呂梁某黃土高邊坡穩定性分析與工程防治實例

劉志軍，劉文元，易志強

(1.山西省柳林縣自然資源局，山西 呂梁 033300;2.太原理工大學 礦業工程學院，太原 030024)

黃土廣泛分布在西北、華北與東北地區,尤其集中分布在黃河中上游的甘肅、陜西、山西以及寧夏等省區,總面積約為6.3×105km2,約占我國陸地面積的6.6%[1]。在黃土地區,由于溝壑縱橫、高低起伏的復雜地貌形成了許多黃土高邊坡,同時因黃土獨特的工程特性使得這些高邊坡極易失穩,從而嚴重影響著人類的生產活動。因此,關于黃土高邊坡的穩定性分析及其治理措施一直是黃土地區地質災害防治研究的熱點問題[2-4]。

本文以山西某黃土高邊坡為研究對象,通過野外現場勘察查明工程地質條件,根據工程地質分析原理分析其可能的破壞模式,通過室內試驗測定相關巖土力學參數,最后利用Geo-studio中slope/w模塊對其進行穩定性分析,并提出相應的治理方案,為該類黃土邊坡的防治提供借鑒意義[5-6]。

1 工程概況

項目邊坡地理位置優越,位于307國道以西,南側毗鄰三川河。邊坡為一黃土質邊坡,邊坡高度約在10 m～70 m左右,坡頂長約650 m,坡底長約450 m,勘察期發現此邊坡經人工削坡,邊坡坡率約1:0.75～1：0.9。在坡腳處有一住宅小區,通過現場調查發現邊坡并未出現大面積的滑塌現象,且在邊坡坡頂均也無地裂縫發育,但在局部出現了淺層滑塌,其穩定性對坡腳及坡頂的建筑物安全形成巨大地威脅。

2 邊坡工程地質條件

2.1 地形地貌

勘察區場地地貌為低山丘陵,受風化、水流沖刷以及人工開挖的多重作用形成現狀地貌形態。勘察期間建筑場經人工削坡,邊坡坡率1:0.75～1：0.9,分臺階放坡(見圖1)。通過現場地質調繪,邊坡坡頂均無地裂縫發育,坡腳局部出露石炭系石灰巖。

邊坡呈“U”型環抱坡腳建筑場地,高度約在10 m～ 70 m左右,坡頂長約650 m,坡底長約450 m,坡度較陡峭,坡腳標高807.05 m～814.86 m,相對高差7.81 m,坡頂標高882.36 m～819.25 m,相對高差63.11 m;植被少有發育,局部可見少量雜草。

圖1 邊坡整體地形地貌Fig.1 Overall topography and landform of slope

2.2 地層巖性

根據野外調查及鉆探揭露的地層和堆積物沉積韻律特征,結合室內土工試驗,場地鉆探揭露地層主要為第四系全新統沖洪積層(Q4al+pl),巖性主要為粉質粘土和卵石及石炭系石灰巖;邊坡巖土體地層由新到老依次為上更新統風積(Q3eol)成因的馬蘭黃土和中更新統風積(Q2eol)成因的粉土及粉質粘土(離石黃土)組成,坡體巖性主要以粉質粘土和粉土為主,具體如下:

第①層:濕陷性粉土(Q3eol),褐黃色,稍濕,稍密,具有孔隙,垂直節理發育,表層見少量植物根系。夾薄層粉質粘土。

第②層:粉土(Q3eol),黃褐色,含云母、氧化鐵、氧化鋁等,稍濕,中密,土質不均,混少量粉質粘土及云母碎屑,搖振反應一般,無光澤,干強度中等。

第③層:粉質粘土(Q2eol),褐色,含云母、姜石、氧化鐵、氧化鋁等,局部夾薄層粉土,無搖振反應,稍有光澤,干強度及韌性較高。

第④層:砂卵石(Q2al+pl),雜色,礦物成分以石英、長石、云母為主,級配不良,中密,該層夾有粉土和細砂等成分。分布有從北—西—南一次減少的趨勢。

第⑤層:石灰巖(C3t)灰色,中風化—強風化,礦物成分以方解石為主,隱晶質結構,層狀構造,巖體較完整,屬于較硬巖,巖體基本質量等級為Ⅲ級。

2.3 地質構造

研究區內構造簡單,構造位置為鄂爾多斯地區的東緣,呂梁山塊隆與鄂爾多斯斷塊接壤的南北向構造帶西側,其構造基本形態總體上表現為由北東向南西漸傾的單斜構造,地層以幾度至十幾度的傾角緩緩向西插入黃河底下,其間伴隨有平緩的褶曲。

3 邊坡穩定性分析與評價

3.1 邊坡現狀宏觀分析

邊坡為土質邊坡,坡頂地形平緩,坡面較為陡峭,坡表分布有少量雜草,在邊坡范圍內未發現邊坡變形跡象,邊坡在現狀條件下大面積處于基本穩定狀態,局部處于欠穩定狀態,但是在外界影響，如降雨地影響下,存在破壞的可能性。土質邊坡易受降雨沖刷而產生局部崩塌,坡面穩定性相對較差。

3.2 邊坡穩定性分析

結合本次勘察場地邊坡的具體情況進行分析,影響邊坡側向穩定的主要因素是降雨,自然邊坡在降雨條件下容易失穩。根據現場調查的自然邊坡現狀及現場測量的邊坡形態建立計算模型,抗剪強度指標在室內試驗提供指標的基礎上經反復驗算并結合現有邊坡存在的狀態綜合分析確定,計算參數見表1。

根據邊坡形態,在可能滑動的方向上選取具有代表性的剖面,運用Geo-studio軟件中的slope/w模塊對其在天然和暴雨(飽和)兩種工況下進行穩定性分析,其計算原理采用極限平衡法,包括瑞典條分法、Bishop法、Janbu法、Morgenstern-Price法等,本次計算中采用Morgenstern-Price法進行,其中1-1′剖面安全系數和最危險滑動面如圖2和圖3所示。

圖2 1-1′剖面天然工況計算簡圖Fig.2 A Sketch of natural working conditions of 1-1′Section

計算結果表明,邊坡在天然工況下的穩定系數為1.226,處于基本穩定狀態;而在工況Ⅱ暴雨狀態下的穩定系數為0.936,處于不穩定狀態,即邊坡在暴雨狀態下有可能失穩形成滑坡。因此,需對此邊坡采取相應的治理措施。

圖3 1-1′剖面暴雨工況計算簡圖Fig.3 A sketch of calculation of rainstorm conditions in 1-1′profile

4 邊坡工程治理

4.1 邊坡工程治理設計

結合高邊坡特性以及邊坡設計要求,本次邊坡設計采用削坡+框架梁+錨桿+錨索+排水溝的綜合治理措施,具體設計方案見圖4。

圖4 邊坡設計治理示意圖Fig.4 Sketch of slope design and treatment

1)削坡:邊坡分別按1:0.25、1:0.5、1:0.75、1:1.0坡率削坡,單級坡高4.8 m～12.3 m,中間留設1.5 m ～ 2 m寬平臺。

2)框架梁:框架梁截面為400 mm×400 mm,采用C25混凝土。

3)錨桿:設置于邊坡坡面,錨桿孔距2.5 m,垂直排距2.5 m,傾角20°,孔徑130 mm,錨桿鋼筋Φ32,錨桿長度分10 m和12 m兩種,彎頭長度不小于45 cm。

4)錨索:錨索設置于邊坡坡面,錨索孔距2.5 m,垂直排距2.5 m,傾角20°,孔徑130 mm,壓力分散型錨索,錨索采用15.2 mm,高強度,低松弛,1860級無粘結鋼絞線;每索由3根組成;錨索長度、自由段及錨固段長度見圖4。

5)排水系統:設置于坡腳、平臺、坡頂、兩側邊坡及進場道路兩側,采用M10漿砌片石砌筑;橫向排水溝溝底坡率3%,縱向排水溝溝底坡率與坡比保持一致,橫縱排水溝交叉處應至少加深排水溝至800 mm,防止上游水體下流時溢出排水溝;溝底采用100 mm,厚3:7灰土鋪底。

4.2 邊坡治理后的穩定性評價分析

對上述設計方案進行邊坡穩定性計算,采用計算軟件為理正巖土軟件,計算剖面簡圖如圖5所示,計算結果表明:在天然狀態下穩定系數為1.375,而在暴雨工況下穩定系數為1.213,兩種工況下邊坡均處于穩定狀態,因此可知該設計方案可滿足邊坡穩定性要求。

5 結束語

本文以山西呂梁某高邊坡為例,通過野外勘察查明其工程地質條件,分析可知邊坡在降雨狀態下容易失穩,并利用Geo-studio軟件中slope/w模塊對該邊坡進行穩定性分析,計算結果表明邊坡在暴雨等不利工況下處于不穩定狀態。根據分析結果結合報邊坡特性及設計要求,提出了削坡+框架梁+錨桿(索)+排水溝的綜合治理方案,最后通過巖土軟件對該方案進行驗算,計算結果顯示能滿足邊坡穩定性要求,同時可為同類型黃土高邊坡的治理設計提供指導和依據。

圖5 治理后剖面計算簡圖Fig.5 Profile calculation sketch after harnessing