韓文喜，張日華，王 昊

(1.地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國家重點實驗室，四川 成都 610059；2.成都理工大學(xué)環(huán)境與土木工程學(xué)院，四川 成都 610059)

0 引 言

隨著國家西部大開發(fā)戰(zhàn)略的實施，高原山區(qū)支線機(jī)場建設(shè)成為其中一個重大需求[1]。針對目前現(xiàn)有的高原機(jī)場，通過分析其工程地質(zhì)條件、監(jiān)測情況、施工狀況，總結(jié)出這些機(jī)場普遍具有以下4個特點[2]：①高填方。填方高度一般在30 m以上，最大達(dá)100 m。②場區(qū)地質(zhì)條件復(fù)雜。高填方地基底部分布有一定厚度的軟弱層，且其厚度和分布不均勻。③氣候條件差。④高地震烈度。這些特點導(dǎo)致山區(qū)機(jī)場建設(shè)面對的最嚴(yán)重的一個問題就是如何保證高填方邊坡的穩(wěn)定。本文以九寨黃龍機(jī)場為例，通過現(xiàn)場試驗和數(shù)值模擬，對九寨黃龍機(jī)場高填方邊坡在天然、降雨、降雨及地震等狀態(tài)進(jìn)行動力分析，探討高填方邊坡的穩(wěn)定性。

1 工程背景

九寨黃龍機(jī)場位于川西北高原松潘縣北的漳臘盆地，機(jī)場海拔3 445 m，北端頭斜坡一旦失穩(wěn)，極有可能形成滑坡，威脅北端頭機(jī)場跑道內(nèi)外100余人的生命財產(chǎn)安全，也直接或間接影響九黃機(jī)場北端頭高填方區(qū)正常運行。

工程區(qū)隸屬松潘縣，根據(jù)GB 50011—2010《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》，抗震設(shè)防烈度為8度，設(shè)計基本地震加速度值為0.20g，地震分組為第二組。場地地貌較復(fù)雜，屬斜坡地段，坡體穩(wěn)定性較差。該邊坡為不穩(wěn)定邊坡，場地上部覆蓋層為較厚的素填土，基底石炭系巖體完整，強(qiáng)度較高，場地穩(wěn)定性較差。綜上，擬建場地和地基穩(wěn)定性較差，屬抗震不利地段。

2 天然狀態(tài)下高填方邊坡穩(wěn)定性

2.1 計算模型和參數(shù)選取

根據(jù)機(jī)場地質(zhì)地形條件，選擇不利于填方邊坡穩(wěn)定的地段作為計算研究剖面。填筑邊坡坡比為1∶2，坡體底部含有1層厚約8～20 m的粉土層，底部地層為含卵礫石粉質(zhì)粘土。計算模型見圖1。

圖1 計算模型

填筑體和粉土及含卵礫石粉質(zhì)粘土均采用彈塑性模型，模型左、右側(cè)限定水平約束，底部水平及豎向約束，坡體頂部及臨空面采用自由邊界。各土層物理力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 各土層物理力學(xué)參數(shù)

2.2 邊坡穩(wěn)定性分析

填筑體邊坡在天然狀態(tài)下，應(yīng)用Bishop法搜索最危險滑面，得到高填方邊坡的臨界滑動面(見圖2)。通過Janbu法得出，填筑體穩(wěn)定系數(shù)為1.139。

圖2 高填方邊坡臨界滑面

由于填筑體底部有8～20 m厚的粉土層，坡體潛在滑裂面容易從此層中～高壓縮性土中切穿劃出。而在機(jī)場擴(kuò)建施工時，在機(jī)場北部端頭局部出現(xiàn)沉降裂縫，穩(wěn)定性較差，邊坡安全儲備較低。按Janbu法搜索臨界面得到，邊坡安全系數(shù)為1.064，與現(xiàn)場實際產(chǎn)生的裂縫相吻合。

通過不同計算方法得到的高填方邊坡安全系數(shù)見表2。從表2可知，Janbu法與Bishop法算出的穩(wěn)定性系數(shù)相差0.075。Janbu法與Bishop法的區(qū)別在于，Janbu法假設(shè)土條間推力的作用點位置，以任意形狀滑動面上的安全系數(shù)不變來分析土體穩(wěn)定，應(yīng)用于滑動面為任意形狀的土坡，可計算任意形狀滑動面土坡穩(wěn)定性；bishop法則是假定邊坡不穩(wěn)定滑動面為圓弧滑動面，考慮土條之間的相互作用力，以整個滑動面上的平均抗剪強(qiáng)度與平均剪應(yīng)力之比來定義穩(wěn)定安全系數(shù)衡量邊坡穩(wěn)定性[3]。

表2 高填方邊坡安全系數(shù)

3 降雨和地震條件下高填方邊坡穩(wěn)定性

3.1 降雨條件下

機(jī)場工程區(qū)氣候為青藏高寒季風(fēng)氣候區(qū)，年均降水量757 mm，降雨相對強(qiáng)度不大，設(shè)定降雨強(qiáng)度為50 mm/d，考慮降雨時長，設(shè)定降雨持續(xù)時間分別為12、24、48 h和72 h。

機(jī)場填筑體邊坡設(shè)定邊界條件：頂面為自由滲透邊界；邊坡底部及兩側(cè)豎直位置設(shè)定為0流量邊界；邊坡臨空面及坡腳平面設(shè)定為自由滲透面；坡體中的地下水位線下方設(shè)定為水頭邊界；水位線以上設(shè)定為0流量邊界。由于位于臺地后坡，區(qū)域地下水位埋藏深度大，缺乏補給來源，地下水貧乏，其初始地下水位線及水頭較低。

降雨為50 mm/d時，邊坡處于受大雨影響狀態(tài)，由于底部粘土層相對厚度較大，滲透系數(shù)相對較小，雨水入滲時，易在填筑體底部與粉土層上部的接觸帶區(qū)形成滲流面，這時粉土層受水浸泡而飽和形成相對隔水層；雨水在入滲至填筑體底部后，順粘土層向坡腳流動，軟化粉土，使接觸帶土的粘聚力和內(nèi)摩擦角減小，接觸面區(qū)抗剪強(qiáng)度減低，降低坡體穩(wěn)定性[4]。不同降雨持續(xù)時間高填方邊坡孔隙水壓力分布見圖3。從圖3可知：(1)降雨12 h后，邊坡表層土體飽和，雨水沿土體飽和區(qū)向非飽和區(qū)滲入，而隨著降雨的持續(xù)進(jìn)行，雨水邊向邊坡土體中入滲邊在地表區(qū)形成地表徑流，沿坡體向坡腳處匯集，在坡腳處形成水頭區(qū)域，迫使坡腳雨水匯集區(qū)的水流向坡體內(nèi)部入滲。

圖3 不同降雨持續(xù)時間高填方邊坡孔隙水壓力分布(單位：kPa)

(2)降雨24 h時，雨水在坡腳處在填筑體與粉土接觸區(qū)形成入滲雨水飽和區(qū)，并進(jìn)一步向坡體內(nèi)部擴(kuò)大。

(3)降雨持續(xù)到36、48 h時，降雨入滲在坡腳處的飽和區(qū)沿粘土層表層區(qū)域及接觸帶向坡體內(nèi)部擴(kuò)展，由于粉土的飽和入滲系數(shù)低，雨水入滲對坡體底部的地下水影響不大。

(4)降雨持續(xù)到72 h時，坡體在坡腳處的飽和區(qū)除進(jìn)一步擴(kuò)大以外，在坡體表面其他區(qū)域，由于降雨入滲的進(jìn)一步發(fā)展，土體淺層飽和區(qū)逐漸向坡體內(nèi)部擴(kuò)展，內(nèi)部的非飽和區(qū)逐漸由入滲而飽和，土體邊坡由坡腳處先期浸泡形成易破壞帶。隨著頂部土體飽和深度的逐漸增大，在坡體表面易形成裂隙，坡腳處破壞軟化。隨雨水入滲沖蝕，在坡腳處土體形成浸泡軟化帶，在邊坡重力作用下，坡體向坡腳發(fā)生位移，進(jìn)一步使坡體頂部形成張拉裂隙，最終導(dǎo)致坡體破壞。

3.2 地震條件下

機(jī)場處于川西北高原區(qū)，工程場區(qū)位于揚子準(zhǔn)地臺大地構(gòu)造區(qū)，小區(qū)域構(gòu)造為川西北高原岷江斷裂、虎牙斷裂、雪山斷裂環(huán)繞的三角斷塊區(qū)，這些斷裂和塔藏斷裂共同影響控制著工程區(qū)域的構(gòu)造穩(wěn)定性，最主要的岷江斷裂在第四紀(jì)以來仍有新活動跡象，控制著盆地的發(fā)展和演化。

由四川省地震局編制的《九寨黃龍民用機(jī)場地震安全性評價報告》及采用國家地震局地震危險性分析程序，計算得出機(jī)場工程地震危險性分析結(jié)果，見表3。

表3 工程區(qū)地震危險性分析結(jié)果

按計算模型設(shè)計并取參數(shù)，輸入的地震波為原波修正后的EI-Centro地震波，輸入時長持續(xù)10 s。0.2g地震作用下坡體峰值見圖4。從圖4可知：

圖4 0.2g地震作用下邊坡峰值

(1)在0.2g地震加速度荷載動力作用下，填筑體邊坡的峰值動力加速度在坡頂處達(dá)到最大，在坡體臨空面處由坡腳向坡頂呈總體增大趨勢，而在坡體中間處有加速度小值區(qū)域；而對于粉土層，其地震加速度響應(yīng)不明顯，不論地震加速度還是速度響應(yīng)，在粉土層均有減弱趨勢[5]。

(2)對于剪應(yīng)力，在粉土層中剪應(yīng)力形成折角剪應(yīng)區(qū)，特別是在粉土層頂部與填筑體接觸帶區(qū)，形成沿順坡向的剪應(yīng)力延伸帶；在地震動力作用下，坡體震動剪應(yīng)變在粉土層中最大，并主要集中在粉土層中。在動力作用下，在粉土層形成動力剪切破壞，導(dǎo)致坡體很容易在震動作用下沿粉土層破裂滑動。

(3)峰值動力位移最大區(qū)位于坡頂區(qū)，向坡體內(nèi)部的滲出逐漸減小，而在粉土層形成動力位移折減區(qū)，使粉土層下部的土層地震效應(yīng)減弱，而粉土層上部的填筑體則形成增大趨勢，而且使應(yīng)力應(yīng)變在填筑體下部與軟弱土層接觸區(qū)形成集中帶，在外應(yīng)力作用下易形成易破壞帶。

根據(jù)地震動力作用下邊坡安全系數(shù)計算的選取[6]，按低于邊坡靜力穩(wěn)定性值的所有瞬時地震邊坡安全系數(shù)平均值評價邊坡的地震穩(wěn)定性，結(jié)果見圖5。從圖5可知，邊坡瞬時最小動力安全系數(shù)為0.856，按平均值取此時邊坡安全系數(shù)為1.052，小于1.1，達(dá)不到國內(nèi)許多機(jī)場的設(shè)計動力安全系數(shù)大于1.1的要求。。按設(shè)計加速度0.2g計算坡體永久變形，結(jié)果見圖6。從圖6可知，坡體永久變形為53.9 mm。

圖5 0.2g地震作用下邊坡安全系數(shù)

圖6 0.2g地震作用下邊坡位移

分別考慮機(jī)場高填方邊坡在不同強(qiáng)度地震峰值加速度影響下的邊坡安全系數(shù)，對邊坡分別輸入0.1g、0.2g、0.3g、0.4g地震峰值加速度，得到邊坡動力安全系數(shù)(見圖7)。對應(yīng)地震條件下邊坡安全臨界系數(shù)為1.1時，邊坡能承受的臨界地震加速度峰值為0.085g，地震安全性不良，安全儲備太低。在0.3g與0.4g地震加速度條件下，填筑體邊坡永久位移見圖8。從圖8可知，填筑體邊坡永久位移分別為179.53 mm和289.04 mm。

圖7 不同地震加速度下邊坡安全系數(shù)

圖8 不同地震加速度下邊坡永久位移

3.3 地震及降雨條件下

機(jī)場北端頭邊坡底部有較厚的粉土層，地震時往往伴隨著大氣降雨等其他不利條件，降雨與地震的耦合作用，更加不利于高填方邊坡的穩(wěn)定。在降雨及地震條件下分別對邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性分析的基礎(chǔ)上，模擬在降大雨時發(fā)生不同強(qiáng)度地震情況下的邊坡的穩(wěn)定性。設(shè)定在50 mm/d的降雨條件下，降雨持續(xù)24 h、72 h后，發(fā)生0.1g、0.2g、0.3g、0.4g地震，邊坡穩(wěn)定性分析結(jié)果見圖9、10。從圖9可知，隨地震加速度的增加、降雨時間的增長，邊坡安全系數(shù)有明顯的下降。降雨24 h與72 h的邊坡安全系數(shù)有明顯的差別，可能是由于邊坡在降雨72 h后土體強(qiáng)度發(fā)生明顯的下降，導(dǎo)致安全系數(shù)急速下降；從圖10可知，相同降雨時間隨地震加速度增大，邊坡變形量急速增大[7]。

圖9 不同降雨時長、不同地震加速度下邊坡安全系數(shù)

4 結(jié) 論

本文以九寨黃龍機(jī)場為例，采用數(shù)值模擬手段，對高填方邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行研究，得出以下結(jié)論：

(1)機(jī)場北端頭邊坡底部有較厚的粉土層，在天然狀態(tài)下，采用Bishop法搜索不穩(wěn)定面安全系數(shù)為1.139；而用Janbu法搜索只有1.064，安全儲備較低。

圖10 不同降雨時長、不同重力加速度的邊坡永久位移

(2)降雨條件下，雨水對坡體地下水影響程度較小，入滲主要沿著粉土上部與填筑體下部位置向坡體內(nèi)部延伸，軟化坡腳，降雨持續(xù)72 h，整體邊坡處于欠穩(wěn)定狀態(tài)；而在0.2g地震作用下，坡體安全系數(shù)不滿足1.1，安全儲備較低。

(3)在降雨同時地震條件下，特別是降雨持續(xù)72 h后，即使在0.1g地震作用時，坡體都處于不穩(wěn)定狀態(tài)，安全儲備較低。