瓊北開挖土坡的穩(wěn)定性評價與防治對策

楊 浩，曹運江，2，黃玉鳳，羅福義，晏和開

(1.湖南科技大學 土木工程學院，湖南 湘潭411201;2.湖南科技大學 煤炭資源清潔利用與礦山環(huán)境保護湖南省重點實驗室，湖南 湘潭411201;3.貴州省黔美基礎(chǔ)工程公司，貴州 貴陽550001;4.云南省143 煤田地質(zhì)勘查隊，云南 昆明655000)

臺風雨常引起洪澇等自然災(zāi)害，其范圍廣、雨量大并伴隨颶風，引發(fā)的地質(zhì)災(zāi)害也常直接威脅著人們的生命財產(chǎn).國內(nèi)學者通過對2005 年臺風“海棠”所引發(fā)的浙江省洞頭縣地質(zhì)災(zāi)害的初步分析，提出臺風高強度降雨是其重要的誘發(fā)因素［1］.在臺風型降雨與地質(zhì)災(zāi)害的相互關(guān)系的研究和探索中，人們逐漸發(fā)現(xiàn)臺風型降雨所誘發(fā)的地質(zhì)災(zāi)害具有“即雨即滑”的特點，多為群發(fā)性地質(zhì)災(zāi)害，災(zāi)害規(guī)模較小，一般為淺層滑坡、崩塌［2］.從臺風所引發(fā)的張溪滑坡災(zāi)害機理的研究得出:其是由于臺風風力加載作用及暴雨的淘蝕、軟化與增重等一系列過程共同作用的結(jié)果［3］.2013 年，Ching-chuan Huang(何鋒)在預(yù)報臺風引發(fā)的泥石流災(zāi)害的研究過程中，通過研究莫拉克臺風證實僅通過雨量閥值來確定一個有效的泥石流預(yù)報系統(tǒng)是不夠的，應(yīng)該對具體的邊坡條件校準使用物理模型，從而增加泥石流預(yù)測的準確性［4］.目前，邊坡穩(wěn)定性的分析方法可以分為確定性分析法和可靠度分析法. 可靠度分析法主要分析影響邊坡穩(wěn)定的不確定因素，常用的可靠度分析法有一次二階矩法(FORM)、蒙特卡羅模擬法(MCS)和響應(yīng)面法(RSM)等;確定性分析法可分為極限分析法、數(shù)值分析法和限平衡法三類.隨著計算機技術(shù)的快速發(fā)展，利用數(shù)值計算方法研究巖(土)體變形破壞機制與基于Matlab 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測滑坡穩(wěn)定性已成為巖(土)體穩(wěn)定性安全評價的重要研究方向［5－12］.近年來，我國內(nèi)陸沿海地區(qū)對臺風地質(zhì)災(zāi)害有較全面的研究，但是對海島山區(qū)臺風所誘發(fā)的地質(zhì)災(zāi)害研究得甚少.為此，筆者結(jié)合瓊北丘陵地區(qū)已被開挖的土坡實例，運用Geo-Slope 穩(wěn)定性計算軟件中的Slope/W 模塊，對該土坡在天然與臺風2 種不同工況下的穩(wěn)定性進行了計算與分析，旨在為瓊北丘陵地區(qū)的土坡開挖和施工支護提供文獻與數(shù)據(jù)的支持，從而使人們能更經(jīng)濟地和科學合理地保護好他們的生命財產(chǎn).

1 工程概況與地質(zhì)環(huán)境條件

1.1 工程概況 研究區(qū)地處海南省北部，屬丘陵地帶，該土坡為階梯狀土質(zhì)斜坡，土質(zhì)松散，植被覆蓋率約為70%，由于居民房建設(shè)場地的整平開挖，坡腳處形成了高約8 m，近于垂直的陡坎.其前緣形態(tài)總體呈彎曲度較小、突向SSW 的弧形結(jié)構(gòu)，沿已建住房后側(cè)分布，長約270 m.土坡平均高差約80 m，土層最大厚度約15 m，坡度從坡體前緣80°至后緣20°;于空間上，在X 軸(長軸)為NWW －SEE 方向、Y 軸(中軸)為NNE－SSW 方向、沿Z 軸(短軸)呈較陡峻的似扁平的橄欖球形狀.在臺風期間，坡面常遇滾石或陡峻地段泥土的小范圍崩滑，直接威脅到坡腳20 戶居民的生命財產(chǎn)安全，地質(zhì)災(zāi)害危害程度為中等.

1.2 地層巖性 據(jù)1∶50 000 的地質(zhì)調(diào)查資料，本區(qū)地層主要為上古生界中石炭統(tǒng)青天峽組(C2q)和下二疊統(tǒng)峨查組(P1e)以及第四系全新統(tǒng)殘坡積層(Qhpal)覆蓋.坡體主要由松散殘坡積層、全風化及強風化層覆蓋，未見其他地層出露.

第四系全新統(tǒng)沖洪積層(Qhpal):分布于研究區(qū)東側(cè)，為沖洪積砂礫石層及紅色亞粘土、含礫砂土及腐殖土.

下二疊統(tǒng)峨查組(P1e):主要出露于研究區(qū)南面及東南面，面積出露比較廣，巖層走向為北東向，厚度＞1343 m，為一套淺海相碎屑巖，巖性主要有千枚巖、板巖、變質(zhì)粉砂巖、變質(zhì)細粉砂巖等.

中石炭統(tǒng)青天峽組(C2q):主要分布于研究區(qū)北部及北西部，出露面積不大，巖層走向為北東向，厚度＞304 m，為一套經(jīng)歷了區(qū)域綠片巖相變質(zhì)作用改造的淺海相陸源碎屑巖，巖性主要有淺灰、灰白色微晶大理巖、黑云角巖、板巖、變質(zhì)粉砂巖、砂巖等.

1.3 地質(zhì)構(gòu)造及地震 區(qū)域構(gòu)造上處于王五－文教大斷裂帶與昌江－瓊海構(gòu)造帶之間的NE 向譚爺斷裂帶內(nèi)，位于紅嶺－軍營背斜的東南側(cè)，由于殘坡積層發(fā)育，地表露頭甚少.

研究區(qū)地震烈度屬VI 度區(qū).

1.4 水文地質(zhì) 研究區(qū)處于東亞大陸季風氣候的南緣，屬熱帶季風性氣候，雨量充沛，雨水主要來源于熱帶季風雨和臺風雨，每年5 ～6 月份為季風雨高峰期，8 ～10 月為臺風雨高峰期，冬、春兩季降雨較少，平均年降雨量為1 652 mm，土坡地表水發(fā)育，在坡體上可見明顯沖溝.

研究區(qū)一帶地下水主要為孔隙水，其發(fā)育、賦存均在殘坡積層內(nèi)，裂隙水主要賦存于構(gòu)造帶中.

2 土坡穩(wěn)定性影響因素分析

此土坡植被以小型果樹、草類植物和低矮、貼地生長的藤類植物為主，對臺風風力的阻擋作用微弱，臺風風速與灌木、草類斜坡相關(guān)性偏低［13］.經(jīng)分析，該土坡穩(wěn)定性主要受巖土體工程地質(zhì)特性、人類工程活動和降雨的影響.

2.1 巖土體工程地質(zhì)特性 土坡表層以第四系殘坡積粉質(zhì)粘土、坡積碎石土為主的覆蓋層組成，粉質(zhì)粘土顆粒細，孔隙度小，滲透性弱，在浸水后其抗剪強度顯著降低，因此，在臺風降雨過程中在地表水下滲等因素的綜合作用下，坡體的抗剪強度指標將明顯弱化，極易在粉質(zhì)粘土層中形成貫通面，引起崩滑.

2.2 人類工程活動 在建筑場地平整和開挖坡腳，會破壞原有坡體的穩(wěn)定性，使前緣形成陡坎，這是該土坡出現(xiàn)潛在地質(zhì)災(zāi)害的根本因素.坡腳的開挖，一方面，改變了斜坡脆弱的平衡條件;另一方面，人為制造了良好的臨空條件，從而加速了土坡變形.

2.3 降雨 該土坡集水面積約0.03 km2.臺風雨與一般降雨不同的根本原因在于其可在短時間內(nèi)集中大量雨水，在此情況下，雨水滲透使土體(帶)軟化、泥化，土體抗剪強度的降低對誘發(fā)土坡崩滑產(chǎn)生起了直接的作用;其次，暴雨可以在短時間內(nèi)于土坡體內(nèi)產(chǎn)生較大的動水壓力，坡體受到的動水壓力對誘發(fā)土坡崩滑起到了間接的作用.因此，臺風雨是該土坡出現(xiàn)崩滑的最主要的誘發(fā)因素.

3 土坡穩(wěn)定性分析與評價

3.1 計算剖面選取及模型建立 根據(jù)研究區(qū)地質(zhì)勘查報告資料，土坡地質(zhì)結(jié)構(gòu)共分為3 層4 個區(qū)域，圖切了6 條剖面作為土坡穩(wěn)定性計算剖面，本文僅選取了其中1 條最具代表性的地層巖性剖面作為研究對象(圖1).

3.2 計算工況及參數(shù)選取 本文主要研究與對比在天然與臺風2 種不同工況下的土坡穩(wěn)定性問題，臺風工況的特點是:1 ～3 d 內(nèi)為短時特大暴雨，其雨量大，時間短，降水主要轉(zhuǎn)化為以地表徑流為主.研究過程中經(jīng)歷了3 種不同類型的臺風工況:臺風工況A，降雨量為177.54 mm·d－1，8 級大風;臺風工況B，降雨量為119.9 mm·d－1，6 級強風;臺風工況C，降雨量為5.6 mm·d－1，6 級強風.臺風雨24 h 內(nèi)，對該土坡勘查取樣，并進行物理力學試驗，同時結(jié)合類似工程的參數(shù)取值，綜合考慮各項因素及其指標，研究區(qū)涉及的各巖土體物理力學參數(shù)取值如表1 所示.

3.3 穩(wěn)定性計算與評價 通過Geo-Slope 中的Slope/W 模塊計算求得土坡在天然工況與3 種不同類型的臺風工況下，M－P(摩根斯坦)、Janbu(簡布)和Bishop(畢肖普)3 種不同算法的最危險滑面的穩(wěn)定性系數(shù)(表2).參照《滑坡防治工程勘查規(guī)范》(DZ/T 0218 －2006)，該土坡在天然工況下的安全系數(shù)均大于1.35，處于穩(wěn)定狀態(tài);在A 與B 2 種臺風工況下其土坡安全性系數(shù)均小于1.05，處于不穩(wěn)定與欠穩(wěn)定間的臨穩(wěn)狀態(tài)，可能隨時產(chǎn)生崩滑;在C 臺風工況下其安全系數(shù)最小值為1.251，處于穩(wěn)定狀態(tài).

圖1 研究區(qū)土坡地質(zhì)剖面圖

表1 土質(zhì)邊坡巖土計算參數(shù)取值表

表2 天然工況與臺風工況下不同算法的最危險滑面的穩(wěn)定性系數(shù)

3.4 計算結(jié)果的分析 在天然工況下，計算得到的安全系數(shù)均較大，滿足規(guī)范要求，這說明土坡失穩(wěn)的可能性很小.A 與B 2 種不同臺風工況下，地表流水的強度高，其快速沖刷坡面前緣臨空面的棱角和孤石基礎(chǔ)，此時由于土體抗剪強度驟降而致使其臨空面崩塌、表層粘土蠕動、坡面石塊松動滾落以及表層滑動，土體被剪切破壞，土體瞬時入滲系數(shù)增大，粉質(zhì)粘土層含水量增加，抗剪強度減弱. 同時，隨著降雨時間的推移，地下水位上升，動水壓力隨之增大，加之早期的前緣崩滑與土表面蠕動，從而引發(fā)粉質(zhì)粘土層位的滑動.從A 與B 2 種不同臺風工況不難發(fā)現(xiàn)，降雨強度與坡體穩(wěn)定成正比.臺風雨24 h 內(nèi)，臺風工況A相對于臺風工況B 其土坡更具發(fā)生崩滑的可能性，推測該土坡有如下的地質(zhì)災(zāi)害活動趨勢:坡面滾石、臨空面崩塌→表層土體飽和→表層蠕動→粉質(zhì)粘土層飽和→粉質(zhì)粘土層滑坡.對比坡體在A 與B 2 種不同臺風工況下，對于最危險潛在滑面的位置與形狀，兩者破壞規(guī)?；局睾?，破壞特征相似，剪出口均最可能位于臨空土體和第四系覆蓋層與下伏全風化巖層的接觸界面處(圖2).

圖2 A 與B2 種不同臺風工況下土坡最危險潛在滑面位置與形狀

臺風工況C 情況下，瞬間雨量大，但總體雨量小.由表1 可知，其巖土物理力學參數(shù)受C 臺風的影響較小，只稍作變化，這表明臺風雨主要轉(zhuǎn)變?yōu)榈乇韽搅?，僅少量入滲土層.對比A，B 與C 3 種不同臺風工況的穩(wěn)定性系數(shù)，不難發(fā)現(xiàn)，誘發(fā)土坡滑動的主要因素是高強度降雨.

綜上所述，依據(jù)邊坡穩(wěn)定性系數(shù)確定，在不采取抗滑措施情況下，研究區(qū)土坡存在誘發(fā)地質(zhì)災(zāi)害的可能性，地質(zhì)災(zāi)害危險性大.天然工況和臺風工況C 情況下，土坡穩(wěn)定性較好.臺風雨24 h 內(nèi)，在A 與B2 種不同臺風暴雨的情況下，均可能滑動.相比臺風工況B，臺風工況A 更容易滑動，建議及時治理.

4 防治對策

根據(jù)土坡的天然特征、土體結(jié)構(gòu)及其他影響因素，結(jié)合Geo-Slope 模擬穩(wěn)定性的計算結(jié)果，從技術(shù)可行性、經(jīng)濟合理性和適用性以及安全保障等因素進行綜合考慮，對該土坡的治理工程方案提出如下建議:

4.1 限制人類工程活動、提高居民的地質(zhì)災(zāi)害安全意識 人為開挖坡腳是土坡失穩(wěn)的根本原因，因此，限制土坡周圍居民的工程活動是當務(wù)之急.此外，應(yīng)增強當?shù)鼐用竦牡刭|(zhì)災(zāi)害安全意識，增強當?shù)鼐用駥Φ刭|(zhì)災(zāi)害的應(yīng)急逃生能力，在未完成治理工程前，逢臺風暴雨天氣，土坡下方的居民應(yīng)采取緊急疏散和回避的措施.

4.2 反壓坡腳 為防止前緣局部垮塌而引起后緣滑坡，應(yīng)根據(jù)臨空面的不同，在坡腳設(shè)置相應(yīng)的重力式擋土墻，擋土墻與土體架空部位應(yīng)充填碎石土，給予坡腳加載;同時，要充分排水，以保護坡腳，增加坡體的抗滑性能.

4.3 修筑截、排水溝和設(shè)置防護網(wǎng) 臺風雨表現(xiàn)為短時內(nèi)特大暴雨，降水主要以地表徑流為主，所以地表排水設(shè)施應(yīng)依據(jù)以往強臺風的最大降雨量與坡面匯水面積計算相應(yīng)尺寸.另外，坡腳擋土墻上應(yīng)設(shè)置被動柔性防護網(wǎng)，防止雨水沖刷而引起坡面的巖石滾落，引發(fā)次生災(zāi)害.

4.4 植被綠化 植被綠化應(yīng)以低矮灌木類和草類為主，以有效地穩(wěn)固土體、減緩地表水入滲地下的速度;同時，要減少植被的迎風面積，以便降低臺風期颶風對土坡的下推力與風振作用.

5 結(jié) 語

土坡穩(wěn)定性問題是地質(zhì)工程領(lǐng)域常見的問題，本文所探討的是由于人類工程活動開挖坡腳后，遭受臺風工況下的土坡失穩(wěn)問題，能給研究區(qū)坡體開挖、施工支護提供有力的數(shù)據(jù)支撐. 本文通過采用Geo-Slope 軟件中Slope/W 模塊對其進行了穩(wěn)定性評價，獲得如下的結(jié)論:

(1)土坡在天然工況與臺風工況下C 種穩(wěn)定性良好.臺風雨24 h 內(nèi)，在A 與B 2 種不同臺風工況下，其穩(wěn)定性系數(shù)均小于1.05，坡體均處于臨穩(wěn)狀態(tài)，誘發(fā)土坡滑動的最主要因素是高強度降雨，其中，最危險的潛在滑面為第四系覆蓋層與下伏全風化巖層的接觸界面.

(2)推測該土坡地質(zhì)災(zāi)害的活動趨勢為:坡面滾石、臨空面崩塌→表層土體飽和→表層蠕動→粉質(zhì)粘土層飽和→粉質(zhì)粘土層滑坡.此土質(zhì)邊坡的穩(wěn)定性差，地質(zhì)災(zāi)害危險性大，建議及時采取防治措施.未完成治理工程前，逢臺風暴雨天氣，土坡下方居民應(yīng)緊急疏散和回避.

(3)采用Geo-Slope 軟件對該區(qū)域進行土質(zhì)邊坡穩(wěn)定性的評價，具有合理性，可在類似地區(qū)推廣應(yīng)用.

本文僅研究和對比不同臺風工況、天然工況以及臺風雨24 h 內(nèi)土坡穩(wěn)定性的變化特征，建議在后續(xù)研究中考慮增加地震工況與臺風雨24 h 后土坡穩(wěn)定性的變化特征.

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