張立乾 田義斌 閆 晶 李 兵 孟 良

（1.北京特種工程設計研究院，北京 100028；2.中交規(guī)劃設計研究院有限公司，北京 100082）

0 引言

極限平衡法是目前最主要的邊坡穩(wěn)定評價方法，在圓弧破壞、平面破壞、曲面傾倒破壞等評價方法的基礎上，許多學者從不同角度研究破壞機制及其演化屬性[1-5]，如基于極限分析上限法與非線性莫爾-庫侖破壞準則及巖體內正應力屬性，和強度折減法結合，建立邊坡穩(wěn)定系數的分析法[6-7]；基于應力應變軟化模型變形分析，揭示邊坡的破壞演化全過程[8-9]。但極限平衡分析法的力學模型與破壞模式相對簡單，評價結果常與工程實際存在一定差異。隨著計算機技術的發(fā)展，數值分析方法特別是有限元和離散元等數值方法得到廣泛應用，邊坡穩(wěn)定性評價精度獲得較大提升。然而應用實踐中發(fā)現，有限元方法在搜索最容易出現的潛在滑移區(qū)域和分析邊坡破壞演變過程方面存在不足，而離散元方法的不足之處在于缺乏嚴密的理論基礎[10]。本文在邊坡穩(wěn)定分析中，采取了極限平衡法與數值分析法相結合的手段，從而提高治理方案分析計算的可靠性。

常用的特小流域計算方法有推理公式法、林平一法和經驗公式法等[11]。林平一法是針對坡地匯流特點提出的坡地洪峰計算方法，該方法不足之處在于匯流計算過程中將流域內河道假定為單一對稱的矩形河道，與山谷實際地形有一定差別。地區(qū)綜合經驗公式是在缺乏資料的情況下計算洪峰流量的一種簡易方法，不足之處在于未充分考慮下墊面影響因素。相比于上述兩種計算方法，推理公式法的優(yōu)勢在于方法結構簡單，參數較少，對資料條件要求不高，更適用于小流域洪水計算。本文通過實測資料推求的暴雨參數及洪水經驗參數，可以使計算結果更加符合小流域暴雨洪水特性。

1 工程概況

工程位于峰山北部山區(qū)，峰山屬侵蝕構造變質巖山區(qū)，區(qū)內山體較陡，相對高差約100～300 m。該工程的某場地選址于兩側山脊間的深切“V”字形溝谷中，場地兩側山體陡峭，屬于兩山夾一溝的典型地形，溝底非常狹窄，沒有場地建設所需的自然條件，為了滿足場地功能需要，需要將該處現狀溝底以近似垂直的坡率下挖10 m 左右，場地面臨三處突出的巖土問題，即兩側高邊坡防護和所處山溝的防洪排水。場地平面示意圖見圖1，三維數字地形圖見圖2。

圖1 場地平面示意圖

圖2 場地三維數字地形

北側邊坡坡腳至坡頂高約50 m，坡率約1∶0.5，出露巖石的巖性主要為變質巖，呈強風化-中等風化，兩條斷裂帶小角度和高邊坡坡面斜交穿過，是影響高邊坡穩(wěn)定的關鍵因素。西側邊坡坡面有一較大堆積體，主要物質為塊石土、砂及人工堆積碎石等，物質成分復雜，厚度達11.5 m，方量約5×104m3，是目前邊坡潛在滑動變形的主要物質成分。從場址至“V”形山谷流域源頭水平距離約1000 m，匯水面積約40×105m2，谷底平均縱坡為15%，其下游正沖建設場地。該場地處于北側高邊坡、南側滑坡、東側山谷洪水的正下方，受到來自南、北、東三方面威脅，加之場地空間狹?。ńㄖ龅貎H有800 m2），沒有緩沖的空間，治理工作風險和難度極大。

2 場地北側邊坡治理

2.1 邊坡地質情況

北側邊坡范圍內發(fā)育2 條斷層，編號分別為F1、F2。F1 和F2 斷層控制一條厚度4～7 m 的破碎帶，破碎帶破碎程度較高，巖體多為塊狀、碎塊狀，其間可見高嶺土等泥質充填，出露面可見巖石掉塊。F1和F2 斷層分別為破碎帶的西面和東面邊界。根據現場勘查，F1 斷層傾向280°，傾角53°～60°，在邊坡中南部出露（6 剖面處），與邊坡小角度斜交，夾角約20°，在邊坡出露處傾角為53°，并向坡內發(fā)育10～30 cm寬的蝕變帶；F2 斷層僅在邊坡最南端出露（8 剖面處），出露處傾向252°，傾角54°（見圖3）。根據野外調查及鉆探施工，推斷F2 斷層向北斜插入坡內，向坡內傾向有所變化，大致與F1 斷層傾向相同，為280°；F2 斷層自邊坡出露處向南傾向為252°，F1 斷層在邊坡最南端向南產狀也有所變化，其傾向與F2斷層相同，傾向為252°。F2 斷層可見有3～5 cm 厚斷層泥。斷層立面示意見圖4。受構造控制，工程范圍內巖體節(jié)理裂隙發(fā)育，優(yōu)勢節(jié)理裂隙產狀分別為186°∠82°、145°∠19°和18°∠33°。

圖3 勘察斷面平面布置

圖4 F1、F2 斷層立面示意

2.2 邊坡穩(wěn)定性計算

邊坡巖體的c、φ值采用反算法、經驗法及試驗指標綜合確定，設計推力選用“自然工況、暴雨工況及地震工況”三種工況進行計算，將推力較大者作為設計推力，穩(wěn)定性計算主要采用極限平衡法，適當進行數值模擬校核，推力計算主要采用傳遞系數法。邊坡穩(wěn)定性計算具體參數及計算結果見表1。

表1 參數指標、穩(wěn)定系數及設計推力表

2.3 邊坡治理設計

邊坡治理設計遵循了“抓住關鍵、劃分主次、分區(qū)對策、綜合治理、經濟適用”的基本治理理念，利用斷層破碎帶的空間位置這一主要控制因素，結合典型斷面的穩(wěn)定計算成果，綜合運用主、被動加固措施，聯合排水構造措施，最終形成系統(tǒng)性的綜合治理方案，邊坡加固治理的典型立面圖見圖5。治理方案共采用5 種聯合治理措施。

圖5 高邊坡加固治理立面圖

（1）預應力錨索墩+掛網噴射砼防護：一級坡采用4 排預應力錨索進行加固治理，錨索長度為15～27 m，錨固段長均為8 m，錨索采用5φs15.2 高強度低松弛的1860 級鋼絞線，錨索水平間距4.0 m，豎向間距4.0 m，鉆孔直徑為150 mm，傾角24°，錨墩嵌入坡面20 cm，采用C35 鋼筋混凝土現澆。

（2）預應力錨索框架：按照“強腰固腳”的加固理念，為分擔下滑力，于二級-六級邊坡坡面分別設置2～3 排預應力錨索進行加固，其中 2-2-5-5 斷面每級邊坡采用3 排Ⅰ型框架錨索，錨索長度為20～34 m，錨固段長均為8 m，錨索采用5φs15.2 高強度低松弛的1860 級鋼絞線，錨索水平間距3.0 m，垂直間距2.5 m，鉆孔直徑為150 mm，錨索傾角均為24°。錨索端部設鋼筋砼框架，每片框架由2 根豎梁和3 根橫梁組成，框架梁截面尺寸均為0.6 m×0.5 m，采用C35 鋼筋混凝土現澆。6-6 斷面、7-7 斷面每級邊坡采用2 排Ⅱ型框架錨索。

（3）框架錨桿：為加強坡腳抗剪切破壞能力，二級坡面采用4 排框架錨桿加固治理，錨桿長度8 m、9 m，錨筋為1φ25 螺紋鋼，錨孔直徑110 mm，水平間距3.0 m，垂直間距2.0 m；錨桿端部設置框架，框架梁截面尺寸0.3 m×0.3 m，采用C35 鋼筋混凝土現澆。

（4）仰斜排水孔：為截排斷層破碎帶內地下水，于坡體設置3 排仰斜式排水孔，孔徑φ110 mm，仰角6°，孔深16～35 m，孔內插入φ100 mm 軟式透水管，內襯φ3mm 螺旋鋼絲。呈梅花狀布置，水平間距4～6 m（見圖6）。

圖6 邊坡典型斷面（3 斷面）治理設計圖

（5）平臺砼擋水捻：為截排三級坡腳仰斜排水孔排出的地下水，二級平臺增設擋水捻，擋水捻尺寸為0.4 m×0.4 m 矩形，厚30 cm，采用C20 砼現澆。

典型的邊坡治理斷面圖見圖6。

3 場地山谷來洪治理

場地山谷洪水和南側滑坡在空間位置上耦聯，二者相互銜接，應整體考慮，一并治理。治理工程劃分為兩個階段，分期實施，一期為排洪工程，二期為南側滑坡治理工程。項目建設場地處于峰山北部山區(qū)“V”字形深切溝從東向西延伸的正下方，山勢陡峻，溝谷狹窄，匯水面積大，排洪工程是決定項目安全的關鍵工程。

3.1 山谷匯流量計算

山谷匯流量的準確計算是排洪設計合理的前提。根據項目的重要性，排洪設計采用百年一遇防洪標準，根據文獻[12-15]，采用5 種方法對匯流量進行計算，計算方法及結果見表2。經綜合分析，取洪水流量Q1%=20 m3/s 進行排洪渠設計。

表2 百年一遇來洪量計算表

3.2 排洪渠斷面尺寸確定

謝才公式或曼寧公式適用于理想溝渠[16]，對于有急轉彎或縱坡突變的溝渠則需要采用無壓力臨界流計算公式確定水深和雍水位，進而確定溝渠截面尺寸。依據《公路涵洞設計規(guī)范》（JTG/T 3365-02-2020）中7.2.1 條文規(guī)定確定排洪渠截面尺寸，設涵渠凈寬2.5 m，求渠涵凈高，具體計算公式見式（1）-式（6）。

式中：Vk為涵內臨界流速，m/s；Qp為設計流量，m3/s；Bk為臨界水深時的涵內靜水面寬度，m；ε為涵內側向壓縮系數；Ak為臨界水深時涵內凈過水面積，m2；Vqs為涵內收縮斷面處流速，m/s；hqs為涵內收縮斷面處水深，m；hq為涵前積水深，m；Φ為流速系數；為涵前行進流速，m/s。

經計算，hq=2.875 m，設計排洪渠凈截面尺寸取值為2.5 m×3.0 m。

3.3 排洪渠平面、縱斷面設計

排洪渠從東側V 字形溝谷出口高程處以導流槽（長度19.58 m）型式起，沿西側山體通過C20 砼導流槽以41.75%縱坡由南向北將洪水引入截面尺寸2.5 m×3.0 m 的C30 鋼筋砼排洪渠，進而引至場坪內排洪渠，場坪內排洪渠以1.5%的縱坡沿南側山體坡腳場坪邊界線由東向西進入截面尺寸2.5 m×3.0 m 的C30 鋼筋砼蓋板明涵（蓋板明涵穿越場坪道路），涵洞出口排洪渠和整個場地的標準斷面排洪渠過渡銜接，形成整個場地的完整排水體系。南側邊坡最南側9 m 范圍由于場地狹小，坡面采用錨桿掛網噴砼防護。排洪渠平面布置見圖7，縱斷面布置見圖8。由于南側滑坡治理為第二期實施，位于其坡腳的排洪溝采取了加蓋蓋板的排洪渠型式（見圖8），加蓋板的目的出于以下三點考慮：①防止二期竣工前滑坡局部坍塌覆蓋排洪渠造成阻水，引發(fā)水患；②排洪渠處于場坪內部，占用了部分原本就已緊張的場坪面積，加設蓋板后的標高和場地標高同高，車輛、設備及人員均可在其上活動，從而不影響場坪有效的使用面積；③加設蓋板后，蓋板和渠身、渠底形成四鉸剛構體系，受力更加穩(wěn)定，蓋板按照公路II 級荷載和覆土5 m 荷載最不利包絡設計。

圖7 排洪渠平面布置示意圖及蓋板渠橫斷面（單位：cm）

圖8 排洪渠縱斷面布置圖（單位：m）

4 場地南側邊坡治理

4.1 邊坡形態(tài)特征

南側邊坡位于“V”字形溝南側，山體陡峻，邊坡表層出露松散堆積體，下伏基巖為涷水雜巖，巖性主要為變質巖。坡體總長約80 m，按走向分為東西2段，東段長約56 m，走向330°，坡度30°～50°，前緣較陡，地表植被稀少；西段長約24 m，走向為285°，坡度30°左右，地表多為植被覆蓋。邊坡中下部存在堆積層滑坡，滑體主要由人工堆積塊石、砂組成，滑體最大厚度約為11.5 m，屬淺-中層滑坡，滑體體積約5×104m3，屬小型堆積層滑坡。坡體立面見圖9，勘測布線平面見圖10。

圖9 滑坡體立面

圖10 勘測布線平面示意圖

4.2 滑坡體變形特征

組成滑體的碎、塊石土等人工堆積物結構松散，穩(wěn)定性較差，一般工況下滑體無明顯滑動變形，僅見表面石塊掉落。修建場地時清理坡腳松散土體致使坡腳變陡，削弱了滑體前緣阻滑作用，使得堆積體穩(wěn)定性進一步降低，2020 年8 月18 日傍晚，當地突發(fā)強降雨，致使滑體前緣出現局部滑塌，滑塌體積約100 m3，滑坡導致下方路面堵塞，施工場地內積水無法排出，場地施工設備被淹沒。根據現場勘查，該堆積層滑坡潛在滑體南北向寬約80 m，前后緣高差110 m，平均厚度6 m，體積約5×104m3，潛在滑面為堆積體與下伏片巖間的基覆界面。

4.3 滑坡體穩(wěn)定性分析

選取代表剖面13-13、14-14，采用極限平衡法對堆積層滑坡整體穩(wěn)定性進行評價，滑帶土c、φ值采用反算法、經驗法綜合確定，經計算，各工況下堆積層滑坡均處于欠穩(wěn)定狀態(tài)，穩(wěn)定性計算見表3。

表3 堆積層滑坡整體穩(wěn)定系數計算表

4.4 滑坡體后方高邊坡穩(wěn)定性分析

對堆積層滑坡削方（見4.5 節(jié)）后，邊坡最大高度約36 m，邊坡下伏變質巖為似層狀結構，片理產狀為16°∠46°，坡體表層巖性較軟，局部有泥質充填，后緣控制性節(jié)理產狀為116°∠78°，邊坡巖體主要破壞模式為片理與控制性節(jié)理組合下的平面型塊體破壞，破壞模式見圖11，赤平投影分析見圖12，穩(wěn)定性計算結果見圖13、圖14。由圖13 可知，13-13 剖面在自然工況下穩(wěn)定系數為1.059，地震工況下的穩(wěn)定系數為1.015，均不滿足規(guī)范要求；由圖14 可知，14-14 剖面在自然工況下穩(wěn)定系數為1.305，地震工況下的穩(wěn)定系數為1.284，穩(wěn)定性尚可，由此可知典型剖面13-13 地段邊坡穩(wěn)定性不滿足要求，需加固處理。

圖11 高邊坡控制節(jié)理和片理組合下破壞模式

圖12 高邊坡赤平投影分析圖

圖13 13-13 剖面穩(wěn)定性計算結果

圖14 14-14 剖面穩(wěn)定性計算結果

4.5 南側滑坡及高邊坡治理設計

滑坡體最厚處約為11.5 m，滑體體積約為5×104m3，屬小型滑坡?；w物質為碎、塊石土，滑坡前部近乎直立，抗滑段被削弱后改變了原有的力學平衡，從而引起上部滑體失穩(wěn)變形，目前滑坡處于欠穩(wěn)定狀態(tài)，如不及時治理，變形范圍會進一步加大，對場地造成較大的安全威脅。考慮到堆積層體量較小，采用大面積清除堆積體不但可徹底解除滑坡對場地的威脅，而且可以增加場坪使用面積，鑒于此，提出了對堆積層滑坡體進行大面積清方處理為主，同時輔以必要防護加固的處理對策。治理施工將邊坡分為3級，每級坡高6～15 m，坡率1∶0.4～1∶2，兩級坡之間設置寬2.0～5.5 m 平臺。刷方后一、二級坡剩余堆積體存在堆積層滑動變形風險，選取13-13 剖面對剩余堆積層滑坡進行穩(wěn)定性及滑坡推力計算（見表4），為治理設計提供依據。

表4 13-13 剖面殘留堆積層滑坡穩(wěn)定系數及推力計算表

本著“固腳強腰”的設計思路，邊坡坡腳整體采用C20 砼擋墻進行支擋，對13-13 剖面對應區(qū)段坡腳擋墻外部采用地梁錨索加固，對高邊坡腰部采用預應力錨索墩進行加固治理，其余坡面采用錨桿掛網噴砼加固防護，同時采用多項邊坡截排水綜合治理措施。典型綜合治理斷面見圖15，對應的邊坡穩(wěn)定性分析見圖16。由圖16 可知，加固后邊坡在自然工況下的穩(wěn)定系數為1.313，地震工況下的穩(wěn)定系數為1.236，均滿足規(guī)范要求。

圖15 典型綜合治理斷面圖

圖16 加固后邊坡穩(wěn)定系數

5 結論

建設項目選址于“V”字形溝谷，建設場地面臨兩側山體邊坡和溝谷洪水治理等巖土工程問題，每個治理項目都有其特殊性，同時各治理項目之間在時空上又相互耦聯、彼此制約，給治理設計帶來一定困難。整個治理設計經歷了從認識模糊到認識清晰、從定性判斷到定性、定量綜合分析的過程，歸納總結可以得出以下結論：

（1）巖土工程治理設計與勘查密不可分，工程地質的準確把握是巖土治理的基礎和前提，而工程地質勘察成果的針對性和有效性又離不開對工程地質和治理工程的概念性和經驗性的把握。

（2）在山谷中進行項目建設，防洪是項目成敗的關鍵。具體防洪設計需根據建設項目重要性等級合理制定防洪標準，結合溝谷流域特征確定頻遇流量，進而建立通暢、有效的排洪渠道。

（3）對于小型滑坡治理，優(yōu)先采取清方處理措施更為合理，對于清方后的聳立的高邊坡仍需進行穩(wěn)定性分析、評價，制定合理的防護對策，以確保整個邊坡的安全。