西南某机场高填方边坡稳定性分析

2014-03-24高奋飞严克渊潘盛泽

资源环境与工程 2014年4期

高奋飞, 严克渊, 潘盛泽

(贵州省水利水电勘测设计研究院,贵州贵阳　550002)

0　引言

中国西南地区青藏高原和云贵高原幅员辽阔，海拔高，特别是青藏高原东缘地区因青藏高原的快速抬升及河流的急速下切等因素作用下，形成了高山耸立，河流深切的复杂地形。因地形的复杂性，地面交通尚不发达，与东部经济发达地区的交通条件相比相去甚远[1-5]。在西南地区修建机场，为满足场地条件和净空条件，机场建设势必进行深挖高填，高填方问题尤为明显[6]。山区错综复杂的地质条件，也给机场的稳定性带来了挑战，若处理不当，势必造成安全隐患和重大经济损失。如攀枝花机场，由于对填方体下部的软土地基处理不当，造成了填筑体滑坡，对机场运营和社会经济造成了严重的影响[7-9]。因此，在填方设计之初就应该重视对它的稳定性分析。本文以西南某高填方典型边坡位移，结合实际监测工作，对比分析在目前的设计和施工工艺条件下的边坡稳定性状况，为后面的机场建设工作提供一定的借鉴依据。

1　概念模型建立

1.1　工程地质概况

拟建的西部某机场是西南地区支线机场，机场飞行区规模为4C，跑道长2 800 m，两端安全道各长300 m，飞行区总长3 400 m；跑道道槽宽45 m，道肩1.5 m，总宽度48 m。机场中心点设计标高为1 969.4 m，机场最大填方高度为85.14 m，道槽区最大填方高度62.02 m，坡顶与坡脚的最大高差超过136 m，填方量约为3 300万m3，挖方量约为3 150万m3，该机场属于典型的高填方机场。本文选择其具有代表性的填筑边坡分析其稳定性。

该剖面所在区域由于不良地质现象和构造的影响(图1)，基岩面起伏大，局部地段第四系覆盖层厚度>40 m，其物理力学性质变化也十分明显，属于典型的不均匀性地基；中间部分尽管第四系覆盖层较浅，但由于地形起伏大，局部达30多米，坡沟切割较深，加之基岩在纵向上短距离内岩性变化大，局部地段(钻孔揭露)变化在100次以上，为典型不均匀性地基；同时，由于坡脚粘土及粉质粘土的力学特性较弱的影响，为形成滑带土创造了条件。总体上讲，该场地地基土从基岩起伏、岩性变化情况和物理力学性质方面在水平和垂向上均为典型的不均性地基，设计时应予以重视。

1.2　概化模型

在原地质剖面图的基础之上，划分有效概化模型。机场跑道填方体与原地基的典型模型图见图2。填方下的天然边坡为顺层边坡，缓倾坡外，坡度在10°～33°，岩层倾角约为12°～23°；坡面覆盖层较厚且不连续，基本无基岩出露；坡脚下分布有连续的、一定厚度的粘土和粉质粘土；根据现场勘察结果，初步确定填料为炭质砂岩和灰岩块石料，填方边坡按1∶3.0放坡。到中上部收坡变为1∶2.5和1∶2.0。

1.3　参数取值

根据工程现场勘查资料，整理得原地基和填筑体的物理力学指标参数(见表1)。

图1　工程地质剖面图

图2　剖面图概化模型

表1原地基及填筑体的物理力学参数

Table 1The physical and mechanical parameters of filling bodies and original foundation

组密度ρ泊松比变形模量/粘聚力内摩擦角抗拉强度/(kg·m-3)μMPac/kPaφ/(°)kPa备注L⁃stone26900．2225006000352中风化灰岩S⁃stone25800．2630005000301中风化砂岩C⁃stone20800．30180260200．3中风化炭质泥岩Embankment⁃120500．27301230填筑体90区Embankment⁃221500．26402250填筑体93区Embankment⁃322000．25504280填筑体96区ZH20000．27152180置换区Soil⁃117500．3053280黏土层Soil⁃218500．30628170粉质黏土层Gsoil⁃121000．27816200碎石土Gsoil⁃219300．28635140混合土mg21000．274010260盲沟

2　典型边坡稳定性分析

利用典型模型建立对应的有限元模型，利用GEO-SLOPE软件，对典型边坡的稳定性进行分析[10]。通过有限元分析水平位移和沉降量，确定潜在滑面位置。在分析边坡稳定性之前，需弄清楚几个关键的工程问题：①坡面的覆盖层对填方体稳定性的影响。高填方坡面分布有一定厚度的粘土层，状态为可塑—硬塑，它遇水软化，强度会迅速降低，与填方体的接触面易形成滑面，它是影响填方体边坡稳定性和坡顶的不均匀沉降的重要因素；②坡脚的覆盖层对填方体的影响。由于边坡坡脚的粘土层和粉质粘土层的存在，这些软弱土层自身的抗剪强度较低。同时填筑过程中，改变原有的边坡地表水和地下水渗流系统，抬高地下水渗流高程，为整个边坡提供抗滑能力降低，危及整个边坡稳定性；③填筑体自身稳定性问题。填筑体自身稳定可通过施工工艺和填筑材料特性，该问题比较容易控制和解决。

2.1　典型边坡水平位移分析

典型边坡水平位移(图3)：坡脚部水平位移0.08～0.10 m，坡体中部0.15～0.20 m，坡顶最大水平位移0.22 m；原地基最大的水平位移为0.06～0.10 m；离坡顶20 m外水平位移<1 m，但在坡体中上部受软弱地基和地形的影响，水平位移较大，且较水平影响深度在30～40 m。在坡脚由于地形及坡度变缓等原因，水平位移变化范围变小，且影响水平深度在10～20 m之间。

图3　典型边坡水平位移等值线

2.2　典型边坡沉降分析

典型边坡沉降变形(图4)：坡脚部沉降量1.5～2.0 m，坡体中部沉降量2.5～3 m，坡顶最大沉降量达3.5 m；原地基最大的沉降量为0.5～1 m；离坡顶30 m外沉降量较小，为1 m；沉降量基本是从坡脚到坡顶依次增加的，沉降量与填筑高度不成正比，填筑的高度越高，沉降量增加得越大。

2.3　典型边坡潜在的弱面分析

根据典型边坡剪应变分析(图5)可知：①典型边坡存在两条典型的剪应变带，第一条为从坡顶到坡体中部，以软弱层和中分化的炭质泥岩为潜在的弱面，第二条为从坡体中部到坡脚，以填筑体和黏土层、粉质黏土层为潜在的弱面；②剪应变较大区域主要集中在填筑体中部位置，剪应变为0.08～0.14 m；③潜在的两条弱面没有形成贯通面。

图4　典型边坡沉降等值线

图5　典型边坡潜在弱面图

3　典型边坡变形监测分析

典型边坡变形监测结果见图6。

图6中1、2和3号监测点分别位于典型边坡坡脚、坡体中部和坡顶，x是沿坡面的位移，z是坡体的沉降量。从x、z方向位移变化曲线与数值模拟结果对比分析可以得出：①从坡脚到坡顶，坡面方向和坡体沉降的位移依次增大；②从坡脚到坡顶增加的速率增大；③现场监测与数值计算之间变化规律方面表现一定的相关性；④在数值大小方面，数值计算的值大于现场监测值，说明，现场监测只能反映数值计算一部分的变化大小，加强现场监测对工程安全更有意义。