（岩土工程专业论文）黄土边坡剥落病害处治技术研究.pdf

摘要 黄土边坡剥落是黄土坡面破坏主要形式之一，在西北地区公路黄土边坡中普遍存 在。由于以往的公路等级相对较低，对路容及生态环境的要求不高，黄土边坡剥落病害 一直未能引起人们的足够重视。随着黄土地区高速公路建设的快速发展，以及现代公路 建设要求“安全、环保、舒适、和谐 新理念的逐步形成与完善，深入研究黄土边坡剥 落病害形成机理及合理的工程处治措施是十分必要的。 本文通过对西北地区公路黄土边坡剥落病害及防护现状的调查分析，结合黄土区的 自然环境、地质环境及边坡设计现状，并参考相关的文献资料，对黄土边坡剥落病害的 类型、影响因素、规律及处治技术进行了较为系统的研究和探索，主要研究工作包括以 下内容： ( 1 ) 根据黄土边坡剥落病害现场调查及国内外资料调研，对黄土边坡剥落的类型 及其特点作了较全面地总结。 ( 2 ) 依据黄土边坡剥落的类型及其特点，结合黄土区的自然环境、黄土自身特点 及边坡坡型，从内因、外因及人为因素三个方面对黄土边坡剥落的影响因素进行分析， 并在此基础上，归纳出黄土边坡剥落的一般规律。 ( 3 ) 通过对黄土边坡防护工程的现场调查及现有防护技术的调研，提出不同类型 黄土边坡剥落病害的处治措施。 ( 4 ) 提出基于熵权的边坡防护多目标优选方法，找出适合具体边坡的防护方案。 该优选方法能很好地反映人们对一个方案的理解能力的不确定性，可以在只有判断矩阵 而没有专家权重的情况下确定出可信度较高的优选方案。 关键词：黄土边坡；剥落病害；处治技术；优化设计；防护 a b s t r a c t l o e s ss i d es l o p ef l a k i n gi so fo n eo ft h em a i nf o r m so ft h el o e s ss l o p ef a c ed e s t r o y , a p p e a r sg e n e r a l l yi nn o r t h w e s tl o c a lr o a dl o e s ss i d es l o p e a sar e s u l to ff o r m e rh i g h w a y c l a s s i f i c a t i o ni sr e l a t i v el o w ，t h ea p p e a r a n c eo far o a da n dt h ee c o l o g i c a le n v i r o n m e n t r e q u e s t i sn o th i g h ，s ol o e s ss i d es l o p ef l a k i n gp l a n td i s e a s eh a sn o tb e e na b l et oc a u s et h ep e o p l e e n o u g ht ot a k e w i t ht h ef a s td e v e l o p m e n to fh i g h w a yc o n s t r u c t si nt h el o e s sa r e aa n dt h e p r o m o t a t i o no f t h em o d e mh i g h w a yc o n s t r u c t i o nr e q u e s t - - s e c u r i t y 、t h ee n v i r o n m e n t a l p r o t e c t i o n 、c o m f o r t a b l e 、h a r m o n i o u s ”，i ti sv e r ye s s e n t i a lt or e s e a r c ht h o r o u g h l yt h e m e c h a n i s mo fl o e s ss i d es l o p ef l a k i n gp l a n td i s e a s ea n dr e a s o n a b l e p r o j e c tp u n i s h m e n t m e a s u r e b yi n v e s t i g a t i n ga n da n a l y z i n gl o e s ss i d es l o p ef l a k i n gp l a n td i s e a s ea n dp r o t e c t i o n p r e s e n ts i t u a t i o no fn o r t h w e s tl o c a lr o a d ，u n i f y i n gl o e s sr e g i o nn a t u r a le n v i r o n m e n t ， g e o l o g i c a le n v i r o n m e n ta n ds i d es l o p ed e s i g np r e s e n ts i t u a t i o na n dr e f e r i n gt or e l a t e d l i t e r a t u r em a t e r i a l ，w eo b t a i nt h ef o l l o w i n gc o n c l u s i o n s ： ( 1 ) a c c o r d i n gt ot h el o e s ss i d es l o p ef l a k i n gp l a n td i s e a s es c e n ei n v e s t i g a t i o na n dt h e d o m e s t i ca n df o r e i g nm a t e r i a li n v e s t i g a t i o na n ds t u d y , t h el o e s ss i d es l o p ef l a k i n gt y p ea n d t h ec h a r a c t e r i s t i ci ss u m m a r i z e dc o m p r e h e n s i v e l y ( 2 ) b a s e do nt h el o e s ss i d es l o p ef l a k i n gt y p ea n dt h ec h a r a c t e r i s t i c ，u n i f yt h el o e s s r e g i o nt h en a t u r a le n v i r o n m e n t 、l o e s so w nc h a r a c t e r i s t i ca n dt h es i d es l o p et y p e ，t h el o e s ss i d e s l o p ef l a k i n gi n f l u e n c ef a c t o r e si sc a r r i e do nt h ea n a l y s i sf r o mt h ei n t e r n a lc a u s e ，t h ee x t e r n a l f a c t o ra n dt h eh u m a nf a c t o rt h r e ea s p e c t s ，a n di nt h i sf o u n d a t i o n ，l o e s ss i d es l o p ef l a k i n gt h e g e n e r a lr u l ei si n d u c e d ( 3 ) b yi n v e s t i g a t i n gl o e s ss i d es l o p ep r o t e c t i o np r e s e n ts i t u a t i o na n da n a l y z i n ge x i s t i n g p r o t e c t i o nt e c h n o l o g y , d i f f e r e n tt y p el o e s ss i d es l o p ef l a k i n gp l a n td i s e a s ep u n i s h m e n t m e a s u r ei sp r o p o s e d ( 4 ) p r o p o s e dp r o t e c t st h em u l t i o b j e c t i v eo p t i m a lm e t h o db a s e do nt h ee n t r o p yp o w e r s i d es l o p e ，d i s c o v e r ss u i t st h ec o n c r e t es i d es l o p et h ep r o t e c t i o np l a n t h i so p t i m a lm e t h o dc a n r e f l e c tt h ep e o p l ew e l lt oap l a nu n d e r s t a n d i n ga b i l i t yu n c e r t a i n t y , m a yn o th a v ei nt h ee x p e r t w e i g h ts i t u a t i o ni no n l yt h e nt h ej u d g m e n tm a t r i xt od e t e r m i n et h ec o n f i d e n c el e v e lh i g h o p t i m a lp l a n k e yw o r d ：l o e s ss i d es l o p e ； f l a k i n gp l a n td i s e a s e ；p r o t e c t s ；p u n i s h m e n tt e c h n o l o g y ； o p t i m i z e dd e s i g n ； 论文独创性声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行研究工 作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重 要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本论文中不包含任何 未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：劣鹇 卵7 年歹月) 尹日 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属学 校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权 利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成 果时，署名单位仍然为长安大学。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名： 荔币约 铷弛哳豸现 秒1 年r 月多尹日 矽夕7 年岁哕日 长安大学硕十学位论文 第一章绪论帚一早三百下匕 1 1 研究课题的提出及意义 我国是世界上黄土面积分布最广的国家之一，在北方各地区特别是黄河中游地区分 布着厚度不同、类型复杂的黄土地层。随着国民经济的发展及西部大开发的推进，越来 越多的工程项目在黄土地区进行，尤其以公路建设为主。当公路路线穿越黄土地区时， 由于高填深挖，必然产生很多的路堑边坡。黄土是一种在特定环境中形成的具有特殊性 质的土，黄土路堑边坡的稳定性及其防护对策历来是工程建设中特别关注的技术课题。 对此，已经有很多人开展了比较深入系统的研究。但是，由于以往的公路等级相对较低， 对路容及生态环境的要求不高，黄土边坡剥落病害一直未能引起人们的足够重视，相关 的系统研究资料非常少。随着黄土地区高速公路建设的快速发展，以及现代公路建设要 求“安全、环保、舒适、和谐 新理念的逐步形成与完善，黄土边坡剥落病害处治技术 已成为当前需要认真研究的重要课题之一。 今后，我国在黄土地区规划建设的高速公路里程数以万计，其中陕西地区拟建的高 速公路里程数以千计。高速公路既要求路堑边坡具有良好的整体稳定性，也要求坡面整 齐，能够“安全、环保、舒适、和谐 。为了解决黄土边坡剥落病害问题，对边坡进行 全断面的封闭防护显然是不现实的，其既不环保，工程造价也太高。因此，针对我国黄 土地区( 尤其是陕西地区) 高速公路建设的现状，对已建或在建公路黄土边坡剥落病害 问题开展系统地工程调查和分类评价，总结成功与失败的经验教训，研究主要的影响因 素，探索内在规律，提出经济合理的黄土边坡剥落病害处治技术，将具有巨大的社会和 经济效益。 1 2 国内外研究现状 通过查阅相关文献、论文后发现，目前对黄土边坡剥落研究的系统资料很少，剥落 仅作为边坡坡面破坏的一个类型在文献中提及，文献和论文中只是对剥落的类型及特点 进行了简单的概括，对剥落的形成机理及针对性的处治措施很少涉及。 王景明n 1 按黄土高原重力侵蚀发展的过程及特点，将黄土重力侵蚀分为三类十亚类， 其中的错落、土溜及泻溜三亚类属于黄土剥落的范畴。 何红前、陈志新乜1 在“黄土高边坡变形破坏的基本形式及其机理分析一文中对剥 落发生的位置、形态及其对边坡的危害作出了扼要概括。文中指出，黄土坡面剥落掉块 多发生于边坡中部至坡脚，在坡脚处1 2 m 高的地方，普遍出现一条近似水平的压碎带， 第一章绪论 带内1 - - - 2 0 c m 厚的土体如千层饼一样的片状或鳞甲状向外凹出剥落。同时指出，坡面剥 落破坏除在凹进的反坡地形进一步引起失稳外，对坡体稳定的影响不大，但对公路的养 护产生一定的影响。 胡雄韬3 对甘肃省黄土地区路堑边坡病害调查分析后认为，剥落是甘肃境内黄土 路堑坡面破坏的主要形式之一，发生在各种黄土层中。坡面剥落和坡面的风化程度有关。 黄土中的含盐量及边坡所处的位置影响剥落的程度，一般阳坡比阴坡剥落严重，坡度变 化位置较其他位置严重，含盐量高易剥落，易溶盐含量在0 1 2 以下时，基本不剥落。 刘东生口1 、乔平定8 1 认为剥落为黄土斜坡破坏的类型之一，是由于温差及干湿交替， 使坡面黄土风化为碎粒状，沿坡滚落所致。 冯连昌、郑晏武n 2 1 在中国湿陷性黄土一书中将坡面剥落分为四种类型，即片 状剥落、层状剥落、鱼鳞状剥落及混合状剥落，并对各类型的形态、特点、发生的位置 进行了简要说明。 李亚兰1 在冯连昌、郑晏武对黄土剥落分类的基础上增加了块状剥落，将剥落分为 五种类型，即片状剥落、层状剥落、鱼鳞状剥落、块状剥落及混合状剥落，并对各类型 产生的黄土层位、形态特点、发生的位置及规律做了简单描述。 在防治坡面破坏方面，我国的研究者做了大量的工作，袁朝良( 1 9 7 4 ) 、吴增芳 ( 1 9 7 6 ) 、林长莫( 1 9 8 2 ) 、蔡国强等( 1 9 9 0 ) 研究了新材料对防止土壤侵蚀的作用。在工 程实际中，黄土地区的工程技术人员做了大量的研究工作，针对不同地区的特点，修建 了许多相应的试验工程，并总结归纳出了一些黄土地区防治坡面破坏的方法和措施。 公路设计手册( 路基) ( 第二版) 哺1 规定，黄土边坡的防护，应根据当地降雨量 及边坡的具体情况，采取不同的措施，常见的防护措施见表1 1 。铁路工程设计技术手 册( 路基) 咖1 中对路堑边坡防护与加固的措施也作了总结，主要措施有：植物防护； 干砌片石护坡；浆砌片石护坡；骨架护坡；坡脚重力式挡墙；重塑土 反压法；抗滑桩。 植物防护技术是近几十年来兴起的一门学科，我国的植被护坡技术应用在9 0 年代 才得到重视。以前只是小范围的采用穴播、沟播或片石骨架植草，对植物防护的理论、 设计和功效并没得到系统性的认识。1 9 8 9 年广东省水利水电科学研究所引进了第一台液 压喷播机，开始在华南地区进行液压喷播试验。1 9 9 3 年又引进了土工材料植草护坡技术， 并研制开发出新型的三维植被网、土工格栅等产品。经过这十几年的发展完善，植物防 护技术已经广泛的运用于公路、铁路及堤坝等工程中，并取得了良好的防护效果n 引。 2 长安大学硕士学位论文 表1 1 黄土路堑边坡的防护与加固 序号防护与加固类型说明 1 边坡坡面拍实适用于土质疏松的边坡。 适用于边坡缓于l ：1 ，草皮能就地取材，且雨量 2 种草或灌木( 小冠花，紫穗槐) 多适宜草类生长的地区。 适用于年降雨量较小，冲刷不甚严重的地区，边 3 泥草抹面 坡缓于1 ：1 。 4 三合土或四合土封面 适用于雨雪量大，任何坡度的边坡。 5 土护墙适用于坡脚已破坏的坡段。 适用于坡脚易受水冲刷，坡面剥落较严重，坡脚 6 浆砌片石护墙 已破坏，边坡含有夹砂层的坡段。 1 3 主要研究内容及技术路线 1 3 1 主要研究内容 本文通过对西北地区1 0 条公路黄土边坡剥落状况及防护现状的调查分析，并参考 相关的文献资料，着重研究以下几方面的内容： ( 1 ) 黄土边坡剥落病害成因、机理及类型。 ( 2 ) 黄土边坡剥落的主要影响因素及规律。 ( 3 ) 不同类型黄土边坡剥落病害处治措施。 1 3 2 技术路线 根据以上研究内容，本文制定了具体的技术路线，见图1 - l 。 第一章绪论 图1 1黄土边坡剥落病害处治技术研究技术路线 4 长安大学硕士学位论文 第二章黄土区公路边坡剥落的自然环境分析 2 1 地质环境 我国黄土地区主要指位于黄河中游的黄土高原地区，该区位于北纬3 4 。4 1 。、东 经1 0 3 。 - 1 1 4 。，地势西北高、东南低，海拔高度介于2 0 0 0 一- - 1 0 0 0 m 之间。其范围北至 长城，南抵汾渭盆地北缘，东起吕梁山西麓，西起陇西盆地西缘，包括陇西、宁夏自治 区南部、陇东、陕北、晋西等地区，呈东西向展布，总面积约2 3 万平方公里，主要地 貌类型有黄土塬、梁、峁印 。 2 1 1 黄土高原地质概况 黄土高原主要分布在龙羊峡至三门峡的黄河中游区，是中国黄土分布的中心。黄土 高原区四周山脉环绕，西有贺兰山，北有阴山，东有太行山，南为秦岭。该区黄土厚度 大，地层完整，除少数山口高出黄土线外，黄土基本上是连续覆盖于第三系或其他古老 岩层之上，形成塬、梁、峁特殊的黄土地貌，黄土分布面积占全国黄土面积7 2 以上， 境内若干近南北走向的山脉，把黄土高原分割成三个不同的区口1 ： ( 1 ) 乌鞘岭与六盘山之间为西部区，黄土下伏的基底层主要是第三纪的甘肃群， 黄土分布于山地斜坡、山间盆地及河谷高阶地上，黄土堆积仍基本反映出基底地形的起 伏。 ( 2 ) 六盘山与吕梁山之间为中部区，黄土基本成为一个连续盖层，上覆于第三系 或古老岩层上，还填平了一些原始河谷与湖沼盆地，在深切河谷底部，基岩出露。黄土 厚度达百余米，地层完整。原区不同时代黄土平行接触，古土壤与黄土交替叠覆，是这 个区的主要特征。 ( 3 ) 吕梁山与太行山之间为东部区，黄土分布在盆地边缘及河流阶地之上，下伏 上新世地层。 上述三个区的自然景观各具特征，但黄土层结构却十分相似，它们都保留有从早更 新世到晚更新世的黄土堆积，部分地区在晚更新世上还覆有薄层的全新世黄土。 黄土高原在大地构造上分属两个活动性质不同的部分。六盘山以西为祁连山褶皱 带，以东是华北地台的两个次一级构造单元鄂尔多斯台向斜和山西台背斜。这一构 造基本轮廓主要是由白垩纪末的燕山运动最后奠定的。强烈的构造运动使台向斜、台背 斜四周的地层发生褶皱、断裂，隆起部分成为山地，如六盘山、吕梁山、太行山、贺兰 山及渭河北岸的山地等；而断陷部分成为谷地，如河套平原、汾渭断陷谷地等。阴山、 第二章黄土区公路边坡剥落的自然环境分析 秦岭构造带也因此发生明显的断块差异性运动。 中新代期间，本区出现了一系列内陆湖盆，如陇西、宁南、陇东、陕北等地，因而 形成了许多基底平坦或起伏平缓的古洼地。它们为黄土的堆积和保存提供了良好的场 所，为黄土源与黄土梁峁的形成奠定了基础。 黄土高原新构造运动总体表现为高原内部呈间歇性的、大面积的整体抬升，周围的 坳陷或地堑不断下沉。高原内部的构造抬升特点又有区域性差异。其中，六盘山是第四 纪抬升中心，抬升速度较快，抬升速度每年约2 0 m m 左右，也是近代地震最活跃的地区。 六盘山以东地区，新构造运动的性质比较复杂，自早更新世至全新世，高原内部始 终处于间歇抬升状态，断裂坳陷区不断下沉。第四纪以来抬升区的地面高程普遍达到海 拔1 0 0 0 m 以上。抬升强度较大的地区主要分布在长城沿线的白于山至内蒙古准格尔旗一 带。 六盘山以西的黄土高原地区，受西北一东南向几组断裂控制，新构造活动性区域差 异较大，但总趋势仍是以间歇性抬升为主，大致以华家岭为界分成南北两个部分；以南 地区新构造运动活动性要大于以北地区。华家岭以西地区由于区域构造的复杂性，也使 得新构造运动性质变得复杂，往往在不长的距离内由于断裂构造的影响，新构造活动表 现出不同的性质。 反映新构造活动性之一的地震，在黄土高原周边地区十分活跃，高原东侧的太行山 深大断裂和西部六盘山一贺兰山深大断裂，以及南部的汾渭断陷和北部的银川一呼和浩 特断陷共同构成了地震强烈活动区。黄河中游及其毗邻地区的地质构造，大致以六盘山 至青铜峡一线分为东西两部分，西部属西域陆块，东部为华北陆块叩】。 2 1 2 黄土高原地貌概况 黄土高原的地貌类型主要有塬、梁、峁及各类沟谷，共同构成了各种地貌类型区。 在黄土塬部分区域，因塬面平坦，侵蚀较弱，水流向沟谷集中，土壤侵蚀类型以沟蚀为 主，沟蚀量占流域侵蚀总量的8 0 以上。晋西、陕北等黄土丘陵区域，即使谷间地面积 较沟谷地稍大，侵蚀类型仍然是面蚀和沟蚀同等重要。六盘山以西的陇中地区，谷间地 面积较大，坡地的坡度小，坡长大，坡面侵蚀特别严重。靖边、定边、环县、固原、海 原和定西等地，在黄土丘陵的发展历史过程中形成的各种地貌类型，有的已被沟谷切割， 或目前正在逐步遭受溯源侵蚀影响，形成了黄土高原中、北部区域的独特现代侵蚀过程。 通常，以沟壑密度、地面坡度和地面破裂程度作为表示地貌形态因子与侵蚀关系的指标。 三者各自的区域特征如下阴3 ： 6 长安大学硕士学位论文 ( 1 ) 沟壑密度 黄土高原大部分区域的沟壑密度在3 6 公里平方公里之间。其间又以六盘山为界 分为东西两大部分。六盘山以西的沟壑密度多在4 公里平方公里之内，并有华家岭以 南大于以北的特点。六盘山以东多在4 公里平方公里以上。靖边、定边和汾渭谷地较 小，黄土源区次之。晋西、陕北、陇东黄土丘陵区普遍较大。沟壑密度最大的区域是晋 陕黄河峡谷两侧临近黄河谷地的地面，即黄河粗泥沙的主要来源区域。 ( 2 ) 地面破裂程度 所谓破裂度是指沟谷地面积与流域面积之比。很明显，沟壑面积占流域面积的比例 较高，沟谷地的侵蚀面积越大，地面的破裂度愈高，侵蚀越强。地面破裂程度和沟壑密 度存在密切的关系。一般是沟壑密度较大的地区，地面破裂程度也较高，破碎塬区和黄 土梁、峁、丘陵区最大，都在4 0 以上，黄土塬区和黄土长梁、丘陵区次之，砂盖黄土 丘陵区再次之，河谷平原阶地区的破裂度最小。这和黄土高原土壤侵蚀强度区域变化特 点基本上是一致的。 ( 3 ) 地面坡度 黄土高原的平坦地面仅见于塬面及河谷阶地，分布区域其余地面的坡度普遍较大。 根据坡度与土壤侵蚀强弱和侵蚀类型的关系，并考虑到农、林、牧土地合理利用的地貌 条件，将黄土高原按坡度分为平缓坡( 小于5 。) 、缓坡( 5 1 5 。) 、斜坡( 1 5 , - - - , 2 5 。) 、陡 斜坡( 2 5 - - - , 3 5 。) 、陡坡( 3 5 - 4 5 。) 、极陡坡( 4 5 - 6 5 。) 和陡立坡( 大于6 5 。) 七类。黄土 塬区和河谷平原阶地区的地面坡度多数小于5 。，占小流域面积的6 0 以上；长城沿线 的神木、靖边等地平缓坡地的面积也在3 0 左右；天水、秦安、靖边、阳高和关中平原 地区，缓坡占的面积可达2 0 以上，这些地区斜坡地也可以占到2 0 左右。广大黄土梁、 峁、丘陵区小于3 5 。坡地的面积，合计为7 0 左右。六盘山以西及以东地区小流域的坡 度组成差异较大，以韭园沟和吕二沟相比，前者大于2 5 。的面积约占6 2 ，后者仅占2 7 5 。这又进一步说明六盘山是黄土高原上的重要地理界线。在小流域内部谷间地和沟谷 地的坡度组成中，小于2 5 。的坡地基本上集中于谷间地，大于3 5 。的坡地多分布在沟 谷地之中。无论是六盘山以东或以西，都是如此。这一特点对于土壤侵蚀类型的空间分 布，侵蚀强度的地区差异和农、林、牧土地合理利用方向，都产生了深刻的影响。 2 1 3 地层分布概况 黄土高原是中国黄土的主体堆积地，黄土厚度大，地层完整，按形成的年代可分为 老黄土和新黄土口1 。老黄土有午城黄土及离石黄土，新黄土有马兰黄土及新近堆积黄土。 7 第二章黄土区公路边坡剥落的自然环境分析 新近堆积黄土形成年代较晚，距今约5 0 0 0 年，一般土质疏松。马兰黄土及新近堆积黄 土均具有侵水湿陷性，故又称之湿陷性黄土。各层黄土形成年代见表2 1 。 表2 1黄土地层划分及特性 年代黄土名称备注 杂乱无章，具不均匀性、高压缩 全新世近期 新近堆积 性、强湿陷性 q 4 新黄土 早期 马兰黄土一般湿陷性黄土浅黄色，一般具有湿陷性 晚更新世q 。 中更新世q离石黄土 褐红，一般不具湿陷性或在高压 老黄土非湿陷性黄土 早更新世q 。 午城黄土 下，具有轻微湿陷性 全新世( q 。) 黄土状土为新近堆积，多分布在塬、梁、峁表层及河谷阶地上，受各 种自然营力的影响，其物理力学性质差异较大。质地疏松，成岩性差，具有强湿陷性。 晚更新世( q 。) 马兰黄土构成黄土层的上部，为典型黄土。其质地疏松，无层理， 大孔结构发育，有垂直节理裂隙，有较强的湿陷性或自重湿陷性。 中更新世( q 2 ) 离石黄土为马兰黄土下面的埋藏黄土层，其问夹有多层古土壤层和 钙质结核，厚度较大，构成黄土塬的主体。质地较密室，一般无湿陷性，但在高压下仍 具有一定的湿陷性。 早更新世( q 。) 午城黄土为老黄土的下部，颜色呈淡红色，含有棕红色的埋藏古土 壤层。其质地密实、强度大、压缩性小、厚度较薄，几乎不透水，无湿陷性。 2 2 气候环境 气候是构成和决定一个地区自然地理特点的基础。黄土高原的气候特点既受纬度影 响，又受地形因子影响，属季风气候区。但因东塬距海洋5 0 0 - , 8 0 0 公里，其气候特点 又与真正的季风气候不同。其原因一方面是由于黄土高原区南面有海拔2 0 0 0 - - 3 0 0 0 m 呈 东西走向的秦岭山地，东部有南北走向的太行山，与秦岭构成了一条自然屏障，使夏季 来自东南方向的海洋湿热气团在向黄河中游推进时起着阻滞作用。高原境内南北向的吕 梁山、六盘山和东西方向的渭河北山，构成了阻滞湿热气团前进的第二道屏障。湿热气 团在向西推进的过程中步步受阻，越向西空气的相对湿度越来越小，形成降雨的机率相 应变小。由于地形的屏障作用，增加了气候的干燥度，并使降雨由南向北、由东向西， 逐渐变少。另一方面，大气环流也是控制气候特征的重要原因。本区的环流形势有两个 特点：第一，位于西风带内，地面的低压系统频繁的活动；第二，冬夏季风环流的季节 长安大学硕士学位论文 变化明显。冬夏之间的风向几乎成1 8 0 。的转变，冬季完全在西伯利亚高压控制之下， 盛行气流方向偏北，每当极地大陆气团向东伸展，本区首当其冲，每隔3 5 天既可能 有强度不等的冷风过境。冷风过境时天气晴朗，北风增大，气温下降。由于极地大陆气 团非常干燥和稳定，所以冬季很少降雪，加上北部有阴山阻挡，在山南形成阴影区，降 雪量更小。夏季本区处在大陆低气压范围内，以七月份最盛，盛行气流偏南，湿度较大， 亚热带太平洋气团可以向西北伸展与我国内陆低压形成向西北倾斜的气压梯度，以东南 季风的形式摄引大量海面湿热空气，向西北内陆推进而成为降水的主要来源。由于上述 的地形和环流形势特点，形成黄土高原区气候在时间和空间上的变化及其独特的气候特 点。 2 2 1 气温 黄土高原的年平均气温为3 6 1 4 3 c ，其分布特点是由南而北，自东而西逐渐降 低。西安年平均气温为1 3 3 ，兰州为9 1 c ，榆林仅8 1 。全区最冷月( 一月) 的平 均温度都在o c 以下，西安为一2 0 ，兰州为一7 2 ，榆林为- 9 9 。全区最热月( 七 月) 的平均温度都在2 2 c 以上，渭河平原为黄土高原七月平均气温最高的地区，高于2 5 ，平均最高气温大都在3 0 c 以上。因而黄土高原具有冬季寒冷，夏季暖热的特点。 2 2 2 降雨 大气降水是坡面产生破坏的最重要外营力因素，其中又以暴雨的作用最为明显。雨 滴以一定质量和速度击溅到黄土表面时，具有较大的冲击力和动能，打击黄土土粒或地 表薄层水流，使团粒分散，细小颗粒飞溅到空中，并使片状水流产生强烈紊动，从而增 加水流的挟砂能力，对表土产生侵蚀。从能量角度看，表土侵蚀过程就是雨滴冲量、动 能耗散的过程，雨滴动能越大，对表土的侵蚀就越强烈。特别在暴雨时，雨滴的直径大、 速度快，雨滴击溅黄土表层时冲击力大，动能也大，对表土的侵蚀就越强烈。因此，降 雨强度直接影响侵蚀强度，尤其是暴雨的强度越大，所造成的侵蚀越严重。 黄土高原的年降雨量在2 0 0 一- - 6 5 0 m m 之间，但降雨的区域分布不均匀，总的分布特 征由南向北，由东向西，逐渐减少。如图2 1 所示。 9 第二章黄土区公路边坡剥落的自然环境分析 图2 1黄土高原多年平均降雨量等值线图 黄土高原的暴雨和大暴雨相对集中于陕北、晋西、内蒙古准格尔旗等一带地区，如 图2 2 。表2 2 是陕北黄土地区几个主要气象站的多年平均降雨量和降雨日数。表2 3 是这几个站的降雨年际变化特征。从表中可以看出尽管年降雨量并不是很大，但黄土高 原降雨在时间上的分布是不均匀的，主要降雨集中在5 月至9 月的汛期。 衰2 2 多年平均降雨量级降雨日敦 多年平均降雨量 站名资料年限统计年数降雨日数 ( m m ) 神木 1 9 5 2 1 9 7 83 54 3 5 26 9 7 榆林 1 9 5 1 1 9 8 02 94 1 4 47 2 7 靖边3 44 1 7 3 7 3 0 1 9 5 3 1 9 8 7 吴堡 3 54 6 6 77 4 5 1 9 5 2 1 9 8 7 延安 3 75 5 6 18 5 8 1 9 5 l 1 9 8 8 1 0 长安大学颂学位论文 站名 资料年限统计年数 1 2 2 月35 月 6 8 月 9 1 1 月59 月 神术 1 9 5 2 1 9 7 83 51 356 362 09 榆林 1 9 5 l 1 9 8 02 9231 4 45 9 62 36 靖边 3 41 745 5 82 45 1 9 5 3 1 9 8 7 昊堡3 5 1 9 5 2 1 9 8 7 延安3 75 682 497 99 1 9 5 1 1 9 8 8 图22黄土高原暴雨中心分布圈 匠安大学碗学位论文 第三章黄土区公路边坡剥落及防护调查 31 黄土边坡剥落调查 剥落作为黄土边坡坡面破坏形式之一，普遍存在于西北地区公路黄土边坡之中，边 坡剥落的发生不仅关系到黄土坡面及坡体的稳定，而且关系到公路的安全运营、路容美 观。为了对黄土边坡剥落情况有个较全面的认识，课题组对西北地区多条已建或在建公 路黄土边坡进行了现场调查包括铜川黄陵级公路、黄陵延安高速公路、延安 靖边高速公路、2 1 0 国道西安至榆林段，以及甘肃省的兰州海石湾高速公路和定西 天水二级公路等1 0 条公路。 311 铜川黄陵一级公路 铜黄一级公路为陕西省米字形公路网骨架的重要一段，是省“九五”期间的重点建 设项目。路线所经过地带为黄土断陷带，覆盖层为中生代晚期及新生代的沉积物，沿线 土质以黄土为主下伏漂卵石及砂层。该路于2 0 0 1 年4 月建成通车，现已运营5 年。 根据现场调查，铜黄公路黄土边坡剥落可分为咀下几种类型。 ( 1 ) 碎块状剥落：由坡面多组微小裂隙组合，将表层土体切割成大小不等的不规 则碎块体，块度一般3 c r u x5 c m 。在自重或雨水、振动等外界环境的影响下，碎块脱离坡 面土体，堆积在坡脚或平台上。原坡面平整性遭到破坏，表面凹凸不平( 见照片31 、 32 ) 。碎块状剥落在铜黄公路黄土边坡中普遍存在。 照片31 铜黄公路1 ( 4 0 6 + 5 0 边坡剥落照片 照片32 铜黄公路k 4 0 9 + 4 0 0 边坡剥落照片 ( 2 ) 表层结皮剥落：边坡开挖完成较长时间后，在坡体表面形成厚度约3 5 c m 的 结皮，结皮成片状发育。完整性好。当大片结皮形成后，局部逐渐与其下部土体分离， 同时由于坡面植物的生长、昼夜温差变化引起的热胀冷缩、降雨时雨滴的冲击力等外界 第三$ 黄e 公路过坡剥落及防护自矗 因素的作j ；| j 大片结皮分裂成大小不等、接近方形的碎片，规格一般4 c m 4 c m 。结皮碎 片在无雨时期附着在坡体表面，部分会在自重及外力作用下脱落，使坡面斑驳不平( 见 照片3 3 、34 ) 。在降雨期间，结皮碎片会在雨滴及坡面水流冲击力作用下，大面积脱 落，使其下部土体在坡面出露。坡面表皮片状剥落在铜黄公路黄土边坡普遍存在。 照片35 铜黄公路k 4 0 8 + 8 0 0 边坡剥落照片照片36 铜黄公路k 4 0 8 + 8 0 0 边坡剥落照片 3 12 黄陵延安高速公路 黄陵至延安高速公路是我国规划的西部大开发八条公路干线包头至北海公路的重 要路段是陕西省“米”字形公路主骨架中纵贯全省，连接陕北、关中、陕南的纵向运 长安大学硬 学位论文 输干线的重要组成部分，也是我省高等级公路进入黄土山区历程最长、投资最多的工程 项目。全长1 4 32 0 5 k i n 。该线路位于陕北黄土高原南部，经过黄土塬、梁、峁等全部黄 土地貌，各时代黄土均有出露，再加上翻越乔山、崂山、凤凰山等分水岭，其地形更加 破碎，工程地质条件复杂多样。现场调查表明，黄延高速公路黄土边坡剥落主要发生在 线路所经的洛川县境内段落，剥落形式主要有以下几种。 ( 1 ) 片状剥落：多发生于坡脚或坡体护脚实体顶部，一般从坡脚或护脚顶部沿坡 面向上发展，剥落体形状多呈三角形或长方形，剥落边缘参差不齐厚度2 j o e m ( 见照 片3 7 、38 ) 。片状剥落多见于开挖完成时间较短的边坡，在黄延公路黄土边坡中普遍 发育。 照片3 黄延公路k 1 8 3 + 8 7 0 边坡剥幕照片照片38 黄延公路k 1 9 1 + 5 8 0 边坡剥落照片 ( 2 ) 层状剥落：多发生于坡脚或坡体护脚实体顶部，一般从坡脚或护脚顶部沿坡 面向上发展。剥落体层理清晰层厚均匀，单层厚度约l - 3 c m ，剥落层面较平整，形状 整体上接近弧形，边缘参差不齐，且剥落规模相差较大( 见照片3 9 、31 0 ) 。层状剥落 多见于开挖完成时间较短的边坡，其形成与边坡黄土体的层状构造有关常发生于冲积 洪积成因的黄土层中，为黄土边坡剥落最常见的类型之一，在黄延高速公路黄土边坡中 普遍发育。 第i 章黄h * 路边坡剥落厦防护月在 31 1 黄延公路k 1 8 9 + t 7 0 边坡剥落照片 照片31 2 黄延公路k 2 6 9 + 2 1 0 边坡剥落照片 ( 4 ) 厚块状剥落：剥落体一般呈楔形整体状，上厚下薄，上部厚约1 0 2 0 c m ，下 部厚约l o c m ，剥落面平整、较光滑，且缓于原坡面，一般发生在坡脚、坡面中下部及护 坡实体顶部，严重破坏坡面完整和稳定( 见照片31 3 、31 4 ) ，同时剥落土体碎块堆积 在坡脚或平台上，堵塞排水沟( 边沟) 。厚块状剥落多由于边坡过陡或坡脚聚集的水分 使坡脚土体发生软化而失去强度，使其上部土体失去下部的支捧作用而在一定范围内发 生整体脱落，同时也与边坡土体的构造有关。厚块状剥落在黄延公路边坡发育多处。 长安大学目士学位论立 照片31 5 黄延公路k 1 7 9 + 2 4 0 边坡剥落照片照片31 8 黄延公路k 1 9 1 + 5 8 0 边坡剥落照片 3 1 32 1 0 国道铜川绥德二级公路 2 1 0 国道修建较早，其铜川绥德段几乎穿越了陕北整个黄土区，经过黄土塬、粱、 峁等全部黄土地貌，各时代黄土层均有出露。 ( 1 ) 厚块状剥落：剥落体一般呈弧形整体状，上厚下薄，剥落面平整、较光滑， 且缓于原坡面，多发生在坡面中下部，严重破坏坡面完整和稳定( 见照片31 7 、3 1 8 ) ， 剥落土体碎块堆积在坡脚或平台上，堵塞排水沟( 边沟) 。 第三章黄土区公路边坡剥落及防护鹕查 照片31 92 1 0 目道铜川缨镎段边坡剥落照片32 02 1 0 国道铜川绥德段边坡剥落 ( 3 ) 碎块状剥落：在古土壤层和老黄土层中比较常见。古土壤和老黄土中粘粒含 量较高，在边坡开挖完成后，古土壤层和老黄土层裸露于坡面，随着其表面水份迅速蒸 发，表层发生干裂，形成大量的微小裂隙，将表层土体切割成大小不等、形状不规则的 土体碎块。随着水份继续蒸发表层颗粒逐渐与内部土体分离，在自重及外界因素作用 下发生剥落，使坡面凹凸不平，且描古土壤层和老黄土层呈条带状分布( 见照片3 2 1 、 3 2 2 ) 。 k 安大学碗学位论文 照片32 1 2 1 0 国道铜川绥德段边坡剥落照片32 22 1 0 国道铜川绥德段边坡剥落 ( 4 ) 鱼鳞状剥落：多发育在新近堆积黄十( 吼) 和马兰黄土( 如) 中，在离石黄土 ( q z ) 和午城黄土( 0 ) 中少见。剥落使坡面凹凸不平，凹陷和凸起外形似鱼鳞片，且 凹陷和凸起成带状分布，凹陷带和凸起带相互交替、平行坡脚分布在坡面匕，使剥落的 坡面总体上呈鱼鳞状( 见照片32 3 ) 。凹陷形状似圆形、大小不等，其内表层土体松散， 手触即散落。 一 照片32 32 1 0 国道铜川绥德段边坡剥落 314 兰州海石湾高速公路 兰州海石湾高速公路是交通韶规划的“五纵七横”国道主干线丹拉线在甘肃境 内的主要组成路段，起点在兰州市北侧忠和乡白兰高速公路终点立交匝道l k 2 + 8 0 0 处， 经青土蚬、苗家窑、树屏乡尹家庄、黄羊头、胡洼山、河口、张家台、达家台、张家寺、 平安台、花庄、河咀、洞子村、新庄、红古崖、红古乡至海石湾( 甘青交界处的王家口 西侧湟水河北岸) 与马平高速公路相接。该路于2 0 0 4 年1 1 月建成通车。 兰州海石湾商速公路位于黄土高原西南边缘黄土区，穿越了黄土沟壑区，沿线出 露的黄土地层多为。、0 。新黄土，颜色为灰黄色，质地疏松，大孔隙发育。经现场调查， 19 第= 章黄土e o 踌边坡剥落驶防护调查 沿线黄土边坡剥落主要有以下几种类型。 ( 1 ) 片状剥落：剥落体厚度2 6 c m ，形状不规则，边缘参差不齐。多发生在坡面 中下部一般从坡脚或护脚顶部沿坡面向上发展( 见照片32 4 、32 5 ) ，破坏了坡面的 完整性。在沿线黄土边坡各级坡面普遍存在。 熙片32 6 兰卅 海石湾高速公路黄土边坡剥落照片32 7 兰州海石湾高速公路黄土边墟剥落 ( 3 ) 鱼鳞状剥落：多发育在新近堆积黄土( n ) 和马兰黄土( 如) 中，在离石黄土 ( o 。) 和午城黄土( q ) 中少见。剥落使坡面凹凸不平，凹陷和凸起形状不规则，大小 长安大学硕七学位论文 不等，在坡面上零乱分布，凹陷内表层土体松散，手触即散落。剥落土体呈粒状松散堆 积在坡脚或护脚顶部，见照片3 2 8 、3 2 9 。这种剥落在兰州地区比较发育。 照片32 8 兰州海石湾高速公路黄土边坡剥落照片3z 9 兰州海石湾高速公路黄土边坡剥落 3 1 5 定西天水二级公路 定西天水二级公路为甘肃省修建较早的省级公路，线路位于黄土高原西南边缘 区，穿越的黄土地貌有黄土梁、峁，沿线出露的黄土地层多为q 4 、q 新黄土，颜色为 浅灰色，质地疏松，大孔隙发育。经现场调查，沿线黄土边坡剥落以鱼鳞状剥落、片状 剥落、层状剥落为主。 ( 1 ) 鱼鳞状剥落：剥落的坡面凹凸不平，凹陷和凸起外形似鱼鳞片，且凹陷和凸 起成带状分_ f i i ，凹陷带和凸起带相互交替、平行坡脚分布在坡面上，使剥落的坡面总体 上呈鱼鳞状( 见照片3 2 3 、32 4 ) 。凹陷内表层土体松散，手触即散落。剥落土体呈粒 状松散堆积在坡脚或护脚顶部，见照片3 3 0 。鱼鳞状剥落在定西天水二级公路沿线黄 土边坡中普遍发育。 一 照片33 0 定西天水二缀公路边坡剥落 第三孽茼土区。路边坡捌落盟防护调查 ( 2 ) 片状剥落：多发生于坡脚或坡体护脚实体顶部，一般从坡脚或护脚顶部沿坡 面向上发展，剥落体形状不规则，剥落边缘参差不齐，厚度2 o c m ( 见照片33 1 ) 。片 状剥落多发育在新近堆积黄土( q ) 和马兰黄土( q 。) 中，在定西天水二级公路沿线 黄土边坡中普遍发育。 照片33 1 定西天术二级公路边坡剥落 ( 3 ) 层状剥落：在边坡上呈近水平条带状( 层状) 分布，各剥落层厚度相近，相 互平行，剥落士体呈粒状松散堆积在坡脚或护脚顶部，多发生在边坡一、二级坡面上。 层状剥落多发育在新近堆积黄土( q 。) 和马兰黄土( 如) 中，在定西天水二级公路沿 线黄土边坡中普遍发育。 32 黄土边坡防护现状调查 在公路边坡的设计中，很少有专门针对黄土边坡剥落的处治设计，对边坡剥落的处 治通常包含在坡面防护设计中。为了研究黄土边坡剥落处治技术，课题组对黄土地区多 条已建或在建公路路堑边坡防护情况进行了调研评价。这些公路边坡防护的成功经验及 失败教训，可作为黄土边坡剥落处治方案选择的参考。 3 2 1 铜j i 卜黄陵一级公路 ( 1 ) 一般情况下路堑边坡第一级下部2 - 5 m 内普遍采用浆砌片石护坡，以上为生 物防护( 见照片33 2 、3 3 3 ) 。下部浆砌片石护坡内，每隔l o - 一1 5 m 设置2 e r a 宽的伸缩缝 并设置泄水孔。该方法在铜黄一级公路一般用于坡率1 ：05 1 ：1 的坡面单级高度不大 于l o 米，墙体顶宽4 0 6 0 e m 。在高度大于4 m 的护面墙设置l 2 道耳墙，以保证墙体 的稳定性。 长安大学硕士学位论女 一 一一 第j 章黄区