周庆科，夏建国

(1.中国华电香港有限公司， 北京 100035； 2.中南电力设计院有限公司， 湖北 武汉 430071)

伴随着人类工程建设改变了无数的自然地形，造就了不可计数的人工边坡，一般包括挖方和填方两类，相对而言挖方整形坡体属于自然地层，填方整形边坡坡体是自然地面上堆积压实或者未压实土体属于未经历自然固结稳定的地层，前者由于卸荷作用经常产生变形[1-2]；后者经常产生差异沉降变形[3-4]。因此，人工边坡的安全控制是土木工程安全的重要组成部分。

人工边坡的安全控制研究：(1)首先要弄清有哪些影响要素[5-8]；(2)敏感性分析和排序，弄清核心要素和起决定作用的因素[9-11]；(3)紧密围绕核心要素和控制要素开展变形破坏机制[12-15]；(4)安全控制技术研究，围绕控制要素和破坏机制，采取防治结合的方法，减小和控制其安全影响[16-20]。综上，人工边坡稳定性研究总体上是服务于防灾减灾这个总目标。

本文依托某火电厂人工边坡防治工程，分析边坡工程地质条件，揭示关键层对边坡安全影响的控制机制，提出针对性加固措施；利用数值仿真技术，检验加固措施的有效性，同时为安全监测提供指导。相关经验和认识可以为厂区其他人工边坡的稳定性控制提供指导和技术支撑。

1 场地概况和边坡工程特征

华电印尼某电站工程场地位于苏门答腊岛中南部丘陵区，原属橡胶林、棕榈林和灌木林区，现已完成地表清理、场坪开挖及回填工作，周边产生大量挖方边坡和填方边坡，挖方边坡总长1 602 m，填方边坡总长1 717 m，挖方最大坡高22 m，填方最大坡高23 m，详见图1。

地层主要为黄褐色第四系全新统残坡积黏土、红褐色第四系上更新统残坡积黏土、深灰色全风化泥岩、煤层夹层、强风化泥岩、煤层夹层、中微风化泥岩。各地层岩土体物理力学性质指标建议值，统计列于表1。

建筑场地类别为II类，抗震设防烈度为8度，峰值加速度0.286g，反应谱特征周期0.40 s。

地下水主要为上层滞水及基岩裂隙水，大气降水补给，蒸发和渗流排泄。地下水对混凝土结构具有弱腐蚀性，对钢筋具有微腐蚀性。

随着场地整平和工程建设的同步推进，在临近人工边坡的建构筑物基坑开挖过程中边坡产生问题，本文就是针对出现问题边坡，探讨问题出现根本原因，研究加固措施的有效性和极限条件，为附近人工边坡地段的施工安全提供技术支撑。

图1 电厂挖填方整形概貌

表1 人工边坡各地层计算参数统计表

2 挖填方边坡稳定控制作用综合分析

为了方便探讨挖方和填方两类人工边坡的变形破坏机制，采取有效的稳定控制技术，分别选择挖方和填方典型边坡见图2。

图2 典型挖方和填方边坡

2.1 稳定控制作用的地质分析

从图1和图2揭示的厂区挖方和填方形成边坡的工程地质条件可知，土岩界面是挖方边坡需要关注的重点；填方土体和自然地形的结合部位是填方边坡需要关注的重点。

根据该区挖方边坡的破坏(见图3)主要是卸荷作用下土岩界面差异变形可能造成的变形破坏；主要是土体和岩体的变形参数的差异及其对卸荷相应的敏感程度差异造成的变形破坏；岩体和土体渗透特性的差异也会造成土岩界面容易集水，形成局部溢出，饱水软化；再考虑到全风化泥岩的易扰动劣化特性，则容易造成挖方边坡的土岩界面破坏和坡脚剪出+中部滑移+顶部拉裂组合破坏模式。这些破坏特征是地层和岩土体工程的差异造成的挖方边坡的破坏特征。

填方边坡的破坏，主要是保障填筑堆积前场地清表彻底、斜坡整成台阶、不能堵塞自然的补径排关系、分层填筑等每一个环节的施工质量，破坏一般发生在填筑土体和自然地面结合部位，有时候也会因为自然土体的承载产生问题(相对规模较大)，填筑体的固结变形也会造成差异沉降，不过由于分层碾压相对于一般弃土变形可控，坡面控水措施得力条件下填方边坡整体稳定可控。这些破坏特征是填筑体自身施工质量和自然土体承载能力综合控制了填方边坡的破坏特征。

2.2 稳定控制作用的数值分析

利用Phase2D软件，建立图2两类边坡的数值模型，模型两侧法向约束、底部全约束，计算采用弹塑性本构，计算参数见表1，水平位移、竖向位移和剪应变云图整理成图4。

图3 挖填方边坡变形破坏的地质分析

由4图可知，挖方边坡的潜在破坏模式为土岩界面小范围滑移和沿坡脚整体滑移两种模式，详见剪应变云图，需要引起重视，其中土岩界面小范围滑移的变形要大于整体滑移的变形近乎两倍，这一点可从水平位移云图得到检验。填方边坡的变形破坏主要是沿着填筑体和自然地形结合部位，会带动部分自然地层一起变形运动破坏，见剪应变云图，变形主要发生在没有经过自然固结变形的填筑土体，水平位移云图可见。

综上，地质分析和数值分析揭示的挖方和填方边坡的破坏机制和稳定控制要素基本一致，也说明这些破坏特征带有一定普遍性，可以为厂区两类边坡的防治提供依据。

2.3 预应力锚索格构的安全控制效果分析

假设5 m长150 mm锚固段，10 m自由段，预应力400 kN，3 m×3 m锚索格构加固挖方和填方边坡，每级坡面设置2排预应力锚索，建立Phase 2D模型，其余计算条件不变，结果整理成图5。

由图5可知，预应力锚索格构方案加固下，挖方边坡的水平变形得到极大的控制，由0.471 m变为0.177 m；竖向位移变化不大；剪应变云图不再有整体变形趋势，说明加固有效，也证明锚索的筋材作用显著，不能受剪，这是锚索水平变位约束作用大于竖向变形控制作用的重要力学机制。填方边坡，水平变形由0.675 m变为0.132 m；竖向位移由0.732 m变为0.408 m；剪应变云图不再有整体变形趋势，说明加固有效，其余锚索作用机制类同。

综上，在坡率1∶1.5或以下，采取预应力锚索格构加固坡面，可以实现挖方边坡和填方边坡的稳定性。

挖方边坡需注意以下安全事项：(1)自上而下施工；(2)施工一级坡，加固一级坡；(3)做好周边来水控制；(4)做好坡面会水的及时疏排；(5)做好坡面溢出点的管理，仰斜深层排水措施+盲沟集排；(6)保持坡脚干燥+固脚。

图4 挖填方边坡变形破坏的数值分析

图5 预应力锚索格构加固下挖填方边坡变形

填方边坡安全控制注意事项：(1)清表彻底，不留隐患；(2)严禁光面斜坡填筑，清表地形整成台阶，分级填筑；(3)不改变原有地形的补径排关系，沟谷设置盲沟和排水廊道；(4)分级填筑，保证压实质量；(5)坡顶和坡面汇水的及时疏排；(6)保持坡脚干燥+固脚。

3 结 论

根据厂区边坡的类型划分、工程地质条件分析、数值仿真分析、治理效果的数值检验和类似工程经验的总结，综合分析得到了主导该区挖方边坡和填方边坡稳定控制要素，所得主要结论如下：

(1) 挖方边坡的潜在破坏模式为土岩界面小范围滑移和沿坡脚整体滑移两种模式，是由土岩变形特性差异、渗透特性差异、全风化泥岩易扰动特性综合控制造成的。

(2) 填方边坡的变形破坏主要是沿着填筑体和自然地形结合部位，会带动部分自然地层一起变形运动破坏，受填筑体自身施工质量和自然土体承载能力综合作用形成。

(3) 在坡率1∶1.5或以下，采取预应力锚索格构加固坡面，可以实现挖方边坡和填方边坡的稳定控制，加固边坡水平变形急剧减小，竖向变形变化不大，这是锚索作为柔性加固措施抗拉不抗剪的力学机理决定的。

(4) 提出了针对挖方边坡和填方边坡的普适性综合安全控制措施。