黃土邊坡在單坡坡率及高度限定下平臺設置與經濟性—以某公路邊坡為例

李金云

（甘肅省公路發展集團有限公司，甘肅 蘭州 730070）

1 前言

邊坡的設計核心是安全，在此基礎上會考慮到經濟與美觀性，公路和鐵路邊坡設計往往要考慮整個路段或某一區域的整體一致性，即保持單坡坡率及高度的一致，視覺上達到舒適美觀的效果。在給定了單坡坡率和高度后，平臺的設計成為邊坡安全及經濟的至關重要因素。前人對邊坡削坡設計的研究已較為全面，邊坡優化方法多不勝數如：工程類比法、計算對比法、反算法、有限元數值模擬離散裂隙網絡多面體建模、極限平衡法、自然比擬法、計算分析法、工程地質類比法等[1][7][12]。邊坡設計所考慮的因素也多種多樣如：單級坡高、單級坡率、總坡率、分級數目、平臺設置、可靠度、破壞概率等[5][8]～[13]。但對于只以平臺設計為變量的研究寥寥無幾，劉海松等對限定單級坡高、坡率的邊坡進行設計研究，認為在高邊坡1/3處設置大平臺對邊坡穩定性轉化率高，考慮的是平臺與安全的關系。限定條件下平臺設置與安全性及經濟性的關系研究，對邊坡設計有重要的意義，因此文以某邊坡設計為依托，在保證安全的基礎上，探究了平臺設計與經濟性的關系。

2 邊坡設計

2.1 工程概況

路線布設于陜北黃土高原中部的黃土梁峁溝壑地貌區，地形起伏較大，切割強烈，溝道狹窄，邊坡陡立，部分溝道較曲折，無論是布設橋梁還是設置路基都避免不了高邊坡。線路基深挖高邊坡共20處，高邊坡以Q3黃土邊坡為主。

2.2 設計限定

因公路工程整體設計要求，以典型邊坡優化設計為依據，對該路段提出以下設計要求：1）底層單坡坡率為1:0.5，之上坡率為1:0.75；2）單坡坡高設置為8m；3）平臺最小為2m，加寬為雙數加寬。

2.3 指標選取

選取的指標中，粘聚力、內摩擦角、重度根據經驗值選取，安全系數是依據《公路工程地質勘察規范》[14]、《公路路基設計規范》[15]，根據公路等級選取。

表1 各項指標選取

2.4 安全系數計算方法

本文采用理正巖土計算5.6版進行了邊坡穩定性計算。通過設定邊坡坡型、土體參數、荷載、計算方法（簡化Bishop法）、土條厚度等，自動收縮最危險滑裂面的方式得到穩定性計算書，與選取的安全系數值比較，判斷設計坡型是否安全。

2.5 坡型設計方法

2.5.1 逐步加寬平臺法

逐步加寬平臺法，是由底部向頂部，平臺逐漸加寬來滿足安全性的方法。此方法是在低階邊坡設計的基礎上進行高階設計，如七階邊坡的設計是在六階最佳設計坡型的基礎上進行的，而六階邊坡是設計是在五階邊坡的最佳設計基礎上進行的。但此方法存在局限性，由于每層邊坡都是極限最優方案，在累積到高層時，就會出現需要設置一個大臺階才能滿足安全要求的情況，此時這種設計的經濟性將不是最優的，筆者稱為臨界坡階。此時易采用同等經濟性或更優經濟性的臺階設計，即同時加寬頂層平臺及上一設計頂層平臺的寬度的方案，來實現坡型的緩變，該緩變方案在低階邊坡處有效。在通過緩變方案設計的臨界坡階設計后，仍采用逐步加寬臺階法，直到下一臨界坡階出現，此時需要大量調整低階平臺才能實現坡型的緩變，該方法不再適用。

因工程路段邊坡高度不一，筆者采用逐步加寬臺階的方法，調整臺階寬度，進行了3臺階至10臺階的設計計算，得出了滿足安全要求的最小挖方量。設計見表2。

由表可以看出，在對四階邊坡設計時，最經濟的平臺設計為三個2m的平臺，但在五階邊坡設計時，如繼承四階邊坡的設計，平臺設計需要滿足2，2，2，10的要求，此時的危險面位于前四階邊坡處（圖1A）。此時，臺階設置采用2，2，4，6的方案，在經濟性上與前者一致，在橫向挖深上淺于前者，因此五階邊坡為本邊坡逐步加寬臺階法的臨界坡階。此時下方平臺數較少，把三級加寬至4米，四級平臺加寬至6米，可及時使坡型緩變，因此對于5級邊坡采用緩變的方案，之后的邊坡仍采用逐步加寬平臺法。當階數到達10階時，開挖坡型為較為明顯外凸弧面，滑動危險面位于弧面較陡的中下部（圖1B），頂部平臺的加大對安全系數的增大微乎其微。

圖1 危險面位置

逐步加寬臺階法對于中低型高邊坡設計，會起到最佳的經濟效益，但對于超高邊坡，應視情況對比使用。

2.5.2 中下層加寬平臺法

與逐步加寬臺階法不同，中下部加寬平臺法，是在中下部加大挖方量，該方法可以是在中下部設置大平臺，也可以同時加寬中下部的多個平臺，可以減小頂底平臺的差值。此方法雖然在低階設計中不是經濟最優方案，但卻有效的保證了開挖坡型的健康。

以本次設計的對比方案為例，筆者以此方法擬設計了十階開挖方案。單坡坡率及高度與前者相同，該方法共設計了9個臺階，寬度分別為4、4、6、6、6、8、8、8、8，并通過了安全計算。在挖方上超過前者，但在坡型健康上優于前者，并且邊坡階數到達11階或12階時，挖方量將必然優于前者（圖2）。

表2 滿足安全要求的最小挖方量

圖2 不同階挖方量對比

3 結語

1）對于該路段邊坡工程，采用逐步加寬邊坡法的設計，是減少工程量的經濟最優方案。2）對于條件限定下，通過平臺寬度控制安全性與經濟性的情況，采用逐步加寬臺階法和中下部加寬臺階法相結合的方案。逐步加寬臺階法適用于中低型高邊坡，下部加寬臺階法適用于超高邊坡。