黄土渠道边坡的稳定性问题

关于黄土路堑边坡的稳定性，国内很多人都进行过研究。黄土中修建渠道的边坡稳定性问题与路堑边坡的稳定性问题基本相同。

通过对已建渠道和路堑边坡破坏现象的分析，可知边坡破坏有两种类型，即大气降水引起的地表径流引起的边坡侵蚀和设计考虑不周、施工不合理引起的滑坡。坡面侵蚀可以通过施工措施来防止(一般打磨、抛光的方法比较有效)。如果设计有失误，施工中很难防止滑坡边坡破坏。显然，为了保证边坡的稳定性和可靠性，必须进行正确的边坡结构设计，也就是对边坡稳定性进行正确的预测。我们来讨论一下边坡稳定性的预测。这里所说的边坡稳定性，不包括侵蚀破坏边坡的问题，主要是指滑坡破坏引起的边坡破坏。迄今为止，研究边坡稳定性的一般方法可归纳如下:

(1)以极限不平衡理论为基础，建立了严密的数学力学方程组的数学力学分析方法:由Regin (1857)首创，由前苏联的B.B. Sokolovsky进一步发展。这种方法在数学力学理论上是严谨的。但到目前为止，它还没有发展到能够充分反映自然土层复杂的基本特性来解决实际问题的阶段，因此在实践中没有得到广泛的应用。

(2)假设破裂面计算边坡土体平衡条件的半经验方法由库仑(1773)首创，许多学者继续研究并提出了各种破裂面假设。其目的是简化数学和力学分析方法，便于实际应用。由于学者们研究的土壤性质不同，提出的假设在实践中有很大的局限性。如果在实践中采用最宽圆柱滑动面的假设，它适用于塑性土，但不适用于脆性和流变性土。

(3)根据极限平衡条件，前苏联提出了将破裂面作为稳定边坡的数学力学分析方法。从它的基本原理，很容易发现它的假设本身并不完美。在实际现象中，经常看到滑动面形成的边坡是不稳定的。所以这个假设似乎已经没什么继续研究的必要了。

(4)工程地质条件对比法:是工程地质和技术人员经常采用的方法，值得重视。但有时由于人为条件超过了自然和现有的工程条件，往往难以适用。这种方法必须与其他方法相结合，才有光明的前途。

(5)模型试验法:虽然有50年的历史，这种方法还处于研究阶段，但原则上是一种很有前途的方法。

从上面可以看出，每种方法都有其优缺点。因此，在实践中，经常采用各种方法进行比较和研究。需要指出的是，在使用某一种方法工作时，首先要了解各种方法的适用条件，否则就会带有主观性和盲目性。在实际工作中，也要防止随意拼凑的现象。

为了解决黄土渠道边坡的稳定性问题，我们采用了上述第二种和第四种方法进行研究，即通过分析现有黄土边坡稳定性工程地质现象的调查资料，研究出一种计算黄土渠道边坡稳定性和预测黄土渠道边坡稳定性的经验方法。除了调查黄土通道的边坡稳定性外，我们还调查了已建成的天蓝路和兰银路。在勘察过程中，重点关注了三个问题:①不同黄土层中的边坡稳定性；②黄土边坡的破坏模式和破裂面形状；③黄土的结构性现象，如结构节理、柱状节理等对边坡稳定性的影响。

已建成的黄土渠道的边坡稳定性已在“渠道调查”一文中介绍过(见《孙广忠地质工程文选》)。在讨论边坡稳定性预测的原理和方法之前，先讨论一下路堑边坡稳定性调查的结果。路堑边坡勘察资料介绍如下:

(1)天蓝路冲沟主要位于老黄土中。老黄壤层上部有10 ~ 20m新黄土。这条线的切坡一般为1: 1.0，少数陡至1: 0.5。

无论路堑经过何种类型的黄土，其边坡系数均为1∶1.0，除少数地段(如冷水岔)已被地下水活动破坏外，总体稳定。但如果坡度比这个陡，那就不成立，有的是稳定的；其他的已经被摧毁了。

图12-1天兰路几个代表性边坡剖面的稳定性

如图12-1所示，坡度系数为1∶0.5，顶部为20m新黄土，底部为老黄土。边坡总高度近60m，上部已破坏，下部仍稳定。

同一断面附近，路堑边坡系数为1∶0.75，安全稳定，无破坏。

(2)兰银路狄家台至兰州段，有以下三种情况(见图12-2):

A.对于高度为10 ~ 15m的新黄土路堑，1∶0.5的边坡系数不稳定，1∶1.0的边坡系数稳定。

图12-2兰银路(兰州至翟家台段)路堑边坡稳定性

b .由老黄土组成的路堑边坡稳定，高度为1.5 ~ 20m，边坡系数为1∶0.5。当边坡系数为1∶0.75时，高度为30 ~ 40m的边坡也是稳定的。

C.当上部为10 ~ 15m的新黄土，下部为老黄土，老黄土厚度大于30m，上部采用1: 1.0的边坡系数，下部采用1: 0.5的边坡系数时，边坡未发现破坏现象。相反，上部新黄土的部分边坡已被破坏(图12-2b)。

需要指出的是，边坡破坏大多发生在新黄土层，但老黄土有时会受到上部新黄土的影响，有时也会遭到破坏。

(3)永登地区中小型黄土渠道已建成，从调查结果中得出了以下三个概念:①新黄土边坡高度约10m用于施工时，若边坡系数为1∶0.5，则稳定性不同，破坏现象多发生在坡顶，高度大于10m的新黄土边坡施工时不稳定；30 ~ 35m高的黄土古河道坡度系数为1∶0.6，未发现破坏；(3)渠道穿越有结构面的黄土层时，结构面向渠槽倾斜，当结构面倾角大于40° ~ 54°时，往往会出现破坏现象。

(4)临夏北苑渠勘察结果表明，当施工边坡系数为1∶0.5时，高达15m的黄土老边坡是稳定的；当高度达到30 ~ 35m时，坡度系数为1∶0.6，同样稳定。

(5)当自然剖面中的黄土具有柱状壁时，坡度往往是垂直的。崖前常有块状黄土堆，很可能是剖面上黄土沿垂直壁面崩塌形成的。

在野外工作中，我们不仅调查了黄土边坡稳定性的概况，还观察了黄土边坡的破坏模式和破裂面形状。

黄土边坡的破坏模式在很大程度上是由土的结构和构造特征决定的。黄土边坡的破坏方式有三种:①均质、微层状黄土(新老)边坡在破坏时往往具有一定的破裂面。边坡破坏时，沿破裂面滑下；(2)结构性裂隙黄土破坏时，被节理切割成块状的土体主要沿裂隙面滑下；③由柱状劈理黄土组成的边坡破坏时，主要以崩塌破坏为主。

工作中发现，黄土边坡破坏时，有三种破裂面(图12-3):

(1)断面形状接近直线。断裂面倾角大多为65° ~ 70°，有的小至50°。

图12-3黄土人工边坡破坏形式

(2)断口是由两条直线组成的折线，上直线段远大于下直线段。

(3)它的断裂面是由两条直线和一条短曲线组成的折叠曲线，上面的直线远大于其他两部分的组合。

一般上述两种破裂面(2)和(3)的上倾角为60° ~ 80°，多为70° ~ 75°，下倾角往往为35° ~ 40°。

在上述三个断裂面的任何一个的顶部都有一个垂直的悬臂。悬臂的高度因黄土的类型而异。一般来说，新黄土为0.8 ~ 1.5~2.5m，老黄土为1.5~2.5m..根据实际调查，当边坡高度小于30 ~ 40m时，具有破碎面的边坡下部缓倾角的折线比例很小，很少超过1/4或1/5。当边坡大范围破坏或涉及地下水活动时，破裂面的实际情况有很大不同。关于这类断裂面的资料不多，不太清楚。下面我们将重点介绍低边坡的稳定性。

根据对实际观测数据的分析，我们得出了一个初步的结论，即黄土槽低边坡的稳定性可以通过直线或平面破裂面的假设来预测。

在预测工作中，可用图12-4所示的力学计算简图计算黄土边坡的稳定性:首先假定一定的边坡坡度，在边坡的不同高度A、B、C处制作不同倾角的假定破裂面，并校核其最大稳定高度。假设用几个坡度系数计算最大坡高，可以得到如表12-1所示的数据。该数据经经验数据修正后可作为设计标准(表12-2)。

图12-4黄土边坡稳定性计算示意图

图12-5非均质土层边坡稳定性计算示意图

黄土层工程性质的计算指标在不同深度是不同的。在计算施工边坡的稳定性时，我们建议按照图12-5中的假设进行求解，即假设破裂面上的垂直压力为:

地质工程原理

正压力Ni为:

地质工程原理

抗剪切力为:

地质工程原理

剪应力Si为:

地质工程原理

那么斜坡上的土壤平衡条件可以用公式(14-5)表示，即:

地质工程原理

式中:hi为相同工程性质土层的厚度；γi为hi土层中的自然重力；φi为hi土层的内摩擦角；Ci为hi土层的剪切常数；α是假定的断裂面倾角；Li为假设的断裂面长度Li=hi/sinα，ci相同。以上是均质和微层状黄土边坡稳定性计算的原理和方法。

利用上述方法，我们将陇西典型地段黄土渠道施工坡度的计算结果列于表12-1。

表12-1陇西地区修建黄土渠边坡极限稳定高度计算

表中选取新黄土γ = 12.8 ~ 13.0kn/m3，老黄土w(水)=10%，φ = 21，c=22kPa，γ = 13.5 ~ 65433。稳定系数K=1.10作为极限稳定高度。

与上述数据相比，显然计算结果与调查中获得的数据大致一致。陇西地区黄土渠道施工边坡稳定系数参考数据见表12-2。边坡稳定不仅要保证台阶的稳定，还要保证整个边坡的稳定。总边坡的稳定性由次边坡系数、次边坡高度和台阶宽度决定。

表12-2陇西地区黄土渠道边坡稳定性参考

陇西地区新黄土和老黄土经常重叠堆积，形成双层土壤剖面。这种双层黄土通道的边坡稳定性值得注意，即当旧的黄壤层被新的黄土层覆盖时，边坡稳定性有降低的趋势。结合陇西地区新黄土的分布，计算了10 ~ 15m新黄土层覆盖旧黄壤层的双层土壤剖面的边坡稳定性。结果表明，如果新黄土层上部采用极限稳定坡系数，老黄壤层下部采用相应高度(按总高度)的单一土层的极限稳定坡，则双层土剖面的黄土槽坡是不稳定的，即其稳定性有降低的趋势。

因此，指出在双层黄土结构的情况下，建设工程时应特别注意对其稳定性的研究。一般来说，如果上部采用极限稳定坡度，下部应采用比相应高度的单一土层的极限稳定坡度更缓的坡度，或减缓上部坡度。什么样的方案合适，要通过经济比较来决定。

老黄土中常发育交叉结构面，对边坡稳定性有很大影响。

当具有结构面的黄土边坡破坏时，坡土系统沿结构面滑下。

在野外调查中发现，由具有结构面的老黄土组成的边坡在破坏时，坡上的土体沿结构面下滑时的结构面最小倾角(表12-3)。当倾斜通道的节理倾角大于38° ~ 40°时，含有结构性裂隙的老黄土构成的边坡容易发生破坏。边坡沿结构面破坏的严重性不在于边坡上被结构面切割的小块土滑下，而在于它可能引起边坡的大规模破坏(图12-6)。

表12-3结构面发育的老黄土边坡滑动面最小倾角

老黄土中的节理一般稍有胶结。但由于挖掘、卸载、风化等原因，常分离。从土的抗剪强度来看，此时沿节理面的剪切常数可视为零，其抗剪主要由内摩擦角承担。

因此，根据我们的分析结果，可以得出这样的结论:黄土裂隙通道施工边坡的稳定性与节理面倾角之间的关系可以简化为(12-10):

地质工程原理

式中:k为边坡稳定系数；φ为黄土沿节理面的内摩擦角；α为节理面倾角。

公式(12-10)表明，在有构造裂隙的老黄土中开挖渠道时，边坡稳定性与坡高关系不大，主要取决于构造节理面倾角与黄土沿节理面内摩擦角的关系。

结构节理发育的老黄土抗剪强度一般较高，其内摩擦角达到35° ~ 40°也不少见。而且节理有一定程度的胶结，与上述观测结果一致。

为工程安全起见，在有构造节理的老黄土中开挖沟槽时，当破裂面倾角大于老黄土沿节理面的内摩擦角时，必须减缓坡角，直至老黄土沿节理面的内摩擦角一致；也可采用锚杆加固，内锚头必须穿过构造破裂面一定深度。

图12-6裂缝引起的边坡破坏

图12-7柱状裂隙黄土垂直边坡破坏示意图。

图12-8柱状节理黄土边坡稳定性计算示意图

总的来说，陇西黄土柱状节理不发育，陇东黄土柱状节理发育。

在野外调查中，我们有时会看到带有垂直解理的黄土边坡经常发生崩塌。不难看出，这种现象是由于黄土柱底部的黄土在上覆柱状土层的自重压力下发生破坏造成的。如图12-7所示，柱状节理黄土的垂直坡高为h，上覆土层自重为γ，则作用于底层土层的压力(q)为

地质工程原理

假设底部土壤的无侧限抗压强度为p，则具有高度h的垂直劈裂的黄土边坡的稳定系数(k)为

地质工程原理

利用公式(12-9)和试算法，可以很容易地得到垂直劈裂黄土所能保持的最大坡高。柱状节理垂直边坡的破坏主要发生在底部黄土浸水的条件下，因此P应取浸水黄土的无侧限抗压强度。如果在黄土中开挖一个带有柱状节理的边坡，其稳定性可用图12-8所示的力学模型进行分析。此时柱状节理底部黄土的抗压强度应为侧限抗压强度。

从以上可以看出，黄土渠道的边坡稳定性是一个非常复杂的问题。在评价黄土渠道边坡稳定性时，只有综合考虑各种黄土层的特征、结构和构造发育情况，确定正确的预测方法，才能正确预测边坡稳定性，否则会造成不良后果。

黄土槽坡一般为低坡。如果遇到高边坡，可以使用“第4章第2节所述的土体稳定性分析方法”进行稳定性分析，此处不再赘述。