史建松,李日升,曾 凱
(1.華北有色工程勘察院有限公司,河北 石家莊 050021;2.自然資源部金屬礦山地下水災(zāi)害防治工程技術(shù)創(chuàng)新中心,河北 石家莊 050021)
花崗巖殘積土農(nóng)村邊坡廣泛分布在我國東南部山區(qū),因其自身性質(zhì)的影響易受到自然環(huán)境的影響,邊坡的穩(wěn)定性面臨嚴(yán)重挑戰(zhàn),成為亟需解決的民生問題。除坡腳開挖不規(guī)范外,降水是這一類邊坡變形失穩(wěn)的最主要因素,也是一直研究的熱點(diǎn)問題。本文以廣東省北部山區(qū)農(nóng)村削坡建房極高風(fēng)險(xiǎn)和高風(fēng)險(xiǎn)邊坡整治經(jīng)驗(yàn)為基礎(chǔ),分析花崗巖殘積土農(nóng)村邊坡的特點(diǎn),研究降水對(duì)花崗巖殘積土農(nóng)村邊坡穩(wěn)定性的影響特征與對(duì)策,為制定相應(yīng)的防治策略提供豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。
項(xiàng)目區(qū)花崗巖殘積土人工邊坡一般位于中低山剝蝕地貌,區(qū)域自然地形坡度24°~35°,相對(duì)高差數(shù)10~200 m,這些山嶺經(jīng)長期風(fēng)化剝蝕,山頂一般呈渾園形(劉明俊,1988)。山坡有土層覆蓋,喬、灌、草類植物茂盛,覆蓋率100%。
農(nóng)村住宅削坡高度處于10~20 m之間,整體坡度均較陡,為60°~75°不等,開挖多采用分級(jí)方式,單級(jí)坡高4~8 m,臺(tái)階面一般較窄,多為0.8~1.3 m。坡面一般長有少量雜草及矮小灌木,成坡時(shí)間較久的坡面基本長滿蘚類植物。
項(xiàng)目區(qū)屬亞熱帶季風(fēng)氣候,年降水量達(dá)2 100 mm,每年3-4月為“回南天”,陰雨連綿;5-6月為“龍舟水”,多連續(xù)大暴雨;7-9月為臺(tái)風(fēng)季節(jié),多短時(shí)暴雨。根據(jù)2011年1月至2023年3月統(tǒng)計(jì),項(xiàng)目區(qū)共出現(xiàn)多云天氣1 908 d,降雨1 425 d,陰天584 d,晴天448 d(圖1)。
圖1 項(xiàng)目區(qū)多年天氣統(tǒng)計(jì)(2011-2013)
花崗巖殘積土因風(fēng)化殘余物之間有較高連接強(qiáng)度和整體性而使得其具有不同其他土的結(jié)構(gòu)和構(gòu)造:高孔隙比、低密度、較大壓縮系數(shù)和高抗剪強(qiáng)度指標(biāo)同時(shí)具備,此外在遇水條件還極易喪失強(qiáng)度、軟化崩解,因而分類歸屬于“特殊土”(曾洲,2019)。
根據(jù)鉆孔資料可知,坡體巖性自上而下分別為:殘坡積層砂質(zhì)黏性土,褐黃色夾褐紅色,砂礫分散膠結(jié)于粘性土之中,砂礫含量為25%~50%,砂礫粒徑1~10 mm不等,整體干強(qiáng)度較高,遇水迅速軟化,層厚0.5~1.8 m;全風(fēng)化花崗巖,含風(fēng)化碎屑碎塊,手捏有沙礫感,芯呈硬土柱狀,遇水易軟化崩解,層厚1.30~9.90 m;強(qiáng)風(fēng)化花崗巖:呈半巖半土狀,較破碎,巖質(zhì)軟且遇水易分解,層厚1.15~11.45 m;中風(fēng)化花崗巖:中粗粒結(jié)構(gòu),短柱狀構(gòu)造,較堅(jiān)硬,擊之聲較脆(圖2)。
表1 巖土層主要物理力學(xué)參數(shù)與指標(biāo)
圖2 典型花崗巖殘積土農(nóng)村邊坡地形地質(zhì)圖
區(qū)內(nèi)屬亞熱帶季風(fēng)氣候,雨量充沛,降雨補(bǔ)給是排查區(qū)地下水的主要補(bǔ)給來源。項(xiàng)目區(qū)屬剝蝕丘陵地貌,在多雨季節(jié),地下水沿山坡形成淺層徑流,沿山體斜坡向低洼處排泄,多以潛流方式排泄,徑流條件好,路程短。項(xiàng)目區(qū)邊坡一般位于山坡根部,一般為排泄區(qū)。
項(xiàng)目區(qū)邊坡地下含水層分為松散巖類孔隙水和基巖裂隙水。松散巖類孔隙水主要賦存于坡殘積層和全、強(qiáng)風(fēng)化花崗巖層,一般屬潛水性質(zhì),局部具微承壓性質(zhì),透水性一般,該含水層滲透系數(shù)為0.0029~0.078 m/d,滲透系數(shù)平均值0.034~0.049 m/d。由于含水層分布于斜坡上,地下水補(bǔ)給及徑流通暢,地下水迅速向坡下滲流,不利于地下水的賦存,一般水量貧乏,僅局部有雨季形成的上層滯水?;鶐r裂隙水含水巖組為強(qiáng)~中風(fēng)化花崗巖風(fēng)化裂隙帶,呈網(wǎng)格狀及脈狀,分布不均勻,水力性質(zhì)以微承壓水為主。區(qū)內(nèi)地形高差較大,地下水徑流較通暢,沿地形排泄至山前低洼地帶,雨季和降雨后地下水位上升,水量增大;旱季則地下水位降低,水量減少。
地下水位及泉流量的季節(jié)性變化比較明顯。泉水流量高峰一般比降雨量高峰的時(shí)間推后約一個(gè)月。
每年強(qiáng)降雨時(shí)期,項(xiàng)目區(qū)均會(huì)發(fā)生大量農(nóng)村住宅邊坡失穩(wěn)破壞的情形,多為淺層局部破壞,滑塌體呈現(xiàn)中間厚,四周薄的特征。主要原因?yàn)閺?qiáng)降雨使得邊坡表層巖土體含水率上升,導(dǎo)致土體體積膨脹,降低土體的抗剪強(qiáng)度,以及內(nèi)粘聚力急速降低,使可塑性變形區(qū)不斷擴(kuò)大,在重力作用下前緣臨空面產(chǎn)生較大變形從而發(fā)生滑塌破壞。據(jù)統(tǒng)計(jì)約95%的崩塌、滑坡地質(zhì)災(zāi)害出現(xiàn)在年降水量1 300~2 000 mm的地區(qū),特別是1 300~1 400 mm區(qū)域地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育密集占43.9%,當(dāng)日降雨量達(dá)150 mm及以上時(shí),將是人工邊坡引發(fā)地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)、高發(fā)、頻發(fā)階段;當(dāng)時(shí)降雨量達(dá)100 mm及以上時(shí),將是花崗巖類人工邊坡引發(fā)地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)、高發(fā)、頻發(fā)階段(李秀娟,2020)。
本次極高風(fēng)險(xiǎn)、高風(fēng)險(xiǎn)農(nóng)村邊坡整治項(xiàng)目中,約30%的邊坡已出現(xiàn)了不同程度的坡表垮塌,塌方規(guī)模在2~20 m3之間(圖3)。
圖3 項(xiàng)目區(qū)農(nóng)村住宅邊坡坡表垮塌典型照片
部分住宅農(nóng)戶因長期不在老家居住或疏于整修邊坡,致使坡表匯流持續(xù)沖刷坡面,形成于坡面并行的多條小沖溝較或集中的大型沖溝。尤其是大型沖溝發(fā)育后,在持續(xù)的匯流侵蝕下誘發(fā)邊坡發(fā)生大規(guī)模的垮塌。
強(qiáng)降雨條件下,表層巖土體含水率迅速上升,重度增加的同時(shí)抗剪能力下降,出現(xiàn)規(guī)模不一的坡表滑塌。在花崗巖殘積土人工邊坡中,坡表滑塌是典型的邊坡破壞類型,這與花崗巖殘積土邊坡的地層特性相關(guān)。
研究表明,在不斷上升的雨強(qiáng)下,花崗巖殘積土類邊坡在不同時(shí)間內(nèi)發(fā)生失穩(wěn)位置也發(fā)生了變化。該類邊坡失穩(wěn)模式及判別閾值建議采用西南交通大學(xué)高速鐵路路線工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的研究成果(連繼峰等,2015)。該項(xiàng)研究成果中的第1種失穩(wěn)模式與項(xiàng)目區(qū)花崗巖殘積土農(nóng)村邊坡變形破壞模式較為接近。后期研究中應(yīng)加強(qiáng)對(duì)表征參數(shù)λ的閾值研究,λ為滑體長度L與軟化深度zw的比值,加強(qiáng)其對(duì)項(xiàng)目區(qū)邊坡穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)和預(yù)警的指導(dǎo)意義。
在農(nóng)村地區(qū),蛇、鼠、蚯蚓等鉆洞生物量較大,邊坡中存在較多的孔洞。在長期頻繁的降水中,水分的滲流加劇,邊坡滲透水通道不斷加大,使孔洞貫穿形成管道流。降雨時(shí),坡頂匯水通過孔洞在坡面呈射流狀噴出,噴出位置的周圍及下方邊坡經(jīng)常出現(xiàn)滑塌。對(duì)于此種破壞模式,應(yīng)在發(fā)現(xiàn)的孔洞入滲路徑上設(shè)置截水帷幕阻止地下水入滲到潛在滑坡區(qū),或采取封閉的集水槽及時(shí)將積水引至坡腳排走。
因農(nóng)村住宅邊坡存量大、規(guī)模小、位置分散的特點(diǎn),一般用于整治的資金較為有限,整治時(shí)應(yīng)選擇對(duì)降低邊坡崩塌、滑坡風(fēng)險(xiǎn)性價(jià)比較高的措施。項(xiàng)目區(qū)邊坡整治平均投入為4.2萬元,采取的措施和目的介紹如下:
(1)坡面清理。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況對(duì)不具備放坡的坡體表面不穩(wěn)定的巖土體進(jìn)行清理,清理過程中由上至下,僅對(duì)凸出坡體小規(guī)模的不穩(wěn)定巖土體進(jìn)行適當(dāng)清理整形。
(2)削坡減載。對(duì)具備削坡條件的坡體進(jìn)行放坡處理,清理過程中由上至下,放坡后坡度不大于45度,分段放坡,臺(tái)階寬度不少于0.8 m,每段臺(tái)階高度不大于5 m。
(3)坡頂截排水工程。在邊坡最高一級(jí)平臺(tái)頂部5 m距離設(shè)截排水溝。截排水溝尺寸根據(jù)匯水面積計(jì)算確定。采用頻率最高的截排水溝尺寸為凈截面寬0.6 m,深0.2 m,溝底采用C25混凝土打底,厚度100 mm,墊層內(nèi)設(shè)φ8鋼筋網(wǎng)片。溝壁采用混凝土澆筑,厚度10 cm。在縱坡降較大的部位設(shè)置跌水坎,跌水坎高20 cm。此種截水溝在保證排水能力的同時(shí),為后期農(nóng)戶自行清理溝內(nèi)泥土及雜物提供較大的便利。
(4)臺(tái)階面硬化。對(duì)寬度大于0.3 m的臺(tái)階面進(jìn)行硬化,采用C25混凝土,厚度80 mm。原臺(tái)階面已設(shè)排水溝的,對(duì)原排水溝整形夯實(shí)后硬化;原臺(tái)階面未設(shè)排水溝的,整平夯實(shí)硬化。
(5)坡腳擋墻工程。于屋后坡腳處設(shè)置混凝土擋土墻,根據(jù)坡高及坡面垮塌情況選擇高度1 m或1.5 m擋土墻,墻后不進(jìn)行回填,用于阻擋及收集坡面垮塌物。
(6)坡腳地面硬化。坡腳至房屋后墻地面鋪設(shè)一層C25混凝土,厚度80 mm,鋪設(shè)混凝土前對(duì)原地面進(jìn)行找平夯實(shí)。用于及時(shí)排出積水防止坡腳沖刷。
農(nóng)村住宅邊坡整治不宜選擇在降水較多的時(shí)期進(jìn)行,原因有二:
(1)在新鮮面不能及時(shí)遮蓋,或播撒的草灌種子未能生出足夠的根系達(dá)到固坡作用時(shí),削坡形成的新鮮面有利于雨水入滲,更易造成邊坡垮塌。2022年整治過程中,受資金量影響大部分邊坡未設(shè)計(jì)削坡工作,但部分農(nóng)戶強(qiáng)硬要求削坡,在5月份龍舟水強(qiáng)降雨時(shí),這些邊坡基本都發(fā)生了不同規(guī)模大小的坡面垮塌。而其他未削坡的邊坡雖經(jīng)此強(qiáng)降雨,但大部分保持了坡面完整。這就側(cè)面說明了整治時(shí)間選擇和坡面保護(hù)的重要性。
(2)坡頂排水溝在施時(shí)的“負(fù)作用”。項(xiàng)目區(qū)坡頂喬灌草茂盛,排水溝作業(yè)面窄,一般情況下3~5 d才能完成施工,側(cè)壁完成土方回填后才能發(fā)揮截排水功能。在最終功能形成前,如遇強(qiáng)降雨天氣,在施的排水溝則變成了集水溝,大量地匯集上游坡面來水并集中下滲,更易造成坡體垮塌。整治期間,僅5月20日-21日,一次持續(xù)20 h的90 mm降雨,造成了3處在施邊坡失穩(wěn)。垮塌體的上緣均位于在施排水溝附近,已完部分的排水溝則因下方土體失穩(wěn)而遭破壞。
因此,項(xiàng)目區(qū)邊坡整治時(shí)間應(yīng)盡量選擇在10月至來年2月份進(jìn)行,尤其是涉及削坡工作的,應(yīng)提前清理屋后雜物、規(guī)劃削坡實(shí)施方案和棄土地點(diǎn),以便削坡工作順利快速完成,并及時(shí)進(jìn)行坡面防護(hù)工作。
對(duì)坡面垮塌下來的土體、不宜立即進(jìn)行清理。因?yàn)槠旅姘l(fā)生垮塌后,整個(gè)坡體很有可能仍處于不穩(wěn)定狀態(tài),此時(shí)去坡腳位置清理渣土,造成坡腳自重減輕,極易造成二次垮塌,清理人員容易被再次垮塌的土體砸傷或被埋,造成人身傷亡事故,存在很大的安全風(fēng)險(xiǎn),2022年龍舟水期間,因雨后清理垮塌土體發(fā)生了兩起類似傷情事故。不宜及時(shí)清理坡腳的另一原因是,垮塌下來的土體能起到壓腳的作用,減緩或阻止邊坡不穩(wěn)定部分的繼續(xù)下滑運(yùn)動(dòng),為后續(xù)治理創(chuàng)造有利條件,可起到降低整治費(fèi)用的效果。
調(diào)查時(shí)應(yīng)沿坡頂向上調(diào)查足夠遠(yuǎn)的距離。避免僅在坡腳觀察,測(cè)量完邊坡形態(tài)后即完成工作。農(nóng)村削坡建房由于挖除了坡腳,邊坡內(nèi)部應(yīng)力重新調(diào)整分布,坡頂一段距離處存在拉應(yīng)力區(qū),易發(fā)育拉裂縫,甚至存在一定落差的滑坡后壁。對(duì)于發(fā)現(xiàn)的這些裂縫、應(yīng)及時(shí)用混凝土澆筑或打孔使用壓力注漿的方式進(jìn)行封閉。
比如在某住宅邊坡應(yīng)急搶險(xiǎn)工程勘查中,技術(shù)人員根據(jù)滑體上緣為排水溝位置,推斷滑坡主因?yàn)槠马斉潘疁稀敖囟慌拧睂?dǎo)致,雖用無人機(jī)進(jìn)行了全方位高空調(diào)查,未見坡頂植被存在明顯高差和“醉漢林”特征,因而在設(shè)計(jì)中僅采取了削坡分級(jí)和坡面加固措施。但在施工過程中,工人發(fā)現(xiàn)坡頂上緣12 m的位置存在兩條貫通的拉張裂縫,而不得不停工進(jìn)行重新計(jì)算和設(shè)計(jì),給工程搶險(xiǎn)帶來工期和預(yù)算增加的后果。
根據(jù)大量邊坡垮塌案例分析,前期降雨條件與48 h雨量對(duì)花崗巖殘積土類邊坡穩(wěn)定性有較大影響,邊坡監(jiān)測(cè)與預(yù)警時(shí)應(yīng)重點(diǎn)考慮這兩項(xiàng)因素。
(1)長期干旱后,黏粒含量較高的土質(zhì)邊坡表層土壤發(fā)生板結(jié)作用,短時(shí)強(qiáng)降雨并不會(huì)使土壤含水率有效增加,而徑流系數(shù)顯著增加,邊坡穩(wěn)定性一般變化不大。但對(duì)于該類殘坡積或全風(fēng)化花崗巖邊坡,因其結(jié)構(gòu)較為松散,水敏性差,數(shù)月干旱少雨后的強(qiáng)降雨更易激發(fā)滑坡,久旱強(qiáng)雨是此類邊坡警和防控的關(guān)鍵時(shí)段。
(2)農(nóng)村削坡建房邊坡一般形成時(shí)間較長,坡面長有大量蘚類植被,在強(qiáng)降雨初期存在降雨入滲率較低的現(xiàn)象。隨降雨時(shí)長增大,坡表砂質(zhì)粘性土含水率逐漸增大而發(fā)生垮塌。根據(jù)當(dāng)?shù)亟?jīng)驗(yàn),一般48h雨量大于100 mm時(shí),較多的住宅邊坡會(huì)發(fā)生坡面垮塌現(xiàn)象。
根據(jù)降水對(duì)項(xiàng)目區(qū)花崗巖殘積土農(nóng)村邊坡的破壞特征分析,結(jié)合當(dāng)?shù)剞r(nóng)戶的邊坡整治經(jīng)驗(yàn),現(xiàn)提出以下針對(duì)性建議。
1)削坡坡度的控制。邊坡的坡度對(duì)邊坡的穩(wěn)定性產(chǎn)生非常重要的影響。在不同坡度下,邊坡的承載能力和抗滑性都不同。(1)對(duì)于經(jīng)濟(jì)條件有限的農(nóng)戶,盡量避免一坡到底的削坡方式,建議采取簡易分級(jí)式.每級(jí)邊坡高度不大于5 m,臺(tái)階面寬度不小于0.4 m,臺(tái)階面采取中間高兩端低的形式。目的在于避免水分滯留對(duì)邊坡的穩(wěn)定性產(chǎn)生負(fù)面影響,最大程度保持坡面穩(wěn)定。(2)對(duì)有條件的農(nóng)戶,建議采取綜合防治措施:①規(guī)范化削坡,控制整體坡度低于45°,單級(jí)坡不大于8 m,臺(tái)階寬度不小于2 m;②建立完善的坡頂截水、坡中和坡腳排水措施,盡量減少坡面受水蝕影響;③坡面適當(dāng)考慮綠化防治,如人工種植桉樹、小型灌木等措施。在邊坡植被覆蓋率和根系分布等生物因素的作用下,土體的結(jié)構(gòu)也會(huì)產(chǎn)生很大的變化。較好的植被覆蓋率和較為完整的植被根系結(jié)構(gòu)可以顯著提升土體的抗剪強(qiáng)度和抗侵蝕能力。
2)應(yīng)加強(qiáng)邊坡管理和維護(hù),定期檢查邊坡的破壞狀況,并及時(shí)采取排水或者其他措施降低邊坡內(nèi)部土體含水率,從而控制靜水壓力的升高,延緩松弛帶的擴(kuò)展和沉降過程,保障邊坡的穩(wěn)定性。
對(duì)于經(jīng)濟(jì)條件有限的農(nóng)戶,采取政府全額補(bǔ)貼或部分補(bǔ)貼的方式,支持引導(dǎo)農(nóng)戶進(jìn)行邊坡整治,在整治資金有限的情況下,首先確保采取治理邊坡最有效的截排水溝措施,根據(jù)情況增加其他治理措施;
對(duì)于經(jīng)濟(jì)條件好且愿意自己出資整治的農(nóng)戶,采取政府部分補(bǔ)貼或不補(bǔ)貼的方式,積極引導(dǎo)農(nóng)戶進(jìn)行邊坡整治。對(duì)坡體進(jìn)行全面整治,包括坡頂截排水措施、坡體削坡減載、坡面封閉措施、坡腳擋土墻措施等,在保證有效減災(zāi)的治理目的下,最大程度的消除地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn),達(dá)到消災(zāi)效果;
(1)加強(qiáng)制度宣貫。讓避險(xiǎn)責(zé)任人充分認(rèn)識(shí)防災(zāi)減災(zāi)工作重要性,從基層抓起認(rèn)真開展災(zāi)害預(yù)防工作。在地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)生地區(qū),山邊水邊坡谷地帶的居民千萬要牢記防地質(zhì)災(zāi)害“五字經(jīng)”:住前不住后、住上不住下、小雨不休息、大雨走親戚,切實(shí)增強(qiáng)防范和應(yīng)對(duì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)的意識(shí)和能力。
(2)優(yōu)化土地利用規(guī)劃與管理。土地利用規(guī)劃與管理是農(nóng)村邊坡穩(wěn)定性提升的關(guān)鍵因素之一,當(dāng)前坡頂存在的墳?zāi)箚栴}、風(fēng)水問題大大限制了截排水措施的設(shè)置。建議應(yīng)首先應(yīng)避免隨意開墾拓展,盡可能保持原有的自然狀況和地貌特征,其次積極引導(dǎo)農(nóng)戶關(guān)于喪葬風(fēng)俗的意識(shí)問題,將其規(guī)范化、制度化管理。
(3)建立邊坡穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)體系,分類開展典型邊坡穩(wěn)定性監(jiān)測(cè),實(shí)現(xiàn)分類預(yù)警。邊坡分類事應(yīng)考慮地質(zhì)背景、邊坡形態(tài)、邊坡工程學(xué)特性、監(jiān)測(cè)手段和監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)等。具體來說,應(yīng)該采用多種監(jiān)測(cè)手段進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性監(jiān)測(cè),例如巖土工程監(jiān)測(cè)、氣象監(jiān)測(cè)、水文監(jiān)測(cè)、地形測(cè)量等,同時(shí)建立合理的監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)方案,以覆蓋整個(gè)邊坡的監(jiān)測(cè)范圍,從而實(shí)現(xiàn)全面、準(zhǔn)確地監(jiān)測(cè)邊坡穩(wěn)定性。
(1)本文針對(duì)花崗巖殘積土農(nóng)村邊坡這一典型邊坡進(jìn)行了坡面特征和失穩(wěn)破壞模式總結(jié),論證了降雨對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響機(jī)理,針對(duì)性得提出了有效的預(yù)防和整治措施,為同類邊坡整治提供可供借鑒的指導(dǎo)意義。
(2)為更好地認(rèn)識(shí)降水對(duì)花崗巖殘積土農(nóng)村邊坡穩(wěn)定性的影響,還需要進(jìn)一步研究其作用機(jī)理,包括降水引起的水力壓力及侵蝕、滲流作用等方面的細(xì)節(jié)研究,以及花崗巖殘積土的松散化機(jī)理、滲透特性等因素與降水的關(guān)系探討??梢酝ㄟ^多種實(shí)驗(yàn)手段,如現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)、室內(nèi)模擬等方式繼續(xù)提高研究的可靠性。為實(shí)際工程建設(shè)提供更加準(zhǔn)確、細(xì)致的規(guī)劃與指導(dǎo)。