貴州某擬建機(jī)場高填方邊坡破壞模式及穩(wěn)定性分析

胡勇生，燕俊松，唐寧

(1.四川省地質(zhì)工程集團(tuán)公司，成都 610015； 2.成都理工大學(xué)地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610059)

1 引言

隨著交通運(yùn)輸?shù)目焖侔l(fā)展，我國機(jī)場建設(shè)已經(jīng)逐漸面向廣大山區(qū)[1-3]。為滿足機(jī)場的平整和凈空條件，山區(qū)機(jī)場建設(shè)勢必會(huì)深挖高填，形成高填方邊坡。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)建及九寨黃龍機(jī)場三期擴(kuò)建工程，新填筑的高填方邊坡曾發(fā)生明顯的水平位移[4-5]；攀枝花機(jī)場在修建與運(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[6]?？梢?，高填方邊坡穩(wěn)定性問題已經(jīng)成為山區(qū)機(jī)場建設(shè)中亟待解決的技術(shù)難題。

對(duì)于順坡填筑的高填方邊坡而言，其穩(wěn)定性很大程度上受地基結(jié)構(gòu)的控制。一般而言，逆向坡、橫向坡以及水平層狀坡自身穩(wěn)定性較好，可視為填方邊坡的良好地基；而對(duì)于順向坡，其本身就屬易滑結(jié)構(gòu)，歷史時(shí)期很可能已經(jīng)發(fā)生變形破壞，在作為填方地基時(shí)，更易因?yàn)樯喜考虞d而整體失穩(wěn)，從而引起工程事故。加之坡體內(nèi)部存在軟弱夾層，坡表覆蓋層深厚等情況，使填方地基結(jié)構(gòu)更趨復(fù)雜，也使高填方邊坡的失穩(wěn)破壞模式具有很大的不確定性。

擬建機(jī)場場區(qū)地形、地質(zhì)條件較復(fù)雜，機(jī)場建設(shè)不僅需要面對(duì)深挖高填等工程技術(shù)難題，還需面對(duì)復(fù)雜、不利的地基結(jié)構(gòu)給高填方邊坡穩(wěn)定帶來的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。本文針對(duì)該機(jī)場高填方邊坡穩(wěn)定性問題，著重分析了高填方邊坡的失穩(wěn)破壞模式，進(jìn)而評(píng)價(jià)了邊坡的穩(wěn)定性。成果對(duì)該機(jī)場建設(shè)具有重要的指導(dǎo)意義。

2 工程概況及地質(zhì)條件

擬建機(jī)場跑道設(shè)計(jì)長度3 200 m，道面總寬360 m，高程2 430 m，呈南北走向，本文研究區(qū)涉及跑道北段1 089 m(圖1)。填方區(qū)主要位于跑道東側(cè)，面積約34.9×104m2，填方平均高度在30 m以上，最大高度達(dá)66 m，填方邊坡總體坡率按1∶2設(shè)計(jì)。

圖1 研究區(qū)工程地質(zhì)平面圖

場區(qū)屬剝蝕-溶蝕淺丘地貌，地形起伏較大，高程2 384～2 470 m，最大高差86 m，自然斜坡坡度一般為10°～25°，局部在30°以上。區(qū)內(nèi)主要出露二疊系下統(tǒng)梁山組(P1l)和石炭系上統(tǒng)馬坪群組(C3mp)地層，其中梁山組(P1l)地層構(gòu)成填方邊坡下伏基巖，巖性為中厚層砂巖夾薄層碳質(zhì)頁巖、泥巖，砂巖層厚0.3～0.5 m，碳質(zhì)頁巖、泥巖層厚0.05～0.1 m。區(qū)內(nèi)巖層傾向NEE，傾角11°～18°，與坡角相近，形成典型的順向坡結(jié)構(gòu)。

區(qū)內(nèi)自然斜坡穩(wěn)定性較差，發(fā)育兩處中型“滑移-彎曲”型滑坡和一處不穩(wěn)定斜坡?；w最大厚度為11.3 m，由高黏粒含量的塊碎石土構(gòu)成，滑帶以灰黑色黏土為主，含10%～15%角礫，母巖為碳質(zhì)頁巖，厚0.1～0.2 m?；瑤虏?～8 m巖體破碎，系深部變形之結(jié)果。孔深15～31.5 m范圍內(nèi)揭露多層軟弱夾層，泥化嚴(yán)重。

綜上，該區(qū)地質(zhì)條件對(duì)高填方工程的實(shí)施十分不利，“硬夾軟”的巖性組合、順向坡結(jié)構(gòu)、深厚覆蓋層、軟弱夾層無一不對(duì)高填方邊坡穩(wěn)定性產(chǎn)生重大影響，復(fù)雜的地基結(jié)構(gòu)將導(dǎo)致高填方邊坡具有多種可能的失穩(wěn)破壞模式。

3 高填方邊坡失穩(wěn)破壞模式分析

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(dòng)面。因此，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(píng)價(jià)工作也越困難。根據(jù)地基結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度不同，可將區(qū)內(nèi)填方邊坡劃分為3種情況：(1)在老滑坡上填方；(2)在不穩(wěn)定斜坡上填方；(3)在未變形斜坡上填方。本文著重對(duì)第一種情況進(jìn)行分析，后兩者以此類推。

(1) 在老滑坡上填方

直接在老滑坡上填方時(shí)，地基結(jié)構(gòu)最為復(fù)雜發(fā)育4層軟弱面(帶)，分別為原始坡面、老滑坡滑帶、淺層潛在滑帶、深部軟弱夾層。以Ⅰ-Ⅰ′剖面闡述高填方邊坡可能的失穩(wěn)破壞模式(圖2-A)。

Ⅰ-Ⅰ′剖面穿越H1滑坡，受地基結(jié)構(gòu)控制，填方邊坡存在5種可能的失穩(wěn)破壞模式：①因原始坡面植被發(fā)育，土層疏松，若清理不善，易在填方體下部形成軟弱面，發(fā)生“蠕滑-拉裂”式圓弧形滑動(dòng)破壞，滑面上部以弧形擴(kuò)展至填方體表面，前緣于坡腳剪出；②老滑坡滑帶強(qiáng)度低，也是地下水富集部位，填方邊坡局部追蹤老滑帶發(fā)生“蠕滑-拉裂”型圓弧形滑動(dòng)，上部以弧形擴(kuò)展至填方體表面，前緣于坡腳剪出；③填方邊坡沿老滑坡滑帶發(fā)生“滑移-拉裂”式整體失穩(wěn)，前緣于坡腳剪出；④原始斜坡沿碳質(zhì)頁巖泥化夾層發(fā)生明顯的變形，填方邊坡可沿該潛在滑帶發(fā)生“滑移-彎曲”型破壞，前緣于坡腳剪出；⑤受巖性組合控制，坡體深部存在多個(gè)由碳質(zhì)頁巖泥化而成的軟弱夾層，填方邊坡可沿該軟弱夾層發(fā)生“滑移-彎曲”型破壞，前緣于坡腳剪出。

(2) 在不穩(wěn)定斜坡上填方

在不穩(wěn)定斜坡上填方時(shí)(Ⅱ-Ⅱ′剖面)，因坡表覆蓋層厚度小，可視原始坡面為基覆界面，此時(shí)邊坡的軟弱帶主要為原始坡面(基覆界面)、潛在滑帶、深部軟弱夾層。填方邊坡存在3種可能的破壞模式(圖2-B)：①沿原始坡面(基覆界面)發(fā)生“蠕滑-拉裂”式圓弧形滑動(dòng)；②沿潛在滑帶發(fā)生“滑移-彎曲”型順層滑動(dòng)；③沿深部軟弱夾層發(fā)生“滑移-彎曲”型順層滑動(dòng)。

(3) 在未變形斜坡上填方

地基結(jié)構(gòu)相對(duì)簡單(Ⅲ-Ⅲ′剖面)。填方邊坡存在2種可能的破壞模式(圖2-C)：①沿原始坡面(基覆界面)發(fā)生“蠕滑-拉裂”式圓弧形滑動(dòng)；②沿深部軟弱夾層發(fā)生“滑移-彎曲”型順層滑動(dòng)。

4 高填方邊坡穩(wěn)定性計(jì)算

4.1 計(jì)算模型

由于區(qū)內(nèi)高填方邊坡地基結(jié)構(gòu)復(fù)雜，失穩(wěn)破壞模式多樣，為達(dá)到全面評(píng)價(jià)之目的，對(duì)每一種破壞模式下的穩(wěn)定性作了逐一計(jì)算。針對(duì)3種地基情況(①在老滑坡體上填方；②在不穩(wěn)定斜坡上填方；③在一般斜坡上填方)，分別選取Ⅰ-Ⅰ′、Ⅱ-Ⅱ′、Ⅲ-Ⅲ′剖面建立計(jì)算模型(圖3)。計(jì)算方法采用Morgenstern-Price法[7]，計(jì)算在GeoStudio軟件的slope/w模塊中進(jìn)行。分別計(jì)算了高填方邊坡在天然、暴雨、地震(地震動(dòng)峰值水平加速度a=0.10 g)3種工況下的穩(wěn)定性。

Ⅰ-Ⅰ′剖面，穿越老滑坡H1，最大厚度11.3 m，下伏6～8 m基巖較破碎，系原始斜坡順層變形之結(jié)果。坡內(nèi)發(fā)育由碳質(zhì)頁巖演化而成的軟弱夾層，厚約2.4m，深度10.1～21.4 m。計(jì)算模型長約521 m，高約118 m，最大填方高度49.3m(圖3-A)。

Ⅱ-Ⅱ′剖面，穿越不穩(wěn)定斜坡BW1，潛在滑帶最大深度6.7 m，坡內(nèi)發(fā)育軟弱夾層，厚約1.7 m，深度3.9～15.4 m。計(jì)算模型長約479 m，高約120 m，最大填方高度40.6 m(圖3-B)。

Ⅲ-Ⅲ′剖面，坡表覆蓋層最大厚度6.2 m，主要分布于坡腳一帶。原始斜坡無明顯變形，下伏基巖發(fā)育軟弱夾層，厚約1.3 m，最大深度9.7 m。計(jì)算模型長約415 m，高約110 m，最大填方高度41.2 m(圖3-C)。

圖2 高填方邊坡失穩(wěn)破壞模式

圖3 計(jì)算模型圖

4.2 參數(shù)選取

考慮到真實(shí)地質(zhì)條件的復(fù)雜性，本文在建立計(jì)算模型時(shí)進(jìn)行了適當(dāng)簡化，將砂巖、灰?guī)r等堅(jiān)硬巖體作同種材料處理，松散覆蓋層、潛在滑帶、軟弱夾層等軟弱面(帶)單獨(dú)設(shè)層。參數(shù)選取主要依據(jù)現(xiàn)場及室內(nèi)土工試驗(yàn)成果，結(jié)合當(dāng)?shù)毓こ探?jīng)驗(yàn)值綜合確定(表1)。

4.3 結(jié)果分析

不同破壞模式下高填方邊坡穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果見表2。根據(jù)《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》(GB50330-2013)，當(dāng)穩(wěn)定性系數(shù)FS≥安全系數(shù)Fst，邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)，無需進(jìn)行支護(hù)；當(dāng)1.05≤FS

表1 穩(wěn)定性計(jì)算參數(shù)表

表2 高填方邊坡穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果

剖面Ⅰ-Ⅰ′：暴雨和地震工況下，除模式⑤外，其余破壞模式均處于欠穩(wěn)定狀態(tài)，表明邊坡易沿原始坡面、基覆界面、老滑坡滑帶及淺層潛在滑帶發(fā)生滑動(dòng)，沿深部軟弱夾層發(fā)生失穩(wěn)的可能性小。

剖面Ⅱ-Ⅱ′：暴雨和地震工況下，邊坡處于欠穩(wěn)定狀態(tài)，可沿原始坡面(基覆界面)、淺層潛在滑帶及深部軟弱夾層發(fā)生滑移。

剖面Ⅲ-Ⅲ′：暴雨和地震工況下，模式①邊坡處于欠穩(wěn)定狀態(tài)，易沿原始坡面(基覆界面)發(fā)生滑移破壞；模式②盡管處于基本穩(wěn)定，但深部軟弱夾層的存在，使邊坡不滿足安全要求。

5 結(jié)論及建議

區(qū)內(nèi)高填方邊坡在暴雨和地震校核工況下不滿足穩(wěn)定性要求，原始坡面、老滑坡滑帶、淺層潛在滑帶往往構(gòu)成危險(xiǎn)滑面，可發(fā)生“滑移-彎曲”型或“蠕滑-拉裂”型圓弧形滑動(dòng)破壞，部分情況下深部軟弱夾層可能構(gòu)成滑面。據(jù)此提出如下防治建議：

(1) 確保填料質(zhì)量，選擇合理的壓實(shí)工藝，在保證1∶2總坡率前提下，分級(jí)放坡，設(shè)置馬道，并對(duì)坡面、坡腳進(jìn)行防護(hù)。

(2) 高度重視原地面地基處理，徹底清除坡表老滑坡體、覆蓋層和植被，開挖臺(tái)階，增大填方體與地基接觸面強(qiáng)度，協(xié)調(diào)填方體與地基變形。

(3) 加強(qiáng)地表和地下排水措施建設(shè)，結(jié)合馬道設(shè)置截排水溝，修設(shè)盲溝，同時(shí)在填方體內(nèi)設(shè)置多層透水層。

(4) 采用抗滑樁強(qiáng)制支護(hù)措施加固高填方邊坡，也可采用反壓法提高邊坡穩(wěn)定性。