某削坡填沟项目高填方场地边坡稳定性评价

牟延波 户瑞平 葛玉祥 王玉来

1.和静县备战矿业有限责任公司 新疆 巴州 841000

2.中勘冶金勘察设计研究院有限责任公司 河北 保定 071069

地处山区、丘陵地带的易地搬迁项目大部分需要进行土地整理，该类项目一般会涉及到高填方场地的稳定性。本文以某产业园区土地整理项目为背景，重点阐述了该削坡填沟项目其高填方场地稳定性评价采用了综合勘察手段，稳定性计算采用了力学验算和有限元模拟多种计算方法，对多台阶高填方区域的坡体稳定性进行了不同工况的定量评价，为类似场地的评价项目具很强的借鉴意义。

1 项目概况

某扶贫项目场地东西长约2.5km，南北宽约2.2km。其中土方平整和道路修建主要就是削坡填沟构筑台地，填方总量约2800万m3，挖方总量约2300万m3。场地原始地形是由近南北走向的多条沟谷和多个山梁组合的山麓斜坡，根据基建场地要求，需通过削坡填沟将斜坡地形构建成台阶形场地，台阶坡高度约8m，共分7个台阶坡，填方边坡高度总落差达87m。

2 主要采用的勘察手段及方法

2.1 搜集及分析已有资料

充分收集本场地既有的与本项目有关的资料。

2.2 工程地质调查

根据场地实际情况，本次调查主要采用了点、面和线结合，重点追索的综合方式，调查面积7.0km2，布设地质控制点281个。

2.3 水文地质调查

本次水文地质调查面积17.0km2，主要查明了场区的水文地质规律，并结合有关资料综合确定了场地的水文地质条件及其对填方边坡稳定不利的地质效应。

2.4 工程钻探与原位测试

为了满足本场地填方边坡评价需要，在利用原勘察报告的基础上又布设14个钻孔，并利用钻孔做了重型动力触探测试。

2.5 室内试验

为获取填方土体力学参数，满足稳定计算分析需要，除一般常规分析项目外，依工程需要分别进行了渗透及静三轴剪切试验，针对填土层区域绘制了各验证孔含水量随深度的变化曲线。

2.6 物探测试

第1次物探测试于平台填筑完成后，第2次于1年后，共完成测线11条，通过在不同阶段的物探测试工作，以查明场地的均匀性及场地内填土地下水分布在空间和时间上的变化状态及富集情况。

3 工程地质及水文地质特征

3.1 工程地质特征

该场地主要以基岩类和松散岩类两大岩类组成，其特征分述如下：

基岩类岩石：在调查区内广泛分布，其岩性主要有黑云斜长片麻岩、蚀变辉长岩，局部含角闪斜长变粒岩和钾长石英化岩及浅粒岩等。

松散岩类：该岩类主要由人工开挖山体材料和第四系冲洪积物构成，人工填土主要分布于拟建场地设计标高以下的填方区域，一般厚度10-20m，最厚可达30m左右。

3.2 水文地质特征

评价区所处沟谷内无常年性地表水体，无稳定的地下水，但存在第四系松散岩类孔隙潜水和基岩裂隙水两种类型地下水。

4 填方边坡整体稳定性评价

4.1 边坡安全等级的划分

评价边坡为人工削坡填沟形成的堆积层（土质）边坡，填方总高度最高达83m，依据《建筑边坡工程技术规范（GB50330-2013）[1]表3.2.1以及《滑坡防治工程设计与施工技术规范》（DZ/T 0219—2006）[3]表4.1规定，综合确定本次填方边坡安全等级为一级。

4.2 边坡稳定性计算中有关边界条件的确定

1）地下水

在本次稳定性计算中既考虑了地下水的静水压力作用，又考虑了地下水的渗流作用。其中渗流作用按照稳定渗流理论，应用有限元法确定了地下水渗流及填方边坡地下水浸润线；另外，暴雨强度一般工况按50年重现期计，校核工况按100年重现期计。

2）地震

根据《建筑抗震设计规范》（GB50011-2010）2016版[2]附录A，本次评价区抗震烈度为6度，地震荷载按地震加速度为0.05g计。

4.3 边坡安全系数的限定

依据《建筑边坡工程技术规范》（GB50330-2013）[1] 以及《滑坡防治工程设计与施工技术规范》（DZ/T 0219-2006）[3]，本次填方边坡稳定性计算考虑了4个工况，综合确定各工况安全系数Fs限定如下：

一般工况：

工况1：自重，Fs≥1.4

工况2：自重+地下水，Fs≥1.3

校核工况：

工况3：自重+暴雨+地下水，Fs≥1.15

工况4：自重+地震+地下水，Fs≥1.15

4.4 填方边坡岩土体物理力学参数的确定

根据室内试验结果，并结合以往类似工程经验确定本次评价填方边坡各岩土体的物理力学参数见下表：

表1 边坡各岩土体物理力学参数一览表

4.5 填方边坡整体稳定性评价

本次填方边坡整体稳定性计算与分析主要以极限平衡法计算结果作为评定边坡稳定性的依据。在此基础上，应用弹塑性有限元法计算和分析边坡各部位岩体的应力-应变及变形场的分布规律。

4.5.1 极限平衡法

1）稳定性计算剖面

根据评价区工程地质平面图，本文以A剖面为代表性沟谷的填方边坡剖面进行计算。

2）地下水渗流浸润线的确定

本次根据有限元法利用SLIDE-2D软件分一般情况和暴雨情况进行地下水渗流浸润线模拟。

①一般情况地下水渗流浸润线

图1 A剖面地下水浸润线云图

②暴雨情况地下水渗流浸润线

图2 A剖面暴雨情况下地下水浸润线云图

3）暴雨强度的确定

本次暴雨强度计算采用同济大学解析法统计的河北保定地区暴雨强度经验公式进行。

4）填方边坡整体稳定性计算结果及评价

采用理正岩土计算软件，对计算剖面四个工况的填方边坡整体稳定性进行计算，计算结果见下表：

由表2填方边坡整体稳定性计算结果可知，所有工况下填方边坡整体稳定性安全系数均大于安全系数限定值，填方边坡整体稳定性较好。其中，在一般工况下坡体安全系数较高，而在暴雨及地震工况下安全系数有较大的降低，特别是在暴雨工况下，坡体整体稳定性下降比较明显。

表2 填方边坡整体稳定性安全系数一览表

4.5.2 三维有限元法

本次三维有限元法数值分析采用Midas/GTS软件，通过对场地沟谷填土边坡应力、应变场进行数值模拟分析，评价场地沟谷填方边坡整体稳定性。

1）模型的建立

根据现有资料及现场调查资料的综合分析，选取场地有代表性区域作为本次分析评价区域，以此建立三维地质力学模型，模型范围为宽×长×高=350m×2035m×307m，主要由基岩、填土和接触带组成，见图3。

图3 三维力学模型图

2）物理力学参数的选取

根据本次现场调查、室内试验结果，并经工程经验判断，地质力学模型中各材料物理力学参数选取见表3所示。

表3 各岩组物理力学参数

3）数值模拟计算结果及分析

通过数值模拟计算，得到填方边坡的应力场及应变场，结果见图4～5。其分布规律如下：

图4 YZ方向应力云图

①应力

在图4知，在YZ方向剪切应力，填方坡体剪切应力均较小，大部分在-18.552～22.591kPa之间，局部在台阶处与基岩接触带存在剪切应力集中的现象，应力集中区域的最大剪切应力约162.5kPa，由此可知填方边坡整体上不会发生大规模剪切破坏，而在局部台阶处可能发生剪切破坏。

②应变

在图5可知，整体应变值均较小，局部台阶坡体应变集中且应变值较大，这与前述填方边坡体应力值是相对应的，同样说明填方坡体不会沿接触面发生大规模剪切或拉裂破坏，而局部台阶坡体则可能发生剪切或拉裂破坏。

图5 最大剪切应变云图

4.5.3 填方边坡整体稳定性综合评价

据上述采用的极限平衡法及三维有限元法对填方边坡整体稳定性分析及评价结果，两种方法均验证了填方边坡整体稳定性较好，发生大规模整体滑坡的可能性较小，而局部台阶坡体发生破坏的可能性较大。

5 结语

1）通过资料搜集、现场调查、物探、钻探、室内试验及原位测试等综合手段，查明了场区的地质规律、工程地质与水文地质特征，为准确分析填方边坡的稳定性及赋水性提供了翔实的基础资料。

2）基于对基础资料的综合分析，本文以代表性剖面为例对填方边坡的总体稳定性进行分析，并采用极限平衡法和有限元数值模拟技术进行对比验证，结合复杂的边界条件（地震力、暴雨、地下水渗流以及近“S”形冲沟地形效应等），分析了总体坡在不同工况条件下的稳定性。

3）该项目竣工后经过几年的运行和实际监测，填方坡体整体稳定，各局部台阶坡进行挡墙加固后也比较稳定，和评价结果高度吻合，客观地验证了评价的准确性。