黄土渠道边坡稳定性问题
边坡稳定性问题是工程界及工程地质界争论已久的一个老问题，至今亦未获得解决。
关于在黄土中修建路堑边坡的稳定性，国内已有不少人在从事研究。在黄土中修建渠道的边坡稳定性问题，基本上与路堑边坡稳定性是相同的。
对已建成的渠道及路堑边坡破坏现象分析得知，边坡破坏方式一般有两种，即在大气降水所产生的地表径流作用下产生边坡侵蚀及由于设计考虑不周和施工不合理而破坏了土体平衡条件引起滑坡现象。边坡侵蚀现象可以用施工措施上加以防治（一般采用打光和抹光法处理较有效）。如果设计上发生错误，则滑坡性边坡破坏在施工上是难以防治的。显然，要想保证所建的边坡稳定可靠，必须作出正确的边坡结构设计，即对边坡稳定性作出正确的预报。下面讨论边坡稳定性预测预报，这里所说的边坡稳定性不包括侵蚀方式边坡破坏问题，而主要是指滑坡破坏所产生的边坡破坏。到目前为止，研究边坡稳定性的一般方法概括起来可分为如下5种：
（1）根据极限不平衡理论，建立严密的数学力学方程式的数学力学分析法：是由雷金（1857）首创，由前苏联B.B.索柯洛夫斯基做了进一步的发展。此种方法在数学力学理论上是严密的。但到目前为止，尚没有发展到能够充分地反映天然土层的复杂的基本特性用来解决实际问题的阶段，故在实践中采用的还不多。
（2）假定破裂面，试算边坡土体平衡条件的半经验法：为库伦（1773）所首创，以后有很多的学者继续进行研究，提出了各式各样破裂面的假定。其目的是简化数学力学分析法，便于实践中应用。因各位学者所研究的土质特性不同，故所提出的假定在实用上具有极大的局限性。如实践中采用最广的圆柱状滑动面的假定，对塑性土体是适用的，对脆性及流性土体便不适用。
（3）根据极限平衡条件，以破裂面作为稳定边坡的数学力学分析法：是前苏联什利亚平等人提出的。从其基本原理上很容易发现其假定本身是不尽完善的。在实际现象中亦常可以见到滑动面所构成的边坡并不稳定。因此，这种假定似乎没有多大必要再继续研究。
（4）工程地质条件对比法：是工程地质工作者及工程技术人员经常采用的一种方法，这是值得重视的一种方法。但有时，由于人工条件超越了天然的及已有的工程条件，在运用上常常遇到困难。这一种方法必须与其他方法结合起来研究才有发展前途。
（5）模型试验法：虽然已有50年的发展历史，但此种方法尚处在研究阶段，但从原则上来讲，是有发展前途的一种方法。
由上述可见，各种方法中皆有其优点及其不足的地方。故在实践中，往往采用多种多样方法来进行比较、研究。应当指出，在采用某种方法进行工作时，必须对各种方法的运用条件首先弄清，否则必将形成主观性和盲目性。在实际工作中，我们亦应防止任意拼凑的现象。
为了解决黄土渠道边坡稳定性问题，我们采用了上述的第二种及第四种方法进行了研究，即通过对已有的黄土边坡稳定性的工程地质现象的考察资料分析，拟定出一种核算黄土渠道边坡稳定性的经验方法，进行黄土渠道边坡稳定性预测。我们除了对已建成的黄土渠道边坡稳定性进行了考察外，又补充对已建成的天兰路、兰银路路堑进行了考察。考察中着重地注意了3个问题：①不同的黄土层中边坡稳定情况；②黄土边坡破坏方式及破裂面的形状；③黄土的结构构造现象，如构造节理，柱状劈理等对边坡稳定性的影响。
对已建成的黄土渠道边坡稳定性情况在渠道考察一文（参看《孙广忠地质工程文选》）中已做了介绍，在讨论边坡稳定性预报原理和方法之前，先来讨论一下路堑边坡稳定性考察结果，路堑边坡考察资料介绍如下：
（1）天兰路路堑主要位于老黄土中。老黄土层上部一般分布有10～20m的新黄土，该线路堑边坡一般为1∶1.0，少数的陡至1∶0.5。
不论路堑所穿过的黄土类型如何，其边坡系数为1∶1.0者，除少数地段（如寒水岔）因地下水活动发生过破坏现象外，一般的皆稳定。而边坡陡于此者则不尽然，有的稳定无事；有的则发生了破坏现象。
图12-1 天兰路几个代表性边坡剖面稳定情况
如图12-1所示，边坡系数为1∶0.5，上覆20m新黄土，下部为老黄土，边坡总高近60m，上部发生了破坏现象，而下部还很稳定。
同一地段附近，路堑边坡系数为1∶0.75者，安全稳定，未发生破坏现象。
（2）兰银路狄家台至兰州段，有如下3种情况（见图12-2）：
a.高10～15m的新黄土路堑，其边坡系数采用1∶0.5者，多不稳定，而采用1∶1.0者则稳定。
图12-2 兰银路（兰州至狄家台段）路堑边坡稳定情况
b.老黄土构成的路堑边坡，高15～20m，边坡系数为1∶0.5者稳定。高30～40m的边坡，边坡系数取1∶0.75的同样亦稳定。
c.上部为10～15m的新黄土，下部为老黄土，老黄土厚30余米的复式土层结构路堑，上部采用1∶1.0的边坡系数，下部采用1∶0.5的边坡系数情况下，边坡未发现破坏现象。反之，上部新黄土部分边坡则发生过破坏现象（图12-2b）。
应当说明一点，边坡破坏多发生在新黄土层中，但老黄土有时因受上部新黄土的影响，有时亦发生破坏。
（3）永登一带已建成的中小型黄土渠道，考察结果得到如下3点概念：①高10m左右的新黄土边坡，在施工时，边坡系数若采用1∶0.5，稳定性不同，破坏现象多发生在边坡顶部，高度大于15m的新黄土边坡在施工时多不稳定；②高度达30～35m的老黄土渠道边坡，施工时，边坡系数采用1∶0.6，并未发现破坏现象；③渠道通过具有构造节理的黄土层时，构造节理面倾向渠槽，节理面倾角大于40°～54°时，常发现发生破坏现象。
（4）临夏北塬渠考察结果，高达15m的老黄土边坡，施工边坡系数采用1∶0.5时，边坡稳定；当高度达30～35m，边坡系数采用1∶0.6，同样稳定。
（5）天然剖面黄土具有柱状壁理时，边坡常为垂直的。悬崖前常存在有块状黄土堆，此概系剖面上黄土沿着垂直壁理面倒塌所形成的。
在野外工作期间，我们除了对黄土边坡稳定性一般概况进行过调查外，并观察了黄土边坡的破坏方式及其破裂面形状。
黄土边坡破坏方式，在极大程度上决定于土层结构及构造特点。黄土边坡破坏方式有3种方式：①均质的及微成层状黄土（不论新的或老的）边坡破坏时多具有一定的破裂面。边坡破坏时，系沿着破裂面向下滑动；②具有构造裂隙的黄土破坏时，则主要系被节理切割成块状的土体沿着裂隙面向下滑动；③具有柱状劈理的黄土构成的边坡破坏时，则主要是以倒塌的方式破坏。
在工作中发现，黄土边坡破坏时，其破裂面的形状有如下3种（图12-3）：
（1）破裂面形状接近于直线形。破裂面倾角多为65°～70°，亦有的小至50°。
图12-3 黄土人工边坡破坏形式
（2）破裂面由两段直线组成的折线状，上部直线段远远大于下部直线段。
（3）其破裂面由两段直线及一小段曲线联成的折曲线状，且上部直线段远远大于其余二部分的组合。
上述（2）及（3）两种破裂面的上部倾角一般的为60°～80°，多为70°～75°，底部倾角常为35°～40°。
上述三种破裂面形状中，不论哪一种，其顶部皆存在着一段垂直的悬臂。悬臂的高度随黄土的类型不同而不同。一般来说，新黄土为0.8～1.2m，老黄土为1.5～2.5m。根据实际考察得知，在边坡高度小于30～40m时，破裂面呈折线状边坡的下部缓倾角折（曲）线部分范围在整个破裂面中所占的比例很小，一般很少超过1/4或1/5。在边坡破坏范围较大或有地下水活动参与作用时，破裂面的实际情况与此大有不同。关于这种类型破裂面的资料还不多，尚不明确。下面我们将着重讨论低边坡的稳定情况。
根据实际观察的资料分析，我们初步得出结论：即黄土渠道低边坡稳定性可以采用直线假定破裂面或平面破裂面的假定来预测。
预测工作中可以采用如图12-4所示的力学计算草图，计算进行黄土边坡稳定性：先假定一定的边坡坡度，在该边坡的不同高度a，b，c等点做不同倾角的假定破裂面，核定其最大稳定高度。如此假定几种边坡系数进行最大的边坡高度核算结果，便得出如表12-1的资料。这个资料经过经验资料校正后，便可作为设计的标准（表12-2）。
图12-4 黄土边坡稳定性核算草图
图12-5 不均质土层边坡稳定性计算草图
黄土层的工程性质计算指标在不同深度处不同。在进行施工边坡稳定核算时，我们建议按图12-5的假定来解决，即假定破裂面上垂直压力为：
地质工程学原理
正压力Ni为：
地质工程学原理
抗剪力为：
地质工程学原理
剪应力Si为：
地质工程学原理
则斜坡上土体平衡条件可以用式（14-5）来表示，即：
地质工程学原理
式中：hi为工程性质相同的土层厚度；γi为hi土层内的天然重度；φi为hi土层的内摩擦角；ci为hi土层的抗剪力常数；α为假定破裂面倾角；Li为具有相同ci的假定破裂面长度Li=hi/sinα。以上便为均质的及微成层状的黄土边坡稳定性核算原理及方法。
利用上述方法，我们将陇西典型地段黄土渠道施工边坡核算结果列于表12-1。
表12-1 陇西地区修筑黄土渠道计算边坡极限稳定高度
表中系选用新黄土的γ=12.8～13.0kN/m3，w（水）=10%，φ=21°，c=22kPa，老黄土的γ=13.5～14.0kN/m3，w（水）=15%，φ=27°，c=35kPa。稳定系数K=1.10的作为极限稳定高度。
与前述资料比较，显然，计算结果与考察中所获得的资料大致相符。陇西地区黄土中修筑渠道边坡稳定系数的参考资料见表12-2。边坡稳定性不仅要保证分台阶的稳定性，同时必须保证总边坡的稳定性。总边坡稳定性系由分边坡系数与分边坡高度及台阶宽度所决定。
表12-2 陇西地区修筑黄土渠道边坡稳定性参考资料
陇西地区新黄土与老黄土常叠覆堆积，形成双层结构的土质剖面。这种双层结构的黄土渠道边坡稳定性是值得注意的，即老黄土层上覆有新黄土层时，边坡稳定性有减低的趋势，结合陇西地区新黄土分布情况，我们对老黄土层上覆10～15m的新黄土层的双层结构土质剖面的边坡稳定性进行了核算。结果为双层结构土质剖面的黄土渠道边坡，如果上覆新黄土层部分取极限稳定边坡系数时，则下部老黄土层部分采取相应高度（按总高度）单一土层的极限稳定边坡则不稳定，即其稳定性有降低的趋势。
因此指出，在双层黄土层结构的情况下，在修建工程时，应当特别地注意研究其稳定性。一般地说，上部如果取极限稳定边坡时，则下部应当采用较相应高度单一土层极限稳定边坡缓一些的坡度，或者放缓上部边坡。究竟以何种方案为宜，应当由经济比较来决定。
老黄土中常发育有交叉的构造节理，它对边坡稳定性有很大的影响。
发育有构造节理的黄土边坡，破坏时，边坡土体系沿节理面向下滑落。
在野外考察工作中见到，由发育有构造节理的老黄土组成的边坡破坏时，斜坡上土体沿着节理面向下滑落时的节理面最小倾角（表12-3）。由发育有构造裂隙的老黄土构成的边坡，当倾向渠槽的节理倾角大于38°～40°时，边坡即有破坏的可能性。边坡沿着构造节理面破坏的严重性并不在于边坡上被构造节理切割过的小块土体滑落，而问题在于它有可能引起边坡大规模的破坏（图12-6）。
表12-3 由构造节理较发育的老黄土组成的边坡破坏时节理面最小倾角
老黄土中节理面一般多呈轻微胶结的。然而由于开挖、卸载及风化作用结果，常又呈分离状态。从土的抗剪强度观点出发，此时，沿着节理面的抗剪力常数可以视为零，而其抗剪抵抗主要由内摩擦角来承担。
据此，经我们分析的结果，得到裂隙性黄土渠道施工边坡的稳定性与节理面倾角间关系可以简化如式（12-10）：
地质工程学原理
式中：K为边坡稳定系数；φ为黄土沿着节理面的内摩擦角；α为节理面倾角。
式（12-10）表明在发育有构造裂隙的老黄土中开挖渠道时，其边坡稳定性与边坡的高度关系不大，主要决定于构造节理面的倾角与黄土沿着节理面的内摩擦角之间的关系。
构造节理发育的老黄土抗剪强度一般都很高，其内摩擦角达35°～40°者并不罕见。而且节理是具有一定程度的胶结性，这与上面的观测结果是相符的。
为了工程安全着想，在发育有构造节理的老黄土中开挖渠道时，当裂隙面倾角大于老黄土沿着节理面的内摩擦角时，其边坡角必须放缓至老黄土沿着节理面具有的内摩擦角一致；也可以采用锚固加固，内锚头必须位于穿过构造裂隙面一定深度处。
图12-6 裂隙所引起的边坡破坏
图12-7 发育有柱状裂隙黄土垂直边坡破坏草图
图12-8 具有柱状劈理的黄土倾斜边坡稳定性核算草图
一般地说，陇西黄土的柱状劈理不甚发育，陇东黄土柱状劈理比较发育。
在野外考察时，我们有时见到具有垂直劈理的黄土边坡常呈倒塌式破坏。这种现象稍加分析就不难看出，其原因是由于黄土柱底部的黄土，在上覆柱状土层自重压力下破坏所引起的。如图12-7所示，具有柱状劈理的黄土垂直的边坡高度为h，上覆土层自重为γ，则作用于其底部土层上的压力（Q）为
地质工程学原理
假定底部土体的无侧限抗压强度为p，则高度为h的具有垂直劈理的黄土边坡的稳定性系数（K）为
地质工程学原理
采用式（12-9），用试算法，可以较容易的求得具有垂直劈理的黄土可能保持的最大的边坡高度。发育有柱状劈理的垂直边坡破坏主要是在底部黄土浸水的情况下，故p应取黄土浸水无侧限抗压强度。如果在发育有柱状劈理的黄土中开挖成斜坡，其稳定性可用图12-8所示的力学模型进行稳定性分析。这时柱状劈理底部的黄土抗压强度应采用有侧限抗压强度。
由上述可知，黄土渠道的边坡稳定性是很复杂的问题。在评价黄土渠道边坡稳定性时，只有综合地考虑各种黄土层的特性、结构及构造作用发育情况，确定出正确的预报方法，边坡稳定性才能得到正确的预报结果，否则，将引起不良后果。
黄土渠道边坡一般是低边坡，如果遇到高边坡时，可利用“第四章第二节中所述的土体稳定性分析方法”进行稳定性分析，在此不重述。