延安新區(qū)黃土高填方邊坡穩(wěn)定性研究

程 輝，許 銳，王廣璐，3*，隋國晨，鄧俊鋒，韋 歡

（1.中國電建集團西北勘測設計研究院有限公司，陜西西安 710065；2.長安大學地質工程與測繪學院，陜西西安 710054；3.中國電力工程顧問集團西北電力設計院有限公司，陜西西安 710065）

隨著我國經(jīng)濟的飛速發(fā)展以及西部大開發(fā)的深入，西北地區(qū)城市建設也進入了高速擴張時期。由于受到各種條件的限制，陜北黃土地區(qū)填挖方邊坡頻繁出現(xiàn)，同時使得自然生態(tài)環(huán)境遭受極大的破壞，極易誘發(fā)各種地質災害［1-5］。以延安新區(qū)的總體規(guī)劃為例，作為國內(nèi)首個在濕陷性黃土地區(qū)進行的大規(guī)模巖土工程項目，延安新區(qū)建設從規(guī)劃到開工建設的過程中，對其建設合理性和安全性的質疑一直不斷［6］。在西北濕陷性黃土地區(qū)進行這種超大規(guī)模的建設工程規(guī)劃，如果沒有考慮好建設過程中的安全性問題，特別是城市建設帶來的高填方邊坡問題，就會給西北地區(qū)的大規(guī)模的新城建設帶來重大隱患。因此針對黃土高填方邊坡的研究具有重大意義。

關于黃土高填方滑坡的研究較多，國內(nèi)外研究人員大多采用了模型試驗與現(xiàn)場實測等研究手段研究了黃土高填方滑坡的穩(wěn)定性、破壞機制和防治對策［7-10］，并從黃土變形規(guī)律的宏觀分析［11-12］和細觀分析研究，揭示了黃土填方邊坡變形與整體失穩(wěn)的相互關系，但針對不同挖填方坡度與挖填結合面形式對高填方滑坡的影響較少［13-14］。本文以延安新區(qū)填溝造地一期工程為對象，利用FLAC3D軟件［15-16］建立黃土高填方邊坡的有限差分模型，通過對不同填方坡度、挖方坡度、結合面形式等工況模型的靜力計算分析，研究這些復雜因素對黃土高填方邊坡穩(wěn)定性影響的規(guī)律，為高填方邊坡工程設計治理提供參考。

1 建設場地工程地質條件

延安新區(qū)位于延安市中心地帶，跨越溝橋鎮(zhèn)、鳳凰山街道、南市街道和柳林鎮(zhèn)［17］。研究對象選取位于延安市寶塔區(qū)橋溝鎮(zhèn)康家溝挖填場地為基本原型，西為尹家溝，東為東十里鋪溝。該場地為典型的黃土溝壑地貌，最大高程差70余米。中國電建集團西北勘測設計研究院和長安大學等多家單位組成聯(lián)合調(diào)查隊于2018 年開始在研究區(qū)進行了長期地質勘察。根據(jù)地質調(diào)查測繪和勘探結果，黃土梁峁區(qū)主要地層結構為Q3黃土、Q2黃土、N2紅黏土和J砂巖泥巖，其中Q3黃土具有較低的密度、相對較高的孔隙度、強度較低和較高的壓縮性。Q2黃土具有中等密度、適中的孔隙度、強度相對較高和具有一定的壓縮性。N2紅黏土具有較高的密度、較低的孔隙度、強度較高和較小的壓縮性，變形相對較小。J 砂泥巖具有較高密度、較低的孔隙度、強度較高和較小的壓縮性和變形能力，其地層分布如圖1所示。

2 模型建立與網(wǎng)格劃分

為研究不同斷面的坡度變化對高填方邊坡穩(wěn)定性的影響，采取挖方邊坡和填方邊坡多種坡度（30°，45°，60°）組合的方式進行建模。為研究挖填結合面形式對于填方邊坡穩(wěn)定性的影響，采取了斜平面式和臺階式兩種不同的結合面形式進行模型的創(chuàng)建，綜合考慮實際“填溝造地”工程的經(jīng)濟性和合理性，確定了以下7種計算模型（圖2、圖3）。參數(shù)詳見表1。

表1 模型參數(shù)Table 1 Model parameter

表2 天然土參數(shù)Table 2 Undisturbed soil parameter

圖2 斜平面式二維模型Figure 2 2D model of oblique plane

圖3 挖填臺階式結合面二維模型Figure 3 2D model of excavation and filling stepped joint surface

3 計算工況及參數(shù)選取

3.1 計算工況

根據(jù)延安新區(qū)建設場地的地質環(huán)境與水文氣象條件，考慮到高填方工程的諸多不確定因素，本文擬定對所有的邊坡模型進行自然狀態(tài)下考慮黃土高填方邊坡的填方坡體和原狀坡體在自重作用下的變形特性，計算參數(shù)依據(jù)場地的勘察報告和場區(qū)的土工試驗結果進行確定黃土高填方邊坡的穩(wěn)定性影響因素和影響程度。

3.2 參數(shù)選取

依據(jù)上述挖填場區(qū)的地質環(huán)境，調(diào)查隊于2018年在研究區(qū)內(nèi)勘探的同時采取土樣，由長安大學帶回進行土工實驗。參考室內(nèi)外土工試驗所得的結果，采取以下參數(shù)進行數(shù)值分析。

4 結果分析

在實際工程建設中，通常會遇到多種坡面形狀的組合的填方形式。在不同的挖方坡度和填方坡度影響下，黃土高填方邊坡的穩(wěn)定性可能會存在一定的差異，為研究這種差異，利用FLAC3D軟件，進行數(shù)值模擬分析，以找出其中的規(guī)律。為簡化分析內(nèi)容，本文重點關注對填方工程影響較大的變形沉降問題。

4.1 填方坡度對穩(wěn)定性的影響

為研究填方坡度的影響，以30°挖方坡度為例，分別模擬填方坡度30°、45°、60°的工況，得到不同填方坡度下邊坡的變形特征，如圖4 所示（為表示方便，本文以“填方坡度-挖方坡度”來表示不同的邊坡計算模型，如圖4a 30°～30°水平位移圖即表示填方坡度為30°，挖方坡度為30°的高填方邊坡。以“-Z”后綴表示結合面為臺階式，無“-Z”后綴即為斜平面式結合面，所有模型均以這種方法表示，后文中便不再特別說明）。

圖4 不同填方坡度下的水平位移模擬結果云圖Figure 4 Cloud chart of horizontal displacement simulation results under different fill slopes

在填方土體自重的作用下，不同填方坡度下的水平位移模擬結果云圖如圖5所示。

由圖4 可以看出，填方坡面上的最大水平位移大致分布在坡面下緣，其水平位移大小隨著填方坡度的增大而增大。

由圖5 可知，最大豎直位移出現(xiàn)在臨近坡肩位置，與水平位移的規(guī)律類似，垂直位移也隨著填方坡度的增大而增大。

取坡肩中點位置的節(jié)點單元為監(jiān)測點，監(jiān)測所得的水平位移和豎直位移以及邊坡的安全系數(shù)如圖6 所示，水平位移大小與豎直位移大小隨坡度的增大而增大，并近似呈線性關系，且邊坡安全系數(shù)隨著坡度的增大而減小。

4.2 挖方坡度對穩(wěn)定性的影響

取填方坡度為60°進行分析：控制填方坡度為60°，挖方坡度在30°，45°，60°之間進行變換組合，研究不同的填方坡度下，黃土高填方邊坡的變形特征（圖7、圖8）。

圖8 不同挖方坡度下的豎直位移模擬結果云圖Figure 8 Cloud chart of vertical displacement simulation results under different excavation slope

由圖7可以看出，挖方坡度的大小對填方坡面的水平位移影響并不十分顯著，最大水平位移依然大致分布在坡面下緣。位移區(qū)段呈現(xiàn)明顯的分層特征，坡面最大水平位移量隨著挖方坡度的增大而減小。

從圖8 可以看出，最大豎直位移出現(xiàn)在臨近坡肩位置，坡面最大豎直位移量隨著挖方坡度的增大而減小，這與水平位移的變化特征類似。

取坡肩中點位置的節(jié)點單元為監(jiān)測點，監(jiān)測所得的水平位移和豎直位移以及邊坡的安全系數(shù)如圖9 所示。與填方坡度影響效果不同的是，此處的水平位移與豎直位移大小隨挖方坡度的增大而減小。這是因為在本文的數(shù)值模擬中，模型控制的是填方長度一定，均為50m，這就意味著在相同的填方坡角下，挖方坡角越小，填方體的體積越大，其自重也會隨之增大，位移的累積效應更明顯，因而監(jiān)測點位置的水平位移與豎直位移大小會隨著挖方坡度的增大而減小。

圖9 挖方坡度對穩(wěn)定性的影響Figure 9 The influence of excavation slope on stability

由于本文是模擬較大規(guī)模的填方工程所形成的邊坡穩(wěn)定性，因而填方體的體積較大，在填方坡角為60°時，搜索所得的滑裂面始終位于填方區(qū)，所以邊坡安全系數(shù)在不同的挖方坡度下，沒有變化。

4.3 挖填結合面形式對穩(wěn)定性的影響

挖方區(qū)與填方區(qū)的交界面通常被認為是一個薄弱面，在路堤填方工程中，通常采用在原狀土坡一側開挖臺階，來擴大挖方區(qū)土體與填方區(qū)土體的接觸面積。為探究這種填方處理方式對大規(guī)模填方工程的作用效果，現(xiàn)利用FLAC3D進行分析。此處以挖方坡度45°，填方坡度45°為例進行分析，相關分析結果如圖10、圖11所示。

圖10 不同挖填結合面水平位移模擬結果云圖Figure 10 Cloud chart of horizontal displacement simulation results under different excavation and filling joint surface

圖11 不同挖填結合面豎直位移模擬結果云圖Figure 11 Cloud chart of vertical displacement simulation results under different excavation and filling joint surface

由圖10可以發(fā)現(xiàn)，在對挖方區(qū)坡面進行開挖臺階處理后，對水平位移的影響較為顯著，結合面兩側的土體協(xié)同變形能力顯著提高，但在數(shù)值上，水平位移量要大于沒有進行臺階處理的坡面。

由圖11兩張豎直位移圖比較可得，由于挖方區(qū)坡面臺階的存在，填方土體的豎向變形，呈現(xiàn)更加明顯的分層特征，在數(shù)值上，豎向變形量大于挖方坡面未處理的填方邊坡。

取坡肩中點位置的節(jié)點單元為監(jiān)測點，監(jiān)測所得的水平位移和豎直位移以及邊坡的安全系數(shù)如圖12 所示。由圖12 可見，臺階式結合面的存在，增大了填方土體與原狀土體的接觸面積和二者之間的摩阻力，使之整體性有所提高，因而臺階式結合面邊坡的安全系數(shù)要大于斜平面式結合面邊坡。但是，由數(shù)值分析的結果可知，在挖方區(qū)開挖臺階使得監(jiān)測點位置的水平位移和豎直位移變大，這是由于臺階的存在，填方土體不容易產(chǎn)生滑移，而斜平面式結合面的填方邊坡由于圓弧滑動作用，坡肩位置會產(chǎn)生一定的抬升，抵消了一部分由于自重作用產(chǎn)生的位移，因而監(jiān)測點位置的位移會表現(xiàn)出小于臺階式邊坡的現(xiàn)象。

圖12 結合面形式對穩(wěn)定性的影響Figure 12 The influence of joint surface form on stability

5 結論

本文依托延安新區(qū)填溝造地工程，針對大規(guī)模填方工程可能形成的黃土高填方邊坡進行了穩(wěn)定性分析，討論了不同挖方坡度、不同填方坡度以及不同結合面形式在不同的工況下對黃土高填方邊坡位移和安全系數(shù)的影響，得出以下結論。

1）填方坡度的大小對位移有顯著影響，填方坡度越大，水平位移和豎直位移越大，其中填方坡度的增大對豎直位移的影響更為突出。且填方坡度與位移之間近似成線性關系。安全系數(shù)隨填方坡度的增大而減小。

2）挖方坡度的大小對位移的影響并不顯著，但總體而言，水平位移和豎直位移隨挖方坡度的增大而增大，安全系數(shù)幾乎不隨挖方坡度的增大而產(chǎn)生變化。

3）在挖方坡面開挖臺階，能有效提高填方體與原狀土體的整體性，增強其協(xié)調(diào)變形能力，提高填方邊坡的安全系數(shù)。