周慶科，夏建國

(1.中國華電香港有限公司， 北京 100035； 2.中南電力設(shè)計(jì)院有限公司， 湖北 武漢 430071)

伴隨著人類工程建設(shè)改變了無數(shù)的自然地形，造就了不可計(jì)數(shù)的人工邊坡，一般包括挖方和填方兩類，相對而言挖方整形坡體屬于自然地層，填方整形邊坡坡體是自然地面上堆積壓實(shí)或者未壓實(shí)土體屬于未經(jīng)歷自然固結(jié)穩(wěn)定的地層，前者由于卸荷作用經(jīng)常產(chǎn)生變形[1-2]；后者經(jīng)常產(chǎn)生差異沉降變形[3-4]。因此，人工邊坡的安全控制是土木工程安全的重要組成部分。

人工邊坡的安全控制研究：(1)首先要弄清有哪些影響要素[5-8]；(2)敏感性分析和排序，弄清核心要素和起決定作用的因素[9-11]；(3)緊密圍繞核心要素和控制要素開展變形破壞機(jī)制[12-15]；(4)安全控制技術(shù)研究，圍繞控制要素和破壞機(jī)制，采取防治結(jié)合的方法，減小和控制其安全影響[16-20]。綜上，人工邊坡穩(wěn)定性研究總體上是服務(wù)于防災(zāi)減災(zāi)這個總目標(biāo)。

本文依托某火電廠人工邊坡防治工程，分析邊坡工程地質(zhì)條件，揭示關(guān)鍵層對邊坡安全影響的控制機(jī)制，提出針對性加固措施；利用數(shù)值仿真技術(shù)，檢驗(yàn)加固措施的有效性，同時為安全監(jiān)測提供指導(dǎo)。相關(guān)經(jīng)驗(yàn)和認(rèn)識可以為廠區(qū)其他人工邊坡的穩(wěn)定性控制提供指導(dǎo)和技術(shù)支撐。

1 場地概況和邊坡工程特征

華電印尼某電站工程場地位于蘇門答臘島中南部丘陵區(qū)，原屬橡膠林、棕櫚林和灌木林區(qū)，現(xiàn)已完成地表清理、場坪開挖及回填工作，周邊產(chǎn)生大量挖方邊坡和填方邊坡，挖方邊坡總長1 602 m，填方邊坡總長1 717 m，挖方最大坡高22 m，填方最大坡高23 m，詳見圖1。

地層主要為黃褐色第四系全新統(tǒng)殘坡積黏土、紅褐色第四系上更新統(tǒng)殘坡積黏土、深灰色全風(fēng)化泥巖、煤層夾層、強(qiáng)風(fēng)化泥巖、煤層夾層、中微風(fēng)化泥巖。各地層巖土體物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)建議值，統(tǒng)計(jì)列于表1。

建筑場地類別為II類，抗震設(shè)防烈度為8度，峰值加速度0.286g，反應(yīng)譜特征周期0.40 s。

地下水主要為上層滯水及基巖裂隙水，大氣降水補(bǔ)給，蒸發(fā)和滲流排泄。地下水對混凝土結(jié)構(gòu)具有弱腐蝕性，對鋼筋具有微腐蝕性。

隨著場地整平和工程建設(shè)的同步推進(jìn)，在臨近人工邊坡的建構(gòu)筑物基坑開挖過程中邊坡產(chǎn)生問題，本文就是針對出現(xiàn)問題邊坡，探討問題出現(xiàn)根本原因，研究加固措施的有效性和極限條件，為附近人工邊坡地段的施工安全提供技術(shù)支撐。

圖1 電廠挖填方整形概貌

表1 人工邊坡各地層計(jì)算參數(shù)統(tǒng)計(jì)表

2 挖填方邊坡穩(wěn)定控制作用綜合分析

為了方便探討挖方和填方兩類人工邊坡的變形破壞機(jī)制，采取有效的穩(wěn)定控制技術(shù)，分別選擇挖方和填方典型邊坡見圖2。

圖2 典型挖方和填方邊坡

2.1 穩(wěn)定控制作用的地質(zhì)分析

從圖1和圖2揭示的廠區(qū)挖方和填方形成邊坡的工程地質(zhì)條件可知，土巖界面是挖方邊坡需要關(guān)注的重點(diǎn)；填方土體和自然地形的結(jié)合部位是填方邊坡需要關(guān)注的重點(diǎn)。

根據(jù)該區(qū)挖方邊坡的破壞(見圖3)主要是卸荷作用下土巖界面差異變形可能造成的變形破壞；主要是土體和巖體的變形參數(shù)的差異及其對卸荷相應(yīng)的敏感程度差異造成的變形破壞；巖體和土體滲透特性的差異也會造成土巖界面容易集水，形成局部溢出，飽水軟化；再考慮到全風(fēng)化泥巖的易擾動劣化特性，則容易造成挖方邊坡的土巖界面破壞和坡腳剪出+中部滑移+頂部拉裂組合破壞模式。這些破壞特征是地層和巖土體工程的差異造成的挖方邊坡的破壞特征。

填方邊坡的破壞，主要是保障填筑堆積前場地清表徹底、斜坡整成臺階、不能堵塞自然的補(bǔ)徑排關(guān)系、分層填筑等每一個環(huán)節(jié)的施工質(zhì)量，破壞一般發(fā)生在填筑土體和自然地面結(jié)合部位，有時候也會因?yàn)樽匀煌馏w的承載產(chǎn)生問題(相對規(guī)模較大)，填筑體的固結(jié)變形也會造成差異沉降，不過由于分層碾壓相對于一般棄土變形可控，坡面控水措施得力條件下填方邊坡整體穩(wěn)定可控。這些破壞特征是填筑體自身施工質(zhì)量和自然土體承載能力綜合控制了填方邊坡的破壞特征。

2.2 穩(wěn)定控制作用的數(shù)值分析

利用Phase2D軟件，建立圖2兩類邊坡的數(shù)值模型，模型兩側(cè)法向約束、底部全約束，計(jì)算采用彈塑性本構(gòu)，計(jì)算參數(shù)見表1，水平位移、豎向位移和剪應(yīng)變云圖整理成圖4。

圖3 挖填方邊坡變形破壞的地質(zhì)分析

由4圖可知，挖方邊坡的潛在破壞模式為土巖界面小范圍滑移和沿坡腳整體滑移兩種模式，詳見剪應(yīng)變云圖，需要引起重視，其中土巖界面小范圍滑移的變形要大于整體滑移的變形近乎兩倍，這一點(diǎn)可從水平位移云圖得到檢驗(yàn)。填方邊坡的變形破壞主要是沿著填筑體和自然地形結(jié)合部位，會帶動部分自然地層一起變形運(yùn)動破壞，見剪應(yīng)變云圖，變形主要發(fā)生在沒有經(jīng)過自然固結(jié)變形的填筑土體，水平位移云圖可見。

綜上，地質(zhì)分析和數(shù)值分析揭示的挖方和填方邊坡的破壞機(jī)制和穩(wěn)定控制要素基本一致，也說明這些破壞特征帶有一定普遍性，可以為廠區(qū)兩類邊坡的防治提供依據(jù)。

2.3 預(yù)應(yīng)力錨索格構(gòu)的安全控制效果分析

假設(shè)5 m長150 mm錨固段，10 m自由段，預(yù)應(yīng)力400 kN，3 m×3 m錨索格構(gòu)加固挖方和填方邊坡，每級坡面設(shè)置2排預(yù)應(yīng)力錨索，建立Phase 2D模型，其余計(jì)算條件不變，結(jié)果整理成圖5。

由圖5可知，預(yù)應(yīng)力錨索格構(gòu)方案加固下，挖方邊坡的水平變形得到極大的控制，由0.471 m變?yōu)?.177 m；豎向位移變化不大；剪應(yīng)變云圖不再有整體變形趨勢，說明加固有效，也證明錨索的筋材作用顯著，不能受剪，這是錨索水平變位約束作用大于豎向變形控制作用的重要力學(xué)機(jī)制。填方邊坡，水平變形由0.675 m變?yōu)?.132 m；豎向位移由0.732 m變?yōu)?.408 m；剪應(yīng)變云圖不再有整體變形趨勢，說明加固有效，其余錨索作用機(jī)制類同。

綜上，在坡率1∶1.5或以下，采取預(yù)應(yīng)力錨索格構(gòu)加固坡面，可以實(shí)現(xiàn)挖方邊坡和填方邊坡的穩(wěn)定性。

挖方邊坡需注意以下安全事項(xiàng)：(1)自上而下施工；(2)施工一級坡，加固一級坡；(3)做好周邊來水控制；(4)做好坡面會水的及時疏排；(5)做好坡面溢出點(diǎn)的管理，仰斜深層排水措施+盲溝集排；(6)保持坡腳干燥+固腳。

圖4 挖填方邊坡變形破壞的數(shù)值分析

圖5 預(yù)應(yīng)力錨索格構(gòu)加固下挖填方邊坡變形

填方邊坡安全控制注意事項(xiàng)：(1)清表徹底，不留隱患；(2)嚴(yán)禁光面斜坡填筑，清表地形整成臺階，分級填筑；(3)不改變原有地形的補(bǔ)徑排關(guān)系，溝谷設(shè)置盲溝和排水廊道；(4)分級填筑，保證壓實(shí)質(zhì)量；(5)坡頂和坡面匯水的及時疏排；(6)保持坡腳干燥+固腳。

3 結(jié) 論

根據(jù)廠區(qū)邊坡的類型劃分、工程地質(zhì)條件分析、數(shù)值仿真分析、治理效果的數(shù)值檢驗(yàn)和類似工程經(jīng)驗(yàn)的總結(jié)，綜合分析得到了主導(dǎo)該區(qū)挖方邊坡和填方邊坡穩(wěn)定控制要素，所得主要結(jié)論如下：

(1) 挖方邊坡的潛在破壞模式為土巖界面小范圍滑移和沿坡腳整體滑移兩種模式，是由土巖變形特性差異、滲透特性差異、全風(fēng)化泥巖易擾動特性綜合控制造成的。

(2) 填方邊坡的變形破壞主要是沿著填筑體和自然地形結(jié)合部位，會帶動部分自然地層一起變形運(yùn)動破壞，受填筑體自身施工質(zhì)量和自然土體承載能力綜合作用形成。

(3) 在坡率1∶1.5或以下，采取預(yù)應(yīng)力錨索格構(gòu)加固坡面，可以實(shí)現(xiàn)挖方邊坡和填方邊坡的穩(wěn)定控制，加固邊坡水平變形急劇減小，豎向變形變化不大，這是錨索作為柔性加固措施抗拉不抗剪的力學(xué)機(jī)理決定的。

(4) 提出了針對挖方邊坡和填方邊坡的普適性綜合安全控制措施。