黃土高邊坡工程穩(wěn)定性分析及設(shè)計(jì)

□文/沙曉軍

（延長(zhǎng)石油延安能源化工有限責(zé)任公司 陜西·西安）

一、引言

富縣豐富的煤氣資源、便利的交通條件、廣闊的土地資源、富集的水電資源、良好的人居和投資環(huán)境，2008年陜西省發(fā)改委決定延安能化公司煤油氣資源綜合利用項(xiàng)目廠址確定在富縣洛陽鎮(zhèn)洛陽村，洛河從洛陽村北側(cè)和西側(cè)流過，本項(xiàng)目的建設(shè)用地坐落在洛河兩岸。

該項(xiàng)目區(qū)域內(nèi)地貌特征主要為單斜地形，擬開挖邊坡高度最高達(dá)120m之多，洛河?xùn)|西兩側(cè)場(chǎng)區(qū)內(nèi)地貌、地層巖性復(fù)雜，富含地下水，且多有不良地質(zhì)作用。由于其獨(dú)特的地層條件和區(qū)域水文地質(zhì)條件，大量文獻(xiàn)表明，對(duì)于具有較強(qiáng)裂隙性、結(jié)構(gòu)性、水敏性的黃土地層來說，在人工開挖、降雨入滲和地震荷載等工況下，邊坡的開挖將會(huì)產(chǎn)生不安全因素?？梢姡哌吰麻_挖施工可能會(huì)嚴(yán)重影響廠區(qū)的建設(shè)進(jìn)度和廠區(qū)的安全經(jīng)營(yíng)，有必要對(duì)場(chǎng)區(qū)的高邊坡進(jìn)行工程治理并對(duì)其削坡后的邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行演算分析，保證工程的安全施工和運(yùn)營(yíng)，本文擬從工程勘察結(jié)果，結(jié)合相應(yīng)的設(shè)計(jì)規(guī)范，提出具有典型代表性高邊坡的設(shè)計(jì)原則和方案，并采用圓弧法和裂隙圓弧法來分別計(jì)算不同工況下高邊坡的安全系數(shù)，對(duì)設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行演算，為陜北地區(qū)類似高邊坡工程的設(shè)計(jì)提供參考。

二、高邊坡工程的地質(zhì)條件

擬建場(chǎng)地地貌單元屬黃土粱、峁、溝壑地帶。場(chǎng)地地形地貌詳見圖1和圖2。據(jù)勘探揭露，場(chǎng)地地層巖性自上而下依次為：耕植土、第四紀(jì)全新世坡、洪積黃土狀土；第四紀(jì)晚更新世風(fēng)積黃土、殘積古土壤；第四紀(jì)中更世風(fēng)積黃土、殘積古土壤，三疊系下統(tǒng)瓦窯堡組砂巖及砂、頁巖互層體。建設(shè)場(chǎng)地地下水可劃分為4個(gè)含水巖組，即黃土梁峁?jié)撍畮r組、第四系沖積層潛水含水巖組、中生界裂隙孔隙潛水含水巖組、中生界裂隙孔隙承壓水含水巖組。（圖 1、圖 2）

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，邊坡的不良地質(zhì)作用主要有五種：黃土剝落、坡面沖刷、黃土塌陷、黃土崩塌和黃土滑坡，詳見圖3和圖4。（圖 3、圖 4）

三、高邊坡總體設(shè)計(jì)

根據(jù)《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》，并參照相關(guān)技術(shù)規(guī)范進(jìn)行設(shè)計(jì)；同時(shí)，考慮到高邊坡綜合治理工程的主要保護(hù)對(duì)象為陜西延長(zhǎng)石油集團(tuán)延安煤油氣資源綜合利用項(xiàng)目廠區(qū)西區(qū)，屬國(guó)家大型企業(yè)，邊坡的安全等級(jí)為一級(jí)邊坡，采用動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)方法，支護(hù)結(jié)構(gòu)的重要性系數(shù)采用1.1。

（一）東區(qū)高邊坡設(shè)計(jì)。開挖邊坡采用放坡+適當(dāng)支護(hù)+排水系統(tǒng)+坡面綠化的措施，基巖坡比為1∶0.5，一級(jí)高度為8米，臺(tái)階寬2米，下部黃土采用1∶0.75的坡比，為了增加綠化的面積及邊坡的穩(wěn)定，每級(jí)邊坡高度由工可設(shè)計(jì)的8米變?yōu)?米，單級(jí)平臺(tái)寬度3米，每隔5級(jí)增設(shè)一個(gè)寬平臺(tái)，平臺(tái)寬度為8～18米；上部黃土采用1∶1坡比，每級(jí)邊坡高度為4米。對(duì)基巖部分采用護(hù)面墻及主動(dòng)防護(hù)網(wǎng)進(jìn)行防護(hù)，下兩級(jí)采用護(hù)面墻，上部砂泥巖互層采用主動(dòng)防護(hù)網(wǎng)防護(hù)，黃土部分進(jìn)行護(hù)腳和護(hù)肩，每級(jí)平臺(tái)設(shè)置平臺(tái)排水溝，坡頂設(shè)截水溝，坡面每隔80米設(shè)置一道急流槽，坡角設(shè)置碎落臺(tái)及排水溝；平臺(tái)進(jìn)行植樹（刺槐），坡面植草綠化；對(duì)于廠區(qū)周邊低于場(chǎng)平高程處設(shè)置護(hù)壁式擋土墻。具體斷面設(shè)計(jì)見圖5。（圖5）

（二）西區(qū)高邊坡設(shè)計(jì)。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，西區(qū)開挖邊坡采用放坡+適當(dāng)支護(hù)+排水系統(tǒng)+坡面綠化的措施，開挖邊界根據(jù)排水渠、廠外公路及圍墻確定，基巖坡比為1∶0.5，一級(jí)高度為8米，臺(tái)階寬2米，下部黃土采用1∶0.75的坡比，為了增加綠化的面積及邊坡的穩(wěn)定，每級(jí)邊坡高度由工可設(shè)計(jì)的8米變?yōu)?米，單級(jí)平臺(tái)寬度3米，每隔5級(jí)增設(shè)一個(gè)寬平臺(tái)，平臺(tái)寬度為 8～18米；上部黃土采用 1∶1坡比，每級(jí)邊坡高度為4米。對(duì)基巖部分采用護(hù)面墻進(jìn)行防護(hù)，黃土部分進(jìn)行護(hù)腳和護(hù)肩，每級(jí)平臺(tái)設(shè)置平臺(tái)排水溝，坡頂設(shè)截水溝，坡面每隔80米設(shè)置一道急流槽，坡角設(shè)置碎落臺(tái)及排水溝；平臺(tái)進(jìn)行植樹（刺槐），坡面植草綠化。具體斷面設(shè)計(jì)見圖6。（圖 6）

四、不同工況下高邊坡穩(wěn)定性分析

對(duì)東區(qū)和西區(qū)最高斷面進(jìn)行邊坡開挖穩(wěn)定性計(jì)算，采用圓弧法計(jì)算的安全系數(shù)正常工況采用1.30，非常工況Ⅰ采用1.20，非常工況Ⅱ采用1.15，根據(jù)《中國(guó)地震動(dòng)反映譜特征周期區(qū)劃圖》和《中國(guó)地震動(dòng)峰值加速度區(qū)劃圖》：地震動(dòng)峰值加速度a=0.067g，相應(yīng)地震基本烈度為Ⅵ度。根據(jù)抗震規(guī)范，提高一級(jí)設(shè)防，具體見表 1。（表 1）

參考場(chǎng)地邊坡勘察及場(chǎng)地勘察各層黃土的力學(xué)特性、結(jié)合附近高速公路黃土高邊坡地質(zhì)資料和坡型、附近自然邊坡特性及設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)；通過對(duì)勘察資料分析，將第一層古土壤上Q4黃土作為一層，中間黃土的力學(xué)特性比較接近作為第二層黃土，下部的粉質(zhì)粘土作為第三土層進(jìn)行簡(jiǎn)化計(jì)算，邊坡計(jì)算采用的巖土物理力學(xué)參數(shù)指標(biāo)，見表2。（表2）

穩(wěn)定性計(jì)算采用簡(jiǎn)化bishop法進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如圖 7、圖 8、圖 9、圖 10所示。（圖7-10）

（一）天然工況下安全系數(shù)。圖7為東區(qū)某斷面天然工況下，采用圓弧法和裂隙圓弧法計(jì)算所得的邊坡的安全系數(shù)計(jì)算斷面及計(jì)算結(jié)果圖。圖8為西區(qū)某斷面在兩種算法下的安全系數(shù)計(jì)算結(jié)果圖。

（二）暴雨和地震（7度）工況下安全系數(shù)。圖9為東、西區(qū)某斷面在暴雨工況下，采用圓弧法計(jì)算所得的邊坡的安全系數(shù)；圖10為東、西區(qū)某斷面在地震工況下，采用圓弧法計(jì)算所得的邊坡安全系數(shù)。

表1 邊坡計(jì)算工況和荷載一覽表

表2 邊坡巖土主要物理力學(xué)參數(shù)指標(biāo)表

表3 邊坡計(jì)算穩(wěn)定性表

根據(jù)穩(wěn)定性計(jì)算，搜索開挖后最危險(xiǎn)滑面，計(jì)算結(jié)果如表3所示：正常工況下安全系數(shù)為1.30，非常工況Ⅰ安全系數(shù)為1.26，非常工況Ⅱ安全系數(shù)為1.15，所設(shè)計(jì)斷面滿足工程穩(wěn)定性要求。（表3）

五、結(jié)論

通過上述對(duì)富縣某工程的典型高邊坡的優(yōu)化設(shè)計(jì)和穩(wěn)定性計(jì)算，得到以下結(jié)論和建議：

1、結(jié)合類似工程經(jīng)驗(yàn)和相應(yīng)規(guī)范對(duì)黃土高邊坡進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)及在不同工況條件下邊坡的穩(wěn)定性分析結(jié)果表明，優(yōu)化設(shè)計(jì)方案滿足工程穩(wěn)定性要求。

2、高邊坡開挖變形影響因素眾多、規(guī)模較大、危害嚴(yán)重，應(yīng)采用刷坡、支擋、錨固措施，結(jié)合排水等多種手段進(jìn)行綜合治理。要綜合考慮多種影響因素，特別是地形、降水等不利影響，確保工程安全，不留隱患。同時(shí)，在工程施工期間，加強(qiáng)監(jiān)測(cè)、預(yù)警，采取完善的安保措施，確保施工人員安全。

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