辛置鎮(zhèn)黃土邊坡變形破壞及其影響因素分析

武躍躍，李小明

(華北科技學(xué)院 安全工程學(xué)院，北京 東燕郊 065201)

0 引言

辛置鎮(zhèn)位于霍州市南端，全鎮(zhèn)面積53.9平方公里。區(qū)內(nèi)地形地貌復(fù)雜，多為黃土梁峁。地層巖性，降雨等因素為邊坡的變形破壞提供了孕育環(huán)境；再加上建房、道路修建等人類活動(dòng)，進(jìn)一步加劇了邊坡的不穩(wěn)定性，導(dǎo)致黃土邊坡變形破壞愈發(fā)嚴(yán)重，威脅該地區(qū)人民生命財(cái)產(chǎn)安全及地區(qū)建設(shè)發(fā)展，因此對(duì)黃土邊坡變形破壞的類型等的研究十分必要。但目前對(duì)該黃土地區(qū)邊坡變形破壞的研究很少，少數(shù)學(xué)者對(duì)該地區(qū)黃土地質(zhì)災(zāi)害進(jìn)行了研究，對(duì)部分災(zāi)害特性、成因進(jìn)行論述，開展了黃土地質(zhì)災(zāi)害的初步調(diào)查，但并未對(duì)該區(qū)黃土邊坡破壞類型及成因做進(jìn)一步研究。筆者根據(jù)有關(guān)資料及野外調(diào)查，將黃土邊坡變形破壞劃分為不同類型，分析其影響因素，為區(qū)內(nèi)邊坡變形破壞的防治提供依據(jù)。

1 區(qū)域地質(zhì)條件

1.1 地形地貌

辛置鎮(zhèn)位于霍山西部，汾河谷地東側(cè)。區(qū)內(nèi)地貌以低山和丘陵為主，多為長(zhǎng)條狀的黃土梁、峁，與溝谷相間分布，其延展方向多為東西向分布，頂部面積不大，但較為平坦。

1.2 氣象條件

辛置鎮(zhèn)位于溫帶大陸性氣候區(qū)，四季分明。年平均氣溫12.2℃，最高可達(dá)40.0℃。降水具季節(jié)性差異，7～9月份是雨季集中期，降水量約占全年70%以上，年平均降水量437.3 mm，最大降水量可達(dá)682.2 mm。

1.3 地層巖性

與辛置鎮(zhèn)黃土邊坡變形破壞有重要聯(lián)系的地層主要為：第四系上更新統(tǒng)(Q3)，第四系中更新統(tǒng)(Q2)，第四系下更新統(tǒng)(Q1)，新近系上新統(tǒng)(N2)，二疊系下統(tǒng)(P1)，石炭系上統(tǒng)太原組(C3t)。

第四系上更新統(tǒng)(Q3)：多由風(fēng)積而成的黃土層，顏色主要為淺黃—棕黃色，土質(zhì)松散均勻，孔隙明顯，有蟲孔和植物根孔。整體是淺灰黃色粉土，下部夾雜明顯砂礫，為粉砂質(zhì)土，中部夾有棕褐色土壤層。層厚約5～15 m。

第四系中更新統(tǒng)(Q2)：多由風(fēng)積而成的黃土層，顏色主要為黃棕—黃褐色，結(jié)構(gòu)密實(shí)，呈塊狀?？梢?jiàn)出露的鈣質(zhì)結(jié)核層，夾多層棕紅色古土壤層，有明顯的礫石、卵礫石呈條帶狀分布，含長(zhǎng)石，云母等。上部部分土層具有濕陷性。層厚約134 m。

第四系下更新統(tǒng)(Q1)：以棕黃色粉砂黃土為主，中夾埋藏土層，均含有白色鈣質(zhì)結(jié)核層。層厚約9～14 m。

新近系上新統(tǒng)(N2)：主要為半膠結(jié)礫巖和灰?guī)r組成，成分以灰?guī)r、石英砂巖，火成巖、片麻巖為主，層厚約42 m。上部以紅土為主，與下部基巖以角度不整合接觸。

二疊系下統(tǒng)(P1)：主要為灰黑色泥巖與灰白色砂巖互層，層位穩(wěn)定?？刹?號(hào)煤層位于本組，頂板為黑色砂質(zhì)泥巖。層厚約145 m。

石炭系上統(tǒng)太原組(C3t)：本組主要為深灰、黑色碎屑巖，石灰?guī)r和煤層。可采10號(hào)煤層位于本組，頂板為厚層石灰?guī)r，較為穩(wěn)定。層厚約83 m。

1.4 水文地質(zhì)條件

辛置鎮(zhèn)河流屬于黃河流域、汾河水系。位于塔底溝、河底溝的河流，由東向西注入汾河，流量較??；汾河從鎮(zhèn)內(nèi)西部經(jīng)過(guò)，河谷寬闊平緩，成U型溝谷。

松散巖類孔隙水、碎屑巖類裂隙水為區(qū)內(nèi)地下水主要類型，受大氣降水或地表水滲漏補(bǔ)給?？紫端饕嬖谟诘谒南档貙拥目紫吨?，水量大，富水性較好；裂隙水主要存在于二疊系的砂巖裂隙之中，部分溝谷兩側(cè)可見(jiàn)該類型地下水的泉水出露。

2 黃土邊坡變形破壞分布特征

地質(zhì)環(huán)境特征和降雨、工程活動(dòng)等外在誘發(fā)因素共同影響著黃土邊坡變形破壞的發(fā)生和分布。從空間上看，黃土邊坡變形破壞主要發(fā)生在：(1)山頂及山坡呈階梯狀分布的耕地旁或村鎮(zhèn)中房屋建筑旁的人工陡邊坡；(2)山體經(jīng)開挖后所修建的道路兩側(cè)。這些地點(diǎn)受人類活動(dòng)影響較大，破壞了邊坡的原始平衡，邊坡的變形破壞易發(fā)，規(guī)模均為小型。從時(shí)間上看，黃土邊坡變形破壞與降雨相關(guān)性強(qiáng)(圖1)，多發(fā)生在雨季(7～9月)。在2005～2020年間，連通河底村和塔底溝村的公路段共發(fā)生7次小型墜落，且都發(fā)生于雨季。故應(yīng)加強(qiáng)雨季對(duì)黃土邊坡的監(jiān)測(cè)，提前捕捉邊坡變形破壞的前兆信息。

圖1 辛置鎮(zhèn)黃土邊坡變形破壞與降雨量關(guān)系(2015年)

3 黃土邊坡變形破壞類型

本文調(diào)查辛置鎮(zhèn)黃土邊坡變形破壞點(diǎn)共17處(圖2)，其中墜落破壞所占比例最大(表1)。在野外調(diào)查的基礎(chǔ)上，根據(jù)黃土邊坡變形破壞特征，將辛置鎮(zhèn)黃土邊坡變形破壞類型劃分為：墜落、傾倒、裂隙滑動(dòng)和剝落四種類型。剝落破壞在該區(qū)較為常見(jiàn)，本身危害不大，故不予統(tǒng)計(jì)。

表1 辛置鎮(zhèn)黃土邊坡破壞類型比例表

3.1 墜落

墜落常發(fā)生于坡度較陡的邊坡，是突出黃土塊體從坡面脫離的過(guò)程[1]，墜落塊體體積變化較大。突出的黃土塊體通常附著在主體或由部分發(fā)育的垂直裂縫隔開，當(dāng)裂縫發(fā)育或現(xiàn)有裂縫達(dá)到臨界尺寸時(shí)，就會(huì)發(fā)生分離現(xiàn)象。分離塊體受重力作用運(yùn)動(dòng)，到達(dá)地面后，一般不再向前運(yùn)動(dòng)和彈起。根據(jù)其特征分為單面連接塊體型墜落(圖3a)和兩面連接塊體型墜落(圖3b)。單面連接塊體墜落是突出塊體僅后部與坡體相連，在重力作用下，垂直裂隙向下發(fā)育直至貫通，塊體隨之墜落；兩面連接塊體墜落是塊體后部和頂面與坡體相連，在重力作用下頂部產(chǎn)生水平裂隙，同時(shí)垂直節(jié)理發(fā)育，最終產(chǎn)生水平拉斷和豎向剪切破壞，塊體失去與坡體的聯(lián)系，形成墜落。除重力作用外，風(fēng)化作用、動(dòng)植物活動(dòng)等都可在裂縫發(fā)育早期對(duì)墜落破壞起促進(jìn)作用。這種變形破壞類型占調(diào)查總數(shù)的59%。

圖3 黃土邊坡墜落

3.2 傾倒

傾倒多發(fā)生于陡傾的人工邊坡，是黃土板狀體圍繞其底部的點(diǎn)或軸向外旋轉(zhuǎn)，最終分離的過(guò)程(圖4)。黃土邊坡開挖后的卸荷回彈作用，使坡體內(nèi)垂直節(jié)理張開，土體被切割成大小不一的條柱狀[2]，完整性被破壞。在降雨、灌溉等條件下，水體沿節(jié)理和裂隙入滲，不斷軟化、沖蝕土體，增加土體自重的同時(shí)使裂隙擴(kuò)大，并不斷向深部發(fā)展，且使得土柱體底部強(qiáng)度降低。再加上坡面徑流的長(zhǎng)期沖刷使坡腳掏空，臨空塊體的支撐面減小，塊體在重力影響下重心不斷外移。當(dāng)裂隙延伸至極限深度，塊體重心超出支撐點(diǎn)時(shí)，產(chǎn)生傾倒破壞。此外，直立黃土塊體在長(zhǎng)期重力作用下產(chǎn)生彎折也可能發(fā)生傾倒[3]。傾倒塊體通常規(guī)模較小。這種變形破壞類型占調(diào)查總數(shù)的29%。

圖4 潛在黃土邊坡傾倒

3.3 裂隙滑動(dòng)

裂隙滑動(dòng)多發(fā)于軟硬互層的黃土邊坡，是被垂直裂隙切割后的邊坡土體沿下部滑動(dòng)面運(yùn)動(dòng)的過(guò)程(圖5a)。裂隙滑動(dòng)失效具有由兩部分組成的復(fù)合失效面。上部由拉伸裂紋組成，通常在頂部垂直延伸數(shù)米深，受節(jié)理裂隙控制；下部為順坡弧狀滑動(dòng)面，傾角一般在15°～60°之間。邊坡黃土體在重力等作用下沿坡體垂直節(jié)理裂隙斷裂，降雨沿坡體后緣裂隙入滲，在相對(duì)隔水層聚集，軟化土體。當(dāng)形成一個(gè)完整滑動(dòng)面時(shí)，土體逐漸滑移，產(chǎn)生裂隙滑動(dòng)。具有滑動(dòng)深度淺、高速短程的特點(diǎn)。這種變形破壞類型占調(diào)查總數(shù)的12%。

3.4 剝落

剝落為多發(fā)于第四系中更新統(tǒng)黃土層中的以層裂形式出現(xiàn)的黃土邊坡破壞，是黃土體的不規(guī)則薄片、碎塊偶爾從坡面分離的過(guò)程(圖5b)。邊坡形成后，表層土體水分蒸干，逐漸形成一層硬殼。受坡面上反復(fù)冷熱循環(huán)、干濕循環(huán)和凍融循環(huán)作用，硬殼與坡面分層并產(chǎn)生細(xì)小裂隙，被切割成大小不一的碎塊體，在重力、降雨、震動(dòng)等影響下，塊體脫落堆積于坡腳[4]。這種破壞形式具有破裂面深度淺，體積小的特點(diǎn)。黃土剝落本身危害較小，但碎片塊體的剝落從坡腳向坡頂延伸，破壞坡面完整性，會(huì)導(dǎo)致上覆黃土層懸空或坡腳掏空，從而為墜落和傾倒型破壞提供條件，在邊坡防治中仍不可忽視[5]。

圖5 黃土邊坡裂隙滑動(dòng)和剝落

4 邊坡變形破壞影響因素分析

4.1 人類工程活動(dòng)

辛置鎮(zhèn)眾多村莊，由于地形地貌的限制，切坡建房現(xiàn)象較為普遍(表2)。居民在坡腳或坡腰處切坡并靠近切坡體建房，房屋后坡高多為5～10 m，距坡腳距離小于1 m，坡度大于50°。人工切坡后，斜坡剖面坡面線呈近直線，坡度較大，坡體前緣形成臨空面(圖6)，為坡體變形破壞提供了空間條件，也加劇了坡體受重力影響的下滑趨勢(shì)；人工切坡破壞了坡面植被，坡面土體暴露，且未采取防護(hù)措施，使之易受風(fēng)化剝蝕和雨水沖刷影響，坡面巖土體破碎，裂縫變大，不利于邊坡穩(wěn)定。當(dāng)雨季來(lái)臨，臨空面會(huì)慢慢產(chǎn)生小規(guī)模坍塌，為邊坡變形破壞創(chuàng)造了有利條件。

圖6 人工陡切破

表2 辛置鎮(zhèn)部分村莊切坡建房調(diào)查表

另外，農(nóng)業(yè)耕種、道路建設(shè)也對(duì)邊坡的穩(wěn)定有不良影響。梯田修筑過(guò)程中也對(duì)坡體進(jìn)行了開挖，破壞坡面形態(tài)，增強(qiáng)降雨、農(nóng)業(yè)灌溉等水體的入滲，邊坡土體含水量增加；道路建設(shè)過(guò)程中的坡體切割和坡腳開挖使得人工陡邊坡數(shù)量增多，加劇了邊坡的變形破壞。同時(shí)，煤礦開采形成采空區(qū)，底部存在采空區(qū)的邊坡，其下方巖土體承載力顯著降低，導(dǎo)致邊坡安全系數(shù)大幅下降[6]。

4.2 地層巖性

辛置鎮(zhèn)出露的地層主要為第四系中更新統(tǒng)黃土(Q2)和上更新統(tǒng)黃土(Q3)，這兩種黃土均具有孔隙大，結(jié)構(gòu)疏松，滲透性較強(qiáng)的不良地質(zhì)特性。黃土體中存在許多結(jié)構(gòu)性質(zhì)各不相同的裂隙、節(jié)理(圖7)，這是黃土的一個(gè)重要性質(zhì)。黃土節(jié)理通常是垂直發(fā)育的，但也會(huì)產(chǎn)生樹枝狀的分支，將黃土分割成塊狀，為黃土邊坡的變形破壞埋下隱患。同時(shí)，裂縫和節(jié)理作為一種優(yōu)勢(shì)通道，在水體入滲時(shí)加強(qiáng)了滲流的作用。隨著降雨和地表水的進(jìn)入，土體破碎崩解，節(jié)理裂隙不斷變大加深，且流水沖刷帶走土體中的可溶鹽、細(xì)顆粒，在坡面上形成落水洞、暗穴等，破壞邊坡坡面的完整性[7]，不利于邊坡穩(wěn)定。

4.3 降水

降水是黃土邊坡變形破壞的重要誘發(fā)因素。降水對(duì)于黃土邊坡變形破壞的影響主要表現(xiàn)為以下方面：①雨水沿著節(jié)理和裂隙進(jìn)入土體后，含水量升高，上部土體的重量增加，同時(shí)使土體軟化[8]，抗剪強(qiáng)度顯著下降。②降水入滲后在相對(duì)的隔水層形成上層滯水，產(chǎn)生了一定的浮力，接觸面抗滑力降低，同時(shí)在重力影響下，邊坡上緣逐漸產(chǎn)生裂隙，又加劇了水體的入滲。③降水入滲后在土體內(nèi)產(chǎn)生溶蝕作用，溶解并帶走土顆粒中的有機(jī)質(zhì)，使空隙變大，土顆粒間粘結(jié)力下降，土體松散，使黃土邊坡變形破壞更易發(fā)生。

4.4 植物活動(dòng)

坡頂邊緣的喬木、灌木發(fā)育。一方面，增加了危巖體的重量；另一方面，其根系發(fā)達(dá)，吸水使得土體軟化，且根系沿裂隙生長(zhǎng)，使裂隙擴(kuò)大，破壞斜坡巖土體完整性(圖6)，是邊坡變形破壞的誘發(fā)因素之一。

4.5 凍融作用

凍融作用是使黃土力學(xué)性質(zhì)衰減的重要因素，通常發(fā)生凍結(jié)—融化—凍結(jié)的循環(huán)過(guò)程，多發(fā)生于冬末春初。一是，黃土凍結(jié)時(shí)，土體內(nèi)水成冰而體積變大，使顆粒間孔隙增大，土體體積膨脹。由于這時(shí)水以冰的形式存在，土體強(qiáng)度還較高。但外界溫度升高時(shí)，凍結(jié)土體逐漸融化，土體內(nèi)部因凍結(jié)產(chǎn)生的膠結(jié)物失去其力學(xué)效應(yīng)，顆粒、孔隙重新排列，土體的粘聚力和抗剪強(qiáng)度降低，產(chǎn)生變形破壞；二是，白天溫度高，坡面及坡頂?shù)谋诨伤毓?jié)理裂隙進(jìn)入土體內(nèi)部，隨著溫度降低，水凍結(jié)成冰，體積增大，造成土體膨脹變形，當(dāng)膨脹后體積大于裂隙空間時(shí)，內(nèi)部節(jié)理裂隙增大，土體裂縫不斷變寬，最終在重力影響下產(chǎn)生變形破壞。

5 防治措施

該區(qū)的墜落、傾倒等邊坡變形破壞多發(fā)于人為陡切破，坡度較大且?guī)r土體破碎，節(jié)理裂隙明顯，頂部前端可見(jiàn)危巖土體延伸出坡體。如果遇到強(qiáng)降雨或其它誘發(fā)因素，發(fā)生變形破壞的可能性較大。邊坡前緣多為公路或建筑，空間有限，根據(jù)實(shí)際調(diào)查結(jié)果，建議采用以下措施：

(1) 對(duì)于坡頂穩(wěn)定性較差、危險(xiǎn)性較大的危巖土體，采取直接清除的措施。

(2) 對(duì)坡頂無(wú)建筑，坡腳存在建筑且墻體離坡腳距離較近者，錨桿、擋墻等防護(hù)措施施工不便，宜進(jìn)行削坡減載。將坡面分級(jí)，按一定坡率進(jìn)行削坡和對(duì)坡面進(jìn)行修整，同時(shí)在坡面種植植被，減小地表水入滲，是一種簡(jiǎn)便、有效的措施。

(3) 對(duì)于坡面裂隙較多者，可采用噴射混凝土、格構(gòu)錨固的措施進(jìn)行防護(hù)，增強(qiáng)邊坡的整體穩(wěn)定性[9]。也可采用重力式擋土墻，用石砌體、混凝土等修筑墻身，將墻身設(shè)置在坡體前緣。適用于坡高較小、坡前空間較大的土質(zhì)切坡，對(duì)坡體破壞小，短時(shí)間內(nèi)效果顯著。

(4) 邊坡變形破壞最積極的因素是水，因此要減小水對(duì)邊坡的危害。為了防止邊坡外圍的地表水沿周邊裂隙進(jìn)入坡體內(nèi)，可以采用攔截和引流地表水的措施在邊坡坡頂、坡腳修筑截水溝和排水溝。但需要注意的是，修建排水溝時(shí)，要做好防滲的措施，否則當(dāng)排水溝發(fā)生水的入滲時(shí)，會(huì)造成和預(yù)期相反的效果。

(5) 利用多種形式宣傳普及相關(guān)知識(shí)，提高居民預(yù)防意識(shí)。村鎮(zhèn)中安排監(jiān)測(cè)人員，對(duì)由于人工切破等形成的邊坡變形破壞隱患點(diǎn)進(jìn)行定期巡查，關(guān)注其動(dòng)態(tài)情況。一旦發(fā)現(xiàn)裂縫變大、不正常掉塊等異?，F(xiàn)象，應(yīng)及時(shí)通報(bào)和撤離。

6 結(jié)論

(1) 辛置鎮(zhèn)黃土變形破壞類型主要為墜落、傾倒、裂隙滑動(dòng)和剝落。根據(jù)調(diào)查的17處黃土邊坡變形破壞點(diǎn)，墜落廣泛發(fā)育，占該區(qū)黃土邊坡變形破壞總數(shù)的59%。

(2) 辛置鎮(zhèn)黃土邊坡變形破壞的發(fā)生，實(shí)質(zhì)是地層巖性、降雨及人類工程活動(dòng)等共同作用的結(jié)果。地層巖性的物理性質(zhì)決定了邊坡的穩(wěn)定性，降雨是邊坡變形破壞的直接誘因，人類工程活動(dòng)則加劇了邊坡變形破壞的過(guò)程。

(3) 為了防止邊坡變形破壞的發(fā)生，應(yīng)采用清除危巖土體、削坡減載、完善排水措施、采用噴射混凝土、擋墻等保持邊坡穩(wěn)定性的防治措施。