黄土工程边坡设计的讨论

濮声荣

(陕西省水利电力勘察设计研究院,陕西西安 710001)

黄土工程边坡设计的讨论

濮声荣

(陕西省水利电力勘察设计研究院,陕西西安 710001)

针对《水利水电工程边坡设计规范》中对黄土边坡设计成“陡坡宽马道”的形式,提出了讨论意见。从陕西省黄土地区工程边坡实践来看,除风成新黄土外,老黄土的工程特性与一般粘性土基本相近。由于边坡土体受含水量和构造结构面的影响,边坡不宜太陡。认为采用毕肖普法进行计算,在满足总坡比稳定的前提下,黄土单级坡比不宜陡于1∶0.5,单级坡高宜为8～10 m,马道的宽度以5 m左右为好,以利于边坡稳定和施工方便。

设计规范;黄土边坡;设计形式

0 引言

在学习《水利水电工程边坡设计规范》(SL386—2007)时,牵涉到黄土工程边坡的设计。规范6.2.6中提出“在边坡的平均坡度满足抗滑稳定性要求的前提下,黄土边坡宜开挖成‘陡坡宽马道’的形式。马道间的高度为5～10 m时,两马道间的开挖坡度可陡于1∶0.5。边坡总高度>40 m时,可在坡高1/2稍高处设计宽平台。平台宽度应根据边坡的整体稳定和局部稳定要求,经计算确定”。

规范提出的“陡坡宽马道”的边坡形式,其要点有二:①单级坡高为5～10 m时,单级坡比可陡于1∶0.5;②当坡高>40 m时,在1/2稍高处设置宽平台(马道)。

上述意见值得讨论,并由此想到黄土工程边坡设计的其他问题。

1 陕西省早期在黄土工程边坡设计中的认识

1.1 20世纪50～60年代渠道黄土边坡的设计特点

单级坡高低,一般为5～8 m;马道(平台)窄,一般宽2 m;坡度陡,单级坡比一般为3∶1～4∶1。当坡高为40～50 m时,总坡比一般陡于1∶1。之所以如此设计,与当时对黄土的认识和稳定计算方法有关。

在提到黄土边坡时,给人们的印象是黄土可以保持直立状的陡坡,认为设计的工程边坡也可以陡一些。例如:我们在宝鸡峡引渭塬边渠道黄土边坡设计时,曾先后采用8种计算公式或图解法进行稳定性计算,设计边坡均较陡。但随着黄土工程边坡的施工及运用,边坡的变形破坏现象也逐步发生。从70～80年代,人们认识到除表层黄土(Q3-Q4新黄土)可以具备较陡的边坡外,Q2及其以前的黄土与一般粘性土基本相近,自然边坡均较缓。

从工程实践和土工试验研究得到证明,黄土强度与其含水量关系密切,这一结论已被大家接受。我们在宝鸡峡等塬边渠道研究中,曾得到如下结论:

表层黄土0～5 m范围内,黄土含水量<10%,一般为4%～8%;深5～15 m范围内黄土含水量为8%～12%,黄土呈坚硬状,强度高,常可保持近似直立边坡,跨度3～5 m的窑洞也可保持稳定;深15～20 m的黄土含水量为12%～19%,呈半坚硬状,具备较高的强度;深20～30 m的黄土含水量为20%～25%,一般为22%～23%,黄土呈硬塑状;接近潜水位时黄土含水量为25%～28%以上。当坡体黄土含水量达到25%以上时,黄土强度接近饱和黄土强度。但我们过去进行黄土边坡勘察试验时,取样常采用浅的试坑,所得样品含水量较低,试验黄土的强度较高,故稳定计算所得的边坡较陡。

1.2 20世纪70年代以后对黄土工程边坡设计的认识

从陕西省引渭塬边渠道、冯家山水库总干渠道和抽黄总干渠道等黄土边坡的破坏变形事件调查资料中得到如下认识[1]。

(1)单级坡比不宜太陡。当单级坡比为1∶0.5～1∶0.6时,一般不产生崩塌;坡比陡于1∶0.5时,一般会产生崩塌;当坡比达到3∶1～4∶1时,破坏变形则较为常见。这与区域发育的构造裂隙倾角多为60°左右有关,即坡比为1∶0.5～1∶0.6时,边坡坡角小于裂隙倾角,裂隙切割土体而不会在坡面上逸出,不会造成边坡土体坍塌或滑动。相反,如边坡过陡,则裂隙切割边坡土体会产生滑塌。

(2)总坡比也不宜太陡。实践证明,只有表层黄土(Q3与Q4黄土)在自然环境条件下,常可保持较陡的边坡。而Q2黄土及其以前的黄土的特性与一般粘性土相似,形成的自然边坡为34°～42°(坡高75～45 m),一般≤42°(1∶1.10)。当工程边坡>42°时,常易发生变形破坏事件。这与我们采用圆弧条分法(瑞典法、毕肖普法)计算结果相近。

(3)水对边坡稳定性的影响既是制约因素,也是诱发原因。大气降水、地表水和地下水的渗入,使边坡土体强度降低,特别是沿断层裂隙渗入,使裂隙两边土体饱和,裂隙上面的c值为0,值甚低,容易促发滑塌现象。一般在久雨和暴雨之后,易发生此种事情。

笔者在宝鸡峡引渭塬渠道施工后期和总结时,曾提出“陡坡宽平台”的设计方案[2]。出发点是认为这种坡形既能节省开挖方量,又能满足稳定计算的要求。但从实际运用效果看,这不是最优方案。在工程施工后期和运行初期,发生了多起边坡破坏事件。后经补充勘察和试验研究,修改了原先的设计。最后采取对边坡土体深层取样—开挖平洞深达30～50 m来取样品,采用圆弧形条分法进行稳定计算,在满足总坡比稳定的情况下,采用不陡于1∶0.5的单级坡比,单级坡高不高于10 m,马道宽5～6 m,并做好排水设计和坡面砌护的设计原则,事后证明是合适的。

对引水渠道黄土边坡设计还有一条非常重要的经验,就是要预测边坡未来的水文地质环境,即边坡被水浸湿后含水量提高及饱和的可能性,如可能饱和,则要用黄土饱和抗剪强度进行稳定校核。坡面的防水措施和坡体的排水措施一定要做好[3]。

2 对黄土工程边坡设计的新认识

在总结了有关工程的经验教训之后,考虑到黄土的不均质性、不完整性及对水的敏感性,对黄土工程边坡的设计得到如下认识:

①黄土工程边坡的总坡比稳定计算宜采用毕肖普法,单级坡比不宜陡于1∶0.5,以1∶0.6为宜;②黄土边坡单级坡高不宜太高,以8～10 m为宜,这样便于施工,也便于设置排水系统,过高易受雨水冲刷;③马道宽度以5 m为宜,便于布设排水沟,便于行车,施工方便。原设计2 m宽度的马道过窄,往往因风化、雨水冲蚀、冻融及边坡坍塌等因素影响,平台(马道)很难保持,不便于边坡的维修,排水设施容易被破坏。如边坡高度超过60 m,为满足总坡比的要求,可在坡高40 m以上位置设置宽平台;④做好坡面排水系统:坡顶和平台要设排水沟,坡面也要设交叉排水沟,使排水顺畅;⑤对坡面裂隙与洞穴要予以封闭,防止降雨和地表水进入。

3 结论

黄土工程边坡的设计不仅要考虑边坡土体开挖后黄土的抗剪强度,而且要考虑未来环境地表水和地下水对边坡土体强度的影响,同时还要考虑断裂结构面对边坡土体切割造成的不利影响,以及在设计马道和单级坡高时还要考虑施工运输和管理的方便。

[1] 濮声荣.陕西水利工程地质实践[M].西安:陕西科学技术出版社,2002.

[2] 濮声荣.宝鸡地区黄土工程边坡的变形破坏[C]∥第四届全国工程地质大会论文选集.北京:海洋出版社,1992.

[3] 濮声荣.黄土湿度的时空效应对引渭工程黄土边坡稳定性的影响[C]∥第三十届国际地质大会水利系统论文集.郑州:黄河水利出版社,1996.

(责任编辑:潘 潇)

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

濮声荣(1938-),男,教授级高级工程师,水文地质与工程地质专业,曾从事工程地质工作。E-mail:psr38@163.com