琼北开挖土坡的稳定性评价与防治对策

杨 浩，曹运江，2，黄玉凤，罗福义，晏和开

(1.湖南科技大学 土木工程学院，湖南 湘潭411201;2.湖南科技大学 煤炭资源清洁利用与矿山环境保护湖南省重点实验室，湖南 湘潭411201;3.贵州省黔美基础工程公司，贵州 贵阳550001;4.云南省143 煤田地质勘查队，云南 昆明655000)

台风雨常引起洪涝等自然灾害，其范围广、雨量大并伴随飓风，引发的地质灾害也常直接威胁着人们的生命财产.国内学者通过对2005 年台风“海棠”所引发的浙江省洞头县地质灾害的初步分析，提出台风高强度降雨是其重要的诱发因素［1］.在台风型降雨与地质灾害的相互关系的研究和探索中，人们逐渐发现台风型降雨所诱发的地质灾害具有“即雨即滑”的特点，多为群发性地质灾害，灾害规模较小，一般为浅层滑坡、崩塌［2］.从台风所引发的张溪滑坡灾害机理的研究得出:其是由于台风风力加载作用及暴雨的淘蚀、软化与增重等一系列过程共同作用的结果［3］.2013 年，Ching-chuan Huang(何锋)在预报台风引发的泥石流灾害的研究过程中，通过研究莫拉克台风证实仅通过雨量阀值来确定一个有效的泥石流预报系统是不够的，应该对具体的边坡条件校准使用物理模型，从而增加泥石流预测的准确性［4］.目前，边坡稳定性的分析方法可以分为确定性分析法和可靠度分析法. 可靠度分析法主要分析影响边坡稳定的不确定因素，常用的可靠度分析法有一次二阶矩法(FORM)、蒙特卡罗模拟法(MCS)和响应面法(RSM)等;确定性分析法可分为极限分析法、数值分析法和限平衡法三类.随着计算机技术的快速发展，利用数值计算方法研究岩(土)体变形破坏机制与基于Matlab 神经网络预测滑坡稳定性已成为岩(土)体稳定性安全评价的重要研究方向［5－12］.近年来，我国内陆沿海地区对台风地质灾害有较全面的研究，但是对海岛山区台风所诱发的地质灾害研究得甚少.为此，笔者结合琼北丘陵地区已被开挖的土坡实例，运用Geo-Slope 稳定性计算软件中的Slope/W 模块，对该土坡在天然与台风2 种不同工况下的稳定性进行了计算与分析，旨在为琼北丘陵地区的土坡开挖和施工支护提供文献与数据的支持，从而使人们能更经济地和科学合理地保护好他们的生命财产.

1 工程概况与地质环境条件

1.1 工程概况 研究区地处海南省北部，属丘陵地带，该土坡为阶梯状土质斜坡，土质松散，植被覆盖率约为70%，由于居民房建设场地的整平开挖，坡脚处形成了高约8 m，近于垂直的陡坎.其前缘形态总体呈弯曲度较小、突向SSW 的弧形结构，沿已建住房后侧分布，长约270 m.土坡平均高差约80 m，土层最大厚度约15 m，坡度从坡体前缘80°至后缘20°;于空间上，在X 轴(长轴)为NWW －SEE 方向、Y 轴(中轴)为NNE－SSW 方向、沿Z 轴(短轴)呈较陡峻的似扁平的橄榄球形状.在台风期间，坡面常遇滚石或陡峻地段泥土的小范围崩滑，直接威胁到坡脚20 户居民的生命财产安全，地质灾害危害程度为中等.

1.2 地层岩性 据1∶50 000 的地质调查资料，本区地层主要为上古生界中石炭统青天峡组(C2q)和下二叠统峨查组(P1e)以及第四系全新统残坡积层(Qhpal)覆盖.坡体主要由松散残坡积层、全风化及强风化层覆盖，未见其他地层出露.

第四系全新统冲洪积层(Qhpal):分布于研究区东侧，为冲洪积砂砾石层及红色亚粘土、含砾砂土及腐殖土.

下二叠统峨查组(P1e):主要出露于研究区南面及东南面，面积出露比较广，岩层走向为北东向，厚度＞1343 m，为一套浅海相碎屑岩，岩性主要有千枚岩、板岩、变质粉砂岩、变质细粉砂岩等.

中石炭统青天峡组(C2q):主要分布于研究区北部及北西部，出露面积不大，岩层走向为北东向，厚度＞304 m，为一套经历了区域绿片岩相变质作用改造的浅海相陆源碎屑岩，岩性主要有浅灰、灰白色微晶大理岩、黑云角岩、板岩、变质粉砂岩、砂岩等.

1.3 地质构造及地震 区域构造上处于王五－文教大断裂带与昌江－琼海构造带之间的NE 向谭爷断裂带内，位于红岭－军营背斜的东南侧，由于残坡积层发育，地表露头甚少.

研究区地震烈度属VI 度区.

1.4 水文地质 研究区处于东亚大陆季风气候的南缘，属热带季风性气候，雨量充沛，雨水主要来源于热带季风雨和台风雨，每年5 ～6 月份为季风雨高峰期，8 ～10 月为台风雨高峰期，冬、春两季降雨较少，平均年降雨量为1 652 mm，土坡地表水发育，在坡体上可见明显冲沟.

研究区一带地下水主要为孔隙水，其发育、赋存均在残坡积层内，裂隙水主要赋存于构造带中.

2 土坡稳定性影响因素分析

此土坡植被以小型果树、草类植物和低矮、贴地生长的藤类植物为主，对台风风力的阻挡作用微弱，台风风速与灌木、草类斜坡相关性偏低［13］.经分析，该土坡稳定性主要受岩土体工程地质特性、人类工程活动和降雨的影响.

2.1 岩土体工程地质特性 土坡表层以第四系残坡积粉质粘土、坡积碎石土为主的覆盖层组成，粉质粘土颗粒细，孔隙度小，渗透性弱，在浸水后其抗剪强度显著降低，因此，在台风降雨过程中在地表水下渗等因素的综合作用下，坡体的抗剪强度指标将明显弱化，极易在粉质粘土层中形成贯通面，引起崩滑.

2.2 人类工程活动 在建筑场地平整和开挖坡脚，会破坏原有坡体的稳定性，使前缘形成陡坎，这是该土坡出现潜在地质灾害的根本因素.坡脚的开挖，一方面，改变了斜坡脆弱的平衡条件;另一方面，人为制造了良好的临空条件，从而加速了土坡变形.

2.3 降雨 该土坡集水面积约0.03 km2.台风雨与一般降雨不同的根本原因在于其可在短时间内集中大量雨水，在此情况下，雨水渗透使土体(带)软化、泥化，土体抗剪强度的降低对诱发土坡崩滑产生起了直接的作用;其次，暴雨可以在短时间内于土坡体内产生较大的动水压力，坡体受到的动水压力对诱发土坡崩滑起到了间接的作用.因此，台风雨是该土坡出现崩滑的最主要的诱发因素.

3 土坡稳定性分析与评价

3.1 计算剖面选取及模型建立 根据研究区地质勘查报告资料，土坡地质结构共分为3 层4 个区域，图切了6 条剖面作为土坡稳定性计算剖面，本文仅选取了其中1 条最具代表性的地层岩性剖面作为研究对象(图1).

3.2 计算工况及参数选取 本文主要研究与对比在天然与台风2 种不同工况下的土坡稳定性问题，台风工况的特点是:1 ～3 d 内为短时特大暴雨，其雨量大，时间短，降水主要转化为以地表径流为主.研究过程中经历了3 种不同类型的台风工况:台风工况A，降雨量为177.54 mm·d－1，8 级大风;台风工况B，降雨量为119.9 mm·d－1，6 级强风;台风工况C，降雨量为5.6 mm·d－1，6 级强风.台风雨24 h 内，对该土坡勘查取样，并进行物理力学试验，同时结合类似工程的参数取值，综合考虑各项因素及其指标，研究区涉及的各岩土体物理力学参数取值如表1 所示.

3.3 稳定性计算与评价 通过Geo-Slope 中的Slope/W 模块计算求得土坡在天然工况与3 种不同类型的台风工况下，M－P(摩根斯坦)、Janbu(简布)和Bishop(毕肖普)3 种不同算法的最危险滑面的稳定性系数(表2).参照《滑坡防治工程勘查规范》(DZ/T 0218 －2006)，该土坡在天然工况下的安全系数均大于1.35，处于稳定状态;在A 与B 2 种台风工况下其土坡安全性系数均小于1.05，处于不稳定与欠稳定间的临稳状态，可能随时产生崩滑;在C 台风工况下其安全系数最小值为1.251，处于稳定状态.

图1 研究区土坡地质剖面图

表1 土质边坡岩土计算参数取值表

表2 天然工况与台风工况下不同算法的最危险滑面的稳定性系数

3.4 计算结果的分析 在天然工况下，计算得到的安全系数均较大，满足规范要求，这说明土坡失稳的可能性很小.A 与B 2 种不同台风工况下，地表流水的强度高，其快速冲刷坡面前缘临空面的棱角和孤石基础，此时由于土体抗剪强度骤降而致使其临空面崩塌、表层粘土蠕动、坡面石块松动滚落以及表层滑动，土体被剪切破坏，土体瞬时入渗系数增大，粉质粘土层含水量增加，抗剪强度减弱. 同时，随着降雨时间的推移，地下水位上升，动水压力随之增大，加之早期的前缘崩滑与土表面蠕动，从而引发粉质粘土层位的滑动.从A 与B 2 种不同台风工况不难发现，降雨强度与坡体稳定成正比.台风雨24 h 内，台风工况A相对于台风工况B 其土坡更具发生崩滑的可能性，推测该土坡有如下的地质灾害活动趋势:坡面滚石、临空面崩塌→表层土体饱和→表层蠕动→粉质粘土层饱和→粉质粘土层滑坡.对比坡体在A 与B 2 种不同台风工况下，对于最危险潜在滑面的位置与形状，两者破坏规模基本重合，破坏特征相似，剪出口均最可能位于临空土体和第四系覆盖层与下伏全风化岩层的接触界面处(图2).

图2 A 与B2 种不同台风工况下土坡最危险潜在滑面位置与形状

台风工况C 情况下，瞬间雨量大，但总体雨量小.由表1 可知，其岩土物理力学参数受C 台风的影响较小，只稍作变化，这表明台风雨主要转变为地表径流，仅少量入渗土层.对比A，B 与C 3 种不同台风工况的稳定性系数，不难发现，诱发土坡滑动的主要因素是高强度降雨.

综上所述，依据边坡稳定性系数确定，在不采取抗滑措施情况下，研究区土坡存在诱发地质灾害的可能性，地质灾害危险性大.天然工况和台风工况C 情况下，土坡稳定性较好.台风雨24 h 内，在A 与B2 种不同台风暴雨的情况下，均可能滑动.相比台风工况B，台风工况A 更容易滑动，建议及时治理.

4 防治对策

根据土坡的天然特征、土体结构及其他影响因素，结合Geo-Slope 模拟稳定性的计算结果，从技术可行性、经济合理性和适用性以及安全保障等因素进行综合考虑，对该土坡的治理工程方案提出如下建议:

4.1 限制人类工程活动、提高居民的地质灾害安全意识 人为开挖坡脚是土坡失稳的根本原因，因此，限制土坡周围居民的工程活动是当务之急.此外，应增强当地居民的地质灾害安全意识，增强当地居民对地质灾害的应急逃生能力，在未完成治理工程前，逢台风暴雨天气，土坡下方的居民应采取紧急疏散和回避的措施.

4.2 反压坡脚 为防止前缘局部垮塌而引起后缘滑坡，应根据临空面的不同，在坡脚设置相应的重力式挡土墙，挡土墙与土体架空部位应充填碎石土，给予坡脚加载;同时，要充分排水，以保护坡脚，增加坡体的抗滑性能.

4.3 修筑截、排水沟和设置防护网 台风雨表现为短时内特大暴雨，降水主要以地表径流为主，所以地表排水设施应依据以往强台风的最大降雨量与坡面汇水面积计算相应尺寸.另外，坡脚挡土墙上应设置被动柔性防护网，防止雨水冲刷而引起坡面的岩石滚落，引发次生灾害.

4.4 植被绿化 植被绿化应以低矮灌木类和草类为主，以有效地稳固土体、减缓地表水入渗地下的速度;同时，要减少植被的迎风面积，以便降低台风期飓风对土坡的下推力与风振作用.

5 结 语

土坡稳定性问题是地质工程领域常见的问题，本文所探讨的是由于人类工程活动开挖坡脚后，遭受台风工况下的土坡失稳问题，能给研究区坡体开挖、施工支护提供有力的数据支撑. 本文通过采用Geo-Slope 软件中Slope/W 模块对其进行了稳定性评价，获得如下的结论:

(1)土坡在天然工况与台风工况下C 种稳定性良好.台风雨24 h 内，在A 与B 2 种不同台风工况下，其稳定性系数均小于1.05，坡体均处于临稳状态，诱发土坡滑动的最主要因素是高强度降雨，其中，最危险的潜在滑面为第四系覆盖层与下伏全风化岩层的接触界面.

(2)推测该土坡地质灾害的活动趋势为:坡面滚石、临空面崩塌→表层土体饱和→表层蠕动→粉质粘土层饱和→粉质粘土层滑坡.此土质边坡的稳定性差，地质灾害危险性大，建议及时采取防治措施.未完成治理工程前，逢台风暴雨天气，土坡下方居民应紧急疏散和回避.

(3)采用Geo-Slope 软件对该区域进行土质边坡稳定性的评价，具有合理性，可在类似地区推广应用.

本文仅研究和对比不同台风工况、天然工况以及台风雨24 h 内土坡稳定性的变化特征，建议在后续研究中考虑增加地震工况与台风雨24 h 后土坡稳定性的变化特征.

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