蘭州地區某黃土高填方邊坡的穩定性分析與聯合支護設計

李麒麟，丁保艷，王 鵬

(甘肅省地質礦產勘查開發局 第三地質礦產勘查院， 甘肅 蘭州 730050)

在我國山區和丘陵地帶的城鎮化建設和交通等基礎設施建設中，受到不利地形地貌條件的影響，時常需要對邊坡進行挖填方工作，但由此引發的高填方邊坡失穩案例時有發生，如貴州荔波機場[1]、昆明機場[2]、九寨黃龍機場[3]、攀枝花機場[4]等邊坡失穩，特別是12.20深圳堆埋渣填土滑坡[5]造成77人死亡，可見該類填方邊坡失穩事故造成了重大人員傷亡和財產損失。為保證高填方工程本身的安全，需要對邊坡進行支護。

對于一般填方邊坡，常見的支護形式有重力式擋土墻、護壁式擋土墻、懸臂式擋墻、加筋土擋墻等[6]。對高填方邊坡，一方面該類邊坡的挖填方工程破壞了原邊坡的穩定性并改變邊坡徑流和滲流路徑等水文地質條件，并具有高差大、工程地質條件復雜、施工困難等特點；另一方面目前規范[7]對高度超過15 m的土質邊坡尚無相應的專項設計要求，造成其穩定性分析和支護結構的選取具有一定的難度。為滿足高填方邊坡工程建設的需要，謝春慶等[8]、王雙等[9]和孫晉超等[10]通過室內外試驗和現場地質勘察等手段對填方邊坡的失穩機制進行了研究并提出相應的處理措施，取得了較好的災害治理效果，李波等[11]等對不同加固設計方案進行數值模擬，給出了某高邊坡的最佳開挖加固方案。上述學者通過土工試驗、數值模擬和地質勘察等傳統手段對填方邊坡的穩定性及其支護設計進行研究，但是山區高填方工程具有地質環境復雜、工期長和填筑高度高等難點，因此為動態地監測變形同時控制其穩定性，楊校輝等[12]在對某高填方的滑移過程進行全過程的時空監測，該動態監測不僅可以預警潛在的失穩，同時可以記錄工后沉降，進行工后沉降分析。

對于黃土地區的填方邊坡，王衍匯等[13]對延安新區黃土高填方邊坡進行有限元穩定性分析，得出地震和地下水位的變化是影響其穩定性的主要因素；同時為解決諸如樁基附加沉降、樁體彎曲等現象，張碩等[14]和魏愷鴻等[15]采用地形微變監測儀進行全天候監測，揭示了黃土高填方坡體加載過程中的力學與變形響應；朱彥鵬等[16]基于極限平衡算法理論，提出了框架預應力錨托板結構加固高填方邊坡的設計理論，解決了預應力錨桿(錨索)加固填土體錨固值偏低的問題。上述研究主要針對的是山區機場填方邊坡的支護研究[8-9,12]，少有對高陡填方邊坡的相關支護研究。

綜上，目前規范中尚未對黃土高填方邊坡的支護設計有對應的要求，同時對高陡填方邊坡的治理缺乏足夠深入的認識，對其相應的支護結構選型、設計參數的選取和施工方案優化等問題尚未有成熟可靠的參考。本文以蘭州某黃土高填方邊坡治理工程為依托，通過理論計算和數值模擬等手段，分析該高陡邊坡的穩定性并提出聯合支護措施，相關研究結果可為類似黃土地區的高陡填方邊坡穩定性設計提供參考。

1 工程概況與特點

蘭州某高填方邊坡位于甘肅省榆中縣和平鎮，平面位置如圖1所示。

圖1 邊坡平面位置示意圖

該邊坡屬人工邊坡，邊坡高22 m～25 m，水平長度430 m，整體走向為近南北向。地震動峰值加速度0.20g，場地類別為III類場地。為提高邊坡的穩定性，預防地質災害的發生，保證后期坡頂和坡底建筑物的安全，考慮對該邊坡進行治理。

1.1 地形地貌和地質構造

工程所在區為侵蝕堆積河谷臺地區與黃土梁區交匯部位。場地地形起伏較大。整體地勢西高東低，海拔在1 710 m～1 744 m之間。新構造運動在本區表現為垂直升降為主，測區內屬于強烈上升區。據區域地質資料，測區內無隱伏斷裂，無活動斷裂，地質構造對本工程無影響。

1.2 工程地質與水文地質條件

場地地層主要分布的是濕陷性砂質黃土，且有較多的黃土陷穴，屬IV級濕陷性黃土場地。擬建場地無地表水及地下水分布，區內最大凍結深度118 cm，為季節性凍土，凍結時間由11月至翌年的3月，存在一定的凍融凍脹危害。

1.3 邊坡特點

(1) 該邊坡相對高差約34 m，局部坡度可達65°，且需要進行大量高填方作業，對高陡邊坡穩定性十分不利。目前規范[7]對高度超過15 m的土質邊坡尚無相應設計要求，因此如何安全有效地對該類邊坡進行支擋結構設計是一個函待解決的問題。

(2) 由于該高填方邊坡的坡頂附近建有其他民用建筑，對變形有嚴格要求，所以在邊坡支擋結構的設計中應考慮建筑物側向變形的要求；此外，還應考慮地震工況下，坡頂建筑物引起的水平地震力作用對邊坡穩定性的影響。

(3) 擬處理邊坡是具有濕陷性的黃土狀粉土邊坡，且坡頂沿裂隙發育的黃土陷穴與坡面發育的黃土陷穴貫通。在強降雨條件下，邊坡黃土狀粉土容易發生濕陷，如何消除濕陷性可能引起的沉降，并進行支護結構設計是工程設計人員必須考慮的問題。

2 穩定性分析

2.1 計算方法及參數選定

(1) 計算方法及參數選定。由于目前尚無高陡填方邊坡的穩定性算法，推薦對支護前后的邊坡采用不同的計算方法。根據現場勘查，該不穩定邊坡物質組成較單一，潛在滑面近似圓弧狀，穩定性計算采用《建筑邊坡工程技術規范》[7](GB 50330—2013)圓弧型滑面的邊坡穩定性計算公式，計算簡圖如圖2所示。

(1)

圖2 邊坡穩定性計算簡圖

(2)

(3)

式中：Fs為邊坡穩定性系數；ci為第i計算條塊滑面黏聚力,kPa；φi為第i計算條塊滑面內摩擦角,(°)；Li為第i計算條塊滑面長度,m；θi為第i計算條塊滑面傾角,(°)，滑面傾向與滑動方向相同時取正值，底面傾向與滑動方向相反時取負值；Ui為第i計算條塊滑面單位寬度總水壓力，kN/m；Gi為第i計算條塊單位寬度自重，kN/m；Gbi為第i計算條塊單位寬度豎向附加荷載，kN/m，方向指向下方時取正值，指向上方時取負值；Qi為第i計算條塊單位寬度水平荷載，kN/m；hwi，hw,i-1為第i及第i-1計算條塊滑面前端水頭高度，m；γw為水重度，kN/m3；i為計算條塊號；n為條塊數量。

本次穩定性分析共選取8個計算剖面，其中1剖面填方量為102 m3，其余剖面填方量為2 700 m3～17 000 m3。計算工況為工況I：自重；工況II：地震工況。地震荷載標準：蘭州市設防烈度為Ⅷ度，地震動峰值加速度取0.2g，物理力學參數取值見表1。

表1 巖土體物理力學參數取值

2.2 穩定性結果分析

原邊坡填方前后的穩定性計算結果分別見表2和表3，并根據規范[7]進行穩定性定性判斷。

由表2可知，填方前該邊坡在自重工況下基本可以保持穩定，在地震工況下僅有2個剖面不能保持穩定。通過表3計算可知，填方后的高邊坡穩定性出現不同程度的下降，其中1-1’剖面穩定性系數小幅提高，原因是該填方處在距坡頂較遠位置，原坡面上無填方作業，導致自重產生的摩擦阻力增大，抗滑力增大，穩定系數略微增大；剖面4和剖面5穩定性下降幅度最大，分別為42.86%和46.15%，因為上兩段剖面不僅在坡頂有填方，在坡面上也有大量填方，同時由于邊坡高陡，坡角較大，因此沿坡面的滑動力增大，穩定性降低，特別是在地震工況下，該邊坡難以保持穩定。

表2 填方前邊坡穩定性計算結果

表3 填方后邊坡穩定性計算結果

由于該填方邊坡高陡且填方量大，規范[7]尚無對應的設計要求，因此考慮首先對填方前后的邊坡進行穩定性分析，然后針對邊坡的不同部位及地形較陡、填方量較大的坡面根據工程特點和工程經驗因地制宜地采取不同的支護措施。

3 聯合支護設計

本邊坡經過設計計算，選擇出兩種支護方案。支護設計方案1：預應力錨索框架+加筋土擋墻+擋墻；方案2：預應力錨索框架+抗滑樁。經過方案比選，兼顧安全與經濟性原則，最終決定選取采用方案1，由于篇幅限制，僅介紹實際施工中采用的支護措施方案。方案1中不同部位聯合支護布置如下，在坡腳布設擋墻進行防護；坡面布設預應力錨索框架加固；在坡頂布設加筋土擋墻；坡面格構內進行綠化美化環境。首先采用理正巖土軟件進行支擋結構設計和穩定性計算，土體模型采用摩爾-庫侖模型，土力學參數及材料參數分別見表1和表4。考慮到剖面5-5′穩定性下降最多，對支護結構設計的要求較高，因此以剖面5-5′為例(見圖3)，對加筋土擋墻加固的坡頂和錨索框架加固的坡面分別進行穩定性驗算。

(1) 錨索框架支護設計與驗算。為解決填方作業帶來的潛在淺層滑坡和深層穩定性等問題，考慮在坡面采用錨索框架柔性支擋結構。根據規范[7]對該支護進行設計和穩定性驗算。

圖3 邊坡穩定性計算簡圖

自重工況下邊坡穩定性系數是1.61，地震工況下為1.46，分別提高了21.05%和21.60%。由此可見，坡面填方量最大的5-5’剖面經過加固后其穩定性得到顯著提高。

(2) 加筋土擋墻支護設計與驗算。考慮到加筋土擋墻可以加固垂直填方邊坡且具有施工方便、造價較低等優點。對坡頂土體采用加筋土擋墻進行加固，由于規范[7,17]無相關加筋土擋土墻相關的內容，本次加筋土擋土墻設計主要參考《鐵路路基支擋結構設計規范》[18](TB 10025—2006)相關內容。加筋土加固坡體穩定性計算結果表明:自重工況下坡頂填土體穩定性系數是3.77，地震工況下為2.97，由于坡頂填方相比于坡面填方量較少，因此坡頂土體穩定性系數大于坡面土體穩定性系數。

4 數值模擬

考慮到本次設計采用了多種支護結構形式，為控制各個支護施工階段的位移，采用MIDAS/GTS NX對各個施工階段進行數值模擬并分析其位移情況。本模型為2D模型，設置土層屬性為平面應變，計算時使用莫爾-庫侖理論；定義錨桿為植入式桁架，計算時按彈性材料計算，桿徑取0.03 m，水平間距為3 m，豎向間距為3 m；立柱、混凝土面層、基礎定義為1D梁單元，截面屬性見表4，取值參考于文獻[19-21]。

表4 截面屬性

錨桿施工、立柱施工和加筋土擋墻施工后的水平位移云圖分別如圖4、圖5和圖6所示。

圖4 錨桿施工后水平位移云圖

圖5 立柱施工后水平位移云圖

由圖4和圖5可以看出，每次施工完成后水平位移最大值在每級邊坡坡腳處，并且隨著施工的進行，坡體的水平最大位移在逐漸減小，第一級邊坡坡腳水平位移方向指向坡內，而第二級邊坡水平位移方向指向坡外。坡體中部有向外位移的趨勢，應是坡頂回填土壓力過大所致。

圖6 加筋土擋墻施工后水平位移云圖

通過圖6分析可知，開始施工加筋土擋土墻后，邊坡的水平最大位移從一、二級坡面的連接區域向第一級坡面過渡，這表明邊坡在施工框架預應力錨桿時，變形與原狀邊坡相同，滑動面并未發生大的改變，而加筋土擋土墻施工完后，邊坡形成了新的滑動面。

5 支護方案

根據第2節邊坡穩定性分析和第3節支護設計計算結果，考慮到該邊坡的復雜性及結合相關工程經驗，采取預應力錨索格構工程、加筋土擋墻工程、擋土墻工程以及坡面綠化工程等形成聯合支護，工程現場如圖7所示。

圖7 邊坡工程施工現場

5.1 擋土墻工程

在斜坡坡腳設置擋土墻，長340 m，C30混凝土澆筑，墻型為仰斜式，高2.0 m，基礎埋深1.2 m，墻頂寬0.5 m，內坡比1.0∶0.1，外坡比1.0∶0.3，基礎底面內傾，坡比0.1∶1.0，基礎寬1.11 m，墻背采用砂土分層回填，壓實系數大于0.85。地基采用三七灰土墊層，厚30 cm，壓實系數不小于0.88。墻內預埋排水管，φ75PVC管1排，縱橫向間距1.5 m，外傾坡比5%，梅花型布置，排水管距地面0.5 m，墻后設置為花管，回填砂礫石反濾層將其包裹。擋土墻每隔10 m設一道伸縮縫，縫寬25 mm，縫內填塞聚苯板。

5.2 預應力錨索框架工程

框架橫向寬度8.98 m，高度11.00 m，坡面長度13.75 m，每片框架由三根立柱和四道橫梁連接而成。框架梁、立柱截面尺寸0.4 m×0.5 m，立柱橫向間距3 m，橫梁豎向間距3 m，框架為C30現澆鋼筋混凝土，每片框架整體澆筑，一次完成。每兩片框架之間設置2 cm伸縮縫，內填瀝青麻絲，深度20 cm。為保證工程后期綠化工程，本次治理工程框架外露30 cm。

每片框架布設6排錨索，在框架梁節點處設置錨索，錨孔直徑為φ150 mm，與水平面夾角15°，錨索由3根φ15.2高強度低松弛預應力鋼絞線制成，水平間距3 m，豎向間距3 m。注漿材料用M30水泥砂漿，水灰比0.40～0.45，砂漿體強度不低于30 MPa，孔口注漿壓力控制在0.25 MPa左右。

5.3 加筋土擋墻工程

本設計擬采用TGDG80高密度聚乙烯單拉塑料格柵，拉伸強度≥80 kN/m，2%伸長率時的拉伸強度≥21 kN/m，5%伸長率時的拉伸強度≥40 kN/m，似摩擦系數≥0.4，豎向間距0.5 m，橫向搭接長度20 cm，縱向搭接長度150 cm，反包搭接長度200 cm。加筋體為矩形斷面，各層筋帶長度均為15.0 m(局部地段有所變化)，橫向搭接長度20 cm，縱向搭接長度150 cm，反包搭接長度200 cm。混凝土基礎采用C30混凝土，一般埋深1.3 m，每隔10 m設一道伸縮縫。坡頂護設混凝土互肩，采用C30混凝土，尺寸300 mm×500 mm，采用1.0 m長鋼釘(Φ25 mm×2.5 mm鋼管加工)與生態袋固定，間距2.0 m。

5.4 回填工程

黃土高填方沉降主要集中在施工期，因此通過施工工藝可以有效地控制沉降。通過控制施工填筑速率，可以減小工后沉降，提高壓實度對沉降控制影響更明顯，每提高1%的壓實度，可減小工后沉降6%[22]。本次回填工程通過提高壓實度和降低填筑速率等工藝方法減小黃土沉降。施工中要求填土分層鋪填，每層鋪填25 cm～30 cm，夯實后再鋪下一層，要求壓實系數大于0.88，拉筋必須在相應高度的土層夯實平整后穩定一定時間，再挖槽鋪設，距墻面板1.5 m距離內不能用重型機械夯填，以避免墻面板承受過大的附加側向應力。目前，本工程已完工一年，工后沉降和位移均在規范[17]參考值以內。

6 結 論

(1) 對于高陡填方邊坡的穩定性計算可采取不同的方案，對于原邊坡的穩定性分析可采用規范中的算法；對于邊坡的支擋設計可根據邊坡的坡度、填方量和邊坡部位等因素劃分斷面分別計算，該計算結果在保證安全的同時對支擋結構的設計及選取也具有較高的針對性。

(2) 對于高填方邊坡的坡頂可采取加筋土擋墻支護設計，該結構在保證安全的同時還具有施工簡便、造價低等優點；對于填方量較大且坡度較陡的坡面，推薦采用預應力錨索框架工程，該主動支護結構不僅有效地控制邊坡位移而且可以結合綠化措施，符合生態支護理念。

(3) 實踐證明，在聯合支護設計的基礎上，通過控制施工填筑速率和提高壓實度等方法，可有效控制該黃土高填方邊坡的工后沉降和位移。