。新疆工程學院地處烏魯木齊市頭屯河區大學城內，區內人員相對密集，近幾年大規模工程開工建設，出現大量基坑邊坡、路塹邊坡等人工裸露邊坡，由于人工開挖切坡或堆載，加之地表水及地下水的作用乃至地震等因素的影響[4，5]，區內曾發生過多起局部甚至大范圍邊坡失穩滑塌現象[6]。一些不穩定性斜坡未能及時治理，對人員及交通安全構成了威脅[7，8]。因此，對研究區區域地質構造、巖土體力學性質、水文地質等條件展開調研，分析計算邊坡穩定性，提出欠穩定邊坡的防護設計，確保邊坡長期穩固[9]，對減少事故發生和經濟損失具重要的理論和實踐意義[10]。

1 ?區域地質概況

頭屯河區二號臺地位于烏魯木齊市區西部，海拔高度為852～1 208 m，地貌屬剝蝕-堆積丘陵區，微地貌為山前坡積、沖洪積臺地及坡地，呈波狀起伏的低山丘陵，地勢總體南高北低，周邊被低山丘陵環抱，沖溝、槽型溝發育（圖1）。研究區出露的地層主要為全新統下部洪沖積層和上更新統新疆群洪沖積層。全新統下部洪沖積層為淺灰色砂礫石層，礫石成分復雜，磨圓度中-較好，多呈次圓狀，分選性中等。上部為土黃色、淺黃色砂土、含礫亞砂土，厚幾米至200余米。上更新統新疆群洪沖積層為砂礫石、細砂、粉質黏土混合組成的疏松層，礫石約60%～75%，分選中等，磨圓度為渾圓-次渾圓狀，球度中等。流經本區的河流主要為烏魯木齊河及水磨河，地下水以松散巖類孔隙水及基巖裂隙水為主，含水層為淺層基巖裂隙、砂礫石層、砂土層。春季融雪和夏季降水入滲補給潛水層徑流。

2 ?邊坡形態及穩定性

2.1 ?邊坡形態

對新校區停車場西北側各類人工開挖邊坡現場勘測，邊坡上部巖土體垮塌堆積在坡腳形成滑塌堆積體，當上部垮塌物減少后趨于穩定（圖2，3）。

2.2 ?邊坡臨界坡角

文中提及的臨界坡角即為邊坡上部巖土體滑塌或垮塌后堆積在坡腳下部形成的滑塌堆積體穩定時的最大坡角，這時未考慮地震和水的作用。當滑塌堆積體坡角大于臨界坡角時堆積體趨于不穩定。參照溜砂坡天然休止角的概念，現場勘察階段先用肉眼識別滑塌堆積體，選用穩定的堆積體，在邊坡頂向坡腳處投擲約100 g中砂，當坡底滑塌堆積體局部被流砂帶動向下移動時，用地質羅盤測定此時的滑塌堆積體坡角即為臨界坡角。

現場勘察發現上部凹坡礫石含量高、砂含量低則越容易垮塌，中、細礫含量高臨界坡角偏大，現場測得此類滑塌體臨界坡角34°～36°;砂礫石坡體表現為垮塌破壞，滑塌體含砂量越高越容易垮塌、臨界坡角約28°～32°;含鈣質結核的粉質黏土及粉土區坡體垮塌，臨界坡角隨細粒的粉土和黏土含量的增高而增大，對新校區鍋爐房東側這類邊坡勘測臨界坡角35°～36°。對新校區周邊砂礫石邊坡、粉土及黏土坡的勘測，當臨界坡角α<30°時，僅在坡頂和坡面淺表層存在較少張力帶，此時邊坡的變形破壞模式主要為巖土體碎落，處于臨界狀態，整個邊坡的穩定性較好;當30°<α<40°時，坡頂張力帶向坡面方向擴展，并向坡體內部發展，邊坡可能出現的破壞模式為垮塌或滑塌;當α>40°時，天然狀態下邊坡基本穩定，當人站在坡頂或有其他外力作用（降雨、地震、工程荷載）時，坡頂張力帶與坡面的張力帶擴展甚至貫通，一旦受外力作用邊坡大規模滑動或垮塌破壞的概率劇增。

2.3 ?邊坡變形、失穩、破壞和巖土類型的相關性

巖土類型及性質是影響邊坡穩定的主要因素，巖性控制著斜坡變形破壞的形式和類型。現場調查發現在砂礫石含量高的區域內，坡體以垮塌為主 （圖4-a）;在細砂、粉土區，往往產生蠕變、表層撓曲、傾倒等破壞形式（圖4-b）;研究區邊坡土體干燥時，含粉質黏土 、黏土的坡體較陡峻，一經水浸，土的強度驟減，變形急劇，邊坡失穩垮塌（圖4-c）;區內含砂、含鈣質結核的粉土差異風化明顯（圖4-d）。

每段坡各要素實測30組以上，算出各要素均值。實測及統計分析得出8個邊坡段滑塌體臨界坡角、堆積體高度、邊坡角、坡高、邊坡及滑塌體內聚力和內摩擦角（圖2，表1），可見邊坡段的臨界坡角為31.54°～36.3°，坡長1.5～6 m，邊坡角60.29°～73.3°。

3 ?坡體穩定性分析計算

3.1 ?建模及巖土體物理力學參數

據現場調查、勘測結果，建立上部邊坡、下部滑塌堆積體的二維簡化模型，圖5中邊坡下部實質為滑塌體堆積物，對坡基礎及邊坡后緣施加水平和垂向位移及應力約束（表2）。

3.2 ?邊坡穩定性等級劃分

對邊坡安全等級應結合邊坡工程勘察和地質環境復雜程度劃分。新疆工程學院內邊坡等級劃分屬于一般工況下二級永久邊坡（表3），再根據《建筑邊坡工程技術規范》（GB50330～2013）的規定，可判定研究的邊坡段是否穩定[11]。

根據規定，當邊坡穩定系數K<1.30時，邊坡未達到規范要求的穩定性，此時邊坡需要處理或加固。文中8個邊坡段安全系數不能小于1.30。

3.3 ?不同坡角邊坡穩定性分析計算

采用邊坡簡化模型及各段邊坡巖土體物理力學參數，用圓弧滑動法計算各邊坡段的穩定系數，并判斷該邊坡體是否穩定。在坡高相同的情況下，巖體愈堅硬、坡角越小，抗變形能力愈強，邊坡穩定性愈好;反之穩定性差。因此，堅硬完整的巖石能形成相對穩定的斜坡，而軟弱巖層和土體一般維持低緩的斜坡（表4）。

當邊坡穩定系數K<1.30時，邊坡未達到相應級別的安全性，認為邊坡需要加固。據上述標準在分段邊坡1～8中，邊坡8最穩定，其穩定系數K為1.943;受臨空面影響，邊坡4最不穩定，其穩定系數K為1.192。邊坡2、3、7、8的穩定系數K>1.3，是穩定的;而邊坡1、4、5、6的穩定系數K<1.3，邊坡是欠穩定的，一旦遭到內力地質作用或外力地質作用、工程振動及外荷載影響，很有可能變形、失穩、破壞。其中4號邊坡段東側、東偏北側存在臨空面。另外，在現場發現滑塌堆積體體積大、一般上部邊坡為凹坡、礫石含量高，則邊坡穩定性系數偏高;滑塌體體積大的坡體一般礫石及砂的含量均高;中、細礫含量高、砂含量低則坡體相對穩定;細礫及砂含量高則易滑塌;粉細砂、粉土分布區低緩坡體穩定，而高陡坡體趨于滑塌、粉質黏土及粉土區坡體垮塌失穩。

3.4 ?不同坡面形態穩定性對比分析

邊坡的剖面形態對邊坡穩定性有很大影響，不同剖面形狀的邊坡，穩定性也不同。邊坡坡形一般可分為3種：直線型、凸坡和凹坡。凹坡的長期穩定性最好，直線型較穩定，而凸坡的長期穩定性較差。對于同類的凹形邊坡來說，邊坡等高線曲率半徑越小則邊坡越穩定。因此，在工程實踐中多采用分段凹形開挖法使開挖邊坡保持穩定，但同時要避免多個臨空面，以提高坡體穩定性。

4 ?討論與結論

根據現場調查、勘測及邊坡穩定性分析計算， 研究區滑塌堆積體體積大、一般上部邊坡為凹坡、礫石含量高，則邊坡穩定性系數偏高;滑塌體礫石及砂的含量均高，強風化砂礫石坡體表現為垮塌破壞，臨界坡角約36°;中、細礫含量高、砂含量低則坡體相對穩定，臨界坡角約28°～32 °;細礫及砂含量高則易滑塌;研究區砂巖差異風化明顯，垮塌有分帶分布特征;粉細砂、粉土區低緩坡體穩定，而高陡坡體先期以蠕動為主，后期趨于滑塌;含鈣質結核的粉質黏土及粉土區坡體垮塌失穩受外力影響，滑塌體臨界坡角為28°～36°。

參考文獻

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Abstract：This paper is based on a large number of investigations and surveys on the slopes and slumps on the No.2 platform in the Toutun District of Urumqi City，as well as the tests of soil and the analysis and calculation of typical slope stability.The relationship between body and slope morphology and slope stability：the volume of the collapsed deposit is large，the upper part is concave slope，the gravel content is high，and the sand content is relatively stable，the slope is relatively stable，this slope angle is about 36°;the slope of the gravel is collapsed，and the sand content of the landslide is more likely to collapse，and the critical slope angle is about 28°～32°;the weathering of the strong weathered argillaceous sand at the bottom of the slope outcrop is obvious.Fine gravel and high sand content are easy to collapse;fine silt and calcareous nodule silt area is basically stable，while high-steep slope is mainly creeping deformation in the early stage，and tends to collapse in the later stage;critical slope angle of sliding between 28° and 36°，and with the increase of the critical slope angle of the landslide，the stability coefficient of the slope is improved.

Key words：Rock and soil properties;Slope morphology;Slope stability;Critical slope angle;Analytical calculation