淺談黃土高邊坡變形破壞特征

摘 要：近年來(lái)，黃土高邊坡的變形破壞給黃土地區(qū)人民生命財(cái)產(chǎn)造成了巨大的損失，因此，文章通過(guò)分析黃土高邊坡的變形破壞的六種類型，不僅能更好地反映黃土高邊坡的特征，也為黃土地區(qū)的工程實(shí)踐提供了一定的參考依據(jù)。從而，避免對(duì)人民的生命財(cái)產(chǎn)造成不必要的損失。

關(guān)鍵詞：黃土高邊坡；變形破壞；類型和特征

1 概述

目前，在我國(guó)西北地區(qū)大規(guī)模的公路、鐵路建設(shè)中出現(xiàn)了大量高度大于30m的黃土邊坡，已建成的黃土邊坡最高可達(dá)108m。由于在現(xiàn)行規(guī)范中，對(duì)高度為30m以上的黃土邊坡缺乏明確的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，以致因設(shè)計(jì)不當(dāng)而造成的邊坡變形破壞現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生。據(jù)對(duì)陜、甘、寧等地區(qū)公路、鐵路黃土高邊坡的現(xiàn)狀調(diào)查，發(fā)現(xiàn)已建成的150多處高邊坡中約有60處已經(jīng)發(fā)生了不同程度的變形破壞[1]。近年

來(lái)，隨著國(guó)家“西部大開(kāi)發(fā)”戰(zhàn)略的實(shí)施，在我國(guó)西部黃土地區(qū)規(guī)劃有大量的鐵路和公路，因此，黃土高邊坡問(wèn)題就顯得尤為突出。

在黃土高邊坡存在的問(wèn)題中，邊坡變形破壞最為普遍。對(duì)于基坑開(kāi)挖、公路和鐵路修筑等過(guò)程中形成的邊坡，若是不規(guī)范施工，則會(huì)使得土體發(fā)生變形，變形過(guò)大時(shí)可能會(huì)引發(fā)滑坡；而已建成公路、鐵路在風(fēng)化、降雨和地震等作用下，也會(huì)引起邊坡的變形和破壞，如坡面沖刷、剝落、崩塌等。因此，黃土高邊坡的變形破壞是一種常見(jiàn)、多發(fā)、威脅人民生命財(cái)產(chǎn)安全的地質(zhì)災(zāi)害現(xiàn)象。

2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

黃土高邊坡災(zāi)害不僅危及人民生命、財(cái)產(chǎn)的安全，而且直接影響區(qū)域國(guó)民經(jīng)濟(jì)的順利發(fā)展，因此，對(duì)此開(kāi)展研究十分必要。其中，邊坡變形是邊坡產(chǎn)生破壞的首要前提，是邊坡穩(wěn)定狀態(tài)最直觀的反映。因此，其變形破壞特征，是研究重點(diǎn)和難點(diǎn)，是邊坡災(zāi)害預(yù)測(cè)、預(yù)防、預(yù)報(bào)和有效防治的理論基礎(chǔ)。

上世紀(jì)80年代，國(guó)際工程地質(zhì)協(xié)會(huì)將瓦恩斯的滑坡分類方法作為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，即按照運(yùn)動(dòng)形式，邊坡可分為傾倒、流動(dòng)、側(cè)向擴(kuò)離、崩塌和滑動(dòng)[2]。

谷德振等（1979）[3]、孫玉科（1980）[2]將邊坡的變形破壞模式歸納為：張裂順層追蹤破壞模式、追蹤平推滑移模式、水平剪切變形模式、傾倒變形破壞模式、順層高速滑動(dòng)模式。

盧肇鈞（1989）[4]通過(guò)分析土體變形破壞的機(jī)理，發(fā)現(xiàn)土的各向異性、土中的孔隙水、應(yīng)變、受力時(shí)間和加載速率、應(yīng)力會(huì)影響土的變形和破壞。

孫廣忠（1993）[5]把邊坡變形破壞的類型總結(jié)為：傾倒變形、崩塌、追蹤節(jié)理面破壞、潰屈破壞、水平滑動(dòng)、塊體滑動(dòng)、沿層面滑動(dòng)、圓弧滑動(dòng)。

彭先孚等（1995）[6]通過(guò)分析萬(wàn)縣豆芽棚邊坡的變形破壞特征，發(fā)現(xiàn)在遭遇洪水或者暴雨時(shí)，邊坡的變形會(huì)進(jìn)一步加劇。

陳守義（1996）[7]利用土的應(yīng)力應(yīng)變特性，將黃土滑坡分為漸進(jìn)破壞和突然失穩(wěn)兩類[8]。

金德鐮（2000）[9]將邊坡變形分為六類：剝落、張裂、蠕動(dòng)、坍滑、滑動(dòng)、崩塌。

倪萬(wàn)魁、劉東燕、張永興（2002）[10]采用有限元法模擬了某黃土高邊坡在不同降雨和地震條件下坡體應(yīng)力場(chǎng)的變化，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：隨著降雨的入滲，土體中含水量也逐漸增大，其塑性破壞區(qū)域不斷擴(kuò)大；地震使坡體中最大主應(yīng)力和剪應(yīng)力明顯增大，應(yīng)力集中帶的范圍擴(kuò)大，坡體內(nèi)塑性區(qū)也隨之迅速擴(kuò)大；黃土高邊坡的變形破壞方式主要為滑塌型，其過(guò)程為：坡體蠕動(dòng)→后緣拉裂→滑帶在坡體中下部形成并向兩側(cè)擴(kuò)展→剪出口形成→坡體突滑。

另外，根據(jù)野外調(diào)查和前人總結(jié)資料，王庚蓀（2001）[11]、陳志新等（2002）[12]、何紅前、陳志新、葉萬(wàn)軍等（2005）[13]、王兆云、陳芳（2007）[14]、吳萍、張駿、趙雄偉（2007）[15]、王念秦、羅東海、姚勇（2009）[16]、李長(zhǎng)發(fā)、鄒乾勝、羅東海（2010）[17]等對(duì)黃土高邊坡變形破壞的基本形式、模式進(jìn)行了進(jìn)一步研究。

盡管眾多學(xué)者進(jìn)行了這方面的探索、研究，但黃土高邊坡的變形破壞特征仍然以其特征不明確性、變形難覺(jué)察性、破壞不確定性等方面制約著地區(qū)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。

3 黃土高邊坡變形破壞類型及特征

黃土高邊坡的變形破壞可分為坡面破壞和坡體破壞兩大類。坡面破壞是坡體自身穩(wěn)定性滿足要求，但因?yàn)槠旅骈L(zhǎng)期暴露在自然環(huán)境中，在各類外地質(zhì)營(yíng)力作用下，坡面土體發(fā)生失穩(wěn)，包括坡面沖刷、剝落和濕陷變形；坡體破壞是因?yàn)槠麦w自身的穩(wěn)定性不滿足要求，隨著時(shí)間的推移，邊坡開(kāi)始發(fā)生變形而最終失穩(wěn)，包括崩塌、坍（滑）塌、滑坡[18]。

3.1 坡面沖刷

坡面沖刷是指降雨形成的坡面水流，在自重作用下向下流動(dòng)，愈向下流速愈大，并沖走坡面表層土體的現(xiàn)象。使坡面形成溝狀或洞穴狀，是常見(jiàn)的路塹邊坡變形破壞形式[13]。

沖刷主要受坡比的控制，坡比直接影響流速和匯水面積。坡面越陡，流速越大；坡面面積越大，匯流水的厚度也越大，沖刷力就越強(qiáng)[19]。在黃土邊坡的設(shè)計(jì)中，坡比一般最好控制在1：0.4～1：0.75。

3.2 剝落

剝落一般多發(fā)生在邊坡中部至坡腳。其特點(diǎn)為：陽(yáng)坡要比陰坡剝落更為嚴(yán)重；在坡度變化部位剝落要比其他部位嚴(yán)重；含鹽量高或者粘粒含量大的土體容易發(fā)生剝落。

其產(chǎn)生機(jī)理：黃土高邊坡在開(kāi)挖過(guò)程中，使得坡面表層一定范圍內(nèi)的土體受到擾動(dòng)，從而破壞了土體的完整性。又加之未及時(shí)防護(hù)，導(dǎo)致表層水分蒸發(fā)，進(jìn)而形成一個(gè)硬殼，雨水沖刷、晝夜溫差以及其他因素影響下，硬殼和下部土體逐漸發(fā)生分離，并在自身重力、風(fēng)和水等的作用下，沿坡面剝落，堆積于坡腳。

3.3 濕陷變形

由于黃土具有濕陷性，在一定壓力作用下，當(dāng)土體遇水浸濕后，在坡面上會(huì)形成一些陷穴，甚至整體發(fā)生下沉，使得破面的整體性發(fā)生破壞。

3.4 崩塌

崩塌又稱崩落、垮塌或塌方，是指陡坡上的巖土體被多組結(jié)構(gòu)面分割，在重力和其他外力作用下，突然脫離母體，以垂直運(yùn)動(dòng)為主快速向下崩落的表生地質(zhì)現(xiàn)象[20]。其特點(diǎn)是：沒(méi)有前兆，發(fā)生突然，每次崩塌都沿新的破壞面塌落。

其產(chǎn)生的機(jī)理：坡面陡直、具有良好臨空面的邊坡，其坡頂附近的微裂縫在雨水沖刷或后期改造過(guò)程中，逐漸向深部擴(kuò)展，同時(shí)，受結(jié)構(gòu)面切割的土塊在自身重力、水流沖刷或人類工程活動(dòng)的作用下失穩(wěn)，產(chǎn)生翻轉(zhuǎn)、滾動(dòng)破壞，形成崩塌[20]。

崩塌主要發(fā)生在以下幾種情況：（1）沿節(jié)理面或交叉節(jié)理處崩塌；（2）反坡的形成造成崩塌；（3）黃土洞穴引發(fā)的崩塌。

3.5 坍（滑）塌

坍（滑）塌是指坡度較陡的黃土高邊坡在人類活動(dòng)或者自然因素作用下，誘發(fā)的具有崩塌、滑動(dòng)、倒塌特征以及先滑后塌的變形破壞過(guò)程。普遍發(fā)生在厚度較大的高陡邊坡頂部和中部，具有群發(fā)性、頻繁性和突發(fā)性等特點(diǎn)[21]。

形成機(jī)理：坡體中的結(jié)構(gòu)面在地表水或者雨水的下滲侵蝕作用下，逐漸向深部擴(kuò)展，切割坡體，在自身重力或者其他因素作用下，坡體下部首先坍塌，由于上部失去支撐，繼而由下而上逐層發(fā)生坍塌，從而形成臨空面，進(jìn)而誘發(fā)滑坡。

3.6 黃土滑坡

滑坡是指邊坡上的部分巖土體，沿著一定的貫通性剪切破壞面，產(chǎn)生以水平運(yùn)動(dòng)為主的向下滑移的表生地質(zhì)現(xiàn)象[20]。具有多發(fā)性，是一種典型的、至今難以根除的地質(zhì)災(zāi)害現(xiàn)象。

雖然黃土的覆蓋較厚，降雨入滲不可能到達(dá)下部的隔水層，但是因?yàn)辄S土中存在大孔洞和張節(jié)理，地表水就會(huì)沿著這些大孔洞和張節(jié)理直接灌入，從而使得土體呈現(xiàn)為軟塑或者流塑狀態(tài)。坡體在自身重力作用下，沿軟弱結(jié)構(gòu)面發(fā)生滑動(dòng)，導(dǎo)致邊坡失穩(wěn)。其滑動(dòng)面是三段折的圈椅形，即上陡下緩中間為圓弧形。

4 結(jié)論和建議

本文通過(guò)對(duì)黃土高邊坡變形破壞的六種類型進(jìn)行初步探討，進(jìn)而對(duì)黃土高邊坡的防治提出以下建議：

（1）在對(duì)黃土高邊坡坡度和坡型的選擇中，既要結(jié)合邊坡自身的特點(diǎn)，更要嚴(yán)格遵照行業(yè)規(guī)范和工程經(jīng)驗(yàn)。坡度太緩，挖方量較大、坡面受沖刷路徑較長(zhǎng)；坡度太陡，容易使雨水對(duì)坡面產(chǎn)生沖刷、剝落甚至局部坍塌。因此，黃土邊坡的坡度，一般以1：0.4～1：0.75為易。

（2）俗話說(shuō)“無(wú)水不滑”，水是影響黃土高邊坡變形破壞的重要因素之一。因此，應(yīng)根據(jù)當(dāng)?shù)氐慕涤晏卣骱瓦吰滤幍匦蔚孛?，設(shè)置相應(yīng)的排水設(shè)施，包括地下排水和地表排水。

（3）據(jù)調(diào)查，大部分黃土高邊坡坡面都沒(méi)有防護(hù)措施，以致造成嚴(yán)重的坡面沖刷，因此，應(yīng)盡早對(duì)坡面進(jìn)行防護(hù)。比如骨架植草。

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作者簡(jiǎn)介：鄭秀紅（1988-），女，南寧學(xué)院助教，成都理工大學(xué)在職博士，主要從事地質(zhì)工程、巖土工程方面的教學(xué)與研究工作。