陕北地区黄土高边坡的设计探讨

摘要：对黄土独特的地质结构及物理力学性质进行分析总结，概括了黄土高边坡的破坏形式及黄土高边坡的设计思路，采用极限平衡法对黄土高边坡的稳定性进行计算分析，提出黄土高边坡合理设计的相关建议。

关键词：黄土高边坡；稳定性；坡型；极限平衡法

中图分类号：C35 文献标识码： A

近些年，随着国家西部大开发战略的深入推进、国家能源经济结构的调整，陕北的高产油气呈现出蓬勃的发展势头，伴随着工程建设的不断发展，陕北黄土地区上的油气站场形成的高边坡也越来越多。本文以延长气田某集气站场的高边坡为例，探讨分析陕北黄土地区高边坡的设计思路和设计方法。

1 黄土的特殊性质及地质结构

1.1 黄土的特殊性质

黄土是一种第四纪松散沉积物，在我国以西北地区（陕西、陕西、甘肃）的黄土地层分布最厚，最完整。黄土的主要特征有：颜色为淡黄、褐黄或灰黄色；颗粒组成以粉粒为主；具多孔性；富含碳酸钙；垂直节理发育。按地质年代可分为新近沉积的黄土（Q4）、马兰黄土（Q3）、离石黄土（Q2）、午城黄土（Q1）。

黄土的特殊性质：

（1）湿陷性

湿陷性又分自重湿陷和非自重（在自重和外荷载作用下）湿陷两种表现。从地质历史来说，一般地质年代Q3以前的黄土所表现出来的湿陷性已经不明显了；另外，黄土的湿陷性与其含水量、孔隙率及干密度也有关系，一般情况下，随着含水量的增大，黄土表现为压缩性增高，相应的以湿陷系数表示的湿陷性降低。

（2）结构性

由于其特殊的堆积环境、成岩的作用过程及颗粒组成的微观结构，黄土一般具有一定的结构性，这就是我们一般常说的黄土内部具有明显的垂直节理，在宏观上表现为黄土的直立性。于国新在文献中[1]认为黄土能够直立主要得益于黄土内部分布众多的针状空隙，这些针状空隙如同无数个微缩版筒状剪力墙，它通过颗粒之间的凝聚力把空隙之间的颗粒连成一个整体，从而保证了整体结构的稳定性。

（3）吸水势

吸水势亦称基质吸水势。吸水势的力学效果是一种负空隙水压力效应，使黄土具有很高的强度。这种强度随着含水量（饱和度）的增高而降低。一般，当含水量超过25%或土的饱和度大于65%时，由吸水势产生的负空隙水压力效应就降得很低，直至消失，这时，黄土的强度也会降得很低[2]。吸水势反映出黄土的抗剪强度对水是非常敏感的，水是降低黄土抗剪强度一个非常重要的因素。

1.2 黄土滑坡的地质结构

黄土边坡的破坏形式和破坏程度与其地质结构紧密相关。不同区域的黄土，性质差异很大，黄土边坡遇到的工程问题也不相同。因此，正确建立边坡地质模型，对黄土边坡设计和稳定性分析有着重要的意义。

根据滑坡所涉及的地层与结构，黄土滑坡主要可分为3大地质结构模型[3]：

黄土内滑坡，滑动面（带）在黄土地层内部，沿软弱层滑动。黄土内滑坡根据黄土所处的地质年代又可细分为新黄土单一结构模型、新老黄土组合模型、老黄土单一结构模型、老黄土与古黄土组合模型等。黄土内滑坡的滑动面（带）大多位于有上层滞水的古土壤层的顶部。

黄土与基岩接触面滑坡，滑动面（带）位于下伏的基岩顶面；

黄土―基岩滑坡，又可分为黄土―基岩顺层滑坡和黄土―基岩切层滑坡。

2 黄土高边坡变形破坏类型及机理

黄土因具有独特的物质组成、地质结构及历史成因，使得黄土高边坡地带普遍出现剥落、裂缝、崩塌等破坏现象。不同的黄土边坡破坏类型[4]所表现出来的特征及产生机理也各有不同。

2.1黄土剥落

剥落作为黄土边坡坡面破坏形式之一，主要有片状剥落、层状剥落、古土壤层剥落、厚块状剥落、表层结皮剥落。黄土坡面剥落与坡面的风化程度等因素有关，一般阳坡面比阴坡面剥落严重，坡面的坡度变化位置较其它位置剥落严重，粘粒含量大的易剥落，含盐量高的易剥落。

黄土剥落的发生主要是由于坡面未及时防护及表层水分蒸发的差异性（主要为粘粒含量及含水量差异），会在局部形成一层硬壳，加上昼夜温差变化引起的热胀冷缩，雨水冲刷或其它各种外界因素的共同作用，使硬壳逐渐与下部土体分离，在风、水及自重力的作用下，沿较陡坡面堆积于坡脚。

2.2 坡面冲刷

坡面冲刷是指降雨形成的坡面水流破坏边坡坡面，冲走坡面表层土体的现象。对于开挖过程中形成的挖痕，雨水或坡表水会在此处汇集侵蚀冲刷坡表，经循环的降水和径流作用后，使变形加剧，最终形成冲痕、冲沟、落水洞或者裂缝。

2.3 坍塌（滑塌）

坍塌是黄土边坡中常见且危害较大的破坏形式之一。

坍塌的发生主要是由于坡体的某些部位发育有节理裂隙，雨水或坡表水沿着裂隙下渗侵蚀，使裂缝进一步发育而切割下部坡体，在自重应力或其它外力作用下， 下部率先坍塌，上部失去支撑而发生由下而上的逐层坍塌。

黄土边坡发生坍塌后形成的坍塌体堆积于坡脚，在边坡后部会形成新的临空面，继而引起后部坡体继续坍塌或整体滑动，从而引起滑坡。

2.4 崩塌

陡坡上被直立裂缝分割的坡体，因根部空虚而产生折断压碎或局部移滑，失去稳定，引发突然脱离母体向下倾倒、翻滚，堆积在坡脚（或沟谷），此种地质现象称为崩塌。

坡面陡直，边坡具备一定的临空条件，坡顶黄土垂直节理或裂隙发育，在雨水或地表水下渗侵蚀作用下，裂缝贯通，在地震、水流冲刷坡脚或人类工程活动的诱发下， 极易发生崩塌。

2.5 滑坡

黄土滑坡是黄土地区广泛发育的一种地质灾害，是一种典型的、至今难以根除的灾害现象。因黄土的特有结构，后缘极易拉裂，地表水极易下渗至坡体，造成坡体加重，岩土强度降低， 在外力诱发下发生滑坡灾害。

对于黄土滑坡，常常发生在下伏软弱层（一般为古土壤）隔水性能较好， 地下水在此处运移过程中富集，使接触带进一步软化，抗剪强度迅速降低，加上坡顶黄土垂直节理和裂隙发育，在雨水及地表水作用下，滑动面极易贯通。

3 黄土边坡的设计方法

3.1 黄土边坡的分析方法

当前黄土边坡稳定性分析与评价方法，基本上可概括为自然地质条件分析法、工程地质类比法、力学分析法3种。自然地质条件分析法虽然只能得出定性结论，但它是其它各种方法的基础；工程地质类比法和力学分析计算法为半定量和定量的分析方法，可直接为工程设计提供所必需的数据，是边坡稳定分析论证的发展方向。

3.2 黄土边坡的设计思路

当前，工程实践中一般以自然条件分析法和工程地质类比法为基础，这主要体现在对黄土高边坡的坡型设计上，另外再结合极限平衡法对边坡的稳定性进行定量评价。黄土高边坡的坡型设计主要是采用“宽台陡坡”的设计思路，重点是控制单级坡高、坡比和坡形三者之间的关系。

（1）坡形。黄土高边坡的坡形可以参考已有的稳定自然边坡或人工边坡的坡形。通过现场大量黄土高边坡的调研，目前高边坡的坡形基本上均采用台阶形，这样的坡型设计可以将整个坡体分成相对独立的几个坡段，实际上是将坡体的重力分散到了“台阶”，减轻了坡脚应力集中，从而提高了边坡的稳定安全系数。

（2）坡比，一般可分为单坡坡比和综合坡比。综合坡比是保证黄土高边坡整体稳定的基础，由边坡的整体稳定性计算求得；单坡坡比是保证单级坡稳定的基础，可根据单级坡的稳定性计算求得。单级坡比的设计还需充分利用黄土结构本身特有的直立性，另外还应保证有利于控制水流对坡面的冲刷及坡面植草的生长。根据黄土边坡的冲刷试验[5]及黄土边坡的现场调研，单坡坡比一般以1：0.5～1：0.75为宜；综合坡比与单坡坡比之间的关系，主要是通过平台（宽度、数量）及单级坡高来进行调整，当边坡的总高度超过40m时，还应采用大小平台相结合的设计方法，小平台宽度一般为3～5m，大平台宽度一般为8～15m，大平台一般可在每间隔三～四级单级坡高位置设置一处。

（3）坡高，指单级坡高。研究表明，单级坡高与单坡坡比、黄土工程特性、年降水量这三者之间有较为密切的关系。一般情况下，单级坡高以6～10m为宜，其中以单级坡高为8m居多。

4 案例分析

YQ2-19集气站位于延安市延长县郑庄镇附近的黄土梁峁斜坡之上，集气站与通村道路相连，交通较便利。

因集气站的场平开挖、整平（勘察施工前），在站场的西侧形成了约20.0～50.0m高的黄土边坡，共有六级台阶，台阶宽度较窄，坡度较陡，近直立，边坡安全等级为一级。坡面上分布有大小不等的六处冲沟，受雨水及坡面汇水后，易造成边坡崩塌、滑塌现象。由于边坡临空时间较长，在④层古土壤层顶部已出现地下水集聚、浸润周边黄土的情况，且局部有掉块、垮塌和小变形缝的现象。目前来看，边坡正处于欠稳定状态，但是若不采取措施加以处理，当雨季来临，坡体黄土大面积受水浸湿，强度降低，另外再加上坡面大冲沟的汇水冲刷，将给边坡的安全带来非常大的隐患，因此必须加以治理。

西侧高边坡典型剖面图（现状图）

综合分析边坡地层结构和岩性特征，边坡的地质结构模型为老黄土边坡，可能的破坏形式为黄土内滑坡。因此在稳定性计算时，将③④⑤层黄土作为分析研究的对象，各层岩土的物理力学参数见表1；各层黄土的抗剪强度参数（C、ψ）是以地勘资料的土工试验数据为基础，并结合当地的参数取值经验，另外通过反算法多次试算综合所得。

表1 边坡岩土主要物理力学参数指标

为了研究该边坡的整体稳定性，笔者选取西侧边坡作为典型断面，对边坡的现状坡型及采用“宽台陡坡”设计思路调整后的坡型，分别进行稳定性计算。计算方法采用基于极限平衡法理论的Bishop条分法，各坡型的具体情况及稳定性计算结果见表2。

表2 各坡型及稳定性情况表

通过上述计算分析，我们发现，综合坡比是黄土高边坡整体稳定性能否得到控制的一个关键措施，必须将黄土高边坡的综合坡比控制在一个合理的范围内；另外在综合坡比确定的情况下，采用“宽台陡坡”的坡型设计方案能够最大程度的提高边坡的稳定性，也就是说黄土地区高边坡的坡型设计是最适宜采用“宽台陡坡”的设计思路。

在边坡整体稳定性能够保证的前提下，对各级坡面进行有效的防护也是非常有必要的。在坡脚可设置浆砌石挡土墙进行压脚处理，其他坡面采用浆砌石护面墙进行防护（有条件的也可采用三维网植草护坡等绿化措施）；各级平台设置排水沟，在坡顶设置截水沟，并对坡面原有的大冲沟进行有效的封填处理，避免冲沟的汇水继续对坡面产生冲刷破坏。

5 结论

1）合理的坡型设计（单坡坡比、综合坡比及大小平台）是黄土高边坡设计的关键，针对黄土这一特殊性质的岩土（直立性、湿陷性、易渗水），采用“宽台陡坡”的坡型设计方案无论是对边坡的稳定性、还是施工都是最适宜的。

2）黄土边坡稳定性计算所采用的岩土抗剪强度参数应通过土工试验、并结合地区经验及反算法综合求得，不能仅仅依赖于土工试验的数据。

3）水是影响黄土边坡稳定性最重要的因素之一，应根据边坡所处的地形、地貌以及当地的降雨情况，在坡顶、边坡平台处及坡体两侧设置必要的排水沟、截水沟等排水措施，重视水对边坡稳定性所产生的不利的影响。

4）在边坡整体稳定性能保证的前提下，对各单级坡面也需要进行适当的防护（护面墙或绿化防护），以免坡面长时间的受水冲刷而破坏（冲沟、坍塌等）。

参考文献：

[1] 于国新 黄土及其边坡稳定的一些探讨 铁路工程学报 2011（总153）.

[2] 邢义川 非饱和土的有效应力与变形―强度特性规律的研究[博士学位论文][D] 西安：西安理工大学，2001.

[3] 徐张建，林在贯，张茂省 中国黄土与黄土滑坡 岩石力学与工程学报 2007（7）.

[4] 王念秦，罗东海，姚勇 铁路黄土高边坡变形破坏机理及稳定性研究 铁路工程学报 2009（总130）.

[5] 高德彬，倪万魁，杨泓全 高速公路黄土路堑高边坡现场冲刷试验研究 中外公路 2007（3）：199-201.