延安新区黄土高填方边坡稳定性研究

程 辉，许 锐，王广璐，3*，隋国晨，邓俊锋，韦 欢

（1.中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司，陕西西安 710065；2.长安大学地质工程与测绘学院，陕西西安 710054；3.中国电力工程顾问集团西北电力设计院有限公司，陕西西安 710065）

随着我国经济的飞速发展以及西部大开发的深入，西北地区城市建设也进入了高速扩张时期。由于受到各种条件的限制，陕北黄土地区填挖方边坡频繁出现，同时使得自然生态环境遭受极大的破坏，极易诱发各种地质灾害［1-5］。以延安新区的总体规划为例，作为国内首个在湿陷性黄土地区进行的大规模岩土工程项目，延安新区建设从规划到开工建设的过程中，对其建设合理性和安全性的质疑一直不断［6］。在西北湿陷性黄土地区进行这种超大规模的建设工程规划，如果没有考虑好建设过程中的安全性问题，特别是城市建设带来的高填方边坡问题，就会给西北地区的大规模的新城建设带来重大隐患。因此针对黄土高填方边坡的研究具有重大意义。

关于黄土高填方滑坡的研究较多，国内外研究人员大多采用了模型试验与现场实测等研究手段研究了黄土高填方滑坡的稳定性、破坏机制和防治对策［7-10］，并从黄土变形规律的宏观分析［11-12］和细观分析研究，揭示了黄土填方边坡变形与整体失稳的相互关系，但针对不同挖填方坡度与挖填结合面形式对高填方滑坡的影响较少［13-14］。本文以延安新区填沟造地一期工程为对象，利用FLAC3D软件［15-16］建立黄土高填方边坡的有限差分模型，通过对不同填方坡度、挖方坡度、结合面形式等工况模型的静力计算分析，研究这些复杂因素对黄土高填方边坡稳定性影响的规律，为高填方边坡工程设计治理提供参考。

1 建设场地工程地质条件

延安新区位于延安市中心地带，跨越沟桥镇、凤凰山街道、南市街道和柳林镇［17］。研究对象选取位于延安市宝塔区桥沟镇康家沟挖填场地为基本原型，西为尹家沟，东为东十里铺沟。该场地为典型的黄土沟壑地貌，最大高程差70余米。中国电建集团西北勘测设计研究院和长安大学等多家单位组成联合调查队于2018 年开始在研究区进行了长期地质勘察。根据地质调查测绘和勘探结果，黄土梁峁区主要地层结构为Q3黄土、Q2黄土、N2红黏土和J砂岩泥岩，其中Q3黄土具有较低的密度、相对较高的孔隙度、强度较低和较高的压缩性。Q2黄土具有中等密度、适中的孔隙度、强度相对较高和具有一定的压缩性。N2红黏土具有较高的密度、较低的孔隙度、强度较高和较小的压缩性，变形相对较小。J 砂泥岩具有较高密度、较低的孔隙度、强度较高和较小的压缩性和变形能力，其地层分布如图1所示。

2 模型建立与网格划分

为研究不同断面的坡度变化对高填方边坡稳定性的影响，采取挖方边坡和填方边坡多种坡度（30°，45°，60°）组合的方式进行建模。为研究挖填结合面形式对于填方边坡稳定性的影响，采取了斜平面式和台阶式两种不同的结合面形式进行模型的创建，综合考虑实际“填沟造地”工程的经济性和合理性，确定了以下7种计算模型（图2、图3）。参数详见表1。

表1 模型参数Table 1 Model parameter

表2 天然土参数Table 2 Undisturbed soil parameter

图2 斜平面式二维模型Figure 2 2D model of oblique plane

图3 挖填台阶式结合面二维模型Figure 3 2D model of excavation and filling stepped joint surface

3 计算工况及参数选取

3.1 计算工况

根据延安新区建设场地的地质环境与水文气象条件，考虑到高填方工程的诸多不确定因素，本文拟定对所有的边坡模型进行自然状态下考虑黄土高填方边坡的填方坡体和原状坡体在自重作用下的变形特性，计算参数依据场地的勘察报告和场区的土工试验结果进行确定黄土高填方边坡的稳定性影响因素和影响程度。

3.2 参数选取

依据上述挖填场区的地质环境，调查队于2018年在研究区内勘探的同时采取土样，由长安大学带回进行土工实验。参考室内外土工试验所得的结果，采取以下参数进行数值分析。

4 结果分析

在实际工程建设中，通常会遇到多种坡面形状的组合的填方形式。在不同的挖方坡度和填方坡度影响下，黄土高填方边坡的稳定性可能会存在一定的差异，为研究这种差异，利用FLAC3D软件，进行数值模拟分析，以找出其中的规律。为简化分析内容，本文重点关注对填方工程影响较大的变形沉降问题。

4.1 填方坡度对稳定性的影响

为研究填方坡度的影响，以30°挖方坡度为例，分别模拟填方坡度30°、45°、60°的工况，得到不同填方坡度下边坡的变形特征，如图4 所示（为表示方便，本文以“填方坡度-挖方坡度”来表示不同的边坡计算模型，如图4a 30°～30°水平位移图即表示填方坡度为30°，挖方坡度为30°的高填方边坡。以“-Z”后缀表示结合面为台阶式，无“-Z”后缀即为斜平面式结合面，所有模型均以这种方法表示，后文中便不再特别说明）。

图4 不同填方坡度下的水平位移模拟结果云图Figure 4 Cloud chart of horizontal displacement simulation results under different fill slopes

在填方土体自重的作用下，不同填方坡度下的水平位移模拟结果云图如图5所示。

由图4 可以看出，填方坡面上的最大水平位移大致分布在坡面下缘，其水平位移大小随着填方坡度的增大而增大。

由图5 可知，最大竖直位移出现在临近坡肩位置，与水平位移的规律类似，垂直位移也随着填方坡度的增大而增大。

取坡肩中点位置的节点单元为监测点，监测所得的水平位移和竖直位移以及边坡的安全系数如图6 所示，水平位移大小与竖直位移大小随坡度的增大而增大，并近似呈线性关系，且边坡安全系数随着坡度的增大而减小。

4.2 挖方坡度对稳定性的影响

取填方坡度为60°进行分析：控制填方坡度为60°，挖方坡度在30°，45°，60°之间进行变换组合，研究不同的填方坡度下，黄土高填方边坡的变形特征（图7、图8）。

图8 不同挖方坡度下的竖直位移模拟结果云图Figure 8 Cloud chart of vertical displacement simulation results under different excavation slope

由图7可以看出，挖方坡度的大小对填方坡面的水平位移影响并不十分显著，最大水平位移依然大致分布在坡面下缘。位移区段呈现明显的分层特征，坡面最大水平位移量随着挖方坡度的增大而减小。

从图8 可以看出，最大竖直位移出现在临近坡肩位置，坡面最大竖直位移量随着挖方坡度的增大而减小，这与水平位移的变化特征类似。

取坡肩中点位置的节点单元为监测点，监测所得的水平位移和竖直位移以及边坡的安全系数如图9 所示。与填方坡度影响效果不同的是，此处的水平位移与竖直位移大小随挖方坡度的增大而减小。这是因为在本文的数值模拟中，模型控制的是填方长度一定，均为50m，这就意味着在相同的填方坡角下，挖方坡角越小，填方体的体积越大，其自重也会随之增大，位移的累积效应更明显，因而监测点位置的水平位移与竖直位移大小会随着挖方坡度的增大而减小。

图9 挖方坡度对稳定性的影响Figure 9 The influence of excavation slope on stability

由于本文是模拟较大规模的填方工程所形成的边坡稳定性，因而填方体的体积较大，在填方坡角为60°时，搜索所得的滑裂面始终位于填方区，所以边坡安全系数在不同的挖方坡度下，没有变化。

4.3 挖填结合面形式对稳定性的影响

挖方区与填方区的交界面通常被认为是一个薄弱面，在路堤填方工程中，通常采用在原状土坡一侧开挖台阶，来扩大挖方区土体与填方区土体的接触面积。为探究这种填方处理方式对大规模填方工程的作用效果，现利用FLAC3D进行分析。此处以挖方坡度45°，填方坡度45°为例进行分析，相关分析结果如图10、图11所示。

图10 不同挖填结合面水平位移模拟结果云图Figure 10 Cloud chart of horizontal displacement simulation results under different excavation and filling joint surface

图11 不同挖填结合面竖直位移模拟结果云图Figure 11 Cloud chart of vertical displacement simulation results under different excavation and filling joint surface

由图10可以发现，在对挖方区坡面进行开挖台阶处理后，对水平位移的影响较为显著，结合面两侧的土体协同变形能力显著提高，但在数值上，水平位移量要大于没有进行台阶处理的坡面。

由图11两张竖直位移图比较可得，由于挖方区坡面台阶的存在，填方土体的竖向变形，呈现更加明显的分层特征，在数值上，竖向变形量大于挖方坡面未处理的填方边坡。

取坡肩中点位置的节点单元为监测点，监测所得的水平位移和竖直位移以及边坡的安全系数如图12 所示。由图12 可见，台阶式结合面的存在，增大了填方土体与原状土体的接触面积和二者之间的摩阻力，使之整体性有所提高，因而台阶式结合面边坡的安全系数要大于斜平面式结合面边坡。但是，由数值分析的结果可知，在挖方区开挖台阶使得监测点位置的水平位移和竖直位移变大，这是由于台阶的存在，填方土体不容易产生滑移，而斜平面式结合面的填方边坡由于圆弧滑动作用，坡肩位置会产生一定的抬升，抵消了一部分由于自重作用产生的位移，因而监测点位置的位移会表现出小于台阶式边坡的现象。

图12 结合面形式对稳定性的影响Figure 12 The influence of joint surface form on stability

5 结论

本文依托延安新区填沟造地工程，针对大规模填方工程可能形成的黄土高填方边坡进行了稳定性分析，讨论了不同挖方坡度、不同填方坡度以及不同结合面形式在不同的工况下对黄土高填方边坡位移和安全系数的影响，得出以下结论。

1）填方坡度的大小对位移有显著影响，填方坡度越大，水平位移和竖直位移越大，其中填方坡度的增大对竖直位移的影响更为突出。且填方坡度与位移之间近似成线性关系。安全系数随填方坡度的增大而减小。

2）挖方坡度的大小对位移的影响并不显著，但总体而言，水平位移和竖直位移随挖方坡度的增大而增大，安全系数几乎不随挖方坡度的增大而产生变化。

3）在挖方坡面开挖台阶，能有效提高填方体与原状土体的整体性，增强其协调变形能力，提高填方边坡的安全系数。