濟(jì)南高陡土質(zhì)邊坡穩(wěn)定性分析及治理方法探討——以濟(jì)南南部山區(qū)山間平原為例

張燕，葛江琨，李洪亮，趙建濤

(山東省魯南地質(zhì)工程勘察院(山東省地勘局第二地質(zhì)大隊)，山東 濟(jì)寧 272100)

0 引言

眾多的地質(zhì)災(zāi)害中邊坡失穩(wěn)非常常見，土質(zhì)邊坡崩塌和滑坡最為常見[1-2]。土質(zhì)邊坡失穩(wěn)主要是受自然因素和人為因素影響，受到外界因素影響導(dǎo)致邊坡抗滑能力降低，穩(wěn)定性變差，從而產(chǎn)生邊坡失穩(wěn)[3]。近年來因土質(zhì)邊坡失穩(wěn)造成人民財產(chǎn)經(jīng)濟(jì)損失的案例眾多，2013年6—9月寧夏隆德縣遭遇持續(xù)強(qiáng)降雨，導(dǎo)致山體崩塌、滑坡等地質(zhì)災(zāi)害大量發(fā)生[4]；2014年6月，山西吉縣發(fā)生崩塌，造成7人遇難[5]；2019年8月，受臺風(fēng)“利奇馬”的影響，濟(jì)南市共發(fā)生災(zāi)情12起，其中南部山區(qū)有5處邊坡發(fā)生崩塌及滑坡災(zāi)害，導(dǎo)致道路損壞和房屋受損，給當(dāng)?shù)鼐用竦呢敭a(chǎn)造成損失。

濟(jì)南南部為低山丘陵區(qū)，地形地貌變化較大，地質(zhì)構(gòu)造條件復(fù)雜，裂隙發(fā)育，溝谷縱橫發(fā)育，人類活動強(qiáng)烈，修路、切坡建房等在山間形成大量高陡邊坡[6-7]。濟(jì)南南部山區(qū)山間傾斜平原區(qū)常見坡洪積物，主要由粉質(zhì)黏土、黏土及礫石層等組成，具有二元結(jié)構(gòu)，厚度由幾米到十幾米不等。山間的坡洪積物易受溝谷水流沖蝕，同時這些地段因土層較厚，是人類賴以生存的空間，人類為建設(shè)自己的家園對原有的坡體不斷進(jìn)行改造，從而形成大量高陡土質(zhì)邊坡[8-10]。筆者通過實際項目，探討濟(jì)南南部山區(qū)土質(zhì)邊坡穩(wěn)定性分析方法及防治方案。

1 工程概況

1.1 地質(zhì)環(huán)境背景

濟(jì)南地處中緯度地帶，屬北溫帶濕潤大區(qū)魯淮區(qū)，為溫暖半濕潤季風(fēng)性氣候。年平均降水量669.30mm，年最小降水量為320.70mm，年最大降水量為1283.40mm(1973年)，一年之中降水主要集中在6—8月，多以暴雨形式降落，3個月的降水量占年降水量的65%。降雨是誘發(fā)土質(zhì)邊坡失穩(wěn)、發(fā)生崩塌、滑坡等地質(zhì)災(zāi)害的主要因素之一[11-12]。

研究區(qū)屬于魯西北斷陷的過渡帶，區(qū)域內(nèi)地殼中生代燕山期強(qiáng)烈活動[13]，區(qū)內(nèi)有多條斷裂發(fā)育，導(dǎo)致山體地形起伏較大，地形切割明顯。地層以古生代石灰?guī)r地層出露為主，山間區(qū)域可見第四系坡洪積物，在降雨、人類工程活動等條件下易發(fā)生邊坡失穩(wěn)，從而產(chǎn)生崩塌、滑坡等地質(zhì)災(zāi)害。

1.2 現(xiàn)狀調(diào)查

研究區(qū)位于濟(jì)南市南部山區(qū)的山間傾斜平原地帶，經(jīng)河流長期沖積在兩條河流的中間位置形成了階地，出露巖性主要為黃土地層。階地在人力活動和水動力等外力影響下形成了一條長約500m的髙陡土質(zhì)邊坡，邊坡高度10～13m，坡度75°～85°，局部地段直立，甚至可見負(fù)地形，邊坡上方和下方分布有村民房屋，民房距離邊坡最近距離不足1m?，F(xiàn)場可見坡面分布有小型沖溝、土體的劈裂、降水掏蝕的洞穴及邊坡底部堆積的坍塌土體等。由于研究區(qū)為黃土邊坡，擁有植物賴以生存的基質(zhì)條件，因此坡面上高大喬木及小灌木生長茂盛，局部坡面可見根系出露，根系縱橫交錯。通過調(diào)查，研究區(qū)內(nèi)受邊坡失穩(wěn)威脅的村民共46戶，該土質(zhì)邊坡曾因失穩(wěn)垮塌，砸死坡下住戶家兩頭豬，并且養(yǎng)豬棚受到不同程度損壞。

由于土質(zhì)邊坡高陡，在長期降水作用下，邊坡中上部土體在降水入滲浸泡下，含水率增高，尤其是達(dá)到了飽和狀態(tài)后，土體塑性變強(qiáng)、濕陷性開始顯現(xiàn)，從而導(dǎo)致土體抗壓、抗剪應(yīng)力降低，坡體在重力作用下沿裂隙產(chǎn)生了變形破壞[14-15]。同時，邊坡頂部植物發(fā)育，存在“根劈”作用，影響坡體穩(wěn)定性[16-17]。該坡體高陡，民房距離邊坡陡立面極近，土質(zhì)邊坡失穩(wěn)后，將產(chǎn)生很強(qiáng)的破壞力，直接威脅坡上下村民的生命財產(chǎn)安全。

2 穩(wěn)定性分析

2.1 工程地質(zhì)條件

筆者在野外調(diào)查的基礎(chǔ)上做了進(jìn)一步的勘查，主要手段有地形測量、地質(zhì)測量、開挖探槽和樣品測試等。在研究區(qū)土質(zhì)邊坡上方及下方開挖探槽取原狀土樣，共開挖3個探槽，最大探槽深度為4m，每隔0.5m人工刻取不受擾動的土層樣品，取樣重量不小于1.0kg，共計11件，送往具有相關(guān)資質(zhì)的山東省建勘集團(tuán)有限公司實驗室做土工試驗。試驗測試采用直剪剪切試驗法，測定并計算了土體的含水率、密度、干密度、比重、孔隙比、飽和度、液限、塑限、塑性指數(shù)、液性指數(shù)、濕陷系數(shù)、黏聚力、內(nèi)摩擦角等16項指標(biāo)。通過勘查工作，查明了區(qū)內(nèi)土質(zhì)邊坡巖性為黃土狀粉質(zhì)黏土。

黃土狀粉質(zhì)黏土(Q3al+pl)：黃褐色；硬塑—堅硬，局部可塑；見針孔狀蟲洞，含鐵錳質(zhì)結(jié)核及鈣質(zhì)結(jié)核；切面稍具光澤，無搖振反應(yīng)，韌性、干強(qiáng)度中等；壓縮性低—中，濕陷性輕微；主要物理力學(xué)性質(zhì)測試指標(biāo)統(tǒng)計結(jié)果如表1。

表1 主要物理力學(xué)性質(zhì)測試指標(biāo)統(tǒng)計成果表

2.2 不穩(wěn)定邊坡成因分析

土質(zhì)邊坡穩(wěn)定性的影響因素很多，其中最主要的是邊坡土體的力學(xué)性質(zhì)和結(jié)構(gòu)層理、水的作用、風(fēng)化作用、地震作用、地下水侵蝕及人類活動。各個因素主要從兩個方面影響著邊坡的穩(wěn)定性，一方面是增加了邊坡的附加荷載，使邊坡的應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生變化，增加坡體的下滑力；另一方面是土體經(jīng)過風(fēng)化、降水入滲、地下水侵蝕、植被“根劈”等作用，降低了土體的強(qiáng)度，減少了土體的抗滑力[18-19]。

近30年以來，該邊坡向后坍塌約3m，最大塌方距離可達(dá)7m左右，邊坡坍塌主要是在暴雨季節(jié)發(fā)生，雨后坡腳可見大量淤泥及土方堆積。大氣降水不但能直接沖刷土質(zhì)邊坡，同時還會下滲轉(zhuǎn)化為地下水，從而對土體產(chǎn)生軟化作用，使得土體強(qiáng)度減小，導(dǎo)致邊坡發(fā)生破壞[20-21]。同時，在調(diào)查中發(fā)現(xiàn)村子里沒有排水管道，村民生活用水主要以散流的形式排放，生活用水的入滲，將增加土體的含水率，使得土體的抗剪強(qiáng)度降低，從而降低了邊坡的穩(wěn)定性[22]。同時邊坡上喬灌木生長茂盛，高大挺拔，其根系發(fā)達(dá)，對坡面產(chǎn)生了“根劈”作用，影響邊坡的穩(wěn)定性。綜上可知，導(dǎo)致本區(qū)土質(zhì)邊坡失穩(wěn)的主要原因是大氣降水和生活用水入滲，次要因素是植物的“根劈”作用。

2.3 邊坡穩(wěn)定性計算

本邊坡整體穩(wěn)定性，需考慮雨季汛期工況，邊坡土體浸水達(dá)到飽和狀態(tài)后，塑性增強(qiáng)并表現(xiàn)出濕陷性，此時邊坡土體呈現(xiàn)黏性土性質(zhì)，邊坡失穩(wěn)時呈圓弧狀滑動，符合圓弧滑動法分析模型的基本假定。故以雨季汛期工況，飽和狀態(tài)下的邊坡土體，采用畢肖普條分法[23-24]分析邊坡的整體穩(wěn)定性。

根據(jù)本邊所處工況，邊坡坡體黃土狀粉質(zhì)黏土飽和度達(dá)到85%時顯現(xiàn)濕陷性，此時坡體內(nèi)無自由水，故采用水土合算法計算邊坡穩(wěn)定性，總水壓力取0。土體重度由物理力學(xué)性質(zhì)測試指標(biāo)統(tǒng)計結(jié)果及當(dāng)?shù)亟?jīng)驗值按土的三相指標(biāo)換算；抗剪指標(biāo)由直剪試驗指標(biāo)按照當(dāng)?shù)亟?jīng)驗折算為固結(jié)不排水剪指標(biāo)。各計算參數(shù)取值見表2。

表2 計算參數(shù)取值表

經(jīng)Fs與m0i雙重迭代求解，得出最不利滑動面計算結(jié)果(表3)。

表3 坡面最不利滑動面計算結(jié)果表

通過計算，在考慮地震、降水等不利組合的工況下，邊坡滑動安全系數(shù)為0.745。根據(jù)《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》GB50330—2013第5.3.2條，在此工況下，該邊坡處于整體不穩(wěn)定狀態(tài)。

3 不穩(wěn)定邊坡治理方案

3.1 指導(dǎo)思想

本次土質(zhì)邊坡失穩(wěn)治理的思想是以消除安全隱患為原則，采取經(jīng)濟(jì)合理的治理措施，實事求是，因地制宜，在確保安全的條件下結(jié)合周邊環(huán)境條件，增加美觀性，美化人居環(huán)境。

3.2 方案設(shè)計

在對現(xiàn)場詳細(xì)勘查的基礎(chǔ)上，經(jīng)過綜合研究分析，村民住房距離邊坡太近，邊坡不具備削坡卸載的施工條件，因此只能對邊坡進(jìn)行加固處理。在充分考慮安全和美觀的前提下，設(shè)計提出了清坡+格構(gòu)+鋼筋混凝土擋板+截水溝的治理方案[25]。

3.2.1 清坡

根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查，研究區(qū)邊坡髙陡且距離上下村民房屋較近，最近距離不足1m，不方便大量削坡。因此設(shè)計對該段邊坡進(jìn)行清坡處理，清坡后邊坡坡度不大于80°。清除邊坡表層浮土、腐殖質(zhì)及影響施工的植物，清坡后使坡面平整，方便后期施工。

3.2.2 格構(gòu)+鋼筋混凝土擋板

所設(shè)計格構(gòu)+鋼筋混凝土擋板主要部分可分為縱向格構(gòu)和橫向格構(gòu)、格構(gòu)地梁、預(yù)應(yīng)力錨桿、鋼筋混凝土擋板等，縱、橫向格構(gòu)水平、豎向間距均為3.0m，格構(gòu)斷面尺寸300mm×300mm，格構(gòu)和鋼筋混凝土擋板均為現(xiàn)澆筑(圖1)。現(xiàn)澆鋼混擋板厚200mm，雙層鋼筋網(wǎng)綁扎。

圖1 格構(gòu)+鋼筋混凝土設(shè)計正視圖

預(yù)應(yīng)力錨桿：位于橫、縱向格構(gòu)交叉位置，先于格構(gòu)施工，錨桿水平和豎向間距均為3.0m，鉆孔傾角15°，鉆孔直徑150mm，選用1E28鋼筋，錨桿從上至下長分別為23.0m，22.0m，20.0m，錨固段長度均為7.0m，錨桿施工中加入水玻璃，減少因水入滲造成土體的濕陷從而降低錨桿的抗拉強(qiáng)度。錨頭應(yīng)穿透橫、縱向格構(gòu)交叉處，外露長度不小于0.3m，待錨桿和格構(gòu)梁強(qiáng)度均達(dá)到85%以上，方可施加預(yù)應(yīng)力(圖2)。

圖2 治理后剖面圖

3.2.3 截水溝

截水溝設(shè)置在坡頂，主要用于攔截地表水，保護(hù)坡面穩(wěn)定性。在邊坡上邊緣隨地形走勢修建截水溝，橫截面為一梯形，底寬0.3m，頂寬0.5m，高0.3m，溝壁厚度0.2m，用M10水泥砂漿修筑。排水溝縱坡不應(yīng)小于0.3×10-3，以保證迅速排除地面水流，以免水流停滯。

3.2.4 治理后坡面穩(wěn)定性計算

邊坡護(hù)坡設(shè)計后對坡面穩(wěn)定性進(jìn)行了計算，在考慮地震和降水的影響下，邊坡滑動安全系數(shù)為1.673。根據(jù)《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》(GB50330—2013)表5.3.2邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)要求可知，治理后的邊坡均滿足規(guī)范要求的穩(wěn)定安全系數(shù)。

4 結(jié)論

(1)濟(jì)南南部山區(qū)屬于單斜構(gòu)造，區(qū)內(nèi)有多條斷裂發(fā)育，導(dǎo)致山體地形起伏較大，地形切割明顯，山間區(qū)域可見第四系坡洪積物，年降雨量集中，多以暴雨降落，為土質(zhì)邊坡失穩(wěn)發(fā)生提供了基礎(chǔ)條件。

(2)通過研究分析可知，誘發(fā)該土質(zhì)邊坡失穩(wěn)的主要因素是水的作用，地表水和地下水對邊坡土體的沖刷和軟化，降低了土體強(qiáng)度，抗滑力減弱。

(3)采用畢肖普條分法對邊坡整體穩(wěn)定性做了定量計算，計算結(jié)果表明在考慮地震、降水等不利組合的工況下，該土質(zhì)邊坡處于不穩(wěn)定狀態(tài)。

(4)根據(jù)場地實際條件提出了主動防護(hù)為主的治理思路，設(shè)計采用清坡+格構(gòu)+鋼筋混凝土擋板+截水溝的方式治理邊坡失穩(wěn)問題，方案技術(shù)方法成熟，可操作性強(qiáng)，本方案實施可消除安全隱患，保障人民群眾的生命財產(chǎn)安全。

(5)濟(jì)南南部山區(qū)山間平原區(qū)常見此類土質(zhì)邊坡失穩(wěn)問題，通過本次方案的研究探討，為今后類似土質(zhì)邊坡失穩(wěn)問題提供了新的治理思路。