某高速公路水毀黃土邊坡分析及治理

文/朱經(jīng)亮、燕軻

1 工程概況

濟(jì)洛高速公路K28+550—K28+950 路塹邊坡為兩側(cè)開挖，中心最大開挖深度為33.51m，最大開挖高度約40.08m，設(shè)計(jì)路基標(biāo)高約345m。該邊坡為永久性土質(zhì)邊坡，其安全等級為一級。邊坡設(shè)計(jì)為多級開挖，邊坡坡率為1∶0.3～1∶0.5，平臺寬度為4m，坡腳為護(hù)面墻防護(hù)，墻面設(shè)置有排水孔，坡面未進(jìn)行防護(hù)處理[1]。

由于夏季降雨較為集中，雨水無法及時(shí)排導(dǎo)，形成入滲及沖刷，造成坡腳軟化，引起邊坡失穩(wěn)，導(dǎo)致該段左右兩側(cè)1～3 級邊坡局部滑塌，影響高速公路的正常運(yùn)營，并對陳家寨天橋橋梁樁基安全產(chǎn)生威脅。

2 工程的地質(zhì)條件

2.1 地形地貌

本段邊坡地處黃土塬地貌，屬黃土準(zhǔn)平原工程地質(zhì)區(qū)。邊坡建設(shè)主要位于農(nóng)田中，農(nóng)作物以小麥為主。地勢總體上比較平坦，局部稍有起伏，黃土陡坎坡度70～90o，地面標(biāo)高介于360～380m 之間，相對高差約20m。場地周邊構(gòu)筑物為濟(jì)洛高速及K28+723處設(shè)置的4×30m 跨線天橋。

2.2 氣象水文

項(xiàng)目所在區(qū)域?qū)儆谂瘻貛Т箨懶约撅L(fēng)氣候區(qū)。孟津縣年平均氣溫13.7℃，1月最冷，平均為-0.5℃，7月最熱，平均為26.2℃，平均降水量為650.2mm。全年平均日照時(shí)數(shù)為2270.1h，6月日照時(shí)數(shù)最長，為247.6h；2月日照時(shí)數(shù)最短，為147.5h。全年平均日照率為51%；在作物生長的4—10月，5月日溫差最大，為12.7℃，8月日溫差最小，為8.6℃，積溫平均為5046.4℃；年平均無霜期為235 天；年平均降水量為650.2mm，保證率80%的降水量為600mm。最高年降水量1035.4mm，最低年降水量406mm，7月降水最多，平均為164.1mm，1月降水量較少，僅6.9mm。

項(xiàng)目區(qū)位于黃河流域，主要河流為黃河、瀍河及其他匯水溝河。

2.3 區(qū)域地質(zhì)的構(gòu)造及地震

區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造，場區(qū)內(nèi)無全新世活動性斷裂帶通過。

地震，本項(xiàng)目所在區(qū)域位于華北地震帶太行山前大斷裂地震帶的末端。歷史上該地區(qū)曾多次發(fā)生過里氏5 級以上的地震，但均震級較小，頻度較低，無強(qiáng)震發(fā)生。

根據(jù)國家現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)《中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖》(GB 18306—2015)，項(xiàng)目區(qū)地震動峰值加速度為0.10g、地震動反應(yīng)譜特征周期為0.35s，抗震設(shè)防烈度為7 度。

2.4 地層巖性

項(xiàng)目區(qū)屬黃土塬工程地質(zhì)區(qū)（Ⅲ區(qū)）。結(jié)合勘察成果、邊坡施工過程及現(xiàn)狀，揭示地層上部為1-1 層黃土狀粉土，灰白色為主，見針狀孔隙，柱狀節(jié)理發(fā)育；其下為3-1 層以離石黃土為主，主要為黏性土夾砂礓，灰黃色、紅褐色，硬塑為主，土質(zhì)不均，砂礓粒徑不等，且含量由上往下逐漸減少，在4 級邊坡發(fā)育富集層，厚度一般5～20cm；既有路基下部7m 左右為中風(fēng)化礫巖。根據(jù)試驗(yàn)成果，場區(qū)土層自由膨脹率小于40%，塑性指數(shù)小于15，屬非膨脹性土[2]。

2.5 水文地質(zhì)條件

地表水，臨近邊坡無地表水分布。

地下水，項(xiàng)目區(qū)地下水類型主要為碎屑巖類孔隙裂隙水和松散巖類孔隙水。

碎屑巖類孔隙裂隙水，主要分布黃河以北地區(qū)的三疊系和二疊系地層中，主要巖性為砂巖，裂隙發(fā)育一般，富水性較弱，地下水徑流模數(shù)為5～10m3/km2，泉流量小于5m3/h，地下水位埋深約30～60m。

松散巖類孔隙水，主要分布于黃河以南黃土臺塬區(qū)，以及黃河以北的黃土覆蓋低山丘陵區(qū)，含水層即為黃土層，富水性差，單井涌水量小于5m3/h。山前邊緣地帶地下水位埋深10～45m，向平原的中部和東部逐漸變淺。經(jīng)調(diào)查走訪，該區(qū)域沿線受引黃濟(jì)洛工程影響，地下水位已降至150～200m 以深。水化學(xué)類型為HCO3-Ca 型及HCO3-Ca·Mg 型水，礦化度大多小于1g/L。地下水主要補(bǔ)給來源為大氣降水，由西北向東南徑流，以徑流排泄、蒸發(fā)排泄和開采排泄為主。

3 水毀特征及成因分析

3.1 水毀特征

水毀滑塌邊坡兩側(cè)相似，均呈扁平的扇形，周界清晰，高6～10m，最大橫向?qū)挾?0m，滑面深3～5m，總體積約1600m3。主滑方向左側(cè)約200o，與濟(jì)洛高速K28+550—K28+950 段路線垂直，右側(cè)與左側(cè)正對。前緣伸入路基邊緣，造成邊側(cè)排水溝基底隆起；后緣與既有邊坡脫離，形成近陡立后壁。橋梁樁基因前期采取了抗滑措施，周圍土體無異常。

醫(yī)療行業(yè)是一個(gè)知識密集型、技術(shù)密集型的行業(yè)，醫(yī)院為發(fā)展其自身的核心競爭力，必須不斷開展醫(yī)療活動相關(guān)的各類科研創(chuàng)新活動?？蒲谢顒訉儆谥R密集型的創(chuàng)新活動，相互間差異性較大，存在著很大的不確定性，管理上有一定難度。隨著科研項(xiàng)目數(shù)量與金額的快速增長，對醫(yī)院科研項(xiàng)目經(jīng)費(fèi)管理提出了更高的要求。且由于科研經(jīng)費(fèi)來源不一，相關(guān)的管理制度不同，更增強(qiáng)了科研經(jīng)費(fèi)管理的復(fù)雜性；因此，若科研經(jīng)費(fèi)管理不當(dāng)，會引起使用浪費(fèi)和資產(chǎn)流失，嚴(yán)重的會影響醫(yī)院目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)和順利的發(fā)展。故科研經(jīng)費(fèi)的支出是需要醫(yī)院實(shí)施內(nèi)部控制的一個(gè)重要對象。

3.2 水毀滑塌體結(jié)構(gòu)

滑塌體結(jié)構(gòu)，滑塌體位于K28+710—K28+740 處，主要為Q2紅褐色、灰黃色硬可塑狀黏性土質(zhì)離石黃土。因勘察期間連續(xù)多日無降水，含水率小于17%，總體呈稍濕狀態(tài)。

滑動面特征，滑動面主要位于Q2離石黃土層中，上部呈折線狀，傾角約60～80o，下部呈圓弧狀，厚度為0.05～0.10m，滑動帶土不明顯，但可見擦痕。滑塌體主軸剖面圖如圖1 所示。

圖1 滑塌體主軸剖面圖

滑床結(jié)構(gòu)，滑床主要為Q2離石黃土層。

3.3 水毀滑塌成因

3.3.1 水文地質(zhì)成因

因砂礓在黏土層中分布不均，粒徑大小及含量均無規(guī)律性，呈局部富集狀態(tài)，且含量相對較小，在以往工程實(shí)踐中，一般按照均質(zhì)黏土處理。根據(jù)常規(guī)室內(nèi)滲透試驗(yàn)成果顯示，均質(zhì)黏土一般呈微透水性或弱透水性，故在工程實(shí)踐中，往往被認(rèn)為是相對隔水層。而夾砂礓的非均質(zhì)黏土層，受砂礓粒徑、含量的影響，性質(zhì)發(fā)生一定的改變，特別是其富水性和透水性，較均質(zhì)黏土存在較大的差異。

根據(jù)物探成果，左右邊坡測線成果淺部均見有低阻區(qū)，推測淺部含水層，水量補(bǔ)給以降雨為主。除測線L14 深部見有一處低阻異常（見圖2），其他測線深部均未見明顯低阻異常，推測水向深部滲透難度較大。下部局部高阻推測為砂礓不均，局部砂礓較為集中。

圖2 測線L14 反磁通瞬變電磁反演等值線成果圖

根據(jù)現(xiàn)場走訪調(diào)查，臨近項(xiàng)目場地村民的自用取水井均需穿透上覆土層，采取下部基巖裂隙水。

綜合調(diào)查、物探、施工過程異常情況分析可知：該處地下水主要補(bǔ)給源為大氣降水，降水后部分雨水沿節(jié)理及孔隙下滲，在下部遇相對隔水層礫巖（仍具滲透性，但相對較小），暫富含于黏性土夾砂礓層中，形成臨時(shí)上層滯水。該層水在邊坡開挖形成水力梯度后造成一定水壓力，導(dǎo)致向邊坡及坡底排出（見圖3）。

圖3 滲水示意圖

3.3.2 土體內(nèi)在成因

邊坡地層以離石黃土為主，具有多孔性、垂直節(jié)理發(fā)育、鈣質(zhì)結(jié)合含量高等特點(diǎn)，該處周邊無地表水分布，地下水埋深較大，常年入滲量較小，長期的環(huán)境因素使得坡體土層內(nèi)部相互作用力處于相對平衡狀態(tài)。

設(shè)計(jì)采用陡坡率方案，且采用了防排水措施，但夏季持續(xù)的降雨不及時(shí)排導(dǎo)，沿黃土孔隙及垂直節(jié)理下滲，使得其在坡腳處基巖上方匯集，形成飽水體，打破土層內(nèi)部作用力的平衡，即“軟化”，從而導(dǎo)致土體強(qiáng)度下降。坡腳的失穩(wěn)，進(jìn)而使得上部邊坡基礎(chǔ)持力不足，導(dǎo)致滑塌。

3.4 水毀滑塌類型及規(guī)模

按《公路滑坡防治設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG/T 3334—2018）中對滑坡的劃分規(guī)定[3]：該滑坡體是由于降雨入滲使得坡腳土體軟化，造成基礎(chǔ)強(qiáng)度降低，坡體自重產(chǎn)生失穩(wěn)，屬推移式滑坡；總體積約1600m3，屬小型滑坡；滑坡面埋深3～5m，屬淺層滑坡；土體為具非膨脹性的離石黃土，屬黃土滑坡。

綜上所述，該滑坡屬推移式小型淺層黃土滑坡。

4 穩(wěn)定性分析

4.1 工況及計(jì)算方法選擇

根據(jù)《公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D30—2015），分別從天然、暴雨或持續(xù)降雨、地震等工況對滑坡穩(wěn)定性進(jìn)行驗(yàn)算，計(jì)算方法選擇不平衡推力法。

4.2 參數(shù)選取

由于該滑坡為工程滑坡，滑體為黃土，根據(jù)現(xiàn)狀調(diào)查情況，滑坡參數(shù)反算時(shí)，選取穩(wěn)定系數(shù)K=1.15。本次滑坡穩(wěn)定性分析所選取的滑帶土力學(xué)參數(shù)主要通過室內(nèi)試驗(yàn)成果、滑坡反算及地區(qū)經(jīng)驗(yàn)來綜合取值。滑帶土力學(xué)參數(shù)選取見表1。

表1 滑帶土力學(xué)參數(shù)選取表

4.3 滑坡穩(wěn)定性驗(yàn)算

選擇不平衡推力法（傳遞系數(shù)），分別在天然（工況Ⅰ）、暴雨或持續(xù)降雨（工況Ⅱ）、地震（工況Ⅲ）下，進(jìn)行滑坡穩(wěn)定性驗(yàn)算。

根據(jù)《公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D30—2015），計(jì)算公式

式（1）中：Qi——第i 土條重力；

αi、αi-1——第i、i - 1 土條底滑動面的傾角；

Ei-1——第i - 1 土條傳遞給第i 土條的下滑力；

Li——第i 滑塊滑面長度；

ψi-1——傳遞系數(shù)。

根據(jù)上述公式，滑坡穩(wěn)定性分析參數(shù)選取見表2、表3，剩余下滑力計(jì)算結(jié)果見表4。

表2 穩(wěn)定性分析參數(shù)選取表

表3 穩(wěn)定性分析參數(shù)選取表

表4 剩余下滑力計(jì)算結(jié)果表

4.4 穩(wěn)定性分析

通過滑坡穩(wěn)定性驗(yàn)算，場區(qū)邊坡在開挖之后，天然及地震工況下都處于欠穩(wěn)定狀態(tài)，暴雨工況下處于不穩(wěn)定狀態(tài)。

既有路基位于水毀滑坡前緣，對公路運(yùn)營安全影響較大，應(yīng)采取必要的防護(hù)處置措施。

5 水毀邊坡治理設(shè)計(jì)

基于上述分析，針對異常降雨導(dǎo)致的水毀邊坡，建議采用如下方案：

清除滑塌體，一級邊坡采用擋墻支擋，二、三級邊坡坡率放緩至1∶1，四級以上放緩至1∶0.75，提高坡體自然穩(wěn)定性。坡面結(jié)合平臺采取截水、防水措施，防止地表水進(jìn)一步由淺部入滲至深部。結(jié)合水力坡度，在其影響范圍內(nèi)的潛在滑動面附近，布設(shè)排水孔，以降低地下水對土體的軟化。坡腳設(shè)置擋墻，增強(qiáng)坡腳反壓效果，同時(shí)在擋墻處結(jié)合邊坡設(shè)置排水孔，防止地下水富集。對邊坡及陳家寨天橋樁基進(jìn)行監(jiān)測。

6 結(jié)語

濟(jì)洛高速K28+550—K28+950 段邊坡產(chǎn)生水毀滑塌的主要原因：場地分布離石黃土層，在遭遇持續(xù)降雨時(shí)，雨水入滲至坡腳處富集，該處土體強(qiáng)度降低，導(dǎo)致邊坡失穩(wěn)。針對邊坡水毀特征，對邊坡放緩坡率，采用截排水等措施，減少降水入滲對土體強(qiáng)度的影響，可保證邊坡的穩(wěn)定性。經(jīng)處置后的水毀邊坡設(shè)置監(jiān)測措施，以確保公路運(yùn)營的安全。