天水市吴砦古城高边坡治理方案探讨

张小喜，王延寿，张 伟

(甘肃省有色金属地质勘查局天水矿产勘查院，甘肃天水 741020)

实践证明，容易发生变形破坏和滑坡的边坡多为高边坡，因此高边坡是研究与防治的重点[1]。一般将高度大于30 m的岩质边坡和大于20 m的土质边坡称为高边坡[2]。高边坡稳定性问题涉及铁路工程、公路工程、矿山工程、地灾工程、水利工程、建筑工程等诸多工程领域。高边坡的变形失稳，致使村镇、铁路、公路和文化遗产等被掩埋，造成人民财产损失等事件频频发生，其稳定性取决于当地坡体的地质条件和人为改造程度，而这是由我国独特的地形地质条件和作为一个发展中国家所面临的大规模工程建设所决定的[3]。吴砦古城高边坡是由其独特的地形地质条件决定的，地处渭河Ⅳ级阶地，三面临河，可用“一座悬崖上的抗金古城”来形容；同时亦是由于人类工程活动较强烈而形成的，即古城北边“依山造居”(图1a)，西边“悬崖挂公路”(图1b、图1c)，东边“坡腰通小路”(图1d)。

注：a.古城北边“依山造居”，b、c.西边“悬崖挂公路”，d.东边“坡腰通小路”Note:a.Constructing house adjoining the hill side in northern ancient city;b,c.Roads of cliff in western ancient city;d.Lane of midslope in eastren ancient city图1 吴砦古城高边坡Fig.1 The high slope of Wuzhai ancient city

随着全球经济建设的迅猛发展和科学技术日新月异的发展，国内外学者和科研机构在边坡灾害防治技术领域取得了丰硕成果，如早期的地表截排水、清方减载、填土反压、挡土墙、抗滑桩方法，以及后来的锚杆、锚(杆)索格构、注浆、植物固坡法[4]。当边坡较高时，其治理方案常常采用多种组合治理方案，如桩锚支挡体系[5]。

1 边坡成因

为确定合理的高边坡加固设计方案，从形成条件和诱发因素2个方面分析高边坡成因[6]。

1.1形成条件

1.1.1地形地貌。研究区原始微地貌为渭河Ⅳ级高阶地，由渭河侵蚀堆积作用形成，三面临河，北边和西边有渭河流过，东边有秦岭沟道经过，地势总体向河谷方向倾斜。河床至坡顶的高差达35m，古城北边坡原始坡度15°～40°，西南端坡度较陡，逐渐向东北端渐变而变缓；西边坡原始坡度约50°；东边坡原始坡度达40°，沟床至坡顶的高差达30 m。

1.1.2地层岩性。3处高边坡地层岩性均为第四系上更新统冲洪积物，为粉土、卵石双层结构土体，上部为含碎石粉土，厚度为1～3 m，浅黄色，中密，稍湿，干强度低，韧性低；中下部岩性为卵石，夹少量块石、漂石，青灰色，中密，呈次棱角-棱角状，粒径一般为2～20 cm，其中2～10 cm的占35%～50%，10～20 cm的占20%～30%，大于20 cm的占5%～10%，其余为砂土充填，分选性较好。

1.2诱发因素

1.2.1河流侵蚀作用。从边坡形成条件可知，3处边坡坡脚均有河流或沟道流水经过，坡脚长期受水的侵蚀作用，坡脚卵石层逐渐被河水或沟道流水冲走，上部坡体因坡脚部分被掏空而失去下部支撑力，经常发生崩塌、溜滑、掉土等现象，尤其在暴发暴雨时，河水涨高，流量增大，侵蚀作用加剧，坡脚冲刷更加严重，周而复始，逐渐形成了高陡斜坡，被形象地称为“一座悬崖上的抗金古城”。

1.2.2人类工程活动。除了河流侵蚀作用外，人类工程活动亦是形成古城高边坡的重要因素。北边坡坡脚被当地村民“夷为平地”后开荒种地和修建房屋，从而使边坡变得更加高陡；西边坡本是一高边坡，但修建的310国道从坡腰穿过，使得西边坡变成了二级边坡，一级边坡坡脚受渭河河水侵蚀，二级边坡坡脚因修建公路而被开挖，两级边坡变得更加陡峭，可用“悬崖挂公路”来形容西边坡之高陡；东边坡亦是坡腰处修建乡村道路，从而使边坡变得更陡，近乎直立。

2 边坡特征及稳定性分析

2.1边坡特征吴砦古城高边坡由北、西、东三处边坡构成，其特征如下：

北边坡宽116 m，坡高5～28 m，两头低中间高，东北端高度约5 m，中间达28 m，西南端高度为21 m，坡度50°～60°，局部可达70°。边坡上部坡体为含碎石粉土，植被覆盖较好；中下部为卵石层，分选性差、胶结较差，坡体局部有悬空现象。沿临空面分布有许多凸出的漂石、块石，直径多为0.3～0.7 m，最大可达1.0 m。近年来，掉落岩块的体积、规模及频率均有逐渐增大、增多的迹象，当地居民已采用浆砌石支护对部分凸出的漂石、块石进行支护；对边坡东北端亦进行浆砌石挡墙支护，已治理边坡宽度为24.6 m；另外，对整个坡顶亦进行浆砌石挡墙加固，且砌筑了耳墙。在未对下部坡体进行有效加固支护时，对上部坡体的加固无疑是对坡顶进行加载，从而坡顶局部出现了裂缝现象。

西边坡因国道310的建设而分成上下两级边坡，这里主要针对公路以上的二级边坡展开讨论。该边坡宽240 m，坡高6～20 m，南低北高，坡度40°～60°。边坡上部坡面为含碎石粉土，坡面有大量的椿树；中下部为卵石层，分选性差、胶结较差，坡体较陡，坡脚处近乎直立。沿临空面分布有少量凸出的漂石、块石，直径多为0.3～0.9 m，最大可达1.2 m。坡面溜土、掉块现象严重，经常堵塞坡脚处的排水渠；局部有滑塌，面积达100 m2，滑体平均厚度约2 m。当地村民已对该边坡的南段进行浆砌石挡墙支护，宽度为30 m。

东边坡被乡村道路分割成上下两级边坡，一级边坡宽102 m，坡高2～10 m，南高北低，坡度介于30°～45°；二级边坡宽88 m，坡高12～19 m，南低北高，坡度均大于75°，近乎直立。一级边坡相对平缓，且坡面植被覆盖较好；二级边坡高陡，坡体上部为含碎石粉土，土质松散，坡面掉块现象严重，中下部为卵石层，分选性差、胶结较差，局部掉块后上部土体呈悬空状。沿临空面分布有许多凸出的漂石、块石，直径多为0.3～1.0 m，最大可达1.5 m。近年来凸出的漂石、块石逐渐增多，掉落岩块的体积、规模及频率均有逐渐增大、增多的迹象。

2.2稳定性分析由于边坡失稳而引起的事故，在工程界屡见不鲜。由此可见，分析边坡稳定性对边坡的治理方案探讨起着重要作用。边坡失稳在力学上主要是一个强度问题，常用的方法有极限平衡法[7]、滑移线场法[1，8]、极限分析法[8]、有限元法[9]、边界元法[10]、离散元法[11]、差分法[12]、图解法、模糊数学分析法[13]等。

极限平衡条分法是边坡稳定性最常用的分析方法，如瑞典法、简化Bishop法、不平衡推力法(传递系数法)、Spencer法和Morgenstern-Price法等。瑞典法和简化Bishop法假定滑裂面是个圆柱面(剖面图上是个圆弧)，前者在求条底反力时忽略了条间力的作用，且在求稳定性系数时仅考虑对同一点的力矩平衡；后者还假定条间力的方向为水平方向，可通过垂直方向力的平衡求条底反力，通过对同一点的力矩平衡求解稳定性系数；传递系数法适用于任意形状的滑裂面，而假定条间力与上一条块底面平行，根据力的平衡条件，逐个条块向下推求，直到最后一个条块的推力为零。根据吴砦古城高边坡特征，可采用圆弧滑面的简化Bishop法，另外，该方法计算的结果误差很小[1]。

古城北、西、东边坡平面如图2a、b、c所示，选取最危险地段实测得剖面如图3a、b、c所示，建立模型，并计算分析边坡稳定性。

注：a、b、c分别为古城北、西、东边坡平面Note:a,b,c were north,west,east slope plane,respectively图2 吴砦古城高边坡平面Fig.2 The high slope plane of Wuzhai ancient city

图3 吴砦古城高边坡剖面Fig.3 The high slope section of Wuzhai ancient city

古城高边坡地层表层覆盖一层薄含碎石粉土，下部均为卵石，黏聚力c=13.0 kPa，φ=45°，天然容重r=20 kN/m3，饱和容重rsr=22 kN/m3。经计算得古城北、西、东边坡的稳定性系数分别为1.091、1.053、1.040，在地震、强降雨等作用下易发生变形破坏。

3 边坡综合治理及稳定性分析

3.1边坡综合治理

3.1.1坡率设计。根据古城北、西、东边坡工程地质条件和各自的边坡特征，结合已有治理工程特点，考虑坡顶已建城墙，对三处边坡分别按1∶0.5、1∶0.5、1∶0.3自上而下削坡。

3.1.2边坡加固类型选择。一般来讲，边坡因其不同的工程地质条件有着不同的变形破坏模式，其稳定性亦不尽相同，从而根据计算结果确定的边坡加固工程类型各有不同，针对不同的边坡变形破坏模式，分别采用不同的加固工程措施。然而，吴砦古城高边坡的加固，不仅是加固高边坡本身的稳定性，同时亦是对历史古城遗迹的加固与保护，从而加固类型的选择要有统一性，另外，也要彰显一座历史古城的外在形象。

3.1.2.1针对坡脚应力集中的加固。有效消除坡脚应力集中，确保边坡稳定，是该工点成败的关键[14]。该工程中三处边坡地层岩性均为卵石，而又无地下水，可采用传统的挡土墙进行加固，既能防止坡脚挤压破坏，又能起到避免受强降雨或地表径流等雨水作用的冲刷。挡土墙采用重力式挡土墙，胸坡比为1∶0.3，背坡比为1∶0.1，墙顶宽0.6 m，墙高3.0 m，基础埋深1.5 m，用C20混凝土现浇。

3.1.2.2针对边坡失稳的加固。三处边坡临空面分布许多凸出的漂石、块石，且常常有大体积岩块掉落现象，为对坡体进行有效加固支护，均选用预应力锚索格构支护，格构内填充浆砌片石，在北边坡坡顶砌筑青砖耳墙，既能防止坡体在自重或外力作用下的失稳变形，又能防止坡面被雨水冲刷，同时也体现着一座历史古城的形象。格构横梁与竖肋间距均为3.0 m，截面尺寸均为0.3 m×0.4 m，采用C30混凝土现浇。预应力锚索采用三根一束φ15.2钢绞线，锚固段长为9.0 m，自由段长为9.0 m，倾角20°。

3.2边坡加固后的稳定性分析预应力锚索距挡土墙顶1.5 m处为第一排，自第一排以上每隔3.0 m布设锚索一排，东边坡预应力锚索布置如图4所示。对坡脚挡墙加固和坡体预应力锚索加固后的边坡进行稳定性分析，经计算得古城北、西、东边坡的稳定性系数分别为1.563、1.552、1.548，从加固前后的边坡稳定性系数可以发现，加固支护后使边坡安全性有很大提高。

图4 东边坡预应力锚索布置图Fig.4 The collocation of prestressed anchor cables

4 工程效果

该工程2017年6月施工完成，治理效果如图5所示，经过多次雨季和地震考验。边坡变形监测资料显示，治理前尚呈溜土、掉块和局部滑塌的边坡，治理后目前未发现变形。

图5 古城高边坡治理效果Fig.5 Management effect of the old city high slope

5 结论

(1)在分析边坡稳定性时，计算方法的选择对计算结果的准确性影响较大，地层为卵石的边坡，其滑裂面多为圆弧，宜采用简化Bishop法进行计算，其计算结果误差很小，吴砦古城高边坡未加固支护前，边坡稳定性较差，在地震、强降雨等作用下易发生变形破坏。

(2)边坡的治理设计时，有效消除坡脚应力集中，是确保边坡稳定的关键，对于地层为卵石的高陡边坡，坡脚宜用挡墙加固支护，既能防止坡脚挤压破坏，又能起到避免受强降雨或地表径流等雨水作用的冲刷，坡体宜用预应力锚索格构加固，并在格构内填充片石，既能防止坡体在自重或外力作用下的失稳变形，又能防止坡面被雨水冲刷，另外，预应力锚索之锚固段在卵石地层中的锚固效果较好。

(3)经实践证明，对于地层为卵石的高陡边坡，采用坡脚挡墙支护、坡体预应力锚索格构加固和坡面浆砌片石护面的治理方案合理可行，治理效果良好。