重庆武隆民用机场高填方边坡施工优化控制

徐 浩 黄 林 来云亮

(1.武隆机场建设指挥部，重庆 408500； 2.中国民航机场建设集团有限公司西南分公司，四川 成都 610200； 3.重庆大学土木工程学院，重庆 400045)

1 概述

我国西南地区地理位置特殊、自然资源丰富，不仅对国民经济起到了巨大支撑作用，在国家安全和对外开放方面也有着极为重要的战略地位。随着我国“一带一路”战略的推进实施以及对外开放格局的进一步深化，我国对于西部地区的交通规划布局有了新的考量和要求，民航运输在综合交通运输体系中的优势不断凸显[1-3]。由于机场建设对地形地貌、风向气候和净空条件均有较高的区位要求，因此在复杂山区修建机场势必会涉及岩溶地基治理和深挖高填工程[4]，因此在项目建设施工过程中，应合理安排各项工序协同进行，通过施工过程优化设计以提高地基承载力和高填方边坡稳定性。几乎在所有建设工程中，如钢筋混凝土工程、采矿工程、隧道工程、桥梁工程、边坡工程等，进行施工过程优化都是非常必要的，通过遗传算法、数值模拟、BIM施工管理、动态可视化仿真技术等方法，可对工程进度、成本、质量、安全以及施工设备、人员管理架构、工程环境效应等多种因素[5,6]进行统筹安排。不同工程的优化设计思路不同，研究参数的选择也不同，如杜海龙等[7]在桥梁工程中以“过程最优、结果可控”为原则，选择钢管混凝土拱桥拱圈应力、拱圈线形、白噪声误差3个参数，对7种封铰方案进行对比分析；倪璐等[8]以水电站溢洪道边坡开挖与支护工程为研究对象，讨论了如何通过施工方案整体把控、机械设备合理投入与工程质量安全监管等方式推进施工有序进行。

作为首例在机场建设中引入重力拦挡坝的高填方工程，探讨不同施工方案对边坡稳定性的影响有着重要的现实意义。因此以重庆武隆民用机场南端深沟高填方工程为研究对象，在保证工程进度、质量、安全的基础上，考虑填料填筑分层数及填料几何形式两个因素，提出填方工程与混凝土浇筑工程穿插协调进行的若干施工方案，通过建立相应数值计算模型，确定施工优化方案，旨在为类似工程中的灾害防控和方案设计提供参考。

2 工程概况

重庆武隆民用机场地处重庆市武隆县北部，临近武隆仙女山景区，海拔高度约1 620 m～1 900 m，全年低能见度天数较多，降雨主要集中在5月～10月，年均降雨量大于1 200 mm。场区地势东高西低、南高北低，东侧为一近东北向延伸的山梁，西侧和南端为流水冲刷切割出的深切槽谷，北端及轴线中部地形相对平坦，拟建机场跑道便位于仙女山主峰西侧弱起伏的铁炉坝子台地上，坡度一般为5°～10°，机场所在台地地貌如图1所示。场区为典型的喀斯特地貌，场内埋藏性古地下岩溶十分发育，以小型溶洞、溶隙、溶缝为主，局部可见中型溶洞，且多被第四系坡洪积物所充填。机场跑道南端深沟部位地形复杂，顶底高差较大，下部基岩中发育有3个较大的溶室，溶室内部空腔相互连接，其中横切3号溶室中心部位的NPH2-NPH2剖面高差达80 m，下伏基岩起伏不定，倾角最大可达75°以上，边坡失稳隐患较大。受到地形条件及天然气管道位置的影响，高填方边坡放坡条件受到限制，为保证建设施工及后期运营过程中高填方边坡的安全稳定，在使用碎石填料对深沟进行填筑时，选择重力拦挡坝对边坡进行支挡，坝体由南北“两翼”组成，两坝轴线夹角约147°，坝体总长达135 m，高达40 m，宽约19.51 m，坝体及溶室平面位置如图2所示。拦挡坝所需混凝土方量较大，施工难度较高，工期要求较为严格，坝体浇筑及填方工程须在2个～3个月内验收完成。

3 填筑方案及建模

3.1 填筑方案设计

依据现场复杂地形及岩性特征，并结合具体施工方式和总体工期要求，考虑将堆石料回填工程及混凝土浇筑工程分批次穿插进行。限于篇幅，本文以现场最危险填方剖面NPH2-NPH2为研究对象，将填方体填筑批次及其几何形式作为两个变量，在总工期为31 d的控制条件下共设计6种填筑方案，设计示意图如图3所示。其中T2,T3表示填料分两层或三层填筑，-1,-2,-3表示填料分别填筑至倾斜、倾斜平台或水平的几何状态。

坝体分三层施工，不考虑混凝土浇筑所需时间，每层浇筑完成后进行养护，从养护开始到进行下一步施工的时间间隔控制在7 d或14 d不等。以两层填筑方案为例，详述具体施工步骤如下：

1)底层坝体施工：基岩面以下的坝基及抗滑墙施工完成，并养护7 d，此时底层坝体达到7 d混凝土养护强度。

2)中层坝体施工：坝体主体部分施工完成，并养护7 d，此时底层坝体达到14 d混凝土养护强度，中层坝体达到7 d养护强度。

3)顶层坝体及底层填料施工：顶层坝体施工完成，并养护14 d，养护期间进行填料底层施工，将其分别填筑至倾斜状、倾斜平台状以及水平状。此时底层坝体达到28 d混凝土养护强度，中层坝体达到21 d养护强度，顶层坝体达到14 d养护强度，底层填料填筑完成。

4)顶层填料施工：由于顶层填料填筑时间较短，因此混凝土坝体各部分强度参考步骤3)中的养护强度。

对于三层填筑方案，在顶层坝体养护期间将底层填料填筑至水平状，待坝体强度达到要求后，将中层填料分别填筑至倾斜状、倾斜平台状以及水平状，直至顶层填料填筑完成。

3.2 数值模型构建

首先根据填筑方案设计图，在AutoCAD中绘制生成二维点、线数据，然后将其导入专业建模软件Rhino 5.0中，生成非流行曲面并建立封闭实体，结合Griddle插件进行网格划分，最终生成FLAC3D 6.0可读的网格文件，采用内置方法构建坝体—基岩及填料—基岩接触面，对模型四周及底部的法向速度进行约束，将模型在初始平衡过程中产生的位移、速度及塑性区清零。模型长267 m、宽70 m、高120 m，四面体网格单元数目从106 079个到107 780个不等，节点数从21 296个到21 786个不等。计算中基岩、填料与混凝土坝体的参数主要来源于现场勘查数据及室内试验，接触面相关参数参考经验值并经反复试算调整得到，部分参数参考文献[9]。表1～表3为计算过程中不同材料所选取的本构模型及相关参数。

表1 填料与基岩的本构模型及相关参数

表2 混凝土坝体计算模型及相关参数

表3 接触面相关参数

4 结果与分析

4.1 不同填筑方案下填料及坝体位移发展规律

图4，图5分别为3种双层填筑方案下施工阶段位移云图以及填料与坝体最大位移发展曲线，图6，图7对应3种三层填筑方案。在不同施工方案下的数值计算模型中，B1，B2，B3分别代表底层、中层及顶层坝体。双层填筑模型中，T1，T2分别代表底层及顶层填料。三层填筑方案中，T1，T2，T3分别代表底层、中层及顶层填料。

对于3种双层填筑方案，当底层坝体B1和中层坝体B2施工完成后，坝体最大竖向沉降变形由7.00 mm分别增长至2.46 cm左右。当顶层坝体B3及填料T1，T2的陆续完成，坝体位移持续增大，最大位移始终位于坝趾处(图4中标记②处)。对于T2-1和T2-2两种方案，T1和T2的位移云图特征较为相近，同时出现竖向沉降与沿基岩面滑移两种变形形式，其中在基岩面斜率较大处，填料变形最为显著，变形大值区始终位于底层填料T1的中下部(图4a)～图4d)中标记①处)，位移表现出由中心向四周层状递减的特征，最大位移分别从7.57 cm和6.87 cm增至17.17 cm和16.38 cm。对于T2-3方案而言，T1的变形较小，以竖向沉降为主，T2变形显著增大，主要集中于T2中部勺形范围(图4f)中标记①处)，逐渐从T2表面圈层状扩散至T1-T2界面，最大位移从2.82 cm增至13.32 cm。与T2-1,T2-2两种方案进行对比可发现，底部填料放置越接近水平，对上部填料的支撑作用越强烈，填料整体变形越小。但由于T2-3方案中T2单次填筑方量较大，坝体受到的推移作用较大，因此变形也较大。

对比3种三层填筑方案，随着中下层坝体B1，B2的陆续完工，坝体竖向沉降逐渐增长，坝趾处位移始终最大(图6中标记②处)。当顶层坝体B3及底层水平填料T1施工完成后，底层填料的变形特征与T2-3工况相似，以竖向沉降为主。

中层填料T2填筑完成后，在基岩面较陡处的填料变形最为显著，其位移方向与基岩面倾斜方向保持一致，但3种工况下填料的位移分布特征却存在明显差异。对于T3-1和T3-3工况而言，在填料T1-T2界面附近为变形大值区域，而在T3-2工况条件下，T2内部出现大范围勺形变形大值区，T1-T2界面附近同时出现小范围变形大值区，位移云图均呈现从中心向四周层状递减的趋势。结合图7可知，T3-2工况下T2阶段填料和坝趾位移增长幅度最大，这是由于T2填料体量较大，填料的显著沉降与滑移强烈压迫坝体，导致坝体变形增大。

待顶层填料T3施工完成后，不同工况下填料内部位移云图发生显著变化。T3-1工况下T1,T2和T3中各出现一个变形极大值区，主要分布于填料分界面及坡面中部位置；T3-2工况下变形大值区主要集中于T2内部的勺形区域，自坡面向内部逐层递减；T3-3工况下T1-T2界面、T2-T3界面和T3中部各出现一个变形极大值区，其中最大位移出现在T1-T2界面处。

4.2 施工方案优化控制

上述位移变化特征分析仅以坝体和填料的局部最大值为指标，为更全面地评价边坡的整体变形稳定性，引入平均位移这一指标作为参考。如图8所示，分别从坡脚、坡面、坡肩、坡顶取7个点(P1～P7)作为填料位移监测点，同样从坝体表面取7个关键点(K1～K7)作为坝体位移监测点，根据所有监测点的平均位移来反映填料、坝体的总体变形特征。与填料、坝体的最大位移参数相结合，对6种工况下边坡变形稳定性进行评估，比选出最优的施工方案。

图9为不同工况下填料、坝体最大位移及平均位移柱状图。由图9可知，各工况下填料位移相差较大，总体而言，三层填筑方案下填料最大位移及平均位移均低于双层填筑方案，其中T3-3工况下两指标数值最小，T2-1工况下两指标数值最大。然而，各工况下坝体的最大位移及平均位移都较为接近，差距均在1 cm以内，其中T3-1工况及T3-3工况下坝体稳定性优于其余4种工况。

由此可见，通过调整填料的填筑方案可有效控制坝体及填料的变形，其中填料位移受施工方案影响较大，坝体变形受施工方案影响较小。以上6种工况中坝体变形均未出现不可控变形破坏，因此高填方边坡稳定性主要由填料变形控制。综合以上分析，认为在中下层水平的三层填筑方案(T3-3)下，边坡稳定性最佳，由此得出了高填方工程中边坡稳定性的优化方式，即通过增加填料分层数，改善下部填料支撑条件，避免大方量填料直接与基岩面陡坡处接触并直接作用于坝体，同时尽量使大方量填料施工次序后置。同时可考虑在坝趾前方设置预应力锚索，将其锚固于后方填料中，支模时可加强坝体内部钢筋设置以增强坝体整体稳定性，必要时可对基岩面进行抗滑处理，如开挖抗滑台阶。

5 结语

本文以武隆民用机场南端深沟NPH2-NPH2剖面为研究对象，在控制工期一定的前提下，采用回填工程及混凝土浇筑工程分批次穿插进行的方式，设计出6种不同填料层数与填料几何形式的施工方案，通过FLAC3D有限差分法分析填料及坝体的位移发展规律，探讨影响填料及坝体变形的客观因素，比选出最优施工方案，并对类似工程提出相关施工建议。所得结论如下：

1)填料位移分布受基岩面倾斜度、底层填料支撑情况和填料方量3个因素控制，当基岩面陡峭、底部无水平或倾斜平台支撑、一次性填方量巨大时，填料极易发生较大位移，其中填料分层界面及填料—基岩界面易形成潜在滑移面，坝体在坝趾处变形最大。

2)增加填料分层数有助于混凝土坝体在与填料协同施工的过程中得到更好的养护，使其强度进一步提高，同时避免大方量填料单次填筑时对坝体造成过度挤压，可有效控制坝体及填料变形。

3)将底层填料填筑至水平状态可对上层填料形成有效支撑，避免上层填料在基岩面最陡处发生较大滑移，进而控制坝体及填料的位移。其中中下层填料水平的三层填筑方案(T3-3)边坡稳定性效果最佳。