某黄土多级贴坡高填方稳定性分析与综合治理

2022-10-28丁保艳杨校辉陈昆全

水利与建筑工程学报 2022年5期

丁保艳，杨校辉，陈昆全

(1.甘肃省地质矿产勘查开发局第三地质矿产勘查院，甘肃兰州 730050；2.甘肃地质灾害防治工程勘查设计院，甘肃兰州 730050；3.兰州理工大学土木工程学院，甘肃兰州 730050)

随着西部大开发与一带一路战略的全面实施，人类工程建设活动在西北黄土地区大量进行，许多工程建设不得不在工程性质较差的湿陷性黄土山区进行，且存在很多的临边斜坡需要进行处理[1]。该工程所处地区河谷深切、沟壑纵横导致土地资源匮乏[2]，采用贴坡填方的方式拓宽地基以及加固原始边坡是一种可行的方式。当前关于黄土地区贴坡高填方相关研究鲜见报道，因此，此类斜坡的稳定性分析以及工程治理研究具有极强的现实意义。

目前，有关不同因素对高填方边坡稳定性影响的研究有很多。学者们通常认为，高填方边坡的破坏始于土体固结沉降，王志斌等[3]认为分层填筑夯实的贴坡高填方实质为成层岩土体；马闫等[4]通过原位试验与三轴试验研究了贴坡高填方变形破坏演化过程，得出其变形破坏的诱因为土体固结沉降；杨校辉等[5]通过现场监测研究发现山区高填方边坡变形以沉降为主；胡长明等[6]通过离心模型试验，发现贴坡体固结变形是高贴坡变形的主导因素。此外，水分入渗软化土体会使得填方变形增大，杨玉生等[7]通过室内双线法增湿湿陷试验研究，指出填方压实黄土沉降随着水分浸润增湿含水率的增加；聂超等[8]对降雨入渗情况下某滑坡的渗流场特性进行理论分析，发现随着地下水位逐渐升高，坡体稳定性系数下降，变形增大。李麒麟等[9]对黄土高填方边坡在不同工况下的稳定性进行数值模拟分析，发现降雨与地震作用下黄土高填方边坡稳定性下降明显。然而，黄土地区的多级贴坡高填方稳定性分析的相关研究极少，因此其稳定性分析还有待进一步深入。

当前关于黄土贴坡高填方的综合治理方法尚比较匮乏。胡长明等[10]通过黄土压缩试验，发现土体压实度对高填方土体的沉降变形和强度有决定性的影响，因此需要提高填筑土体的压实度。侯俊伟等[11]和刘远程等[12]分别通过数值模拟和室内模型试验研究高填方边坡，发现在填筑体下部与稳定基岩之间会形成具有一定厚度的滞水层软弱带，最终发生整体滑移失稳，因此贴坡挖填交界面需要特殊处理以增强其稳定性。此外，减少降雨入渗也可以很好的控制边坡的变形，谢春庆等[13]针对降雨入渗不能及时排出所导致的边坡应急处理，采取填筑体顶面黏性土回填、坡面碎石换填以及薄膜覆盖，有效地控制了边坡的进一步变形；唐培连等[14]采用土工布加筋方案对30 m高的填方边坡进行处理，发现其工序简单且加固效果好。冯波等[15]认为抗滑桩方案对边坡的抗滑稳定安全系数控制效果最好，土工格栅对边坡的位移控制最明显。朱彦鹏等[16]采用预应力锚索桩板墙对多级高填方边坡进行支护，加固效果显著。吴红刚等[17]通过数值模拟对锚索-抗滑桩-加筋土挡墙的高填方边坡综合治理方案的分析，发现在抗滑桩桩顶部增设垫层可以使得结构与土体协同变形，从而更好的发挥抗滑桩的性能。因此，由于黄土地区贴坡高填方的复杂性，需要采取多种措施的综合治理手段才能保证其可靠性。

综上，当前关于黄土多级高贴坡的稳定性的研究相对匮乏，同时对此类边坡的治理缺乏足够深入的认识。本文以甘肃正宁县某黄土多级高贴坡治理工程为依托，通过理论计算和数值模拟等手段，分析该高陡边坡的稳定性并提出综合治理措施，相关研究结果可为类似黄土地区的多级高贴坡稳定性分析与设计提供参考。

1 工程概况与特点

1.1 地形地貌与地质构造

研究区斜坡所在地点为甘肃省正宁县南邑村，按地貌成因划分属侵蚀剥蚀黄土塬地貌类型，为长期遭受流水侵蚀切割的更新统厚层黄土而形成的。黄土塬边直至河谷底部的区域在流水的强烈侵蚀下，地形支离破碎而呈丘陵沟壑地貌，较大冲沟延伸方向多与塬面走向大角度相交，沟谷深切，沟岸滑坡、崩塌等不良地质现象发育，其上部分布有坡耕地，如图1所示。

图1 工程区不稳定斜坡全景图

斜坡场地地势西北高东南低，相对高差可达195 m，总的地形具有冲沟发育、地形破碎、人类改造较强烈的特点。斜坡中上部为上世纪该区居民居住区，受人为改造成台阶状开挖窑洞作为主要居所，台阶宽度8 m～35 m不等，形成的陡边坡高差5 m～20 m不等，坡度多直立。受长期雨水冲刷及风化作用影响，大部分窑洞废弃、窑洞及其所在边坡坍塌严重。斜坡中下部多为自然形成，人类工程活动相对较少，坡度35°～60°，但冲沟发育、溯源侵蚀严重，冲沟宽窄不一，3 m～20 m不等，多呈“V”型，较大沟谷下游沟道呈“U”型，沟谷两侧坡度较陡，为45°～60°，小型滑坡、崩塌发育。

斜坡地处鄂尔多斯台拗南缘，陇东白垩系盆地的东南部，于大地构造上属较为稳定的地块。此区域总体构造变动极为微弱，基岩盖层均属巨厚的下白垩统，其产状近水平。存在一北东至南西走向宽约15 km的平缓向斜，岩层倾角普遍仅2°～5°，项目区域内及其附近无较大的活动构造。

新构造运动在本区以整体性抬升为特征，河(沟)谷下切强烈，形成大面积流水切蚀和重力侵蚀的沟壑与残塬地貌，沟坡均较为陡峻，为滑坡、崩塌、泥石流的形成奠定了基础。正宁境内基本无震级大于4.0级的地震发生，数次地震均属相邻区域地震波及，主要为盆地西南缘六盘山东麓断裂带地震造成。工程所在地抗震设防烈度为Ⅵ度，基本地震加速度值为0.05g。

1.2 工程地质条件

(1) 钻孔勘探揭示地层岩性。对斜坡所在区域进行钻孔勘探，揭示岩性底层为含砾钙质结核层；中层为冲洪积砂砾层夹砂质土，密实，力学性能较高；上层为淡褐红-棕红色石质黄土，即午城黄土，密实坚硬，夹钙质结核层。斜坡坡脚分布有结构松散、厚度不均的全新统崩积物，主要成分为粉质黏土。

(2) 高密度电法物探分析。高密度电法通过分析不同区域电阻率大小来判断地层分布情况。2号剖面(见图2)位于两斜坡之间，靠近冲沟填方位置，因此冲沟的底层信息可以参考该剖面情况。在21号—58号电极间、-10 m以浅出现高阻区，视电阻率值约为70 Ω·m～170 Ω·m；8号—18号电极间、-10 m以上区域出现相对低阻区，视电阻率值约为10 Ω·m；29号—35号电极间、-15 m～-6 m之间出现相对低阻区，视电阻率值约为16 Ω·m。

图2 2号剖面视电阻率ρs断面图

根据上述电性特征，推断浅层21号—58号电极间出现的相对高阻区是窑洞及落水洞等空洞所致(见图3)；在29号—35号电极间、-15 m～-6 m之间，42号—47号电极间、-10 m以深出现的相对低阻区土层含水率相对较高。

图3 X1斜坡坡顶塌陷形成落水洞

1.3 气象与水文地质条件

该地区降雨多集中于夏季，日最大降水量96.7 mm，十分钟最大降水量25.4 mm。研究区无地表水及地下水分布，在斜坡冲沟下游沟道内发现土体湿润迹象，但未发现地下水明显出露点，地下水类型主要为赋存于黄土塬区离石黄土中的孔隙裂隙水。区内标准冻土深度0.80 m，为季节性冻土，冻结时间由11月—翌年的3月，存在一定的冻融冻胀危害。

1.4 边坡特点

(1) 该贴坡高填方从冲沟底部开始填冲，总高差约为91 m，最上面两级坡度可达45°，填方量很大，对高陡边坡稳定性十分不利。现行规范对高度超过15 m的土质边坡设计未作出明确规定，因此，该类贴坡高填方的支挡结构设计是一个亟待解决的问题。

(2) 由于该高填方边坡的坡顶存在重要的革命遗址，对变形有严格要求，因此挖填交界面与填筑土体均需进行特殊处理，严格控制工后变形沉降与裂缝。此外，黄土的湿陷性对水分较为敏感，还应进行减小降雨冲刷及入渗的防治措施。

2 综合治理方案

2.1 稳定性分析

2.1.1 稳定性计算方法及参数确定

由于目前尚无多级边坡的稳定性算法，且根据现场勘查，该不稳定边坡物质组成较单一，潜在滑面近似圆弧状，稳定性计算参考现行规范[18]并采用圆弧型滑面的边坡稳定性计算公式，计算简图如图4所示。

图4 边坡稳定性计算简图

(1)

(2)

(3)

式中：Fs为边坡稳定性系数；ci为第i计算条块滑面黏聚力,kPa；φi为第i计算条块滑面内摩擦角,(°)；Li为第i计算条块滑面长度,m；θi为第i计算条块滑面倾角,(°)；Ui为第i计算条块滑面单位宽度总水压力,kN/m；Gi为第i计算条块单位宽度自重,kN/m；Gbi为第i计算条块单位宽度竖向附加荷载,kN/m；Qi为第i计算条块单位宽度水平荷载,kN/m；hwi与hw,i-1为第i及第i-1计算条块滑面前端水头高度,m；γw为水重度,kN/m3；i为计算条块号;n为条块数量。

对原始斜坡进行稳定性分析，选取其主剖面进行计算，物理力学参数取值见表1。

表1 岩土体物理力学参数

2.1.2 稳定性计算结果

对该斜坡稳定性进行初步评价，该斜坡高20 m左右，坡度65°～85°，岩土体稍湿—干燥，坡体前缘临空面大，局部呈近直立状，坡面垂直节理、裂缝发育，坡体中部曾发生局部垮塌，坡顶有裂缝、落水洞等变形，表面土体结构较松散，表层岩土体较破碎，拉裂变形破坏明显，局部坡脚有少量溜滑堆积物。

该斜坡为高度大于15 m的土质边坡，边坡失稳可能造成人员伤亡或财产损失，破坏后果为严重，边坡工程安全等级为二级。通过理论计算可得，自重工况下其稳定安全系数为1.035，为欠稳定状态。

2.2 联合支护方案

由于该斜坡较陡，且下部为一冲沟，斜坡顶部为重要历史保护建筑，因此，为了防止地表水进一步侵蚀斜坡表面，并恢复其顶部塌陷的道路以及广场地基，需要进行贴坡填方，并对其进行有效支护，从而提高其稳定性。

贴坡治理如图5所示，首先将原始坡面的堆积物挖除，然后设置24级阶梯状交界面，之后再进行加筋土回填并分层夯实，坡面布设加筋麦克垫做边坡防护防冲刷。加筋土回填按设计坡率分八级坡，每级坡面布设3 m、5 m宽度间隔设置的卸荷平台，垂直间距3 m铺设高韧性聚酯纱线集束格栅。

图5 斜坡主剖面图

2.2.1 加筋土分层填筑

对X1斜坡所在冲沟进行加筋土回填治理，先对原始坡面、沟道按设计开挖成台阶状共计24级台阶，台阶高度3 m、5 m，夯实基底。加筋土回填按设计坡率分八级坡，自下而上依次为第1至8级坡面，每级坡面布设卸荷平台，3 m、5 m宽度间隔设置，垂直间距3 m铺设300型高韧性聚酯纱线集束格栅。第1至6级坡率1.0∶1.5，坡高均为10 m；第7级、第8级坡坡高分别为12.5 m、12.9 m，坡率1∶1，坡面布设锚索框架。每级平台设置截排水渠，坡面布设加筋麦克垫做边坡防护防冲刷。

2.2.2 挡土墙与挡土坝

填方贴坡的顶部挖填交界处，由于挖方恢复道路形成一高约9 m的路堑边坡，且填方顶部第8级坡作为路基形成一放坡为1∶1的路堤边坡，为了保证道路稳定，在道路两侧均需要布设挡土墙。此外，在斜坡填方坡脚设置4 m高挡土坝。

2.2.3 框架锚索

在填方贴坡顶部的7级、8级坡面分别施作锚索框架工程。每片框架横向宽度9.98 m、垂向高度13.2 m，坡面长度19.6 m，由三根竖肋和五道横梁连接而成，横梁、竖肋截面尺寸均为0.4 m×0.5 m，竖肋横向间距3.5 m，横梁竖向间距3.5 m。每片框架为C25现浇钢筋混凝土整体一次性浇筑，每两片框架之间设置2 cm宽、20 cm深的聚乙烯闭孔泡沫板塞填伸缩缝。

每片框架布设4排预应力锚索，在框架梁节点处设置锚索，锚索由3根Φ15.2高强度低松弛预应力钢绞线制成，与水平面夹角20°，锚索总长18 m，锚固段长度为10 m。

3 数值模拟

考虑到本次设计采用了多种支护结构形式，为控制支护施工阶段的位移，采用MIDAS/GTS NX对各个施工进行数值模拟并分析其位移情况。将该问题简化为2D平面应变问题，岩土体材料本构模型采用理想弹塑性模型，强度准则采用莫尔-库仑屈服准则；然后布置框架锚索、挡土墙与挡土坝等综合支护措施，截面属性见表2。

框架锚索、挡土墙与挡土坝等支挡工程施工后的水平位移云图分别如图6和图7所示。由数值模拟得出综合治理后边坡的安全系数为1.72，满足规范要求的二级边坡的稳定安全系数不小于1.3，判定治理后边坡处于稳定状态。

表2 截面属性

图6 综合治理后水平位移云图

由图6可以看出，施工完成后坡体中下部有向外位移的趋势，水平位移最大值在边坡坡脚处挡土坝前方，这是由于挡土坝嵌固段对土体作用力很大，承担了较大的水平推力。第一至八级边坡坡脚水平位移方向指向坡外，前三级边坡位移值较大，边坡平台外侧位移可达5.6 mm。分析其原因为坡体回填土压力过大所致。

图7 综合治理后竖向位移云图

斜坡在综合治理后的竖向位移如图7所示，其中下部竖向位移向上，最大竖向正位移出现在边坡坡脚处挡土坝前方，可达4.9 mm，是由于坡体上部岩土的推力使得坡脚处土体隆起。由位移云图7可知，治理范围内的竖向沉降值小于1 mm，表明框架锚索与挡土墙支护效果好；最大沉降位置出现在斜坡治理支护范围以上的边坡外侧，其值为5.8 mm。综合治理后土体位移从表层向深处逐渐减小，未出现明显滑裂面，学者普遍认为的挖填交界面这一软弱带未见明显滑动面，说明将坡体破碎堆积层挖除后设置阶梯状交界面是可行的。