某黄土高边坡稳定性计算及优化设计

(中国能源建设集团山西省电力勘测设计院有限公司，山西 太原 030001)

黄土具有大孔隙和垂直节理，天然湿度下，具有压缩性低，强度高的特点。我国黄土及黄土状土的分布面积约为64×104km2，湿陷性黄土分布面积占到黄土分布总面积的3/4。

近年来，建设用地与土地资源保护的矛盾越来越突出，黄土地区建设因其特殊地貌，经常会遇到深挖、高填现象，形成几十米到上百米不等的人工高边坡、超高边坡。处于天然状态下的黄土经过开挖后形成高陡边坡，由于其应力调整，将发生一系列的变形，如果边坡设计合理，则变形向趋于稳定方向发展，如果其设计值不能满足黄土自稳要求，或边坡中存在诸如不利结构面、地下水等因素，变形进一步发展，将会使边坡处于不稳定状态，甚至破坏。

1 黄土边坡研究现状

黄土高边坡变形破坏模式主要有滑塌、崩塌、坡面破坏模式等几种。其破坏模式一般不同于常规土，破坏面一般呈上陡下缓的“L”型，粘性土、砂土、粉土边坡计算评价理论均较成熟，黄土边坡的研究起步较晚，目前其稳定性分析与评价方法主要包括自然地质条件分析法、工程地质类比法及力学分析法三种。自然地质条件分析法、工程地质类此法为定性半定量的分析方法。力学分析为基础逐渐形成的边坡稳定性分析极限平衡法如瑞典法、简布法、毕肖普法、费伦纽斯法成为当前黄土边坡稳定性分析的主要方法。有文献多根据室内试验抗剪强度指标对边坡稳定性进行计算，计算结果普遍偏保守。文献根据黄土边坡破坏模式采用裂隙圆弧法或裂隙法进行了相关计算比较。近年来，有限元数值分析在黄土边坡稳定分析中逐步得到了应用。

工程实际中，计算参数的选取大多采用经验法及工程类比法，计算主要采用极限平衡法中的瑞典法和简化毕肖普法。黄土高边坡稳定性计算及设计中，抗剪强度指标的取值对边坡定量计算至关重要，参数保守会增加投资，造成不必要的浪费，反之，则会影响建筑物的正常使用及安全性能。黄土地区工程建设，需要结合其工程特性，合理选取计算参数及设计方案，形成有效的黄土边坡稳定性评价及设计方案。

2 工程实例

2.1 边坡工程概况

某电厂建设场地位于山西省北部，属典型黄土梁、黄土塬地貌，沟壑分布，沟谷多呈“V”字形树枝状分布，场区内北南方向主要有三条沟谷、两道山梁。东侧山梁顶部标高为1078 m，中部山梁顶部标高为1091 m，三条沟谷沟底标高为979～991 m。场平标高为1019 m。场地平整存在深填高挖的现象，最大挖方高度约70 m，最大填方高度约60 m。根据钻孔及探井揭露，场地自上而下主要分布马兰黄土、离石黄土，各层性质如下：

①层马兰黄土(Q3)，黄褐色，稍密，稍湿，孔隙发育，含砂量较大，具湿陷性。厚度为1.3～16.8 m，层底标高1034.2～1096.4 m，主要分布于中低山区山梁上部。

②层马兰黄土(Q3)，黄褐色，稍密－中密，稍湿，孔隙发育，垂直节理发育，不具湿陷性。厚度为3.8～30.1 m，层底标高1030.2～1066.3 m。

③层离石黄土(Q2)，棕红色，硬塑，上部夹多层钙质结核层；中部夹两层薄砾泥灰岩层，厚度为1～1.5 m；下部为一层砾岩厚度为2～4 m。本层厚度大于40 m，揭露厚度为2.2～32.9 m。

图1 典型地层剖面及边坡拟开挖断面

2.2 计算参数选取

黄土的抗剪强度主要受饱和度的影响，与含水量、孔隙比等呈负线性关系，在进行稳定性评价时，抗剪强度的取值不能简单地按建筑边坡工程技术规范取值计算，需结合反演结果综合考虑。

边坡勘察阶段，利用人工探井采取原状样133件，并进行了室内直剪试验、三轴剪切试验，得到了原状土的抗剪强度指标，并以三轴试验内摩擦角对现场典型断面进行反演，计算中抗剪强度采用平均值并进行相应折减，计算参数选取见表1。

2.3 边坡稳定性计算

稳定性计算时，分别采用瑞典条分法、简化Bishop法、裂隙圆弧法对代表性黄土边坡进行了稳定性分析验算，发现各计算结果相差不大，主要差别在小数点后两位计算精度上，裂隙圆弧法考虑因素较多，计算结果偏保守。为方便工程计算，本工程采用了简化Bishop法进行分析计算并对个别断面采用Flac3D有限元进行验证，部分代表断面计算结果见表2。

表1 抗剪强度参数选取

表2 边坡优化方案及稳定性计算结果

图2 典型设计断面

2.4 边坡优化设计

根据计算，开挖后的黄土边坡满足自身稳定性，针对黄土边坡设计中的坡型、坡率、平台及坡脚加固进行了优化，通过平台宽度及位置的不断优化，尽可能取得较高稳定性系数同时减少土方开挖。

根据以往工程经验，黄土边坡坡度不宜太缓，否则易受到冲刷；同时也不宜太陡，太陡易使降雨对坡面上裂隙、节理产生冲刷作用，产生剥落或局部坍塌。根据优化结果，坡脚采用矮墙固脚，边坡单级坡率1∶0.75，顶部一级由于黄土含砂量、孔隙比大，自身稳定性差，坡率采用1∶1，坡高8 m，一般马道宽3～4 m，宽马道6～8 m。坡面采用拱形骨架防护，拱形骨架采用浆砌片石，骨架内铺设六棱砖，砖内空洞铺设200 mm厚耕植土，中间撒草籽绿化，达到了美化与防治水土流失的目的。

马道采用片石硬化，砂浆抹面，下设0.3 m灰土垫层，马道根部设浆砌片石排水沟，净空截面0.4 m×0.4 m，厚0.3 m，为防治雨水冲刷破面，马道按内倾角度2°设置，并设置排水沟。

坡顶设置浆砌石截水沟，距边坡开挖口5 m，截水沟截面形状为梯形，厚度0.3 m，截水沟设置就近排入山沟底部，阻止山上流下的水进入边坡内部。

2.5 边坡监测结果

为确保边坡稳定运行，边坡建成后，边坡区域布置了43个变形监测点，主要监测坡面及坡底挡墙变形。每2月进行一次观测，共进行了7次观测，累计最大位移量5.60 mm，累计最小位移量0.54 mm，边坡运行良好。

3 结语

黄土边坡稳定性计算力学指标选取应结合室内直接剪切试验、三轴剪切试验及代表性断面反演结果综合取值，其稳定性计算可考虑简化Bishop法、瑞典条分法、裂隙圆弧法，对于超高黄土边坡，可考虑采用有限元法加以验证，稳定系数应根据坡高留出裕度，或随着边坡高度呈线性增长。

黄土高边坡场地条件允许应优先考虑用台阶式放坡，并在适当位置设置宽平台，马道及宽平台可结合地层分布情况设置。并应在坡顶、平台及坡底设置排水沟，并形成有效的排水系统。

边坡中部宽平台的存在，将坡体分为两个相对独立的坡段(上、下段)，剪应力在大平台附近形成向坡里移动的曲线，即剪应力发生偏转，难以形成圆弧状的剪应力轨迹，意味着发生破坏的可能性减小。因此对于多级黄土高边坡，边坡中部大平台是保持黄土高边坡稳定的关键。