某山区高填方机场边坡稳定性分析及支护措施研究

韩赟,赵成江,刘光瑞,龙照

(1.甘肃省民航机场集团有限公司陇南成州机场公司,陇南 742500；2.中铁西北科学研究院有限公司，兰州 730000；3.甘肃中建市政工程勘察设计研究院有限公司,兰州 730000)

2019年民航局印发《民用运输机场建设“十三五”规划中期调整方案》，在国家颁布的民航业发展规划中可以看出，亟待建设的民用及通用机场数量庞大，调整后，续建机场30个，新建机场43个，改扩建机场125个,迁建机场17个，其中西北、西南地区新建改建机场80个。为缓解城市用地紧缺、严格执行耕地保护政策，为满足机场的平整和净空条件的要求，机场通常建设选址呈现出进山靠海的趋势。山区机场建设势必会深挖高填，形成高填方边坡(高度达大于或等于20 m)，同时大部分丘陵沟壑区，地形、地貌、地质条件通常较为复杂，在已建山区机场中，高填方边坡失稳问题十分突出，如贵阳龙洞堡机场二期扩建及攀枝花机场工程，新填筑的高填方边坡曾发生明显的水平位移[1-2]；攀枝花机场对填方地基处理不当，造成填筑滑坡，并激活了高填方下部的老滑坡在修建与运营过程中共发生7次滑坡，不仅延误建设工期，增加工程投资，甚至导致机场停航[3]。可见，高填方边坡变形问题已经成为山区机场建设中亟待解决的技术难题。

本文基于工程地质勘察、边坡变形特征和理论计算，分析了某山区高填方机场3#填方边坡的稳定性现状，确定了相关治理措施，监测资料显示，边坡治理后变形趋于稳定。本工程的加固措施对类似工程提供了可借鉴的经验。

1 工程概况

1.1 机场概况

地处“一带一路”重要节点的甘肃某支线机场建设场地位于丘陵地区，原地貌单元属中低山丘陵，地形起伏变化大，地势北高南低，地面高程介于1 085.90～1 178.80 m之间，最大高差92.90 m(图1)。场地长度约3 800 m，宽约450 m，面积约171×104m2。受地形地貌条件限制，机场建设对场地低山丘陵进行了大规模的“挖山填谷”整平改造工程。场区挖方量约1 327×104m3，最大挖方高度约60 m，填方量约1 260×104m3，最大填方高度约50.7 m，其中道面区最大填高46.82 m，最大挖深37.14 m。

图1 某机场地形地貌图

因场区工程地质条件复杂，原始地形高差悬殊，整平改造后沿土面区周围形成了15处不同高度的填筑边坡体，造成高填方边坡的问题比较突出，尤其是南侧的3号边坡在填筑施工过程中及回填完成后，出现了明显的坡顶裂缝、坡脚构筑物挤压破坏等现象，对机场跑道和坡脚邻近居民构成较大的安全隐患

1.2 地形地貌

拟建民用机场沿设计跑道中心线剖面为“梁谷相间”填挖方地形。原始坡度一般变化在7.4°～22.8°，山梁走向约84°。3#边坡区域原为梁谷相间地形，为农耕地，地势变化较缓和，原始地面南北向坡度7°左右，等高线近似平行于跑道方向。自2014年该段边坡大部回填完成后，坡度增加到26.6°，2016年初，边坡回填至设计标高，现坡顶高程平均约1 130.0 m，填方厚度自下而上逐渐增加，为2～28 m。填筑边坡共4～5级，最大高度约55 m，自坡顶向坡脚，每级边坡坡率按1∶1.75(综合坡率为1∶2)放坡，放坡高度为10.0 m，放坡平台宽2.0 m，每两级设置一道5 m宽平台，现坡面的主要防护方式为混凝土骨架(图2)。

图2 某机场高填方边坡平面分布图

1.3 工程地质概况

该机场地勘揭露原地基土层自上而下为：①耕填土层(Q4ml)：层厚0.1～2.3 m。②粉质黏土层(Q4dl+pl)：层厚1.1～23 m，在山顶局部区域缺失，依地形起伏变化较大。③强风化泥岩层(N2)：厚度大于4 m，依山势自山脚至山顶埋深由深变浅，在山顶局部区域基岩出露，半成岩，泥钙质胶结，呈强风化状态，遇水易软化；岩层产状：221°～260°∠5°～8°。④中风化泥岩层(N2)：勘察区基底，依山势自山脚至山顶埋深由深变浅；依地形起伏变化较大，半成岩，泥钙质胶结，呈中风化状态。岩层产状：221°～260°∠5°～8°。

1.4 水文地质条件

挖填方施工前，场址区地下水埋深为0.70～11.00 m，层面高程为1 055.64～1 119.66 m之间。区内地下水类型属第四系松散类孔隙潜水，主要含水层为填筑土以下的粉质粘土层及强风化砂质泥岩层，分布于梁峁及缓坡洼地的覆盖层厚度较大地段，以孔隙潜水为主，在跑道山梁两侧沟谷低洼处均有分布。局部为地表水下渗形成的上层滞水和基岩裂隙水。地下水主要受大气降水补给，孔隙潜水由分水岭向沟谷低洼区段移动，径流途径较短，沿沟谷向下游排泄。受补给源的影响，水位随季节变化，年波动幅度在1.0～2.0 m之间。

机场的挖填方施工建设，造成填方区原地表土层受上覆荷载固结压密，孔隙比减小，渗透性减弱，径流不畅，阻滞孔隙潜水向下游径流，致使地下水位缓慢上升。勘察期间，3#边坡坡体地下水水位埋深8.92～35.5 m，相应水位高程1 075.11～1 104.32 m，水位层面基本分布于原地表覆盖层中，局部处于填筑体中。

1.5 高边坡变形情况概述

3#边坡填筑至设计标高后，距离3号坡顶线平均约26 m处发展有一条新的裂缝带，裂缝宽度5～36 mm，长度约为200 m，西端逐渐呈圈椅状包围，东端近东西走向坡脚下水泥便道和蓄水池浆砌块石东西走向池壁出现10余条近南北向放射状裂缝，南北走向池壁面亦出现数条宽裂缝，局部有较严重的挤爆现象。

根据3号边坡变形迹象，在此区域设置了3条顺坡向深孔位移检测孔，其中典型断面的深孔位移监测曲线如图3所示，该断面反映了自2016年12月31日至4月25日期间坡体变形情况：该边坡沿坡体内地下水位线附近及饱和粉质粘土与强风化砂泥岩互层的接触面位置形成软弱滑动面，后缘滑动面深度约26～29 m，坡脚滑坡前缘14.5～16 m深度范围测斜管发生了明显偏移，向坡外偏移38.53 mm，每月向坡外滑移8～10 mm；根据边坡深部位移监测数据，结合土面区纵向贯通拉张裂缝、蓄水池池底剪切隆起、测斜管水位上升、坡体深部土体向坡外位移等宏观变形破坏形迹，该处坡体已经产生沿原始地面的滑动破坏。

2 变形机理分析

2.1 边坡填方设计概况

填方边坡采用1∶2的综合坡度,分台阶为2.5 m和5 m的马道,每10 m高度设置一个马道；填料以挖方区强风化砂质泥岩和粉质黏土混合料为主，其中土基区下部(从自然地面到高程小于1 125 m范围内)填筑体压实度控制为0.93，上部(高程1 125～1 130 m范围内)控制为0.95；土面区下部填筑体压实度控制为0.88，上部控制为0.93。填方施工采用压路机分层碾压或冲击压实至设计标高。边坡区地基处理措施是在边坡接触面除修建台阶外，接触面每4 m高度采用1 000 kN·m强夯；坡脚及其外侧3 m范围采用4排1 500 kN·m强夯进行处理；3#填方边坡设计总填高40～45 m，当施工至与设计填方标高差4～5 m时，局部边坡出现滑移。

图3 深孔测斜仪监测结果(治理工程实施前)

2.2 变形原因分析

结合区域地质资料、前期勘察地质资料及现场调查，现状条件下填方边坡产生变形的主要原因体现在以下几个方面：

(1) 降雨：边坡变形的主要诱发因素。降雨条件下雨水不断下渗，导致坡体内一部分雨水沿浅表层较松散土体中形成坡面向的径流，在软化土体、增加土体自重的同时形成的渗流动水压力对坡体浅层较松散土体的稳定更为不利，再者由于填方边坡坡率较陡，在降雨的作用下易产生溜坍变形，形成大量的张拉裂缝。另一部分雨水直接下渗补给地下水，下渗过程中，一方面加速坡体的固结、抬升地下水位，另一方面在相对隔水的老地面或基岩顶面附近形成富水区，软化界面(老地面或基岩顶面)附近岩土体；第三方面，表水在下渗过程中易将粘粒带至界面附近富集，降低界面附近岩土体的强度指标，致使坡体沿界面产生变形。

(2) 地基土体：由于地下水的作用，在泥岩层和黄土层之间形成了一个富含水层的软弱层，这一层的内摩擦角标准值为11.29°左右。而坡脚大范围存在残坡积黏土，抗剪强度较低，不能满足边坡稳定性要求，设计采用低能量级强夯对饱和粉质粘土进行处理，采用强夯处理时，软土地基一般含水量高,渗透性差,强夯时的动力作用使地基中的孔隙水压力瞬时升高,而且短时间内得不到消散,在这种情况下继续强夯,出现橡皮土的可能就很大。另外,软土地基自身有一定的强度,在强夯时,强大的冲击荷载势必会破坏土体的自身强度,地基土反而被软化,没有达到强夯加固的目的。因此下伏的软弱地基的变形是滑板变形发生的温床。

(3) 固结沉降：引起填方坡体变形的直接诱发因素。原地表地形起伏明显、填方厚度差异较大时诱发的差异固结沉降，并随之引起的填方体向临空方向的水平位移，该种作用将导致坡面产生不同程度的下错、剪切及鼓胀等变形。

(4) 地下水的影响：高填方引起原地表土层受上覆荷载作用固结压密，孔隙比减小，渗透性减弱，径流不畅，阻滞孔隙潜水向下游径流，造成地下水位缓慢上升。当水位大规模处于原地表粉质粘土附近或更高时，粉质粘土层处于饱和状态，导致其抗剪力学参数快速降低，进而诱发填方体沿该软弱层面的深层滑移。

3 边坡稳定性计算

3.1 计算参数的选取

3#边坡填料以挖方区强风化砂质泥岩和粉质黏土混合料为主，根据拟治理边坡各段实际情况，评估边坡的整体稳定系数K，再按边坡变形监测结果判定滑动面，反求滑动带力学参数；然后考虑坡体内地下水疏排，参考类似工程实例的相关经验指标综合确定。具体采用岩土体力学参数和计算参数选用表及结果表详见表1、表2。

表2 边坡计算参数选用表及结果表

3.2 边坡稳定性计算

边坡变形监测结果判定滑动面为折线性滑动面，选用《建筑边坡工程技术规范》采用规范推荐的传递系数隐式解进行计算。综合考虑各类技术规范的边坡稳定性规定、民航机场工程的特殊性，本工程治理安全等级为一级。按《民用机场岩土工程设计规范》(MH/T 5027-2013)相关规定，本次设计考虑天然、暴雨或连续降雨和地震3种工况，并要求边坡稳定安全系数分别不小于1.35、1.25及1.15。由计算结果(表2)可知，边坡处于欠稳定状态。

其中3#边坡典型计算时采用的工程地质断面如图4所示。

图4 3号边坡典型工程地质断面

3.3 边坡稳定性有限元复核

由计算结果、深孔位移监测资料可知，在无施工质量问题的前提下，高填方边坡稳定性主要取决于地基稳定性，即受地基中发育的软弱面(带)控制。复杂的地基结构可能包含多层软弱面(带)，在加载条件下均可发展为高填方边坡整体失稳的滑动面。同时地基结构越复杂，包含的软弱面(带)越多，高填方边坡可能的失稳破坏模式越多，稳定性评价工作也越困难。因此，将典型断面导入GEO5有限元分析板块分析建模，模型采用平面自动划分网格，网格尺寸为2 m×2 m，边界条件采用地面支撑，土体屈服准则为Mohr-Coulomb强度准则，模拟计算云图如图5所示：边坡等效塑性应变云图。分析深孔位移监测的滑动面与有限元分析得出的等效塑性应变云图可知:

(1) 有限元分析最大剪应变发生位置与前文推断滑移面位置基本一致，且主滑段位于粉质黏土层及其与强风化泥岩交界层。有限元计算可知该边坡稳定系数为1.18，与采用毕肖普(Bishop)法、瑞典法(Fellenius/Petterson)、简布法(Janbu)、摩根斯坦法(Morgenstern-Price)计算的安全系数有差异，上述差异说明山区高填方边坡影响因素较多且较复杂，且圆弧形滑坡后缘较为平缓，而折线性滑动面后缘陡立，传递到前缘的推力大，计算得出的安全系数则小，但更为准确的反映了滑坡实际的应力应变状态，为滑坡防治提供了准确的决策依据。

(2) 有限元分析揭示的二级平台边坡坡脚滑坡的塑性变形区与现场调查的局部坡面鼓胀变形相符，有限元分析的结果具有参考性和指导性。

图5 3号边坡等效塑性应变云图

4 设计工程治理措施

为了确保边坡稳定，防止边坡继续变形，确保机场土面区不再产生过大的沉降变形，经过多次方案调整，采用集水井+抗滑桩的方案进行治理，治理工程自2017年4月份开始实施，2017年9月实施完毕。具体措施如下：

4.1 集水井疏排

地下水控制：填方坡体内地下水未能有效排出，是造成本工程边坡变形严重的重要原因。本设计对3#边坡采取集水井+仰斜排水孔的联合排水措施。根据原始地形中原沟谷位置，于3#边坡原始冲沟处马道设置2口水井，将坡体内地下水导流至南侧坡脚的自然排水通道。同时防止地下水位上升对填方坡体的影响，为边坡的整体稳定提供长久的安全保障。

地表水疏排：为防止地表水渗漏，将降雨快速排出滑坡体区域，于现状坡面增设6道吊沟，以便坡面排水通畅、快速。

4.2 抗滑桩支挡

边坡下部设置锚索抗滑桩的治理措施，防止发生坡体整体滑动破坏。根据3#边坡各段实际情况，对边坡变形较大的2-2′、3-3′、4-4′、5-5′剖面处，采用2.0 m×3.0 m传统钢筋混凝土抗滑桩加固方式传统钢筋混凝土抗滑桩桩间距6 m，按一桩两锚于桩顶设置预应力锚索；共设置60根2.0 m×3.0 m传统钢筋砼抗滑桩、锚索120根。传统钢筋混凝土抗滑桩桩长可根据现场揭露滑动面起伏合理调整，但桩入滑动面以下深度不应小于9 m；开挖未见明显滑动面时，桩长按进入中风化岩深度不小于9 m控制。具体过程措施见图6。

5 边坡治理效果评价

5.1 坡顶沉降规律分析

通过坡顶沉降速率与时间变化曲线(图7)可知：自2016年2月26日至2018年11月12日之间，2BPD-1～2BPD-4四个测点的累计沉降值分别达到了326.34 mm、470.26 mm、477.15 mm、303.0 mm；上期的沉降速率分别为 0.21 mm/d、0.17 mm/d、0.26 mm/d、0.20 mm/d，至2018年11月观测时沉降速率分别为 0.12 mm/d、0.11 mm/d、0.12 mm/d、0.11 mm/d，自抗滑桩、预应力锚索施工完成后，沉降速率得到了明显的控制，沉降速率由2017年雨季的1.1 mm/d下降到今年雨季的0.14 mm/d～0.33 mm/d，本期进一步减小至0.12 mm/d，该边坡治理后坡顶沉降逐渐趋于稳定。

5.2 深孔位移监测资料分析

本断面共设置了5个深孔位移监测孔，本文选择了坡顶，以及二级平台顶面的2个孔的典型监测数据变化曲线图(图8)及综合分析如下：

图6 典型工程措施断面布置图

图7 沉降速率与时间变化曲线

(1) 二级马道测斜孔自2016年12月31日至2018年11月10日期间，在21 m深度处测斜管发生偏移，顺坡方向，20～22 m深度范围相对错移58.26 mm，自抗滑桩施工完成的1 a内，顺坡方向薄弱面的累计水平位移量不超过10 mm，坡顶累计水平位移不超过20 mm，边坡滑移逐渐趋于稳定。

(2) 各测斜管监测数据曲线均呈整体倾斜，自坡体变形开始坡体的位移变形一直在产生，但自坡脚抗滑桩实施后，从监测数据反应变形趋势明显减小，监测数据密贴，坡体变形明显收敛。

图8 典型监测孔深部水平位移监测历时曲线(顺坡方向)

(3) 施工过程中，抗滑桩开挖时，对坡体有一定的扰动，边坡变形会持续发展，甚至较大，抗滑桩施工结束后深层便会存在挤压变形，目前挤压变形过程逐渐趋于完成。表明治理措施有效，边坡变形得到有效控制，边坡目前处于稳定状态。

6 结论

(1) 高填方边坡稳定性主要取决于地基稳定性，即受地基中发育的软弱面(带)控制。复杂的地基结构可能包含多层软弱面(带)，在加载条件下均可发展为高填方边坡整体失稳的滑动面。设计施工时应高度注重原地面软弱地基土的处理，加强地表及地下排水设施的建设。

(2) 根据拟治理边坡各段实际情况，通过传递系数隐式解法计算折线性滑坡与采用Mohr-Coulomb准则进行有限元分析的圆弧形滑动面的安全系数对比可知，复杂填方地层滑坡设计时当滑面较为确定时采用传递系数隐式解法处置滑坡较为安全稳妥。

(3) 监测资料表明，通过坡脚采用抗滑桩、设置集水井及增设仰斜排水孔的综合治理措施有效可靠，边坡变形速率大幅减小，加固后边坡处于稳定状态。