延安北部地区公路边坡稳定性影响因素研究

贾拓 董琪

近年来，因为大规模石油开采和新农村建设的需要，延安北部的公路网络快速发展，除了延安—子长、延安—靖边、延安—吴旗等主干线路外，县乡之间、乡镇之间和村村之间的低等级公路建设速度也逐年提高。快速的道路建设工程对黄土地貌进行了截弯取直、削坡填平的施工活动，形成了大量高陡边坡。黄土斜坡的内应力平衡被普遍破坏，抗剪强度降低，增加了坡体不稳定性。同时，低等级公路缺乏必要的坡面防护措施，为地质灾害的形成埋下了许多隐患。本文通过对延安北部六县一区的低等级公路边坡专门的调查研究，分析了该地区公路边坡稳定性的影响因素，并针对性地提出了边坡设计和治理的应对措施。

1 延安北部地区公路边坡破坏特征

延安北部六县一区低等级公路沿线的边坡破坏形式主要以小规模的浅层黄土滑坡为主，且具有明显的发育特征:

1)滑坡发育密度大:由于区内黄土地貌复杂多变，公路建设过程中需要多次修坡削坡工程，对黄土地貌扰动点多，导致公路沿线滑坡发育广泛分布，相对密度很大。以延川县境内的延川—贺土坪公路为例，在不到2 km的路段上，公路一侧发生的大小滑坡共达到6个～8个之多，且局部路段滑坡的发生呈现串珠状的特征。

2)滑坡规模小:该地区公路黄土边坡破坏多为小型的浅层滑坡，滑体厚约5 m～8 m，高度约30 m～50 m，滑动体积均小于2 000 m3，个别小滑坡仅有数十立方米。

3)滑坡滑面及堆积物特征:该地区公路滑坡的破坏模式多为直线形—圆弧形崩滑模式，滑体后缘陡直，高度1 m～3 m不等。滑坡发生后残积坡体坡面较平滑，上部坡度约在70°～85°之间，中下部为55°～67°，多呈“L”形，滑体破坏时竖直位移较大，水平位移较小，多呈现滑塌的特征。滑坡的堆积体松散，原有结构完全被破坏，强度仅剩土体的残余强度。而且在滑坡发生后，为确保公路的畅通，滑坡堆积体多数被及时清理，仅余下比较平直的滑面。

2 边坡稳定性影响因素分析

2.1 黄土物理力学性质的影响

延安北部地区由黄土粒度组成，总体上自北向南逐渐变细，同时黄土中的粘粒增多，松散度也随着降低。在榆林市以南吴起—志丹—安塞—子长—延长—延川一线之间，晚更新世(Q3)黄土物理力学性质具有以下特点和变化趋势:

1)塑性较弱。塑性指数多在8～14之间，水理性质呈现北低南高。

2)含水率较低。天然含水量总的变化是自北向南，逐渐增高，一般在10%～25%之间，但在该地区，由于气候干燥降雨较少，含水量甚至低于10%。随着粘土矿物含量的增加，干容重也是自北向南逐渐增高。

3)密实度很差。孔隙较大，孔隙率高，压缩性自北向南逐渐减小。

4)抗剪强度较低。内聚力c自北向南明显增大，而内摩擦角φ变化不大。总体来说，延安北部地区由北向南黄土工程特性由差变好，土体工程性质趋向良好。

5)强渗透性。垂直节理发育形成黄土独特的渗透性，因此垂直方向的渗透系数大于其水平方向，大孔隙越发育，其差值越大。且新黄土比老黄土的渗透性强，致使黄土剖面自上而下渗透性逐渐减弱。这也是暴雨期间黄土边坡经常发生浅层滑动的一个重要原因。

6)湿陷性较强。在区内有自北向南逐渐减小的趋势。

区内黄土的以上典型物理力学特点，对黄土边坡的稳定性具有以下重要影响:

1)良好的渗透性和较强的水化变软性质，导致黄土边坡抗滑力下降，是边坡失稳破坏的重要原因。

2)黄土土体较高的可压缩性和湿陷性加剧了黄土边坡陷落滑塌的危险性。

3)含水量的高低与黄土边坡稳定性的关系极为密切，含水量增加，土粒间的胶结作用遭到破坏，强度大幅度降低，进而影响边坡的稳定性。在延安北部地区，气候干燥，降水量少，蒸发量大，黄土的含水量很低，抗剪强度也很低，黄土具有类脆性变形特征，含水量一旦升高，内聚力是先增大后减小，而内摩擦角则逐渐减小，黄土抗剪强度整体表现为快速下降，这是该地区多发黄土边坡破坏的一个重要原因[1］。

调查取样试验结果表明，天然含水量适中的黄土具有较高的强度，形成常见的垂直陡坎、土柱。而饱和黄土的抗剪强度大幅度降低，其中降幅最大的是c值，降幅达到2倍～3倍，φ值降幅不大，仅为1.1倍～1.2倍。因此含水量的高低与黄土边坡稳定性的关系极为密切，它通过土的强度指标进而影响边坡的稳定性。

2.2 降雨的影响

该地区地下水位较深，地下水对边坡的稳定性影响极小，但是大气降水形成的地表水极易从具有裂隙的土体中直接渗入，而垂直大孔隙发育又加速了雨水的入渗速度，直接影响斜坡的稳定性。一方面，降雨对已开挖的坡面冲刷，形成细小的汇水冲沟，随着降雨历时的增大，冲沟扩大，破坏了坡面的完整性[2］;另一方面，坡顶面的新黄土结构较疏松，且具有原生的节理和裂隙，降雨形成的地表水沿着黄土中的接力和裂隙下渗，使得坡体内部土体的含水量增大，内聚力减小，发生滑动破坏。

室内渗透试验明显得出，黄土的垂直渗透系数是水平渗透系数的1.1倍～1.5倍。且黄土的垂直渗透性具有上快下慢的特点，水位埋深在5 m以内，渗水在7 d以内可达潜水面，水位埋深在10 m左右渗水在30 d内可达潜水面，水位埋深在20 m～30 m时渗水在80 d～200 d可达潜水面。这就是降雨诱发的滑坡往往滞后降雨发生的原因，也是公路边坡破坏的模式均是浅层、小型滑坡的原因。

2.3 坡顶植被的影响

陡坡顶部长根植物具有典型的根蚀特点，根系沿着坡体顶部的裂缝生长，并不断向坡体内部延伸，根系使得裂缝的宽度增大，深度加深，雨水不断的流入到裂缝之中，加大了坡体的不稳定性。坡顶植被对雨水的涵养和滞洪作用尽管防止了水土流失，但会形成雨水原地积聚和垂直下渗。如树坑会形成相对低洼的洼地，雨水会积聚在这些洼地上，当时间久了就会形成积水洼地和落水洞，将会成为快速渗水通道，从而成为影响边坡稳定性的因素。本次野外调查研究表明，大多数的滑坡在滑动之前都有快速渗水通道，或为拉张裂缝，或为落水洞，或为积水洼地。

3 公路边坡设计和防护措施

3.1 公路边坡的设计建议

通过对公路边坡坡度的调查统计可以看出，边坡发生滑动后达到稳定的坡度为45°～55°，而原始边坡坡度在53°～67°;现阶段稳定的边坡坡度在48°～56°。结合现场取样测试和对失稳坡体与稳定坡体的调查测量，利用计算机对其进行稳定性计算得出不同坡度、坡高情况下的坡体稳定性系数如表1所示。从表1可以看出，对于坡高超过30 m的边坡，开挖后边坡坡度不宜超过55°，否则就很容易发生滑坡破坏。

表1 延安北部地区公路边坡稳定系数计算表

因此，在该地区进行公路边坡设计时要综合坡高和坡度的关系，科学考虑坡度、坡高、多级平台、平台宽度、平均坡比、单级坡比等设计要素，在边坡高陡时应考虑设置多级平台。根据表1和前人总结的经验，该地区公路边坡总坡度适宜在30°～50°范围，多级平台放坡时单级坡度可以考虑放宽至40°～70°，适宜的总坡比为 1∶1.26，单级坡比为 1∶0.57 ～1∶0.71[3］。

3.2 公路边坡防护措施

1)排水防水措施:

水是高边坡破坏的最重要诱发因素，该地区降水主要集中在7月～10月，降雨量约占全年降雨量的60%～70%，降水集中、强度大，土体由非饱和向饱和状态转变过程中，抗剪强度下降很快，是滑坡诱发产生的重要原因。因此，必须加强公路边坡的排水防水设施，在坡顶和平台上设置截水沟，在坡面设置汇水沟、急流槽，在坡脚部位设置排水涵洞，在坡体内部设置排水竖井和平硐等，是防治雨水诱发滑坡产生的重要措施。

2)边坡工程防护:

为了保证边坡的稳定，防止碎落、滑塌、掉块和雨水冲蚀等不良边坡灾害发生，边坡要进行坡脚衬砌和刷坡处理。高边坡地段由于地质构造裂隙的影响，为避免雨水大量冲刷边坡，在分级设置坡面的同时，设置平台，有助于减少风化和侵蚀。对于边坡高陡而分级设置困难的情况，应采取高边坡治理的工程措施，如加筋结构、排挡支护、格构锚固等。

3)坡面植物防护:

通过种植草、灌木或者铺设生物绿化带(如苔藓)等对边坡表层进行防护，以防治表层溜塌、减少地表水入渗和冲刷等。

4 结语

1)在区域内特殊的黄土工程地质条件下，延安北部地区低等级公路沿线滑坡的发育具有密度高、规模小且滑面及堆积体具有特殊的状态和性质;

2)黄土的物理力学性质、大气降雨和坡顶植被情况在不同程度上均对公路边坡的稳定性产生较大的影响，在设计和施工的时候应予以充分考虑;

3)公路边坡设计的开挖坡度和纵坡比在很大程度上影响了公路边坡的稳定性，在该地区进行公路边坡开挖时需要对边坡的坡度和坡比进行优化设计;

4)在进行公路建设时，需要对已开挖的公路边坡进行必要的坡面防护措施，以减少滑坡和崩塌等地质灾害的发生，减少其对人民生命财产的威胁。

[1]何红前，陈志新，叶万军，等.黄土高边坡变形破坏的基本形式及其机理分析[J］.西部探矿工程，2005(11):109-111.

[2]陈志新，李亚兰.黄土高边坡稳定性影响因素分析[A］.全国岩土与工程学术大会论文集(上册)[C］.北京:人民交通出版社，2003:601-607.

[3]叶万军，陈志新，邢娇秀，等.黄土高边坡优化设计[A］.全国岩土与工程学术大会论文集(上册)[C］.北京:人民交通出版社，2003:608-613.

[4]杨春友.公路边坡防护和加固技术探析[J］.山西建筑，2010，36(15):263-264.