李麒麟，丁保艳，王 鹏

(甘肃省地质矿产勘查开发局 第三地质矿产勘查院， 甘肃 兰州 730050)

在我国山区和丘陵地带的城镇化建设和交通等基础设施建设中，受到不利地形地貌条件的影响，时常需要对边坡进行挖填方工作，但由此引发的高填方边坡失稳案例时有发生，如贵州荔波机场[1]、昆明机场[2]、九寨黄龙机场[3]、攀枝花机场[4]等边坡失稳，特别是12.20深圳堆埋渣填土滑坡[5]造成77人死亡，可见该类填方边坡失稳事故造成了重大人员伤亡和财产损失。为保证高填方工程本身的安全，需要对边坡进行支护。

对于一般填方边坡，常见的支护形式有重力式挡土墙、护壁式挡土墙、悬臂式挡墙、加筋土挡墙等[6]。对高填方边坡，一方面该类边坡的挖填方工程破坏了原边坡的稳定性并改变边坡径流和渗流路径等水文地质条件，并具有高差大、工程地质条件复杂、施工困难等特点；另一方面目前规范[7]对高度超过15 m的土质边坡尚无相应的专项设计要求，造成其稳定性分析和支护结构的选取具有一定的难度。为满足高填方边坡工程建设的需要，谢春庆等[8]、王双等[9]和孙晋超等[10]通过室内外试验和现场地质勘察等手段对填方边坡的失稳机制进行了研究并提出相应的处理措施，取得了较好的灾害治理效果，李波等[11]等对不同加固设计方案进行数值模拟，给出了某高边坡的最佳开挖加固方案。上述学者通过土工试验、数值模拟和地质勘察等传统手段对填方边坡的稳定性及其支护设计进行研究，但是山区高填方工程具有地质环境复杂、工期长和填筑高度高等难点，因此为动态地监测变形同时控制其稳定性，杨校辉等[12]在对某高填方的滑移过程进行全过程的时空监测，该动态监测不仅可以预警潜在的失稳，同时可以记录工后沉降，进行工后沉降分析。

对于黄土地区的填方边坡，王衍汇等[13]对延安新区黄土高填方边坡进行有限元稳定性分析，得出地震和地下水位的变化是影响其稳定性的主要因素；同时为解决诸如桩基附加沉降、桩体弯曲等现象，张硕等[14]和魏恺鸿等[15]采用地形微变监测仪进行全天候监测，揭示了黄土高填方坡体加载过程中的力学与变形响应；朱彦鹏等[16]基于极限平衡算法理论，提出了框架预应力锚托板结构加固高填方边坡的设计理论，解决了预应力锚杆(锚索)加固填土体锚固值偏低的问题。上述研究主要针对的是山区机场填方边坡的支护研究[8-9,12]，少有对高陡填方边坡的相关支护研究。

综上，目前规范中尚未对黄土高填方边坡的支护设计有对应的要求，同时对高陡填方边坡的治理缺乏足够深入的认识，对其相应的支护结构选型、设计参数的选取和施工方案优化等问题尚未有成熟可靠的参考。本文以兰州某黄土高填方边坡治理工程为依托，通过理论计算和数值模拟等手段，分析该高陡边坡的稳定性并提出联合支护措施，相关研究结果可为类似黄土地区的高陡填方边坡稳定性设计提供参考。

1 工程概况与特点

兰州某高填方边坡位于甘肃省榆中县和平镇，平面位置如图1所示。

图1 边坡平面位置示意图

该边坡属人工边坡，边坡高22 m～25 m，水平长度430 m，整体走向为近南北向。地震动峰值加速度0.20g，场地类别为III类场地。为提高边坡的稳定性，预防地质灾害的发生，保证后期坡顶和坡底建筑物的安全，考虑对该边坡进行治理。

1.1 地形地貌和地质构造

工程所在区为侵蚀堆积河谷台地区与黄土梁区交汇部位。场地地形起伏较大。整体地势西高东低，海拔在1 710 m～1 744 m之间。新构造运动在本区表现为垂直升降为主，测区内属于强烈上升区。据区域地质资料，测区内无隐伏断裂，无活动断裂，地质构造对本工程无影响。

1.2 工程地质与水文地质条件

场地地层主要分布的是湿陷性砂质黄土，且有较多的黄土陷穴，属IV级湿陷性黄土场地。拟建场地无地表水及地下水分布，区内最大冻结深度118 cm，为季节性冻土，冻结时间由11月至翌年的3月，存在一定的冻融冻胀危害。

1.3 边坡特点

(1) 该边坡相对高差约34 m，局部坡度可达65°，且需要进行大量高填方作业，对高陡边坡稳定性十分不利。目前规范[7]对高度超过15 m的土质边坡尚无相应设计要求，因此如何安全有效地对该类边坡进行支挡结构设计是一个函待解决的问题。

(2) 由于该高填方边坡的坡顶附近建有其他民用建筑，对变形有严格要求，所以在边坡支挡结构的设计中应考虑建筑物侧向变形的要求；此外，还应考虑地震工况下，坡顶建筑物引起的水平地震力作用对边坡稳定性的影响。

(3) 拟处理边坡是具有湿陷性的黄土状粉土边坡，且坡顶沿裂隙发育的黄土陷穴与坡面发育的黄土陷穴贯通。在强降雨条件下，边坡黄土状粉土容易发生湿陷，如何消除湿陷性可能引起的沉降，并进行支护结构设计是工程设计人员必须考虑的问题。

2 稳定性分析

2.1 计算方法及参数选定

(1) 计算方法及参数选定。由于目前尚无高陡填方边坡的稳定性算法，推荐对支护前后的边坡采用不同的计算方法。根据现场勘查，该不稳定边坡物质组成较单一，潜在滑面近似圆弧状，稳定性计算采用《建筑边坡工程技术规范》[7](GB 50330—2013)圆弧型滑面的边坡稳定性计算公式，计算简图如图2所示。

(1)

图2 边坡稳定性计算简图

(2)

(3)

式中：Fs为边坡稳定性系数；ci为第i计算条块滑面黏聚力,kPa；φi为第i计算条块滑面内摩擦角,(°)；Li为第i计算条块滑面长度,m；θi为第i计算条块滑面倾角,(°)，滑面倾向与滑动方向相同时取正值，底面倾向与滑动方向相反时取负值；Ui为第i计算条块滑面单位宽度总水压力，kN/m；Gi为第i计算条块单位宽度自重，kN/m；Gbi为第i计算条块单位宽度竖向附加荷载，kN/m，方向指向下方时取正值，指向上方时取负值；Qi为第i计算条块单位宽度水平荷载，kN/m；hwi，hw,i-1为第i及第i-1计算条块滑面前端水头高度，m；γw为水重度，kN/m3；i为计算条块号；n为条块数量。

本次稳定性分析共选取8个计算剖面，其中1剖面填方量为102 m3，其余剖面填方量为2 700 m3～17 000 m3。计算工况为工况I：自重；工况II：地震工况。地震荷载标准：兰州市设防烈度为Ⅷ度，地震动峰值加速度取0.2g，物理力学参数取值见表1。

表1 岩土体物理力学参数取值

2.2 稳定性结果分析

原边坡填方前后的稳定性计算结果分别见表2和表3，并根据规范[7]进行稳定性定性判断。

由表2可知，填方前该边坡在自重工况下基本可以保持稳定，在地震工况下仅有2个剖面不能保持稳定。通过表3计算可知，填方后的高边坡稳定性出现不同程度的下降，其中1-1’剖面稳定性系数小幅提高，原因是该填方处在距坡顶较远位置，原坡面上无填方作业，导致自重产生的摩擦阻力增大，抗滑力增大，稳定系数略微增大；剖面4和剖面5稳定性下降幅度最大，分别为42.86%和46.15%，因为上两段剖面不仅在坡顶有填方，在坡面上也有大量填方，同时由于边坡高陡，坡角较大，因此沿坡面的滑动力增大，稳定性降低，特别是在地震工况下，该边坡难以保持稳定。

表2 填方前边坡稳定性计算结果

表3 填方后边坡稳定性计算结果

由于该填方边坡高陡且填方量大，规范[7]尚无对应的设计要求，因此考虑首先对填方前后的边坡进行稳定性分析，然后针对边坡的不同部位及地形较陡、填方量较大的坡面根据工程特点和工程经验因地制宜地采取不同的支护措施。

3 联合支护设计

本边坡经过设计计算，选择出两种支护方案。支护设计方案1：预应力锚索框架+加筋土挡墙+挡墙；方案2：预应力锚索框架+抗滑桩。经过方案比选，兼顾安全与经济性原则，最终决定选取采用方案1，由于篇幅限制，仅介绍实际施工中采用的支护措施方案。方案1中不同部位联合支护布置如下，在坡脚布设挡墙进行防护；坡面布设预应力锚索框架加固；在坡顶布设加筋土挡墙；坡面格构内进行绿化美化环境。首先采用理正岩土软件进行支挡结构设计和稳定性计算，土体模型采用摩尔-库仑模型，土力学参数及材料参数分别见表1和表4。考虑到剖面5-5′稳定性下降最多，对支护结构设计的要求较高，因此以剖面5-5′为例(见图3)，对加筋土挡墙加固的坡顶和锚索框架加固的坡面分别进行稳定性验算。

(1) 锚索框架支护设计与验算。为解决填方作业带来的潜在浅层滑坡和深层稳定性等问题，考虑在坡面采用锚索框架柔性支挡结构。根据规范[7]对该支护进行设计和稳定性验算。

图3 边坡稳定性计算简图

自重工况下边坡稳定性系数是1.61，地震工况下为1.46，分别提高了21.05%和21.60%。由此可见，坡面填方量最大的5-5’剖面经过加固后其稳定性得到显著提高。

(2) 加筋土挡墙支护设计与验算。考虑到加筋土挡墙可以加固垂直填方边坡且具有施工方便、造价较低等优点。对坡顶土体采用加筋土挡墙进行加固，由于规范[7,17]无相关加筋土挡土墙相关的内容，本次加筋土挡土墙设计主要参考《铁路路基支挡结构设计规范》[18](TB 10025—2006)相关内容。加筋土加固坡体稳定性计算结果表明:自重工况下坡顶填土体稳定性系数是3.77，地震工况下为2.97，由于坡顶填方相比于坡面填方量较少，因此坡顶土体稳定性系数大于坡面土体稳定性系数。

4 数值模拟

考虑到本次设计采用了多种支护结构形式，为控制各个支护施工阶段的位移，采用MIDAS/GTS NX对各个施工阶段进行数值模拟并分析其位移情况。本模型为2D模型，设置土层属性为平面应变，计算时使用莫尔-库仑理论；定义锚杆为植入式桁架，计算时按弹性材料计算，杆径取0.03 m，水平间距为3 m，竖向间距为3 m；立柱、混凝土面层、基础定义为1D梁单元，截面属性见表4，取值参考于文献[19-21]。

表4 截面属性

锚杆施工、立柱施工和加筋土挡墙施工后的水平位移云图分别如图4、图5和图6所示。

图4 锚杆施工后水平位移云图

图5 立柱施工后水平位移云图

由图4和图5可以看出，每次施工完成后水平位移最大值在每级边坡坡脚处，并且随着施工的进行，坡体的水平最大位移在逐渐减小，第一级边坡坡脚水平位移方向指向坡内，而第二级边坡水平位移方向指向坡外。坡体中部有向外位移的趋势，应是坡顶回填土压力过大所致。

图6 加筋土挡墙施工后水平位移云图

通过图6分析可知，开始施工加筋土挡土墙后，边坡的水平最大位移从一、二级坡面的连接区域向第一级坡面过渡，这表明边坡在施工框架预应力锚杆时，变形与原状边坡相同，滑动面并未发生大的改变，而加筋土挡土墙施工完后，边坡形成了新的滑动面。

5 支护方案

根据第2节边坡稳定性分析和第3节支护设计计算结果，考虑到该边坡的复杂性及结合相关工程经验，采取预应力锚索格构工程、加筋土挡墙工程、挡土墙工程以及坡面绿化工程等形成联合支护，工程现场如图7所示。

图7 边坡工程施工现场

5.1 挡土墙工程

在斜坡坡脚设置挡土墙，长340 m，C30混凝土浇筑，墙型为仰斜式，高2.0 m，基础埋深1.2 m，墙顶宽0.5 m，内坡比1.0∶0.1，外坡比1.0∶0.3，基础底面内倾，坡比0.1∶1.0，基础宽1.11 m，墙背采用砂土分层回填，压实系数大于0.85。地基采用三七灰土垫层，厚30 cm，压实系数不小于0.88。墙内预埋排水管，φ75PVC管1排，纵横向间距1.5 m，外倾坡比5%，梅花型布置，排水管距地面0.5 m，墙后设置为花管，回填砂砾石反滤层将其包裹。挡土墙每隔10 m设一道伸缩缝，缝宽25 mm，缝内填塞聚苯板。

5.2 预应力锚索框架工程

框架横向宽度8.98 m，高度11.00 m，坡面长度13.75 m，每片框架由三根立柱和四道横梁连接而成。框架梁、立柱截面尺寸0.4 m×0.5 m，立柱横向间距3 m，横梁竖向间距3 m，框架为C30现浇钢筋混凝土，每片框架整体浇筑，一次完成。每两片框架之间设置2 cm伸缩缝，内填沥青麻丝，深度20 cm。为保证工程后期绿化工程，本次治理工程框架外露30 cm。

每片框架布设6排锚索，在框架梁节点处设置锚索，锚孔直径为φ150 mm，与水平面夹角15°，锚索由3根φ15.2高强度低松弛预应力钢绞线制成，水平间距3 m，竖向间距3 m。注浆材料用M30水泥砂浆，水灰比0.40～0.45，砂浆体强度不低于30 MPa，孔口注浆压力控制在0.25 MPa左右。

5.3 加筋土挡墙工程

本设计拟采用TGDG80高密度聚乙烯单拉塑料格栅，拉伸强度≥80 kN/m，2%伸长率时的拉伸强度≥21 kN/m，5%伸长率时的拉伸强度≥40 kN/m，似摩擦系数≥0.4，竖向间距0.5 m，横向搭接长度20 cm，纵向搭接长度150 cm，反包搭接长度200 cm。加筋体为矩形断面，各层筋带长度均为15.0 m(局部地段有所变化)，横向搭接长度20 cm，纵向搭接长度150 cm，反包搭接长度200 cm。混凝土基础采用C30混凝土，一般埋深1.3 m，每隔10 m设一道伸缩缝。坡顶护设混凝土互肩，采用C30混凝土，尺寸300 mm×500 mm，采用1.0 m长钢钉(Φ25 mm×2.5 mm钢管加工)与生态袋固定，间距2.0 m。

5.4 回填工程

黄土高填方沉降主要集中在施工期，因此通过施工工艺可以有效地控制沉降。通过控制施工填筑速率，可以减小工后沉降，提高压实度对沉降控制影响更明显，每提高1%的压实度，可减小工后沉降6%[22]。本次回填工程通过提高压实度和降低填筑速率等工艺方法减小黄土沉降。施工中要求填土分层铺填，每层铺填25 cm～30 cm，夯实后再铺下一层，要求压实系数大于0.88，拉筋必须在相应高度的土层夯实平整后稳定一定时间，再挖槽铺设，距墙面板1.5 m距离内不能用重型机械夯填，以避免墙面板承受过大的附加侧向应力。目前，本工程已完工一年，工后沉降和位移均在规范[17]参考值以内。

6 结 论

(1) 对于高陡填方边坡的稳定性计算可采取不同的方案，对于原边坡的稳定性分析可采用规范中的算法；对于边坡的支挡设计可根据边坡的坡度、填方量和边坡部位等因素划分断面分别计算，该计算结果在保证安全的同时对支挡结构的设计及选取也具有较高的针对性。

(2) 对于高填方边坡的坡顶可采取加筋土挡墙支护设计，该结构在保证安全的同时还具有施工简便、造价低等优点；对于填方量较大且坡度较陡的坡面，推荐采用预应力锚索框架工程，该主动支护结构不仅有效地控制边坡位移而且可以结合绿化措施，符合生态支护理念。

(3) 实践证明，在联合支护设计的基础上，通过控制施工填筑速率和提高压实度等方法，可有效控制该黄土高填方边坡的工后沉降和位移。