重慶武隆民用機場巖溶地基高填方邊坡穩定性分析

熊天杰，黃林，來云亮

（1 重慶機場集團有限公司，重慶 401120； 2 中國民航機場建設集團有限公司西南分公司，四川成都 610200；3 重慶大學 土木工程學院，重慶 400045）

0 引言

中國是世界上巖溶發育較完全分布較廣的國家之一，巖溶地貌多分布于西南云貴高原及其周邊區域，具有種類多、厚度大、年代久的特點，而重慶地區又以埋藏型巖溶為主[1-2]，受到山區地形條件的限制，現有的陸運交通網絡已不能滿足日益增長的運輸需要，經濟發展也受到制約，因此民航運輸的優勢便逐漸顯現。國家對于中西部地區民用機場項目新建或改擴建工程的支持力度也在不斷加大[3]。 而在山區修建機場，往往要面對復雜的氣候條件、高地震烈度以及深挖高填等特殊工程問題，而高填方邊坡失穩產生的工程地質事故也會造成巨大的經濟損失以及不良的社會影響，因此對巖溶地基的治理、穩定性的研究和高填方邊坡失穩的防治是巖溶區工程建設中不可忽視的重點問題[4]。 針對山區機場道槽區巖溶地基的處理，高俊生[5]認為應根據巖溶發育程度、可能性及危險性評價結果，采取清爆換填、強夯探測、加筋補強相結合的綜合治理方案，以達到最優處置效果。孫建民[6]分別采用振動碾壓、沖擊碾壓、原地面強夯及碎石樁四種施工工藝對巖溶地基進行處理，并對處理效果進行對比分析。 通過數值分析手段，侯俊偉[7]、唐佳穎等[8]探究了單排懸臂樁和雙排樁、加筋土和樁板擋墻聯合支護體系對高填方邊坡穩定性的影響，結果表明采取以上支擋防護措施均可有效改善地基與邊坡的工程性狀。

作為我國首例在機場建設中引入重力壩的深挖高填工程，研究不同巖溶地基處理技術對壩體及其后方大方量填料的變形穩定有著重大工程意義。因此本文以重慶武隆民用機場南端深溝高填方工程為研究對象，通過前期調研、室內試驗和數值模擬等手段，針對機場建設中涉及的4 種巖溶地基處理技術、高填方邊坡穩定性控制等實際問題開展研究，以期為工程建設方案設計及工程風險規避提供參考。

1 工程概況

重慶武隆民用機場位于重慶市武隆縣仙女山鎮仙女山村，場址地處仙女山背斜北西翼， 場區海拔高度在1620～1900m 之間，總體地勢東高西低、南高北低，東側與一近東北向延伸的山梁相接，西側和南端為臺地邊緣切割較深的沖溝，北端及軸線中部地形相對平坦，規劃機場跑道處于起伏較小的場區中部。 場區范圍內出露兩套地層，上部覆蓋層以第四系松散堆積的紅黏土夾雜碎石為主，下伏基巖主要由二疊系上統吳家坪組（P3w）灰巖、硅質巖及頁巖組成， 場區內地表巖溶及現代地下巖溶發育程度較低，卻存在發育良好的埋藏性古地下巖溶，呈現溶蝕漏斗、溶蝕洼地、落水洞等多種巖溶現象。機場南端下伏基巖中發育有三個較大的溶室，溶室勘探深度約15～20m，溶室內部形成空腔并相互連接，且多被第四系殘坡積物所充填。考慮地下水溶蝕作用對巖溶地基承載力及場地使用的安全影響，需對溶室進行相應處理。 由于受到地形條件與天然氣管道位置的限制， 高填方邊坡不具備放坡條件，且須將放坡坡率控制在1∶1.4 左右。因此使用碎石填料對南端深溝處進行回填時，選擇重力式高擋墻支擋（攔擋壩）對邊坡進行支護，壩體由“北翼”和“南翼”兩部分組成，兩翼壩軸線夾角約147°，壩體總長約135m，高約40m。 南端深溝溶溝發育情況及天然氣管道位置如圖1 所示，壩體及溶室平面位置如圖2 所示。

圖1 南端深溝溶溝發育情況及天然氣管道位置

圖2 南端深溝壩體及溶室平面位置圖

2 地基處理方案及建模

2.1 巖溶地基處理方案設計

為提高巖溶地基穩定性與承載力，以滿足上部攔擋壩及填方工程的施工需要，工程上通常考慮采用強夯、清爆、充填、注漿、結構物跨越、樁基等處理方法對巖溶地質體進行一定的加固。 注漿采用的材料多為水泥砂漿和混凝土；結構物跨越常采用的結構形式包括網格梁、框架梁、地基板、土工格室等；將巖溶地質體空腔內強度較低的黏土挖除后，多用塊石、漿砌片石以及混凝土等高強度材料加以充填[9]。

本文以穿越基巖內部3 號溶室中心部位的最危險填方剖面NPH2-HPH2 為例（圖2），選用4 種較為常見的巖溶地基處理方法，施工內容如下：

（1） 塊石充填處理：將溶室中原有的黏土碎石充填物清除后，采用塊石充填溶室并夯實，以增強巖溶地基強度；

（2） 混凝土充填處理：將溶室中原有的黏土碎石充填物清除后，采用混凝土充填溶室，并養護至標準養護強度，以增強巖溶地基強度；

（3） 蓋板跨越處理：將長×寬分別為 30m×12m 的混凝土蓋板置于溶室正上方，要求蓋板跨越溶室頂部，且蓋板上表面與混凝土攔擋壩體連結，從而對上覆結構提供支撐；

（4） 土工格室跨越處理：采用與溶洞口尺寸相近土工格室鋪設于溶室頂部，要求將洞口完全覆蓋，并固定于溶室周圍的圍巖上，且與攔擋壩體連結，為上覆結構提供支撐。

2.2 數值模型構建

以上述NPH2-NPH2 剖面以及現場溶室地形勘查數據為基礎，考慮數值模擬中的邊界效應，在保持主要研究對象尺寸不變的前提下，對基巖邊界進行適當擴展，建立原始工況及4 種巖溶處理工況下的數值模型。 根據設計方案，將點、線數據導入專業建模軟件Rhino5.0 中， 并建立相應的非流行曲面， 然后采用Griddle 插件進行網格劃分， 將生成的四面體網格文件導入FLAC3D6.0 中， 其中圍巖與壩體按照二維剖面拉伸形成對稱模型，溶室由實際幾何形態構建三維模型。 采用軟件內置方法構建壩體-基巖及填料-基巖接觸面，對模型四周及底部的法向速度進行約束，將模型在初始平衡過程中產生的位移、速度及塑性區清零。

原始工況及4種巖溶處理工況下的數值分析模型如圖3 所示，亦可直觀看出填料-壩體-基巖的空間相對位置。模型長×寬×高分別為328m×100m×170m，由約149000 個四面體單元和約27700個網格節點組成。其中， 溶室洞口長22.3m，寬 8.5m，溶室深19.2m。 計算中基巖、壩體、填料及溶室原始填充物的相關參數主要來源于現場勘查數據及室內試驗，接觸面與土工格室的相關參數參考經驗值并經反復試算調整得到，部分參數參考相關文獻[10]。 表1—表3 為數值計算中不同材料選取的本構模型及相關參數。

圖3 原始狀態及4 種巖溶處理方案下的數值分析模型

表1 填料、基巖與溶室原始填充物的本構模型及相關參數

表2 接觸面相關參數

表3 土工格室相關參數

3 結果與分析

3.1 不同工況下邊坡變形發展規律

3.1.1 填料位移分布特征

原始工況下模型整體位移云圖如圖4 所示，圖中將填料、壩體、溶室位置用虛線標注。 為了更加直觀對比不同處理方案的優劣程度，將原始工況與4種巖溶處理工況下的填料中下部、 壩體和溶室的位移云圖匯總于表4。

由圖4 可知，原始狀態下，填料在靠近坡腳處的位移較大， 從坡腳至坡頂呈層狀遞減趨勢， 最大位移為14.46cm。 位移矢量近似豎直向下，越靠近坡腳處偏移越明顯。 以上特征說明，在自重作用下，填料位移以豎向沉降為主，伴隨有一定的側向滑移；從坡體傾向上看，填料變形分布規律與填方量及基巖面傾斜程度相關，填料中下部方量較大，且下伏基巖面較陡，因而該部分填料的豎向沉降及側向滑移量均較大。

圖4 原始狀態下模型整體位移云圖

由表4 可知，在塊石充填、混凝土充填、蓋板處理和土工格室跨越處理工況下， 模型整體位移云圖分布特征與原始工況下相似，填料最大位移仍發生于靠近坡腳處，但相比原始工況下的分別減少了 0.98cm （6.78%）、1cm （6.91%）、0.41cm（2.80%）、0.92cm（6.36%），說明以上 4 種地基處理方式均可在一定程度上減小填料位移量， 但影響較小。

3.1.2 壩體位移分布特征

相比于填料而言，壩體總體位移相對較小，但壩體水平位移分量較填料有所增大。 從縱切面上看，壩體表現出遠離填料一側位移大、靠近填料一側位移小，頂部位移大、底部位移小的特征，最大位移發生于壩頂處，為9.33cm。 由此可見，在后方填料的側壓力以及壩體自身的重力作用下，壩體會發生豎向變形并伴有一定的側向壓迫，說明壩體的存在可有效阻止后方填料的進一步變形。

1.3.1 對照組 對照組患有陰道炎的老年糖尿病患者給予雌激素軟膏（批準文號：國藥準字H20051718，規格：14 g（1 g：0.625 mg）進行治療，給藥方式為陰道內給藥。根據患者陰道炎的嚴重程度，每天給予0.5～2 g藥物。根據說明書的使用方法給藥。給藥療程為4周。

由表4 亦可看出，4 種地基處理工況下壩體位移云圖分布特征與原始工況下相似，最大位移仍發生于壩頂處，但相比原始工況 下 分 別 減 小 1.26cm （13.50% ）、1.44cm （15.40% ）、1.01cm（10.83%）、0.78cm（8.36%）。可見充填法對于模型壩體變形的控制效果同樣優于結構物跨越法，這可能與兩種方法不同的作用機理有關。 通過置換溶室軟弱充填物并填充強度較大的塊石或混凝土，可顯著增強壩體地基強度，進而有效減小上方壩體的位移；而在溶室上部加蓋結構物， 是依靠結構物對壩體形成有效支撐，從而抑制了壩體的位移，但由于溶室充填物強度太低，其變形控制效果較充填處理法差。

表4 不同工況下填料、壩體及溶室位移云圖

3.1.3 溶室位移分布特征

從圖4 可直觀看出，溶室與填料、壩體相比位移最小，位移方向接近豎直向下，其最大位移出現在頂部中心處，為8.16cm，并由頂部中心向四周及底部呈圈層狀遞減。 由此可見，隨著壩體及填料施工的逐步完成，溶室內強度較低的原有軟弱充填物不足以抵抗上部壩體施加的壓力，壩體會發生一定程度的豎向變形，且頂部累積變形最大，但由于周圍基巖的強力支撐，使其四周及底部變形受到限制，因此溶室位移呈現由中心向四周和底部逐漸遞減的趨勢。

溶室內部采用塊石和混凝土置換后， 溶室力學性質顯著改善，其變形大幅度減小，最大位移量與初始工況相比分別減少了6.58cm（80.64%）和7.35cm（90.07%），且兩者的變形分布規律發生了明顯變化。 采用塊石置換后溶室的受力方向和邊界條件未變，因此溶室位移分布規律與原始工況下相似，但混凝土置換后頂部位移中心向填料一側偏移，說明僅填料一側的強度就足以對上覆結構物形成有效支撐，其余部分還未產生較大變形。 對溶室采用蓋板處理和土工格室跨越處理，相較于原始工況，溶室變形有了些許改善， 最大位移量分別減少了0.76cm （9.31%） 和2.82cm（52.8%）。 結構物跨越處理后溶室的變形分布規律同樣發生了變化，其中蓋板處理后溶室位移分布特征與原始工況下相似，土工格室跨越處理后出現與混凝土充填方案相似的變形趨勢。

3.2 不同工況下邊坡穩定性對比

根據計算結果，對不同巖溶工況下填料、壩體及溶室各部分最大位移下降率進行對比，同時結合前述關于各工況下模型位移發展規律的分析，篩選出最優處理方案，如各巖溶處理工況下模型各部分最大位移下降百分比柱狀圖（圖5）。

圖5 不同巖溶處理方案下模型各部分最大位移下降百分比柱狀圖

由圖5 可知，相比于原始工況，4 種巖溶處理措施均不同程度地減小了模型各部分最大位移， 其中溶室位移下降最為顯著，其次為壩體位移和填料位移。 填料大致經歷了豎向沉降—回彈—緩慢滑移三個變形階段，隨著壩體變形的增大，填料的滑移變形也逐漸增大，最終趨于相對穩定。 由于基巖本身對壩體有一定的支撐作用，因此巖溶處理措施對壩體及填料的變形控制影響較小。

4 結論

本文以武隆民用機場南端深溝NPH2-NPH2 剖面為研究對象， 建立了原始工況及4 種巖溶處理工況下的5 個三維分析模型，分別對填料、壩體和溶室的位移分布特征以及位移發展規律進行了分析，比選出巖溶處理最優方案。 所得結論如下：

（1） 填料和壩體變形以豎向沉降為主，同時伴有一定的側向滑移。 填料變形分布與填方量及基巖面傾斜程度有關，當溝谷底部以上填方量較大，且下伏基巖面較陡時，上部填料變形相對較大；壩體在頂部以及遠離填料一側變形較大，逐漸向底部及靠近填料一側遞減，最大位移發生于坡肩和壩頂處。

（2） 溶室相比于填料和壩體位移最小，以豎向變形為主。 隨著溶室力學性能的提高，最大位移位由溶室頂部中心處逐漸向填料一側偏移，溶室整體位移呈現由中心向四周和底部逐漸遞減的變化趨勢。

（3） 4 種巖溶處理方案均在不同程度上減小了填料、壩體和溶室的變形，增強了巖溶地基承載力以及高填方邊坡穩定性。 其中充填法對于模型各部位的變形發展控制效果顯著優于結構物跨越法，以混凝土充填最優，其次依次為塊石充填、土工格室跨越和蓋板跨越。