文冠谷堆積層滑坡特征及防護結構設計

劉 鍇，張 宇，邢仕文，曹小紅，2

(1.新疆工程學院，烏魯木齊 830000； 2.新疆地質災害防治重點實驗室，烏魯木齊 830000)

0 引言

新疆地處亞歐大陸腹地，地質環境復雜，氣候條件多樣，需有效應對新疆地區滑坡災害，建立合理的邊坡防護體系。烏魯木齊市位于亞歐大陸腹地，地處北天山北麓、準噶爾盆地南緣，東經86°46′10″～88°59′48″，北緯42°54′16″～44°58′16″。全市面積13 787.6萬 km2，建區面積339 km2，海拔680～920 m，自然坡度12‰～15‰。楊永清等人針對石料缺乏地區選用一種混凝土拱形截水骨架護坡形式，遵循了因地制宜、經濟合理的原則[1]。張銳等人在施工原理及方法中對加筋麥克墊進行研究，其為一種經濟環保的新型材料，具有較大推廣價值[2]。侯倩在河水與降雨誘發的貓子山滑坡中提出了排水加支護的方法[3]。王衛等人解釋了砂質黏性土吸水飽和后自重增加、抗滑力急劇下降、坡腳剪應力集中等重要特性[4]。

外動力地質作用中，水對斜坡體改造較為突出，經常成為滑坡滑動的主導因素。以新疆工程學院文冠谷北坡堆積層滑坡為實例，基于文獻[5]在該地區滑坡前期的相應研究，查閱相應規范，對灌溉+降雨作用下堆積層滑坡進行防護，以達到增加坡體穩定性、減少施工成本的目的。

水土流失是指由于自然或人為因素的影響，雨水不能就地消納，順勢下流，沖刷土壤，造成水分和土壤同時流失的現象。水是導致邊坡失穩的重要因素，也是危害各類邊坡、公路路基、路面的主要自然因素。暴雨徑流會破壞公路及相關設施，邊坡是為了保證路基穩定，在路基兩側做成的具有一定坡度的坡面。不良地質段多發育于松散崩坡基層和構造發育的軟硬質巖互層路塹高邊坡和滑坡地段，其長期處于蠕變狀態，難以發現和預防，且現有的土質邊坡防護結構可復制性差，不能長期對坡面進行防護，一旦坡面巖土風化剝落，極可能沿坡面滾落，存在安全隱患。邊坡積水的滲透和土體毛細水的上升可導致邊坡濕軟，強度降低，重者會引起邊坡塌方、垮塌，甚至導致整個路基邊坡沿傾斜基底滑動，嚴重影響路基路面安全穩定。現有的邊坡防護結構時常難以與土體協調變形，水土保持效果不好，亟需改進。

1 滑坡特征

文冠谷堆積層滑坡位于新疆烏魯木齊頭屯河區新疆工程學院主校區東側溝谷一帶，地理位置坐標為N43°50′44″ E87°25′17″，高程851 m，屬于新疆維吾爾自治區烏魯木齊市頭屯河區，烏魯木齊市西北部，東鄰新市區，西至昌吉，南靠天山北麓，北與烏魯木齊縣接壤。頭屯河區有旅游景點小綠谷水景公園、大綠谷生態公園等。頭屯河區地勢南高北低，地形平坦，南端海拔高度751 m，北端海拔高度697 m，南北坡度17‰，東西坡度3‰。頭屯河區屬中亞溫帶大陸性干旱氣候，無霜期176 d，最大凍土深度162 cm，年平均降水量236 mm，極端最高溫度42.1℃，極端最低溫度-41.5℃。文冠谷滑坡周邊多為低山丘陵，沖溝發育，侵蝕作用明顯，斷裂構造運動強烈，且地下水受烏魯木齊河和水磨河影響。

滑坡地層由淺黃色礫石砂土組成，礫石均呈角礫狀，磨圓度差，多呈扁平棱角狀，分選性差，大小混雜。滑坡體積約150 m3，屬于小型淺層堆積推移式土質滑坡，形狀呈簸箕狀，向東西向延展，沿溝向西運移150 m，向北沖壞分界圍欄，形成4.6 m高的沖擊堆。滑坡主滑方向302°，傾角約23°，縱長約27.1 m，寬20.3～25 m，坡高約14 m，厚度1.1～3.2 m，整體下滑距離4～5 m，呈“圈椅狀”[5]。

2021年7月2日夜間發生滑坡，結合現場勘查與初步調查，該滑坡由夏季降雨和人工大量澆灌綠化植物所致，由于右岸人工棄碴堆積，原有的溝谷中水被擠向左岸而浸泡坡腳，起到了軟化坡腳的作用，滑坡發生后沖壞了地界圍欄。7月該區域進入雨季，加上夏季干旱連續的人工灌溉易使坡腳迅速積水，坡體自重急劇增加，斜坡裂隙加寬向深發展產生滲透壓力，抗剪強度減弱，從而易導致坡體變形、下滑[1,5]。

通過近3年對該區土體觀察發現，春季融雪過程中大量融雪水出現下滲或成為地表徑流，如果最大下滲能力或最大下滲率不夠大，使所有可利用的水都進入到土壤中，那么就會產生地表徑流。下滲能力由土壤質地和土壤含水量決定。土壤是否凍結也是影響下滲的另一重要因子。凍結作用對土壤結構的影響因子主要有土壤類型、土壤含水率、凍結溫度、凍結速率等，因此土壤結構較差，由于冰晶的擠壓作用，土壤結構會出現聚集現象。如果土壤結構較好，凍結水在土壤塊體中會出現膨脹，從而可以分解土壤結構。凍結影響下滲，在春季氣溫上升后逐漸使斜坡土體在坡腳產生蠕動變形，致使土體強度劣化。土壤中的冰晶會阻礙下滲速率，部分凍土的下滲率受到影響，這是冰晶和土壤結構、土壤溫度共同作用的結果。

根據融雪期有無凍土存在條件下的土壤濕度變化監測，將融雪期分為融雪前期和融雪后期兩個階段。融雪前期有凍土存在的土壤含水量要低于沒有凍土存在的，且土壤含水量也在一個較低水平，這是由于融雪前期氣溫和土層溫度都比較低，融雪過程還沒開始，沒有融雪水下滲到土壤中。融雪后期有凍土的土壤含水量和沒有凍土的土壤含水量數量級別相當，這是因為隨著氣溫回升和土壤溫度不斷升高，凍土開始融化，伴隨著融雪水的產生，融雪水出現下滲。有凍土的土壤含水量要低于沒有凍土的，這是由于受到凍土的影響，土壤中的冰晶阻礙了土壤水分向深層土壤運移，融雪期土壤濕度變化不大。融雪前期有凍土條件下的土壤含水量低于沒有凍土的，融雪后期有無凍土存在條件下的土壤含水量相當。

2 防護結構設計

本設計采用混凝土做拱形截水骨架，并在骨架兩側打入近于垂直坡面的錨桿，使用強度相對高的混凝土封錨。截水骨架中加入加筋麥克墊，在加筋麥克墊和邊坡坡頂植草，同時設置合理的排水溝。離邊坡坡腳2 m處開挖梯形排水溝，將水引流至文冠谷西側(距滑坡中心點約200 m)的蓄水池，灌溉季通過水泵將蓄水池內的水抽調至邊坡植被覆蓋處，適時澆灌邊坡植被，以達到水資源循環利用的目的[4-5]。

2.1 混凝土拱形截水骨架設計

混凝土拱形截水骨架采用C25混凝土澆筑主骨架。主骨架使用“凹”字型結構，主骨架延伸至坡腳總長16 m，主骨架間距8 m，垂直于坡面深60 cm。截水板厚度10 cm，垂直坡面高度10 cm，兩板間距40 cm。

圖1 防護結構側向剖面圖Fig.1 Lateral profile of protection structure

主骨架中部距離坡腳10 m處與15 m處分別打入錨桿，錨桿入土6 m，與坡面銳夾角約10°，深入紅褐色泥巖約3.9 m。其中預設計采用長6.5 m、直徑36 mm、重量7.99 kg/m、牌號為HRB400E的錨桿，使用M25水泥砂漿灌注。錨桿設計抗拔力150 kN。

主骨架上緊接拱形骨架。拱形骨架采用C25混凝土澆筑，使用“L”型結構與主骨架“凹”字型結構組成一體，起到排除邊坡多余水分的作用。截水板厚度10 cm，距離坡頂7 m。拱形設計為半徑為5 m，垂直于坡面深1 m，入土部分寬1 m，并在拱形骨架與主骨架交接處沿拱形骨架鑲入“U”形釘，水平向測距2 m鑲入1個，“U”形釘與骨架連接處為30 cm，入土40 cm。

邊坡坡頂采用M10 漿砌片石鑲邊，并與下部拱形骨架相連。邊坡坡腳使用M10漿砌片石鑲邊，并設計垂直地面深10 cm的高度，方便與排水溝槽相連[1-2]。

2.2 綠色護坡

鋪設加筋麥克墊進行護坡，兩種加筋麥克墊分別長23 m、19 m，鋪設在拱頂和拱腰，加筋麥克墊寬2 m，厚度為0.012 m。加筋麥克墊采用六邊形網格，六邊形縱向長10 cm，橫向寬8 cm，擬采用直徑2.2 mm、外徑3.3 mm的鋁鋅合金加固。

圖2 防護結構平面設計Fig.2 Plane design of protection structure

加筋麥克墊先于混凝土拱形截水骨架鋪設。加筋麥克墊最上端離的1 m拱形骨架中鑲嵌的4根“U”形釘固定，并與拱形骨架入土部分緊密貼合，綠化部分“U”形釘間隔1 m進行梅花形布置。

加筋麥克墊上鋪設5 cm種植土。大范圍種植高羊茅，一排中間隔2 m種植1株馬藺，自坡腳向上4 m設置1排[3-4]。

2.3 綠化用水循壞系統設計方案

為方便順利引流，坡腳2 m處開挖梯形排水溝，坡腳至排水溝之間需鋪設厚10 cm的C25混凝土板。排水溝深60 cm，寬60 cm，梯形坡度60°。排水溝采用M10水泥砂漿磨平，再安裝預制的C30鋼筋混凝土板。

排水溝西側開挖人工蓄水池。因新疆地區降水量較少，蓄水池不大。蓄水池中安裝排水泵，通過地下水管將蓄水池中的水抽調至邊坡處，再通過滴管方式澆灌邊坡植物，對緩解新疆地區用水困難起到了一定的作用。

3 防護結構安全穩定性評價

經實驗得土粒平均密度為1.97 g/cm3，滑坡體量約150 m3。根據砂礫土摩擦系數經驗值和砂礫土黏聚力為0，可用式(1)計算得出。下滑力約為1.107×103N，抗滑力1.36×103N。由此得出，解決滑坡降水軟化坡腳、降水沖刷坡面、增加坡重的問題后，邊坡達到穩定狀態。因為該滑坡滑動面以上約2 m，滑體側壁為黃土，具有濕陷性，使用錨桿進行錨固，既提高了抗滑力也提高了邊坡整體穩定性。

(1)

圖3 邊坡穩定性分析Fig.3 Slope stability analysis

4 結語

針對文冠谷堆積層滑坡，建議采用拱形混凝土截水骨架與加筋麥克墊相結合的方式，有助于提高邊坡的穩定性和抗沖刷能力。通過開挖排水渠，將多余的水分引流至文冠谷西側的蓄水池中，再通過水泵將水抽調至邊坡處，用于邊坡綠化。整個設計充分體現了生態護坡和循環經濟的重要性。