武功縣紫鳳頭黃土崩塌災害變形特征及穩(wěn)定性分析

姚 岡，師彩燕，左曉峰

（1.陜西地礦區(qū)研院有限公司，陜西 咸陽 712000；2.中國電建集團西北勘測設計研究院有限公司，陜西 西安 710000；3.中國石油天然氣管道工程有限公司，河北 廊坊 065000）

0 引言

崩塌作為黃土地區(qū)主要地質(zhì)災害，近年來隨著降雨、人類工程活動的影響，黃土崩塌災害頻發(fā)，對人民生命財產(chǎn)造成巨大危害。眾多學者圍繞黃土崩塌災害展開了研究：王念秦等［1]通過離散元數(shù)值模擬軟件探索了黃土崩塌的運動機理，獲取崩塌不同演化階段相關(guān)動量關(guān)系。付東林等［2]對隴東寧縣黃土崩塌統(tǒng)計研究發(fā)現(xiàn)黃土崩塌發(fā)生均與降雨有關(guān)，劉向御［3]總結(jié)大量黃土崩塌災害的工程地質(zhì)條件，發(fā)現(xiàn)巖土體結(jié)構(gòu)組合對黃土崩塌影響較大，并以此對崩塌災害劃分為4 個危險性等級。辛存林等［4]采用野外調(diào)查與室內(nèi)試驗分析總結(jié)了黃土崩塌災害的成因、力學性質(zhì)等。雷祥義等［5]對陜北黃土崩塌的成因以及時空分布類型進行分析，認為黃土斜坡上不當?shù)娜祟惞こ袒顒訉Ρ浪鸀暮τ绊懽畲?，應科學管理以此避免崩塌災害。

本文以紫鳳頭崩塌為例，分析黃土崩塌的變形破壞特征，從定性與定量兩方面分析了該崩塌穩(wěn)定性，并提出應急處置措施。

1 地質(zhì)環(huán)境條件

紫鳳頭崩塌位于武功縣西北部的武功鎮(zhèn)八一村，距離武功縣城15 km，S104 省道、X227 縣道均從附近通過，村道、鄉(xiāng)道縱橫，工程地質(zhì)平面圖見圖1。

圖1 崩塌工程地質(zhì)平面圖

1.1 地形地貌

本項目區(qū)位于黃土臺塬邊斜坡地帶，區(qū)內(nèi)整體地形北高南低，最高點位于項目區(qū)北側(cè)坡頂上部，高程452.19 m，最低點位于南側(cè)坡腳院落，高程434.28 m，最大高差約17.91 m。崩塌體為切坡挖窯形成的高陡邊坡，呈南北走向，西側(cè)為黃土臺塬，東側(cè)河流高階地，東高西低，平均高度約14 m。

1.2 地層巖性

根據(jù)巖土體的時代成因、巖性特征，將項目區(qū)主要地層由新到老劃分為以下4 層：耕土，雜色，松散，主要分布在崩塌頂部，均勻性差，含大量植物根系，厚度約0.6 m～0.8 m；黃土，褐黃色、淡黃色黃土，結(jié)構(gòu)疏松，大孔隙發(fā)育，具濕陷性，有碳酸鹽呈白色斑點及菌絲狀分布，該組厚度約2 m～5 m；古土壤（Q3eol），棕紅色，團粒結(jié)核，結(jié)構(gòu)較致密，硬塑，底部結(jié)核富集，該組厚度1 m～2 m。黃土，黃褐色，土質(zhì)較均勻，結(jié)構(gòu)密實堅硬，分布在邊坡中底部。

1.3 人類工程活動

崩塌體下部人口密集，人類生產(chǎn)活動強烈，對地質(zhì)環(huán)境的破壞活動較大，人類工程活動主要為切坡挖窯、建房、灌溉。挖窯建房在坡體上形成高10 m～15 m 直立陡坡，大面積灌溉破壞了黃土結(jié)構(gòu)，修建窯洞改變了坡體及坡腳的應力狀態(tài)，破壞了坡體的結(jié)構(gòu)和應力平衡。

2 崩塌發(fā)育特征及成因分析

2.1 發(fā)育特征

崩塌體寬約590 m，高10 m～15 m，厚12 m～20 m，體積約9.8×104m3，為一中型傾倒式黃土崩塌。根據(jù)崩塌走向、高差等特征，現(xiàn)將該崩塌分為北段、中段、南段三段（圖1）。崩塌北段寬約100 m，坡頂開闊，部分耕地為水澆地，分布1 處大型落水洞及3 處小型落水洞，直徑0.2 m～3 m 不等。該段坡頂線曲折，植被茂盛，植被覆蓋率達95%以上。坡體高度與中段、南段相比較低，平均高度12 m，土體風化嚴重，柱狀節(jié)理裂隙發(fā)育，危土體林立（圖2），坡體距村民院落較近，屬威脅范圍之內(nèi)，4 戶崩塌體下窯洞仍在使用，其它均已廢棄，坡腳高程由北向南逐漸降低。

圖2 黃土節(jié)理

圖3 小型落水洞

崩塌中段寬約310 m，坡頂同為開闊塬面地勢西高東低，匯水東流，在坡頂形成5 處小型落水洞（圖3），坡面線參差不齊，坡頂南北兩端高差較小，植被茂盛，覆蓋率達90%以上，根劈作用強烈。該段坡體平均高度最高，約15 m，坡面直立，危土體搖搖欲墜，受坡頂大面積灌溉影響，土體含水量較高，坍塌現(xiàn)象最為嚴重，坡腳土體呈扇形堆積，大量水土流失形成3 處較大“U”型沖溝地貌，寬均約20 m 左右。坡腳南、北高，中間低，4戶房屋緊鄰坡體，其余距坡體均大于10 m。

崩塌南段寬約180 m，坡面線較為齊整，北高南低，南邊土路處為崩塌區(qū)坡頂高程最低處，坡頂灌溉規(guī)模較小。該段北邊坡頂分布3 棵百年古樹，為稀有珍貴植物。坡體由南向北逐漸增高，平均高度約13 m，坡面較北、中段最陡，局部近乎直立，危土體問題同樣突出（圖4），時有掉塊現(xiàn)象發(fā)生，該段窯洞均已廢棄，北邊已有2 孔窯洞完全坍塌（圖5）。坡腳地形較為平緩，整體南高北低，高差約1.5 m。

圖4 危土體

圖5 窯洞坍塌

2.2 成因分析

該崩塌體為居民切坡挖窯建房形成高陡人工邊坡，垂直裂隙發(fā)育，坡度較陡，大部分地段坡度近直立，主要受風化構(gòu)造裂隙和重力拉張裂隙控制，坡體匯水沿裂縫進入土體后，加劇了裂隙發(fā)展，降低了土體力學強度，從而使土體逐漸破壞，居民在坡腳切坡挖窯，降低坡體整體向，改變坡體原有應力狀態(tài)，產(chǎn)生崩塌，屬傾倒式崩塌。發(fā)生崩塌的影響因素主要包括地形地貌、地層巖性、人類工程活動。

2.2.1 地形地貌

崩塌位于黃土臺塬邊與河流階地上部交界地帶，西側(cè)為黃土臺塬，東側(cè)為河流高階地，西高東低，人為造成的坡體陡立，平均高差約14 m，前緣臨空，為崩塌的發(fā)生提供了空間條件。

2.2.2 巖性條件

坡體主要巖性為第四系中上更新統(tǒng)黃土。黃土巖性為粉質(zhì)粘土，大孔隙發(fā)育，土質(zhì)疏松，上部具一定濕陷性，工程性質(zhì)差，自然坡體較穩(wěn)定，當受到降水浸潤、侵蝕作用和人類工程活動影響時，土體抗剪強度急劇減弱，易引起坡體失穩(wěn)，形成崩塌。

2.2.3 降雨

邊坡土質(zhì)疏松、強度低、透水性好，水的下滲浸泡沖刷使土體強度大大降低，軟化了節(jié)理、裂隙結(jié)構(gòu)面強度，并在坡體上形成落水洞、沖溝等破壞坡體完整性，從而降低崩塌體穩(wěn)定性。

2.2.4 人類工程活動

人類工程活動為該崩塌形成的主要原因，居民在此切坡形成高陡人工邊坡，為崩塌的形成提供了地形及空間條件；在坡腳挖窯破壞了坡體應力平衡，降低了坡體穩(wěn)定性；在坡頂大面積灌溉，水的下滲浸泡沖刷使土體強度大大降低，軟化了節(jié)理、裂隙結(jié)構(gòu)面強度，并在坡體上形成落水洞、沖溝等破壞坡體完整性，從而降低坡體穩(wěn)定性，促進了外部激發(fā)因素。

3 崩塌體穩(wěn)定性分析

3.1 定性分析

根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查結(jié)果分析，居民切坡建房挖窯形成近直立的高陡臨空面，為崩塌的形成提供了充足的動力基礎和崩落空間。整個坡體主體構(gòu)成為黃土，在自然條件下，黃土體強度較高，直立性較好，垂直節(jié)理難以形成貫通性結(jié)構(gòu)面，土體處于基本穩(wěn)定狀態(tài)；在長期降雨、灌溉等條件下，土體處于飽和狀態(tài)，土體強度顯著降低，垂直節(jié)理迅速擴展形成貫通結(jié)構(gòu)面，高陡邊坡在重力作用下向臨空方向倒塌，形成崩塌失穩(wěn)。坡體下部窯洞部分處于變形發(fā)展階段，一旦窯洞坍塌，將造成坡體大面積崩滑。

經(jīng)綜合分析，該崩塌在自然條件下處于基本穩(wěn)定或欠穩(wěn)定狀態(tài)，坡體可能發(fā)生局部崩滑；在降雨或地震條件下處于欠穩(wěn)定狀態(tài)，坡體可能再次出現(xiàn)大規(guī)模崩滑。

3.2 理論計算

根據(jù)崩塌體發(fā)育特征，通過對崩塌體北、中、南各選取1 條具有代表性剖面Ⅰ-Ⅰ'、Ⅱ-Ⅱ'、Ⅲ-Ⅲ'（圖6～圖8）在三種工況下進行穩(wěn)定性計算，依據(jù)《滑坡防治工程勘查規(guī)范》（GB/T 32864-2016）滑坡穩(wěn)定狀態(tài)劃分表，對該崩塌體進行穩(wěn)定性評價，巖土體物理力學參數(shù)見表1，穩(wěn)定性計算見表2。

本次計算假定破裂面為圓弧形，則穩(wěn)定性系數(shù)Ks有：

式中：Ks為邊坡穩(wěn)定性系數(shù)；Ci為第i計算條塊滑動面上巖土體的粘結(jié)強度標準值，kPa；φi為第i計算條塊滑動面上巖土體的內(nèi)摩擦角標準值，（°）；li為第i計算條塊滑動面長度，m；θi、ai為第i條計算條塊地面傾角和地下水位面傾角，（°）；Qi為第i條計算條塊單位寬度巖土體自重，kN/m；Qbi為第i條計算條塊地標建筑物（外加荷載）的單位寬度自重，kN/m；Pwi為第i條計算條塊單位寬度的總滲透力，kN/m；Ni為第i條計算條塊在滑動面法線上的反力，kN/m；Ni'為地震力垂直于第i條計算條塊滑體在滑動面法線上的分力，kN/m；Ti為第i條計算條塊在滑動面切線上的反力，kN/m；Ti' 為地震力平行于第i條計算條塊滑體在滑動面法線上的分力，kN/m。

圖6 Ⅰ-Ⅰ' 剖面圖

圖7 Ⅱ-Ⅱ' 剖面圖

圖8 Ⅲ-Ⅲ' 剖面圖

表1 巖土體物理力學參數(shù)

表2 原始坡形不同工況下邊坡穩(wěn)定性系數(shù)

綜上，該崩塌在自然條件下處于基本穩(wěn)定或欠穩(wěn)定狀態(tài)，坡體可能發(fā)生局部崩滑；在降雨或地震條件下處于欠穩(wěn)定狀態(tài)，坡體可能再次出現(xiàn)大規(guī)模崩滑，與定性分析結(jié)果一致。

4 處置措施

根據(jù)崩塌發(fā)育特征，結(jié)合威脅對象等因素，建議對坡體進行分級削坡，對坡體下方窯洞進行封堵填埋，增加坡體整體性；在坡腳布設擋墻，對削方坡采用矩形格構(gòu)護坡處理坡面，格構(gòu)內(nèi)種草護坡，在坡頂、平臺內(nèi)部、坡腳布設截排水溝，接入居民區(qū)現(xiàn)有排水系統(tǒng)。

5 結(jié)論

通過對紫鳳頭崩塌工程地質(zhì)條件、變形特征進行詳細闡述，對其形成原因分析基礎上討論該崩塌穩(wěn)定性，得出以下結(jié)論：

（1）黃土崩塌的變形特征為高陡臨空面，降雨形成的落水洞，黃土垂直節(jié)理發(fā)育為貫通結(jié)構(gòu)面。

（2）居民切坡建房挖窯洞形成直立臨空面是造成該崩塌的主要因素，黃土結(jié)構(gòu)疏松、裂隙發(fā)育，在降雨誘導下形成崩塌。

（3）針對崩塌體穩(wěn)定性及破壞特征，提出對黃土崩塌邊坡體削坡、排水相結(jié)合的治理措施。