某變電站人工堆積邊坡穩(wěn)定性分析

李從昀 黃 驍 張 雪 張曉宸 王漢勛

（1.北京電力經濟技術研究院有限公司，北京 100055；2.北京市地質工程勘察院，北京 100048；3.中國地質大學（北京）工程技術學院，北京 100083）

0 引言

極限平衡法是提出時間最早、應用范圍最廣的一種邊坡穩(wěn)定性分析方法[3—4]，通過設定、搜索邊坡滑動面并計算邊坡穩(wěn)定性系數(shù)對邊坡的穩(wěn)定性做出評價[5—8]。基于不同的假定，具有不同的極限平衡法，包括瑞典條分法、畢肖普法（Bishop 法）、簡布法（Janbu 法）、Morgenstern-Price 法（M-P 法）等[3]。瑞典條分法是最早出現(xiàn)的穩(wěn)定性計算方法，它假定滑動面為圓弧面，且不考慮條塊之間的相互作用力。Bishop 法同樣假定滑動面為圓弧面，且忽略條間切向作用力。Janbu 法則適用于任意滑動面，而不必規(guī)定圓弧滑動面，且只考慮條間法向作用力。M-P 法同樣適用于任意滑動面，要建立兩個正交方向的力和力矩的平衡方程且要考慮條間力的影響[9—10]。

近年來，針對人工邊坡的穩(wěn)定性問題已有大量的理論研究和現(xiàn)場實例分析，認為降雨入滲對邊坡穩(wěn)定性有著較大影響，滲流場在人工邊坡失穩(wěn)事故中起到了決定性的作用。然而，現(xiàn)有研究主要針對降雨入滲對公路邊坡、高陡邊坡、巖質邊坡穩(wěn)定性的影響[11—13]和降雨入滲對區(qū)域內特殊性土質邊坡穩(wěn)定性的影響[14—17]，考慮降雨入滲對人工堆積邊坡、尾礦壩等穩(wěn)定性影響的研究較少。

以某變電站人工堆積邊坡為研究對象，采用基于極限平衡法的GeoStudio 中的SLOPE/W 模塊，對該人工堆積邊坡天然工況和暴雨工況下的穩(wěn)定性進行綜合評價，并提出適宜的支護方案。

1 工程概況

某輸變電工程建設場地位于北京市門頭溝區(qū)，變電站及人工堆積邊坡地理位置及平面圖見圖1，場地東側毗鄰新建九龍路，西側為高邊坡，北側修筑有排洪渠。邊坡土體長約130 m，高約18 m，坡角約50°～55°，主要為人工堆積的碎石填土，堆積時間短，土質松散且不均勻，現(xiàn)狀條件下穩(wěn)定性較差，現(xiàn)只采用紅磚進行簡易支護，局部已發(fā)生垮落跡象（見圖2），當場地上進行人類工程活動時，在短時強降水灌入、沖刷等不利情況下，回填土部分可能會沿土巖交界面或不利結構面發(fā)生滑動，產生失穩(wěn)破壞；此外，回填土作為場地邊坡側壁土時可發(fā)生坍塌，對邊坡穩(wěn)定不利。經前期勘察，初步評價其危險性中等。

圖1 變電站及人工堆積邊坡地理位置

圖2 人工堆積邊坡及支護現(xiàn)狀

2 工程地質條件

2.1 氣象水文

研究區(qū)域位于北京市門頭溝區(qū)，區(qū)域屬大陸性季風氣候，四季溫差較大。年最高氣溫40.2℃，最低為-19.5℃，年平均氣溫11.7℃，年溫差30.1℃，平均氣溫隨地勢升高逐步降低。該區(qū)年平均降水量約610 mm，降水量年際變化大，最多為970.1 mm（1977 年），最少為377.4 mm（1997 年），其中7—8 月的降水量可達全年降水量的60%左右。建設場地處于西山迎風帶，處于北京市暴雨易發(fā)區(qū)，每年出現(xiàn)1～2 次短時暴雨，高強度降雨往往集中在幾個小時之內，降水時間短、降水集中、降水量大，往往形成較大洪水，對邊坡的穩(wěn)定性有較大影響。

項目地塊范圍內無地表河流通過，雨季有短時地面徑流，位于場地北側修筑有排洪渠，利于場地周邊雨洪水的排泄。工程場區(qū)潛水主要接受大氣降水入滲方式補給，以地下水側向徑流及蒸發(fā)為主要排泄方式。天然動態(tài)類型屬滲入-徑流、蒸發(fā)型，其水位年動態(tài)變化規(guī)律一般為：6—9 月水位較高，其他月份水位相對較低。

2.2 地形地貌

研究場區(qū)位于門頭溝淺山區(qū)，區(qū)域地勢北高南低，屬于山麓斜坡山間溝谷地貌。地貌受地質時期北京地殼不斷抬升的影響，形成了具有明顯的層狀地貌特征，最高峰刺茅花坨海拔990.31 m，向南過渡至海拔300～400 m 左右，為明顯的臺地地貌；整個區(qū)域地貌特點為緩坦臺面和陡急山坡交替出現(xiàn)，狀似層層臺階。

研究區(qū)域場地周邊地形坡度約為10°～20°，場地由三級平臺組成，東側平臺為磚料堆積場，中間平臺原為磚廠宿舍樓所在地，西側平臺最高，為本文所研究的人工堆積邊坡。該人工堆積邊坡南北長約130 m，高約18 m，坡向86°，坡角約50°～55°，現(xiàn)只采用紅磚進行簡易支護，局部已發(fā)生開裂。

對照組產婦采取產時綜合護理干預，仔細觀察產婦的宮頸和宮腔狀況，檢查產婦的生命體征、子宮收縮以及陰道出血等情況，指導產婦如何利用宮縮正確向下用力的方法，講解母乳喂養(yǎng)以及自然陰道分娩對胎兒的益處，認真告知產婦產后進行母嬰保健的具體方法等。

2.3 地質構造

研究區(qū)域大地構造位置處于中朝準地臺（Ⅰ）燕山臺褶帶（Ⅱ1）中段的西山迭坳褶（Ⅲ5）中的門頭溝迭陷褶（Ⅳ11）。對研究區(qū)域有控制影響的區(qū)域地質構造有紅廟嶺—八大處背斜、九龍山—香峪向斜和石景山向斜，形成了該區(qū)域盆底與山峰相對應的地貌景觀[18]。東側相距約4 km 處有永定河隱伏斷裂通過，永定河斷裂大致沿軍莊、三家店、鬼子山、盧溝橋呈NW—SE 方向延展，走向NW330°左右，傾向NE，傾角約70°。斷裂至水屯村附近與八寶山斷裂和黃莊—高麗營斷裂互相切錯，繼續(xù)向南東方向延至大興以西，全長約40 km，為次級重力異常帶。永定河斷裂最新活動時間為中更新世早期，無發(fā)震背景[19]，本工程中可不考慮其影響。

2.4 地層巖性

根據現(xiàn)場鉆探、原位測試結果，按地層沉積年代、成因類型，將擬建場地地面以下60 m 深度范圍內的地層劃分為人工堆積層、一般第四紀沉積層和侏羅紀窯坡組（Jy）基巖，按地層巖性及土的物理力學性質指標分為碎石填土①層、雜填土①1層，碎石②層、粉質黏土②1層，全風化砂巖③層、強風化砂巖③1層、中等風化砂巖③2層、微風化砂巖③3層，本次勘探最大深度鉆孔止于該層。

場地表層為人工填土，人工填土層堆積時間短，回填過程未經過碾壓夯實，軟硬不均，土質結構整體較為松散，承載力低，滲透性好，工程性質差，不宜直接進行工程建設，須經過處理后才能使用。

3 邊坡穩(wěn)定性評價

3.1 邊坡穩(wěn)定性評價標準

根據《建筑工程邊坡技術規(guī)范》（GB 50330—2013）[20]相關規(guī)定以及邊坡的規(guī)模和危害程度，綜合確定該邊坡治理工程等級為二級，并確定在天然工況和暴雨工況下，邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)分別為1.3 和1.15，處于穩(wěn)定狀態(tài)。邊坡穩(wěn)定狀態(tài)評價按照《建筑工程邊坡技術規(guī)范》（GB50330—2013）[20]執(zhí)行，評價標準見表1。

表1 邊坡穩(wěn)定狀態(tài)評價標準

3.2 土體及其物理力學性質

對該變電站場址進行現(xiàn)場鉆探和原位測試，勘探點及變電站場地平面配置圖如圖3 所示?？睖y結果表明，該人工堆積邊坡土層自上而下依次為表層碎石填土①及雜填土①1、第四紀沉積的碎石②及粉質黏土②1和侏羅系砂巖。侏羅系砂巖均有不同程度的風化，分別為全風化砂巖③、強風化砂巖③1、中等風化砂巖③2以及微風化砂巖③3，邊坡工程地質剖面圖如圖3 所示，其巖土物理力學參數(shù)見表2。取微風化粉砂巖作為巖石樣品進行巖石點荷載強度試驗，得出巖石的單軸抗壓強度Rc為26.806～52.354 MPa。

表2 巖土物理力學參數(shù)表

圖3 邊坡工程地質剖面示意圖

3.3 邊坡穩(wěn)定性分析

將該人工堆積邊坡分為若干個剖面進行穩(wěn)定性分析，其中，采用極限平衡法著重分析剖面1-1 和剖面2-2 處邊坡在天然工況和暴雨工況下的穩(wěn)定性。特別地，暴雨工況設定為降雨極端的情況，即認為整個邊坡坡均處于完全飽和的狀態(tài)，計算結果見表3。

表3 邊坡在不同狀態(tài)下的穩(wěn)定性系數(shù)

由圖4 可知，剖面1-1 處邊坡在天然工況下，危險滑動面位于碎石填土與雜填土層，邊坡穩(wěn)定系數(shù)為1.016，該系數(shù)低于標準值，此時邊坡為欠穩(wěn)定狀態(tài)，當場地上進行人類工程活動時，邊坡較大可能發(fā)生坍塌失穩(wěn)。

圖4 天然工況下邊坡穩(wěn)定系數(shù)（剖面1-1）

由圖5 和圖6 可知，暴雨工況下，邊坡危險滑動面位于碎石填土與雜填土層，邊坡穩(wěn)定系數(shù)為0.967，該系數(shù)低于標準值，邊坡處于不穩(wěn)定狀態(tài)。

圖5 暴雨工況下邊坡滲流場（剖面1-1）

圖6 暴雨工況下邊坡穩(wěn)定系數(shù)（剖面1-1）

由圖7 可知，剖面2-2 處邊坡在天然工況下，危險滑動面位于碎石填土層，邊坡穩(wěn)定系數(shù)為0.984，此時邊坡處于不穩(wěn)定狀態(tài)。

圖7 天然工況下邊坡穩(wěn)定系數(shù)（剖面2-2）

由圖8 和圖9 可知，在暴雨工況下，危險滑動面位于碎石填土層，邊坡穩(wěn)定系數(shù)為0.864，邊坡處于不穩(wěn)定狀態(tài)。

圖8 暴雨工況下邊坡滲流場（剖面2-2）

圖9 暴雨工況下邊坡穩(wěn)定系數(shù)（剖面2-2）

暴雨時由于強降雨的不斷灌入及勢能差的作用，邊坡土體中存在滲流場，滲流場中的飽和土體受到水壓力的作用，即受到滲透力的作用，可以引起土體內部應力狀態(tài)發(fā)生改變。當滲透力過大時，便可引起邊坡土顆粒的移動，使得邊坡穩(wěn)定系數(shù)較天然工況下下降較快，從而可能導致邊坡土層沿危險滑動面發(fā)生滑動。加之降雨對邊坡的沖刷和侵蝕作用，土顆粒分散、流失并局部堆積，最終邊坡發(fā)生失穩(wěn)破壞。

4 邊坡安全防護措施

邊坡安全防護措施的選取應結合邊坡的現(xiàn)狀及其邊坡周邊的環(huán)境特征，本著“安全綠色、水土保持、經濟高效、施工方便”的設計原則。該邊坡坡角約55°，高度約18 m，其表層由人工隨意堆積形成，堆積時間短，未完成自重固結，密實度低，具濕陷性，土質不均，承載力低，整體工程特性較差。該人工邊坡整體處于不穩(wěn)定狀態(tài)，在暴雨等極端工況下容易發(fā)生垮塌。建議邊坡支護方式分為以下幾種：

（1）邊坡截排水措施。在詳勘階段進一步查明不良地質的分布情況，并預留時間對其進行防范和處理。對于潛在的泥石流，建議在場區(qū)四周建立截水溝等，防止雨水從場地流過。

（2）設置支擋工程。對于不穩(wěn)定斜坡，建議采用擋土結構進行加固支護。對于淺部采空區(qū)，建議采取注漿法或灌注樁進行處理。

（3）支擋結構類型選擇?？紤]到加固的邊坡為土質邊坡，如采用擋土墻進行加固，不僅可以增加坡體的抗滑能力，還能夠減小降雨對于邊坡表面的沖刷侵蝕作用，從而可以達到更加充分高效的加固效果。重力式擋墻和板肋式擋墻為兩種常見的擋土墻，在邊坡治理工程中廣泛應用。該人工堆積邊坡高度較高，如若采用重力式擋土墻，其穩(wěn)定所需的高度較高，由此導致其截面較為龐大，擋土墻自重較大、底部較寬，造成了材料及有限建設用地的浪費，性價比較低，且重力式擋土墻更多適用于可就地取材的情況，但由于該建設場區(qū)缺乏石料，故暫不考慮該措施。樁板式擋土墻結構較為獨特，為抗滑樁及樁間的擋板兩部分構成的鋼筋混凝土結構，其作用機理是擋板將墻后的土坡作用力傳遞給抗滑樁，利用深埋入穩(wěn)定土層的抗滑樁與周圍的土體的相互制嵌作用，實現(xiàn)有效的邊坡加固作用[20]，具有自身斷面較小、占地面積較少、質量輕、樁位布置較為靈活且施工方便等優(yōu)點，性價比較高，是加固該邊坡的優(yōu)選措施。綜合實際工程情況以及經濟效益分析，最終確定設置樁板式擋土墻為該人工邊坡的優(yōu)化加固措施。

5 結論

（1）在天然工況下，剖面1-1 和剖面2-2 處邊坡穩(wěn)定系數(shù)分別為1.016 和0.984，邊坡處于欠穩(wěn)定—不穩(wěn)定狀態(tài)；在暴雨工況下，由于強降雨入滲及滲流場的存在，邊坡穩(wěn)定系數(shù)迅速下降，剖面1-1 和剖面2-2 處邊坡穩(wěn)定系數(shù)分別為0.967 和0.864，邊坡處于不穩(wěn)定狀態(tài)。

（2）該人工邊坡整體上處于不穩(wěn)定狀態(tài)，在暴雨等極端工況下容易失穩(wěn)，為保證該邊坡的穩(wěn)定及周邊環(huán)境的安全，建議采用結構獨特、占地面積小、施工靈活方便的樁板式擋土墻作為此邊坡的加固措施。

（3）擬建場地內人工填土層厚薄不一，且層底起伏變化較大，不排除在填土范圍內存在其它異常土質，建議在項目巖土工程詳細勘察階段進一步查明，并對其工程性質作出相關評價。