某削坡填溝項目高填方場地邊坡穩定性評價

牟延波 戶瑞平 葛玉祥 王玉來

1.和靜縣備戰礦業有限責任公司 新疆 巴州 841000

2.中勘冶金勘察設計研究院有限責任公司 河北 保定 071069

地處山區、丘陵地帶的易地搬遷項目大部分需要進行土地整理，該類項目一般會涉及到高填方場地的穩定性。本文以某產業園區土地整理項目為背景，重點闡述了該削坡填溝項目其高填方場地穩定性評價采用了綜合勘察手段，穩定性計算采用了力學驗算和有限元模擬多種計算方法，對多臺階高填方區域的坡體穩定性進行了不同工況的定量評價，為類似場地的評價項目具很強的借鑒意義。

1 項目概況

某扶貧項目場地東西長約2.5km，南北寬約2.2km。其中土方平整和道路修建主要就是削坡填溝構筑臺地，填方總量約2800萬m3，挖方總量約2300萬m3。場地原始地形是由近南北走向的多條溝谷和多個山梁組合的山麓斜坡，根據基建場地要求，需通過削坡填溝將斜坡地形構建成臺階形場地，臺階坡高度約8m，共分7個臺階坡，填方邊坡高度總落差達87m。

2 主要采用的勘察手段及方法

2.1 搜集及分析已有資料

充分收集本場地既有的與本項目有關的資料。

2.2 工程地質調查

根據場地實際情況，本次調查主要采用了點、面和線結合，重點追索的綜合方式，調查面積7.0km2，布設地質控制點281個。

2.3 水文地質調查

本次水文地質調查面積17.0km2，主要查明了場區的水文地質規律，并結合有關資料綜合確定了場地的水文地質條件及其對填方邊坡穩定不利的地質效應。

2.4 工程鉆探與原位測試

為了滿足本場地填方邊坡評價需要，在利用原勘察報告的基礎上又布設14個鉆孔，并利用鉆孔做了重型動力觸探測試。

2.5 室內試驗

為獲取填方土體力學參數，滿足穩定計算分析需要，除一般常規分析項目外，依工程需要分別進行了滲透及靜三軸剪切試驗，針對填土層區域繪制了各驗證孔含水量隨深度的變化曲線。

2.6 物探測試

第1次物探測試于平臺填筑完成后，第2次于1年后，共完成測線11條，通過在不同階段的物探測試工作，以查明場地的均勻性及場地內填土地下水分布在空間和時間上的變化狀態及富集情況。

3 工程地質及水文地質特征

3.1 工程地質特征

該場地主要以基巖類和松散巖類兩大巖類組成，其特征分述如下：

基巖類巖石：在調查區內廣泛分布，其巖性主要有黑云斜長片麻巖、蝕變輝長巖，局部含角閃斜長變粒巖和鉀長石英化巖及淺粒巖等。

松散巖類：該巖類主要由人工開挖山體材料和第四系沖洪積物構成，人工填土主要分布于擬建場地設計標高以下的填方區域，一般厚度10-20m，最厚可達30m左右。

3.2 水文地質特征

評價區所處溝谷內無常年性地表水體，無穩定的地下水，但存在第四系松散巖類孔隙潛水和基巖裂隙水兩種類型地下水。

4 填方邊坡整體穩定性評價

4.1 邊坡安全等級的劃分

評價邊坡為人工削坡填溝形成的堆積層（土質）邊坡，填方總高度最高達83m，依據《建筑邊坡工程技術規范（GB50330-2013）[1]表3.2.1以及《滑坡防治工程設計與施工技術規范》（DZ/T 0219—2006）[3]表4.1規定，綜合確定本次填方邊坡安全等級為一級。

4.2 邊坡穩定性計算中有關邊界條件的確定

1）地下水

在本次穩定性計算中既考慮了地下水的靜水壓力作用，又考慮了地下水的滲流作用。其中滲流作用按照穩定滲流理論，應用有限元法確定了地下水滲流及填方邊坡地下水浸潤線；另外，暴雨強度一般工況按50年重現期計，校核工況按100年重現期計。

2）地震

根據《建筑抗震設計規范》（GB50011-2010）2016版[2]附錄A，本次評價區抗震烈度為6度，地震荷載按地震加速度為0.05g計。

4.3 邊坡安全系數的限定

依據《建筑邊坡工程技術規范》（GB50330-2013）[1] 以及《滑坡防治工程設計與施工技術規范》（DZ/T 0219-2006）[3]，本次填方邊坡穩定性計算考慮了4個工況，綜合確定各工況安全系數Fs限定如下：

一般工況：

工況1：自重，Fs≥1.4

工況2：自重+地下水，Fs≥1.3

校核工況：

工況3：自重+暴雨+地下水，Fs≥1.15

工況4：自重+地震+地下水，Fs≥1.15

4.4 填方邊坡巖土體物理力學參數的確定

根據室內試驗結果，并結合以往類似工程經驗確定本次評價填方邊坡各巖土體的物理力學參數見下表：

表1 邊坡各巖土體物理力學參數一覽表

4.5 填方邊坡整體穩定性評價

本次填方邊坡整體穩定性計算與分析主要以極限平衡法計算結果作為評定邊坡穩定性的依據。在此基礎上，應用彈塑性有限元法計算和分析邊坡各部位巖體的應力-應變及變形場的分布規律。

4.5.1 極限平衡法

1）穩定性計算剖面

根據評價區工程地質平面圖，本文以A剖面為代表性溝谷的填方邊坡剖面進行計算。

2）地下水滲流浸潤線的確定

本次根據有限元法利用SLIDE-2D軟件分一般情況和暴雨情況進行地下水滲流浸潤線模擬。

①一般情況地下水滲流浸潤線

圖1 A剖面地下水浸潤線云圖

②暴雨情況地下水滲流浸潤線

圖2 A剖面暴雨情況下地下水浸潤線云圖

3）暴雨強度的確定

本次暴雨強度計算采用同濟大學解析法統計的河北保定地區暴雨強度經驗公式進行。

4）填方邊坡整體穩定性計算結果及評價

采用理正巖土計算軟件，對計算剖面四個工況的填方邊坡整體穩定性進行計算，計算結果見下表：

由表2填方邊坡整體穩定性計算結果可知，所有工況下填方邊坡整體穩定性安全系數均大于安全系數限定值，填方邊坡整體穩定性較好。其中，在一般工況下坡體安全系數較高，而在暴雨及地震工況下安全系數有較大的降低，特別是在暴雨工況下，坡體整體穩定性下降比較明顯。

表2 填方邊坡整體穩定性安全系數一覽表

4.5.2 三維有限元法

本次三維有限元法數值分析采用Midas/GTS軟件，通過對場地溝谷填土邊坡應力、應變場進行數值模擬分析，評價場地溝谷填方邊坡整體穩定性。

1）模型的建立

根據現有資料及現場調查資料的綜合分析，選取場地有代表性區域作為本次分析評價區域，以此建立三維地質力學模型，模型范圍為寬×長×高=350m×2035m×307m，主要由基巖、填土和接觸帶組成，見圖3。

圖3 三維力學模型圖

2）物理力學參數的選取

根據本次現場調查、室內試驗結果，并經工程經驗判斷，地質力學模型中各材料物理力學參數選取見表3所示。

表3 各巖組物理力學參數

3）數值模擬計算結果及分析

通過數值模擬計算，得到填方邊坡的應力場及應變場，結果見圖4～5。其分布規律如下：

圖4 YZ方向應力云圖

①應力

在圖4知，在YZ方向剪切應力，填方坡體剪切應力均較小，大部分在-18.552～22.591kPa之間，局部在臺階處與基巖接觸帶存在剪切應力集中的現象，應力集中區域的最大剪切應力約162.5kPa，由此可知填方邊坡整體上不會發生大規模剪切破壞，而在局部臺階處可能發生剪切破壞。

②應變

在圖5可知，整體應變值均較小，局部臺階坡體應變集中且應變值較大，這與前述填方邊坡體應力值是相對應的，同樣說明填方坡體不會沿接觸面發生大規模剪切或拉裂破壞，而局部臺階坡體則可能發生剪切或拉裂破壞。

圖5 最大剪切應變云圖

4.5.3 填方邊坡整體穩定性綜合評價

據上述采用的極限平衡法及三維有限元法對填方邊坡整體穩定性分析及評價結果，兩種方法均驗證了填方邊坡整體穩定性較好，發生大規模整體滑坡的可能性較小，而局部臺階坡體發生破壞的可能性較大。

5 結語

1）通過資料搜集、現場調查、物探、鉆探、室內試驗及原位測試等綜合手段，查明了場區的地質規律、工程地質與水文地質特征，為準確分析填方邊坡的穩定性及賦水性提供了翔實的基礎資料。

2）基于對基礎資料的綜合分析，本文以代表性剖面為例對填方邊坡的總體穩定性進行分析，并采用極限平衡法和有限元數值模擬技術進行對比驗證，結合復雜的邊界條件（地震力、暴雨、地下水滲流以及近“S”形沖溝地形效應等），分析了總體坡在不同工況條件下的穩定性。

3）該項目竣工后經過幾年的運行和實際監測，填方坡體整體穩定，各局部臺階坡進行擋墻加固后也比較穩定，和評價結果高度吻合，客觀地驗證了評價的準確性。