濮聲榮

(陜西省水利電力勘察設(shè)計研究院,陜西西安 710001)

黃土工程邊坡設(shè)計的討論

濮聲榮

(陜西省水利電力勘察設(shè)計研究院,陜西西安 710001)

針對《水利水電工程邊坡設(shè)計規(guī)范》中對黃土邊坡設(shè)計成“陡坡寬馬道”的形式,提出了討論意見。從陜西省黃土地區(qū)工程邊坡實踐來看,除風成新黃土外,老黃土的工程特性與一般粘性土基本相近。由于邊坡土體受含水量和構(gòu)造結(jié)構(gòu)面的影響,邊坡不宜太陡。認為采用畢肖普法進行計算,在滿足總坡比穩(wěn)定的前提下,黃土單級坡比不宜陡于1∶0.5,單級坡高宜為8～10 m,馬道的寬度以5 m左右為好,以利于邊坡穩(wěn)定和施工方便。

設(shè)計規(guī)范;黃土邊坡;設(shè)計形式

0 引言

在學習《水利水電工程邊坡設(shè)計規(guī)范》(SL386—2007)時,牽涉到黃土工程邊坡的設(shè)計。規(guī)范6.2.6中提出“在邊坡的平均坡度滿足抗滑穩(wěn)定性要求的前提下,黃土邊坡宜開挖成‘陡坡寬馬道’的形式。馬道間的高度為5～10 m時,兩馬道間的開挖坡度可陡于1∶0.5。邊坡總高度>40 m時,可在坡高1/2稍高處設(shè)計寬平臺。平臺寬度應根據(jù)邊坡的整體穩(wěn)定和局部穩(wěn)定要求,經(jīng)計算確定”。

規(guī)范提出的“陡坡寬馬道”的邊坡形式,其要點有二:①單級坡高為5～10 m時,單級坡比可陡于1∶0.5;②當坡高>40 m時,在1/2稍高處設(shè)置寬平臺(馬道)。

上述意見值得討論,并由此想到黃土工程邊坡設(shè)計的其他問題。

1 陜西省早期在黃土工程邊坡設(shè)計中的認識

1.1 20世紀50～60年代渠道黃土邊坡的設(shè)計特點

單級坡高低,一般為5～8 m;馬道(平臺)窄,一般寬2 m;坡度陡,單級坡比一般為3∶1～4∶1。當坡高為40～50 m時,總坡比一般陡于1∶1。之所以如此設(shè)計,與當時對黃土的認識和穩(wěn)定計算方法有關(guān)。

在提到黃土邊坡時,給人們的印象是黃土可以保持直立狀的陡坡,認為設(shè)計的工程邊坡也可以陡一些。例如:我們在寶雞峽引渭塬邊渠道黃土邊坡設(shè)計時,曾先后采用8種計算公式或圖解法進行穩(wěn)定性計算,設(shè)計邊坡均較陡。但隨著黃土工程邊坡的施工及運用,邊坡的變形破壞現(xiàn)象也逐步發(fā)生。從70～80年代,人們認識到除表層黃土(Q3-Q4新黃土)可以具備較陡的邊坡外,Q2及其以前的黃土與一般粘性土基本相近,自然邊坡均較緩。

從工程實踐和土工試驗研究得到證明,黃土強度與其含水量關(guān)系密切,這一結(jié)論已被大家接受。我們在寶雞峽等塬邊渠道研究中,曾得到如下結(jié)論:

表層黃土0～5 m范圍內(nèi),黃土含水量<10%,一般為4%～8%;深5～15 m范圍內(nèi)黃土含水量為8%～12%,黃土呈堅硬狀,強度高,?？杀３纸浦绷⑦吰?跨度3～5 m的窯洞也可保持穩(wěn)定;深15～20 m的黃土含水量為12%～19%,呈半堅硬狀,具備較高的強度;深20～30 m的黃土含水量為20%～25%,一般為22%～23%,黃土呈硬塑狀;接近潛水位時黃土含水量為25%～28%以上。當坡體黃土含水量達到25%以上時,黃土強度接近飽和黃土強度。但我們過去進行黃土邊坡勘察試驗時,取樣常采用淺的試坑,所得樣品含水量較低,試驗黃土的強度較高,故穩(wěn)定計算所得的邊坡較陡。

1.2 20世紀70年代以后對黃土工程邊坡設(shè)計的認識

從陜西省引渭塬邊渠道、馮家山水庫總干渠道和抽黃總干渠道等黃土邊坡的破壞變形事件調(diào)查資料中得到如下認識[1]。

(1)單級坡比不宜太陡。當單級坡比為1∶0.5～1∶0.6時,一般不產(chǎn)生崩塌;坡比陡于1∶0.5時,一般會產(chǎn)生崩塌;當坡比達到3∶1～4∶1時,破壞變形則較為常見。這與區(qū)域發(fā)育的構(gòu)造裂隙傾角多為60°左右有關(guān),即坡比為1∶0.5～1∶0.6時,邊坡坡角小于裂隙傾角,裂隙切割土體而不會在坡面上逸出,不會造成邊坡土體坍塌或滑動。相反,如邊坡過陡,則裂隙切割邊坡土體會產(chǎn)生滑塌。

(2)總坡比也不宜太陡。實踐證明,只有表層黃土(Q3與Q4黃土)在自然環(huán)境條件下,?？杀３州^陡的邊坡。而Q2黃土及其以前的黃土的特性與一般粘性土相似,形成的自然邊坡為34°～42°(坡高75～45 m),一般≤42°(1∶1.10)。當工程邊坡>42°時,常易發(fā)生變形破壞事件。這與我們采用圓弧條分法(瑞典法、畢肖普法)計算結(jié)果相近。

(3)水對邊坡穩(wěn)定性的影響既是制約因素,也是誘發(fā)原因。大氣降水、地表水和地下水的滲入,使邊坡土體強度降低,特別是沿斷層裂隙滲入,使裂隙兩邊土體飽和,裂隙上面的c值為0,值甚低,容易促發(fā)滑塌現(xiàn)象。一般在久雨和暴雨之后,易發(fā)生此種事情。

筆者在寶雞峽引渭塬渠道施工后期和總結(jié)時,曾提出“陡坡寬平臺”的設(shè)計方案[2]。出發(fā)點是認為這種坡形既能節(jié)省開挖方量,又能滿足穩(wěn)定計算的要求。但從實際運用效果看,這不是最優(yōu)方案。在工程施工后期和運行初期,發(fā)生了多起邊坡破壞事件。后經(jīng)補充勘察和試驗研究,修改了原先的設(shè)計。最后采取對邊坡土體深層取樣—開挖平洞深達30～50 m來取樣品,采用圓弧形條分法進行穩(wěn)定計算,在滿足總坡比穩(wěn)定的情況下,采用不陡于1∶0.5的單級坡比,單級坡高不高于10 m,馬道寬5～6 m,并做好排水設(shè)計和坡面砌護的設(shè)計原則,事后證明是合適的。

對引水渠道黃土邊坡設(shè)計還有一條非常重要的經(jīng)驗,就是要預測邊坡未來的水文地質(zhì)環(huán)境,即邊坡被水浸濕后含水量提高及飽和的可能性,如可能飽和,則要用黃土飽和抗剪強度進行穩(wěn)定校核。坡面的防水措施和坡體的排水措施一定要做好[3]。

2 對黃土工程邊坡設(shè)計的新認識

在總結(jié)了有關(guān)工程的經(jīng)驗教訓之后,考慮到黃土的不均質(zhì)性、不完整性及對水的敏感性,對黃土工程邊坡的設(shè)計得到如下認識:

①黃土工程邊坡的總坡比穩(wěn)定計算宜采用畢肖普法,單級坡比不宜陡于1∶0.5,以1∶0.6為宜;②黃土邊坡單級坡高不宜太高,以8～10 m為宜,這樣便于施工,也便于設(shè)置排水系統(tǒng),過高易受雨水沖刷;③馬道寬度以5 m為宜,便于布設(shè)排水溝,便于行車,施工方便。原設(shè)計2 m寬度的馬道過窄,往往因風化、雨水沖蝕、凍融及邊坡坍塌等因素影響,平臺(馬道)很難保持,不便于邊坡的維修,排水設(shè)施容易被破壞。如邊坡高度超過60 m,為滿足總坡比的要求,可在坡高40 m以上位置設(shè)置寬平臺;④做好坡面排水系統(tǒng):坡頂和平臺要設(shè)排水溝,坡面也要設(shè)交叉排水溝,使排水順暢;⑤對坡面裂隙與洞穴要予以封閉,防止降雨和地表水進入。

3 結(jié)論

黃土工程邊坡的設(shè)計不僅要考慮邊坡土體開挖后黃土的抗剪強度,而且要考慮未來環(huán)境地表水和地下水對邊坡土體強度的影響,同時還要考慮斷裂結(jié)構(gòu)面對邊坡土體切割造成的不利影響,以及在設(shè)計馬道和單級坡高時還要考慮施工運輸和管理的方便。

[1] 濮聲榮.陜西水利工程地質(zhì)實踐[M].西安:陜西科學技術(shù)出版社,2002.

[2] 濮聲榮.寶雞地區(qū)黃土工程邊坡的變形破壞[C]∥第四屆全國工程地質(zhì)大會論文選集.北京:海洋出版社,1992.

[3] 濮聲榮.黃土濕度的時空效應對引渭工程黃土邊坡穩(wěn)定性的影響[C]∥第三十屆國際地質(zhì)大會水利系統(tǒng)論文集.鄭州:黃河水利出版社,1996.

(責任編輯:潘 瀟)

Discussion on the Design of Loess Slope

PU Shengrong
(Institute of Water Resources and Electric Power Investigation and Design,Xi’an,Shaanxi710001)

The paper provides discussion on designing loess slope as a form of steep slope with wide berm,which is mentioned in Design code for engineered slopes in water resources and hydropower projects(SL386-2007).From the view point of practice on the slope engineering in Shaanxi province,the engineering properties of old loess is close to that of cohesive soil,except new aeolian loess.As the slope soil affected by water content and tectonic structure plane,the slope is unsuitable to be steep.Using Bishop method,under the Presupposition of satisfying stability of slope ratio,the single-stage slope ratio is unsuitable exceed 1:0.5,the suitable single-stage slope height is 8～10 m,the suitablewidth of berm is about 5m.It is beneficial for slope stability and convenient for construction.

design code;loess slope;design for ms

P642.13+1

A

1671-1211(2010)03-0287-02

2009-10-09;改回日期:2009-11-20

濮聲榮(1938-),男,教授級高級工程師,水文地質(zhì)與工程地質(zhì)專業(yè),曾從事工程地質(zhì)工作。E-mail:psr38@163.com