淺談黃土高邊坡變形破壞特征

徐永建 牛彥平 胡少雷

摘? 要：近年來，黃土高邊坡的變形和破壞給黃土地區(qū)的人們的生命和財(cái)產(chǎn)造成了巨大損失。筆者對(duì)黃土高邊坡變形破壞的基本形式及其機(jī)理進(jìn)行了分析，指出黃土高邊坡變形破壞模式主要有滑塌、滑坡的破壞模式;崩塌破壞模式和坡面破壞模式等3種。結(jié)合實(shí)際案例為黃土地區(qū)的工程實(shí)踐提供了具體的參考，以避免不必要的人員生命財(cái)產(chǎn)損失。

關(guān)鍵詞：黃土高邊坡;變形破壞;類型和特征

中圖分類號(hào)： P642? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

1 案例概述

該文以我國某工程斜坡為例，該斜坡的南端及北端以黃石量為基礎(chǔ)界限，黃石梁的寬度為140 m，低峰與高峰之間的高差大約為150 m，山峰的坡度為40°，黃石梁剖面坡面長大約為260 m。該斜坡的上部土壤含量較高，部分區(qū)域被一些樹樁木樁及野草覆蓋，形狀大約為倒立的梯形。沿著斜坡的上部，分布了3個(gè)主要的裂縫，并形成了陡峭的山脊。最大位移高度的差為l m。

2 黃土高邊坡變形破壞類型

黃高邊坡的變形破壞可以分為坡面破壞和坡體破壞。邊坡面破壞是邊坡自身的穩(wěn)定，但是由于各種外部地質(zhì)力的作用，邊坡的表面長時(shí)間暴露在自然環(huán)境中，使邊坡土體不穩(wěn)定，包括邊坡侵蝕、剝落和塌陷。發(fā)生邊坡體破壞是因?yàn)檫吰卤旧淼姆€(wěn)定性不能滿足要求。隨著時(shí)間的流逝，邊坡開始變形并變得不穩(wěn)定，例如塌陷、滑移和滑坡等（如圖1所示）。

2.1 坡度侵蝕

坡面侵蝕是指降雨形成的坡面水流在自身重量的影響下向下流動(dòng)的現(xiàn)象，向下的流速越大，表層土壤被沖刷掉的程度就越大。斜坡上的溝渠或洞穴的形成是斜坡和切坡的一種常見形式，侵蝕主要由斜坡率控制，直接影響流量和捕獲面積。斜率越大，流量越大，匯合處的厚度越大，沖刷能力越強(qiáng)。在黃土高邊坡梯度設(shè)計(jì)中，通常最好將斜率控制在1∶0.4～1∶0.75。

2.2 剝落

剝落通常發(fā)生在斜坡的中間到斜坡的腳下。其特點(diǎn)是：與在陰影的坡度上散射相比，在向陽的坡度上散裂更為嚴(yán)重。坡度變化部分的剝落比其他部分嚴(yán)重。高鹽或高黏土含量的土壤體易碎，其產(chǎn)生機(jī)理為：黃土高邊坡坡度高。在開挖過程中，一定范圍內(nèi)的土壤會(huì)受到干擾，破壞土壤的完整性。另外，缺乏及時(shí)的保護(hù)會(huì)蒸發(fā)地表水并形成硬皮。由于不受侵蝕，晝夜溫差等因素，在風(fēng)和水的影響下逐漸分離，并沿著斜坡剝落并在斜坡上堆積。

2.3 濕陷變形

當(dāng)土壤潮濕時(shí)，由于黃土具有濕陷性，在一定壓力下會(huì)塌陷，因此山坡上會(huì)形成一些洞穴，甚至發(fā)生整體下沉并破壞受損表面的完整性。

2.4 崩塌

塌陷，也稱為崩塌，塌陷或滑坡，是指陡坡的巖石和土壤表面，從陡坡分為陡峭的結(jié)構(gòu)平面集，在重力和其他外力的作用下，陡峭的斜坡突然從基體上掉落并迅速下降，主要是垂直下降。崩塌的特征是沒有前兆。其產(chǎn)生機(jī)理：陡峭的斜坡和具有良好臨面的斜坡，斜坡附近的微裂紋在非侵蝕或以后的重建過程中逐漸擴(kuò)展到深度，同時(shí)被結(jié)構(gòu)面切割的土壤在自重、侵蝕或人為活動(dòng)中，其坡面穩(wěn)定性會(huì)降低，從而導(dǎo)致坍塌情況發(fā)生，主要發(fā)生了3種情況。1）沿接縫表面或交叉接縫塌陷。2）反向坡的形成導(dǎo)致坍塌。3）因黃土洞穴塌陷。

2.5 黃土滑坡

黃土滑坡是在厚層黃土高邊坡地段土體在重力作用下沿軟弱面整體下滑的現(xiàn)象。 在自重作用下，傾斜體沿薄弱的結(jié)構(gòu)平面滑動(dòng)，使斜坡不穩(wěn)定。其滑動(dòng)面是三段折的圈椅形，即上陡下緩中間為圓弧形。在自重作用下，傾斜體沿薄弱的結(jié)構(gòu)平面滑動(dòng)，使斜坡不穩(wěn)定。其滑動(dòng)面是三段折的圈椅形，即上陡下緩中間為圓弧形。

3 邊坡變形破壞的影響因素

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)勘察和勘探數(shù)據(jù)，對(duì)引起邊坡變形的因素的分析主要有以下3個(gè)方面。

3.1 土壤質(zhì)量的特征和結(jié)構(gòu)

土壤的性質(zhì)和結(jié)構(gòu)是導(dǎo)致邊坡變形的內(nèi)部因素。斜坡的原始地形是由人工開挖和填埋形成的黃土峁，經(jīng)過人工施工形成了當(dāng)前的基礎(chǔ)，從而發(fā)生由于不均勻的沉降而破裂的情況; 填土分布在填充物的底部，是一種中等至高度壓縮的土壤，具有較大的塌陷性，土壤強(qiáng)度比填充層的土壤強(qiáng)度要好，但是在填充前未對(duì)原始表面進(jìn)行調(diào)整。在強(qiáng)度不同的原始沉積黃土和填充土之間形成界面，并且坡度很容易沿該邊界滑動(dòng)。

3.2 天氣，水

外界環(huán)境也是引起邊坡發(fā)生破壞及變形的主要影響因素，例如天氣，降水，氣候等。外界環(huán)境變化也會(huì)較大程度上影響邊坡的穩(wěn)定性[2]。據(jù)相關(guān)統(tǒng)計(jì)，該地區(qū)的年平均降水量為440 ram，Id最大降水量甚至可以達(dá)到210 mm，最大降水量可達(dá)到48.4 ram。該地區(qū)的年平均降水量并不高，但大部分以集中降水的形式出現(xiàn)。降雨不僅腐蝕了斜坡，而且將其從斜坡排到了溝渠的底部，使溝渠的表面徑流受到侵蝕。底部斜坡的腳使溝渠底部的傾斜主體失去穩(wěn)定性，從而導(dǎo)致塌陷（滑移）并拉低上部土壤主體，使整個(gè)斜坡不穩(wěn)定。底部的大部分生活用水和生產(chǎn)用水都是用PVC管排放的，PVC管破裂后，生產(chǎn)水滲入斜坡，軟化土壤，降低土壤的抗剪強(qiáng)度并嚴(yán)重侵蝕斜坡，導(dǎo)致臨空表面生長，從而為邊坡變形和破壞創(chuàng)造了條件。

3.3 地形地貌條件

當(dāng)?shù)貐^(qū)域內(nèi)的地形地貌條件也是影響邊坡發(fā)生變形及破壞的另一個(gè)重要的影響因素。該工程地區(qū)屬于黃土豎谷區(qū)，該地區(qū)的風(fēng)力給水汽沖擊能力較強(qiáng)，石窟與黃土梁分布較為廣泛。位于該地區(qū)的峽谷大多數(shù)呈現(xiàn)出V字形，頂部寬，下部窄，坡度大。相對(duì)高度差為150 m，斜坡的最大坡度甚至可達(dá)到50°?；诖耍摰貐^(qū)發(fā)生斜坡變形及破壞的幾率將大大提高。

3.4 人工不合理堆載

由于建筑材料和建筑垃圾的不適當(dāng)堆積，基礎(chǔ)的建設(shè)加快了上坡的不均勻沉降，并且滑動(dòng)強(qiáng)度增加，在邊緣和斜坡附近引起裂縫。

3.5 植被覆蓋率

該地區(qū)沒有自然植被，主要是人工種植的枸杞灌木和中國松樹，而舊斜坡上的灌木較少。主要為多刺的刺，狼牙刺單株分布。在雨季，雨水很容易滲入斜坡，軟化斜坡上的土壤，降低土壤的機(jī)械性能，為斜坡的變形和破壞創(chuàng)造一定條件。

4 邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

4.1 基于工程地質(zhì)分析的定性評(píng)價(jià)

在斜坡的上平臺(tái)上，沿斜坡分布了3個(gè)主要裂縫，這些裂縫切斷了基礎(chǔ)變壓器的陡坡和砌體斜坡保護(hù)，形成了陡峭的山脊，最大位移高度差為1 m。深度約為2 m～5 m，寬度為3 cm～20 cm，坡度較松。填土斜坡的局部斜坡上也出現(xiàn)了裂縫，并且通過下部山梁的裂縫，斜坡上的樹樁發(fā)生了傾斜。在雨季，地面可能會(huì)開裂并引起地表水滲透，如果斜坡上的土壤浸沒在水中，結(jié)構(gòu)會(huì)被破壞，抗剪切強(qiáng)度會(huì)降低，從而使斜坡不穩(wěn)定。斜坡的中心是舊的斜坡體，斜坡上有溝壑，殘留的梁，陡峭的山脊，下陷和水蝕或舊的滑坡體形成的裂縫。隨著新的塌陷（滑移）發(fā)生在斜坡下方，其趨于發(fā)展為不穩(wěn)定。斜坡的下部是雪崩塌陷群，后緣有裂縫，雪崩塌陷中有一條縫隙，侵蝕脊，雪崩塌陷體的前腳被侵蝕而形成山脊。由于人為排放物的侵蝕，峽谷在斜坡上形成了約2 m～4 m的深度，并且峽谷的末端靠近斜坡。由于陡峭的斜坡和斜坡上的嚴(yán)重侵蝕，在斜坡上出現(xiàn)了許多陡峭的裂縫。因?yàn)樵谛逼律系幕瑒?dòng)和進(jìn)一步擴(kuò)展會(huì)產(chǎn)生較大的臨空表面，從而為巖石和土壤在滑坡的后端再次滑動(dòng)創(chuàng)造了有利條件。根據(jù)以上分析，斜率通常是不穩(wěn)定的。

4.2 基于數(shù)值分析的定量評(píng)估

4.2.1 計(jì)算方法

邊坡穩(wěn)定性計(jì)算的目的是確定邊坡的穩(wěn)定性，并為處理邊坡提供基礎(chǔ)。計(jì)算方法主要有極限平衡法、有限元法和概率法等計(jì)算方法，在極限平衡法中，采用圓弧滑動(dòng)法將滑坡分為幾塊，并將每一塊視為一個(gè)剛體。假設(shè)其處于邊際平衡，建立一個(gè)平衡方程進(jìn)行計(jì)算，如圖2所示。

4.2.2 計(jì)算參數(shù)

根據(jù)測(cè)試結(jié)果分析和調(diào)整坡土層參數(shù)的選擇。

4.2.3 計(jì)算結(jié)果和穩(wěn)定性分析

在計(jì)算邊坡穩(wěn)定效果時(shí)，要考慮到水分及孔隙度的影響，因?yàn)樗謱?duì)邊坡的穩(wěn)定性影響較大，因此水分對(duì)于邊坡的穩(wěn)定性也是一個(gè)很大的影響因素。在計(jì)算時(shí)，通常采用預(yù)應(yīng)力的計(jì)算方法。考慮地面振動(dòng)的影響，通常情況下以山坡的坡角為坐標(biāo)原點(diǎn)，以山頂為坐標(biāo)終點(diǎn)。通過調(diào)查得知，該工程區(qū)域的山坡存在較為危險(xiǎn)的滑面，穩(wěn)定性較差。

5 結(jié)論

黃土邊坡災(zāi)害是我國北部地區(qū)最常見的地質(zhì)災(zāi)害，根據(jù)地形和地質(zhì)條件，有必要對(duì)各種類型的邊坡災(zāi)害的成因，影響因素和形成機(jī)理進(jìn)行分析和研究?；旧?，將工程地質(zhì)分析和數(shù)值分析相結(jié)合，可以準(zhǔn)確地分析和評(píng)估穩(wěn)定性，從而為邊坡支護(hù)設(shè)計(jì)奠定基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)

[1]頡麗.關(guān)山泵站壓實(shí)黃土邊坡變形破壞特征及穩(wěn)定性分析[D].蘭州：蘭州大學(xué)，2015.

[2]劉曉玲.準(zhǔn)備車間—中煤倉黃土邊坡變形破壞機(jī)制與穩(wěn)定研究[D].西安：西安科技大學(xué)，2014.