李世贵 许 倩

（1.湖北省鄂西地质工程勘察院，湖北宜昌 443000；2.三峡大学，湖北宜昌 443000）

0 引言

我国经济飞速发展，基础工程建设开始深入山区，边坡治理工程量急剧增多，范围和规模扩大，边坡工程治理水平随之不断提高。目前，边坡工程治理方法包括排水、刷方、减重、填土压脚、设置挡墙、岩石喷锚、格构锚固、抗滑桩等，也可以将多种治理方法结合使用[1-7]。刘海亭等[1]采用“刷坡卸载+微型钢管桩”对某高边坡进行了治理，使边坡的安全系数得到了明显提高；卢 乾等[3]采用“覆盖层开挖+混凝土贴坡挡墙+微型钢管桩+预应力锚杆”的边坡治理方案，对水电站坝肩边坡进行了综合处理，取得了良好的效果；吴红刚等[4]对山区高填方边坡桩-锚-加筋土组合结构的协同工作性能进行了优化研究，有效解决了任意断面剖切设计计算的困扰；王 浩等[5]采用双排锚索抗滑桩治理超高路堑边坡，成功对该边坡的关键施工步骤进行了主动控制。上述治理方法各有其优点，也有其局限性。不合理的治理方案不仅会延误工期，造成大量资金浪费，严重者还会引发工程滑坡。如刷方减重方法简单，施工方便，阻滑效果好，深受广大设计者们的青睐，但在实际工程中却出现很多在边坡前缘抗滑段刷方或者减重，误认为是因边坡坡率陡而不稳定，采用刷方减重放缓边坡坡率，结果反而削弱了边坡的抗滑力，进而引起边坡滑塌，教训十分深刻[8]。

为研究边坡体减重压脚的组合治理效果， 以湖北省神农架林区某欠稳定边坡为例，设计了四种减重压脚治理方案，采用数值模拟分析方法筛选最优方案，以期指导实际施工。

1 工程概况

该边坡位于湖北省神农架林区，属构造剥蚀中高山区，植被较发育，基岩局部裸露。该边坡在降雨期间，曾多次发生局部坍塌和滑移，现状处于欠稳定状态，在暴雨等特殊工况下，有可能发生整体滑移，危及下方居民的人身和财产安全。

边坡总体形态呈“舌”型，其后缘高程约1715 m，前缘高程1640 m，相对高差75 m。边坡纵长约230 m，宽度为80～100 m，堆积体平均厚度约21 m，体积约41.0×104m3，边坡潜在主滑方向330°（见图1）。

图1 边坡工程地质平面图

该边坡堆积体物质主要由第四系残坡积（Q4el+dl）碎、砾石土组成，碎、砾石主要成分为白云岩、板岩等。粒径5～100 mm，局部夹200 mm 以上的块石和2 m 左右的大孤石。碎、砾石多呈次棱角状，骨架颗粒部分接触，分布不均匀，其间为黏土和细颗粒充填。堆积体厚度在中部最厚，前部及后部稍薄，为潜在滑体。

软弱层为第四系残坡积（Q4el+dl）砾石土，砾石成分为白云岩、板岩等，粒径5～10 mm，多呈次棱角状；土为粉质黏土，黏性强，多呈可塑状，土石质量比约为5∶5。本层砾石土覆盖于基岩之上，为软弱层，是不稳定边坡潜在滑动面，厚度0～2.50 m，平均厚1.40 m。基岩为神农架群（Ptsh）白云岩，岩层产状为283°∠42°（见图2）。

图2 原边坡3-3’工程地质剖面图

依据技术先进、施工便利、安全可靠及经济合理性等原则[9]，建议对该欠稳定边坡采用挖方减重+回填压脚+地表排水的综合措施进行治理。

2 原边坡稳定性分析

2.1 模型建立

选取该边坡沿主滑方向的主剖面3-3’作为研究对象，运用南京库仑公司开发的GEO5 软件中的土质边坡稳定分析模块，分别对该剖面建立天然/降雨工况下的稳定性分析模型，模型尺寸严格按照原剖面3-3’绘制，分为堆积体、软弱层、基岩三个区域，采用条分法分别计算天然工况及降雨工况下边坡的稳定性。

2.2 计算参数

根据地勘成果以及反演分析结果，结合类似地质条件工程经验等综合分析，最终确定不稳定边坡的岩土计算参数（见表1）。

表1 物理力学计算参数法

2.3 条块划分

条分法是将边坡滑动土体竖直分成若干条块，并把各条块当成刚体，分别求作用在各条块上的力对圆心的滑动力矩和抗滑力矩，然后求边坡的稳定性系数[10]。

由于条块数对边坡稳定性计算结果影响较大，不合理的条块划分会影响边坡治理方案设计的安全性和经济性[11]。因此，有必要首先研究条块数对边坡稳定性产生的影响规律，进而获得比较合理的条块划分。

依据文献[9]的条块划分顺序，选用建筑边坡规范推荐的传递系数法（隐式解）[9,12]求解，并跟国际上通用的Morgenstern-price 法[8,13]做检核，分别计算不同条块数下3-3’剖面在天然/降雨工况时的稳定性系数（见表2），其与条块数间的关系曲线见图3、图4。

表2 不同条块数下3-3’剖面的稳定性系数

从图3、图4和表2可以看出：①在天然/降雨工况下，采用传递系数法计算得到的不同条块数下该边坡的稳定性系数的极差分别为0.028、0.027，采用Morgenstern-price 法计算得到的不同条块数下该边坡的稳定性系数的极差分别为0.026、0.025，可见条块数的多少对边坡稳定性计算结果影响较大；②传递系数法跟严格的Morgenstern-Price 法计算结果比较接近，随着条块数的增加，边坡的稳定性系数呈现先快速下降后逐步趋于稳定的趋势；③当条块数达到20 个以上时，边坡的稳定性系数基本趋于稳定。

图3 天然工况下边坡稳定系数–条块数关系曲线

图4 降雨工况下边坡稳定系数–条块数关系曲线

由于边坡滑面为折线形滑面，条块数太少会导致原始坡面和滑面失真，使得滑面控制点处倾角变化大于10°，计算结果偏危险[11]；而条块数过多则会导致模型更复杂，计算量陡增。鉴于此，所建模型条块数均取23 个。

2.4 主滑段与抗滑段划分

该欠稳定边坡滑动面后缘陡，前缘较平缓，存在明显的抗滑段和主滑段。减重只能在边坡上部主滑段进行，压脚只能在边坡前缘抗滑段及其以外回填土石，如在边坡前缘抗滑段挖方或在中上部主滑段填方，则进一步削弱了边坡的抗滑力或增加下滑力，均不利于边坡的稳定。文献[14-15]采用Gisinθi-μGicosθi＞0 来确定滑坡的主滑段，此法忽略了黏聚力及条间力的作用。本文在边坡稳定性分析模型中，提出采用传递系数法隐式解，分别计算出天然工况及降雨工况下各条块的剩余下滑力Pi。如果Pi+1-Pi＞0，条块位于主滑段，反之，则位于抗滑段；如果Pi+1-Pi=0，条块位于抗滑段与主滑段的分界线上。

根据各条块剩余下滑力曲线（见图5），降雨工况下第10 条块与第11 条块的分界线为边坡抗滑段与主滑段的分界线；天然工况下第12 条块与第13 条块的分界线为边坡抗滑段与主滑段的分界线（见图6）。出于安全考虑，建议取降雨工况下第10 条块与第11 条块的分界线作为边坡抗滑段与主滑段的分界线。

图5 边坡剩余下滑力–条块数关系曲线

图6 抗滑段与主滑段分界计算结果图

3 减重压脚方案

减重压脚治理方案设计，首先要确定在哪个位置减，其次减多少方，以及如何压脚。本文根据边坡工程地质条件及上文计算成果，设计了四种方案（见图7）。方案一：在1-6 条块所处位置挖方244 m3，全部压在坡脚处；方案二：在1-9 条块所处位置挖方514 m3，全部压在坡脚处；方案三：在2-9 条块所处位置挖方518 m3，全部压在坡脚处；方案四：在2-9 条块所处位置挖方228 m3，全部压在坡脚处。

图7 减重压脚治理方案图

对以上四种方案分别建立天然/降雨工况下的稳定性分析模型，采用传递系数法计算出与之对应的边坡稳定性系数和滑动面前缘剩余下滑力。

4 减重压脚治理效果评价

通过模拟四种边坡治理方案，从稳定性系数、滑动面前缘剩余下滑力及方案性价比三个方面，对模拟结果进行对比，从中选出最优方案。

4.1 稳定性系数及前缘剩余下滑力

根据规范[16]要求，治理后边坡的稳定性系数需达到1.15 以上。将四种减重压脚方案的稳定性系数和滑动面前缘剩余下滑力计算结果与原剖面进行对比（见表3）。

表3 四种方案的边坡稳定性系数和剩余下滑力

从表中可以看出，经四种方案治理后，边坡的稳定性系数均提高了。其中方案二和方案三治理效果较好，稳定性系数均满足了规范要求，相应的滑动面前缘剩余下滑力也降为了0；而方案一和方案四在降雨工况下稳定系数均达不到规范要求，滑动面前缘仍存在剩余下滑力，尚需辅以其他支挡工程才能永久稳定边坡。

4.2 方案性价比型

由上述分析可得，边坡稳定性系数和剩余下滑力跟挖方减重方量及挖方部位关系较大。不合理的治理方案，挖方及回填总量多，稳定性系数提高的却少，造成了不必要的资金浪费，也延长了工期。本文对降雨工况下满足规范要求的方案二和方案三的性价比进行了对比分析，定义性价比W=稳定性系数的增量ΔFs/总造价S[14]，并设单宽每m3挖方和填方的造价为b。计算结果（见表4）表明，方案二的性价比最高，应优先考虑。

表4 两种方案性价比计算表

5 结论

通过折线形土质边坡实例，研究了不同条块数对边坡稳定性系数的影响规律，并对原边坡主剖面3-3’进行了稳定性分析，得出了抗滑段和主滑段的分界线。在上述基础上，设计了四种减重压脚组合治理方案，分别从边坡体稳定性系数、滑动面前缘剩余下滑力、方案性价比三个方面综合评价了边坡的治理效果，并得出以下结论：

（1）条块数对该边坡稳定性计算结果影响较大，随着条块数的增加，边坡稳定性系数呈现先快速下降后逐步趋于稳定的变化趋势。

（2）边坡的剩余下滑力曲线可以快速、准确地划分出边坡的主滑段和抗滑段，进而确定挖方减重范围。

（3）通过对边坡体的稳定性系数、滑动面前缘剩余下滑力及治理方案性价比综合分析，合理、有效地调整治理方案，用较少的挖方量和回填量，获得较高的稳定性系数，不仅节约了工程造价，也缩短了工期。

（4）本文减重压脚治理方案整体设计思路可以应用到类似边坡及滑坡治理工程中， 对其减重压脚位置的选择和确定具有一定的指导意义。