韓赟,趙成江,劉光瑞,龍照

(1.甘肅省民航機(jī)場集團(tuán)有限公司隴南成州機(jī)場公司,隴南 742500；2.中鐵西北科學(xué)研究院有限公司，蘭州 730000；3.甘肅中建市政工程勘察設(shè)計研究院有限公司,蘭州 730000)

2019年民航局印發(fā)《民用運(yùn)輸機(jī)場建設(shè)“十三五”規(guī)劃中期調(diào)整方案》，在國家頒布的民航業(yè)發(fā)展規(guī)劃中可以看出，亟待建設(shè)的民用及通用機(jī)場數(shù)量龐大，調(diào)整后，續(xù)建機(jī)場30個，新建機(jī)場43個，改擴(kuò)建機(jī)場125個,遷建機(jī)場17個，其中西北、西南地區(qū)新建改建機(jī)場80個。為緩解城市用地緊缺、嚴(yán)格執(zhí)行耕地保護(hù)政策，為滿足機(jī)場的平整和凈空條件的要求，機(jī)場通常建設(shè)選址呈現(xiàn)出進(jìn)山靠海的趨勢。山區(qū)機(jī)場建設(shè)勢必會深挖高填，形成高填方邊坡(高度達(dá)大于或等于20 m)，同時大部分丘陵溝壑區(qū)，地形、地貌、地質(zhì)條件通常較為復(fù)雜，在已建山區(qū)機(jī)場中，高填方邊坡失穩(wěn)問題十分突出，如貴陽龍洞堡機(jī)場二期擴(kuò)建及攀枝花機(jī)場工程，新填筑的高填方邊坡曾發(fā)生明顯的水平位移[1-2]；攀枝花機(jī)場對填方地基處理不當(dāng)，造成填筑滑坡，并激活了高填方下部的老滑坡在修建與運(yùn)營過程中共發(fā)生7次滑坡，不僅延誤建設(shè)工期，增加工程投資，甚至導(dǎo)致機(jī)場停航[3]?？梢?，高填方邊坡變形問題已經(jīng)成為山區(qū)機(jī)場建設(shè)中亟待解決的技術(shù)難題。

本文基于工程地質(zhì)勘察、邊坡變形特征和理論計算，分析了某山區(qū)高填方機(jī)場3#填方邊坡的穩(wěn)定性現(xiàn)狀，確定了相關(guān)治理措施，監(jiān)測資料顯示，邊坡治理后變形趨于穩(wěn)定。本工程的加固措施對類似工程提供了可借鑒的經(jīng)驗。

1 工程概況

1.1 機(jī)場概況

地處“一帶一路”重要節(jié)點(diǎn)的甘肅某支線機(jī)場建設(shè)場地位于丘陵地區(qū)，原地貌單元屬中低山丘陵，地形起伏變化大，地勢北高南低，地面高程介于1 085.90～1 178.80 m之間，最大高差92.90 m(圖1)。場地長度約3 800 m，寬約450 m，面積約171×104m2。受地形地貌條件限制，機(jī)場建設(shè)對場地低山丘陵進(jìn)行了大規(guī)模的“挖山填谷”整平改造工程。場區(qū)挖方量約1 327×104m3，最大挖方高度約60 m，填方量約1 260×104m3，最大填方高度約50.7 m，其中道面區(qū)最大填高46.82 m，最大挖深37.14 m。

圖1 某機(jī)場地形地貌圖

因場區(qū)工程地質(zhì)條件復(fù)雜，原始地形高差懸殊，整平改造后沿土面區(qū)周圍形成了15處不同高度的填筑邊坡體，造成高填方邊坡的問題比較突出，尤其是南側(cè)的3號邊坡在填筑施工過程中及回填完成后，出現(xiàn)了明顯的坡頂裂縫、坡腳構(gòu)筑物擠壓破壞等現(xiàn)象，對機(jī)場跑道和坡腳鄰近居民構(gòu)成較大的安全隱患

1.2 地形地貌

擬建民用機(jī)場沿設(shè)計跑道中心線剖面為“梁谷相間”填挖方地形。原始坡度一般變化在7.4°～22.8°，山梁走向約84°。3#邊坡區(qū)域原為梁谷相間地形，為農(nóng)耕地，地勢變化較緩和，原始地面南北向坡度7°左右，等高線近似平行于跑道方向。自2014年該段邊坡大部回填完成后，坡度增加到26.6°，2016年初，邊坡回填至設(shè)計標(biāo)高，現(xiàn)坡頂高程平均約1 130.0 m，填方厚度自下而上逐漸增加，為2～28 m。填筑邊坡共4～5級，最大高度約55 m，自坡頂向坡腳，每級邊坡坡率按1∶1.75(綜合坡率為1∶2)放坡，放坡高度為10.0 m，放坡平臺寬2.0 m，每兩級設(shè)置一道5 m寬平臺，現(xiàn)坡面的主要防護(hù)方式為混凝土骨架(圖2)。

圖2 某機(jī)場高填方邊坡平面分布圖

1.3 工程地質(zhì)概況

該機(jī)場地勘揭露原地基土層自上而下為：①耕填土層(Q4ml)：層厚0.1～2.3 m。②粉質(zhì)黏土層(Q4dl+pl)：層厚1.1～23 m，在山頂局部區(qū)域缺失，依地形起伏變化較大。③強(qiáng)風(fēng)化泥巖層(N2)：厚度大于4 m，依山勢自山腳至山頂埋深由深變淺，在山頂局部區(qū)域基巖出露，半成巖，泥鈣質(zhì)膠結(jié)，呈強(qiáng)風(fēng)化狀態(tài)，遇水易軟化；巖層產(chǎn)狀：221°～260°∠5°～8°。④中風(fēng)化泥巖層(N2)：勘察區(qū)基底，依山勢自山腳至山頂埋深由深變淺；依地形起伏變化較大，半成巖，泥鈣質(zhì)膠結(jié)，呈中風(fēng)化狀態(tài)。巖層產(chǎn)狀：221°～260°∠5°～8°。

1.4 水文地質(zhì)條件

挖填方施工前，場址區(qū)地下水埋深為0.70～11.00 m，層面高程為1 055.64～1 119.66 m之間。區(qū)內(nèi)地下水類型屬第四系松散類孔隙潛水，主要含水層為填筑土以下的粉質(zhì)粘土層及強(qiáng)風(fēng)化砂質(zhì)泥巖層，分布于梁峁及緩坡洼地的覆蓋層厚度較大地段，以孔隙潛水為主，在跑道山梁兩側(cè)溝谷低洼處均有分布。局部為地表水下滲形成的上層滯水和基巖裂隙水。地下水主要受大氣降水補(bǔ)給，孔隙潛水由分水嶺向溝谷低洼區(qū)段移動，徑流途徑較短，沿溝谷向下游排泄。受補(bǔ)給源的影響，水位隨季節(jié)變化，年波動幅度在1.0～2.0 m之間。

機(jī)場的挖填方施工建設(shè)，造成填方區(qū)原地表土層受上覆荷載固結(jié)壓密，孔隙比減小，滲透性減弱，徑流不暢，阻滯孔隙潛水向下游徑流，致使地下水位緩慢上升?？辈炱陂g，3#邊坡坡體地下水水位埋深8.92～35.5 m，相應(yīng)水位高程1 075.11～1 104.32 m，水位層面基本分布于原地表覆蓋層中，局部處于填筑體中。

1.5 高邊坡變形情況概述

3#邊坡填筑至設(shè)計標(biāo)高后，距離3號坡頂線平均約26 m處發(fā)展有一條新的裂縫帶，裂縫寬度5～36 mm，長度約為200 m，西端逐漸呈圈椅狀包圍，東端近東西走向坡腳下水泥便道和蓄水池漿砌塊石東西走向池壁出現(xiàn)10余條近南北向放射狀裂縫，南北走向池壁面亦出現(xiàn)數(shù)條寬裂縫，局部有較嚴(yán)重的擠爆現(xiàn)象。

根據(jù)3號邊坡變形跡象，在此區(qū)域設(shè)置了3條順坡向深孔位移檢測孔，其中典型斷面的深孔位移監(jiān)測曲線如圖3所示，該斷面反映了自2016年12月31日至4月25日期間坡體變形情況：該邊坡沿坡體內(nèi)地下水位線附近及飽和粉質(zhì)粘土與強(qiáng)風(fēng)化砂泥巖互層的接觸面位置形成軟弱滑動面，后緣滑動面深度約26～29 m，坡腳滑坡前緣14.5～16 m深度范圍測斜管發(fā)生了明顯偏移，向坡外偏移38.53 mm，每月向坡外滑移8～10 mm；根據(jù)邊坡深部位移監(jiān)測數(shù)據(jù)，結(jié)合土面區(qū)縱向貫通拉張裂縫、蓄水池池底剪切隆起、測斜管水位上升、坡體深部土體向坡外位移等宏觀變形破壞形跡，該處坡體已經(jīng)產(chǎn)生沿原始地面的滑動破壞。

2 變形機(jī)理分析

2.1 邊坡填方設(shè)計概況

填方邊坡采用1∶2的綜合坡度,分臺階為2.5 m和5 m的馬道,每10 m高度設(shè)置一個馬道；填料以挖方區(qū)強(qiáng)風(fēng)化砂質(zhì)泥巖和粉質(zhì)黏土混合料為主，其中土基區(qū)下部(從自然地面到高程小于1 125 m范圍內(nèi))填筑體壓實度控制為0.93，上部(高程1 125～1 130 m范圍內(nèi))控制為0.95；土面區(qū)下部填筑體壓實度控制為0.88，上部控制為0.93。填方施工采用壓路機(jī)分層碾壓或沖擊壓實至設(shè)計標(biāo)高。邊坡區(qū)地基處理措施是在邊坡接觸面除修建臺階外，接觸面每4 m高度采用1 000 kN·m強(qiáng)夯；坡腳及其外側(cè)3 m范圍采用4排1 500 kN·m強(qiáng)夯進(jìn)行處理；3#填方邊坡設(shè)計總填高40～45 m，當(dāng)施工至與設(shè)計填方標(biāo)高差4～5 m時，局部邊坡出現(xiàn)滑移。

圖3 深孔測斜儀監(jiān)測結(jié)果(治理工程實施前)

2.2 變形原因分析

結(jié)合區(qū)域地質(zhì)資料、前期勘察地質(zhì)資料及現(xiàn)場調(diào)查，現(xiàn)狀條件下填方邊坡產(chǎn)生變形的主要原因體現(xiàn)在以下幾個方面：

(1) 降雨：邊坡變形的主要誘發(fā)因素。降雨條件下雨水不斷下滲，導(dǎo)致坡體內(nèi)一部分雨水沿淺表層較松散土體中形成坡面向的徑流，在軟化土體、增加土體自重的同時形成的滲流動水壓力對坡體淺層較松散土體的穩(wěn)定更為不利，再者由于填方邊坡坡率較陡，在降雨的作用下易產(chǎn)生溜坍變形，形成大量的張拉裂縫。另一部分雨水直接下滲補(bǔ)給地下水，下滲過程中，一方面加速坡體的固結(jié)、抬升地下水位，另一方面在相對隔水的老地面或基巖頂面附近形成富水區(qū)，軟化界面(老地面或基巖頂面)附近巖土體；第三方面，表水在下滲過程中易將粘粒帶至界面附近富集，降低界面附近巖土體的強(qiáng)度指標(biāo)，致使坡體沿界面產(chǎn)生變形。

(2) 地基土體：由于地下水的作用，在泥巖層和黃土層之間形成了一個富含水層的軟弱層，這一層的內(nèi)摩擦角標(biāo)準(zhǔn)值為11.29°左右。而坡腳大范圍存在殘坡積黏土，抗剪強(qiáng)度較低，不能滿足邊坡穩(wěn)定性要求，設(shè)計采用低能量級強(qiáng)夯對飽和粉質(zhì)粘土進(jìn)行處理，采用強(qiáng)夯處理時，軟土地基一般含水量高,滲透性差,強(qiáng)夯時的動力作用使地基中的孔隙水壓力瞬時升高,而且短時間內(nèi)得不到消散,在這種情況下繼續(xù)強(qiáng)夯,出現(xiàn)橡皮土的可能就很大。另外,軟土地基自身有一定的強(qiáng)度,在強(qiáng)夯時,強(qiáng)大的沖擊荷載勢必會破壞土體的自身強(qiáng)度,地基土反而被軟化,沒有達(dá)到強(qiáng)夯加固的目的。因此下伏的軟弱地基的變形是滑板變形發(fā)生的溫床。

(3) 固結(jié)沉降：引起填方坡體變形的直接誘發(fā)因素。原地表地形起伏明顯、填方厚度差異較大時誘發(fā)的差異固結(jié)沉降，并隨之引起的填方體向臨空方向的水平位移，該種作用將導(dǎo)致坡面產(chǎn)生不同程度的下錯、剪切及鼓脹等變形。

(4) 地下水的影響：高填方引起原地表土層受上覆荷載作用固結(jié)壓密，孔隙比減小，滲透性減弱，徑流不暢，阻滯孔隙潛水向下游徑流，造成地下水位緩慢上升。當(dāng)水位大規(guī)模處于原地表粉質(zhì)粘土附近或更高時，粉質(zhì)粘土層處于飽和狀態(tài)，導(dǎo)致其抗剪力學(xué)參數(shù)快速降低，進(jìn)而誘發(fā)填方體沿該軟弱層面的深層滑移。

3 邊坡穩(wěn)定性計算

3.1 計算參數(shù)的選取

3#邊坡填料以挖方區(qū)強(qiáng)風(fēng)化砂質(zhì)泥巖和粉質(zhì)黏土混合料為主，根據(jù)擬治理邊坡各段實際情況，評估邊坡的整體穩(wěn)定系數(shù)K，再按邊坡變形監(jiān)測結(jié)果判定滑動面，反求滑動帶力學(xué)參數(shù)；然后考慮坡體內(nèi)地下水疏排，參考類似工程實例的相關(guān)經(jīng)驗指標(biāo)綜合確定。具體采用巖土體力學(xué)參數(shù)和計算參數(shù)選用表及結(jié)果表詳見表1、表2。

表2 邊坡計算參數(shù)選用表及結(jié)果表

3.2 邊坡穩(wěn)定性計算

邊坡變形監(jiān)測結(jié)果判定滑動面為折線性滑動面，選用《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》采用規(guī)范推薦的傳遞系數(shù)隱式解進(jìn)行計算。綜合考慮各類技術(shù)規(guī)范的邊坡穩(wěn)定性規(guī)定、民航機(jī)場工程的特殊性，本工程治理安全等級為一級。按《民用機(jī)場巖土工程設(shè)計規(guī)范》(MH/T 5027-2013)相關(guān)規(guī)定，本次設(shè)計考慮天然、暴雨或連續(xù)降雨和地震3種工況，并要求邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)分別不小于1.35、1.25及1.15。由計算結(jié)果(表2)可知，邊坡處于欠穩(wěn)定狀態(tài)。

其中3#邊坡典型計算時采用的工程地質(zhì)斷面如圖4所示。

圖4 3號邊坡典型工程地質(zhì)斷面

3.3 邊坡穩(wěn)定性有限元復(fù)核

由計算結(jié)果、深孔位移監(jiān)測資料可知，在無施工質(zhì)量問題的前提下，高填方邊坡穩(wěn)定性主要取決于地基穩(wěn)定性，即受地基中發(fā)育的軟弱面(帶)控制。復(fù)雜的地基結(jié)構(gòu)可能包含多層軟弱面(帶)，在加載條件下均可發(fā)展為高填方邊坡整體失穩(wěn)的滑動面。同時地基結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，包含的軟弱面(帶)越多，高填方邊坡可能的失穩(wěn)破壞模式越多，穩(wěn)定性評價工作也越困難。因此，將典型斷面導(dǎo)入GEO5有限元分析板塊分析建模，模型采用平面自動劃分網(wǎng)格，網(wǎng)格尺寸為2 m×2 m，邊界條件采用地面支撐，土體屈服準(zhǔn)則為Mohr-Coulomb強(qiáng)度準(zhǔn)則，模擬計算云圖如圖5所示：邊坡等效塑性應(yīng)變云圖。分析深孔位移監(jiān)測的滑動面與有限元分析得出的等效塑性應(yīng)變云圖可知:

(1) 有限元分析最大剪應(yīng)變發(fā)生位置與前文推斷滑移面位置基本一致，且主滑段位于粉質(zhì)黏土層及其與強(qiáng)風(fēng)化泥巖交界層。有限元計算可知該邊坡穩(wěn)定系數(shù)為1.18，與采用畢肖普(Bishop)法、瑞典法(Fellenius/Petterson)、簡布法(Janbu)、摩根斯坦法(Morgenstern-Price)計算的安全系數(shù)有差異，上述差異說明山區(qū)高填方邊坡影響因素較多且較復(fù)雜，且圓弧形滑坡后緣較為平緩，而折線性滑動面后緣陡立，傳遞到前緣的推力大，計算得出的安全系數(shù)則小，但更為準(zhǔn)確的反映了滑坡實際的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)，為滑坡防治提供了準(zhǔn)確的決策依據(jù)。

(2) 有限元分析揭示的二級平臺邊坡坡腳滑坡的塑性變形區(qū)與現(xiàn)場調(diào)查的局部坡面鼓脹變形相符，有限元分析的結(jié)果具有參考性和指導(dǎo)性。

圖5 3號邊坡等效塑性應(yīng)變云圖

4 設(shè)計工程治理措施

為了確保邊坡穩(wěn)定，防止邊坡繼續(xù)變形，確保機(jī)場土面區(qū)不再產(chǎn)生過大的沉降變形，經(jīng)過多次方案調(diào)整，采用集水井+抗滑樁的方案進(jìn)行治理，治理工程自2017年4月份開始實施，2017年9月實施完畢。具體措施如下：

4.1 集水井疏排

地下水控制：填方坡體內(nèi)地下水未能有效排出，是造成本工程邊坡變形嚴(yán)重的重要原因。本設(shè)計對3#邊坡采取集水井+仰斜排水孔的聯(lián)合排水措施。根據(jù)原始地形中原溝谷位置，于3#邊坡原始沖溝處馬道設(shè)置2口水井，將坡體內(nèi)地下水導(dǎo)流至南側(cè)坡腳的自然排水通道。同時防止地下水位上升對填方坡體的影響，為邊坡的整體穩(wěn)定提供長久的安全保障。

地表水疏排：為防止地表水滲漏，將降雨快速排出滑坡體區(qū)域，于現(xiàn)狀坡面增設(shè)6道吊溝，以便坡面排水通暢、快速。

4.2 抗滑樁支擋

邊坡下部設(shè)置錨索抗滑樁的治理措施，防止發(fā)生坡體整體滑動破壞。根據(jù)3#邊坡各段實際情況，對邊坡變形較大的2-2′、3-3′、4-4′、5-5′剖面處，采用2.0 m×3.0 m傳統(tǒng)鋼筋混凝土抗滑樁加固方式傳統(tǒng)鋼筋混凝土抗滑樁樁間距6 m，按一樁兩錨于樁頂設(shè)置預(yù)應(yīng)力錨索；共設(shè)置60根2.0 m×3.0 m傳統(tǒng)鋼筋砼抗滑樁、錨索120根。傳統(tǒng)鋼筋混凝土抗滑樁樁長可根據(jù)現(xiàn)場揭露滑動面起伏合理調(diào)整，但樁入滑動面以下深度不應(yīng)小于9 m；開挖未見明顯滑動面時，樁長按進(jìn)入中風(fēng)化巖深度不小于9 m控制。具體過程措施見圖6。

5 邊坡治理效果評價

5.1 坡頂沉降規(guī)律分析

通過坡頂沉降速率與時間變化曲線(圖7)可知：自2016年2月26日至2018年11月12日之間，2BPD-1～2BPD-4四個測點(diǎn)的累計沉降值分別達(dá)到了326.34 mm、470.26 mm、477.15 mm、303.0 mm；上期的沉降速率分別為 0.21 mm/d、0.17 mm/d、0.26 mm/d、0.20 mm/d，至2018年11月觀測時沉降速率分別為 0.12 mm/d、0.11 mm/d、0.12 mm/d、0.11 mm/d，自抗滑樁、預(yù)應(yīng)力錨索施工完成后，沉降速率得到了明顯的控制，沉降速率由2017年雨季的1.1 mm/d下降到今年雨季的0.14 mm/d～0.33 mm/d，本期進(jìn)一步減小至0.12 mm/d，該邊坡治理后坡頂沉降逐漸趨于穩(wěn)定。

5.2 深孔位移監(jiān)測資料分析

本斷面共設(shè)置了5個深孔位移監(jiān)測孔，本文選擇了坡頂，以及二級平臺頂面的2個孔的典型監(jiān)測數(shù)據(jù)變化曲線圖(圖8)及綜合分析如下：

圖6 典型工程措施斷面布置圖

圖7 沉降速率與時間變化曲線

(1) 二級馬道測斜孔自2016年12月31日至2018年11月10日期間，在21 m深度處測斜管發(fā)生偏移，順坡方向，20～22 m深度范圍相對錯移58.26 mm，自抗滑樁施工完成的1 a內(nèi)，順坡方向薄弱面的累計水平位移量不超過10 mm，坡頂累計水平位移不超過20 mm，邊坡滑移逐漸趨于穩(wěn)定。

(2) 各測斜管監(jiān)測數(shù)據(jù)曲線均呈整體傾斜，自坡體變形開始坡體的位移變形一直在產(chǎn)生，但自坡腳抗滑樁實施后，從監(jiān)測數(shù)據(jù)反應(yīng)變形趨勢明顯減小，監(jiān)測數(shù)據(jù)密貼，坡體變形明顯收斂。

圖8 典型監(jiān)測孔深部水平位移監(jiān)測歷時曲線(順坡方向)

(3) 施工過程中，抗滑樁開挖時，對坡體有一定的擾動，邊坡變形會持續(xù)發(fā)展，甚至較大，抗滑樁施工結(jié)束后深層便會存在擠壓變形，目前擠壓變形過程逐漸趨于完成。表明治理措施有效，邊坡變形得到有效控制，邊坡目前處于穩(wěn)定狀態(tài)。

6 結(jié)論

(1) 高填方邊坡穩(wěn)定性主要取決于地基穩(wěn)定性，即受地基中發(fā)育的軟弱面(帶)控制。復(fù)雜的地基結(jié)構(gòu)可能包含多層軟弱面(帶)，在加載條件下均可發(fā)展為高填方邊坡整體失穩(wěn)的滑動面。設(shè)計施工時應(yīng)高度注重原地面軟弱地基土的處理，加強(qiáng)地表及地下排水設(shè)施的建設(shè)。

(2) 根據(jù)擬治理邊坡各段實際情況，通過傳遞系數(shù)隱式解法計算折線性滑坡與采用Mohr-Coulomb準(zhǔn)則進(jìn)行有限元分析的圓弧形滑動面的安全系數(shù)對比可知，復(fù)雜填方地層滑坡設(shè)計時當(dāng)滑面較為確定時采用傳遞系數(shù)隱式解法處置滑坡較為安全穩(wěn)妥。

(3) 監(jiān)測資料表明，通過坡腳采用抗滑樁、設(shè)置集水井及增設(shè)仰斜排水孔的綜合治理措施有效可靠，邊坡變形速率大幅減小，加固后邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)。