填方边坡变形机制研究

徐 聪，胡新丽，沙 玉，黄凯湘，吴丹丹

(1.中国地质大学(武汉)工程学院，湖北 武汉 430074；2.中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，四川 成都 610072)



填方边坡变形机制研究

徐 聪1，胡新丽1，沙 玉2，黄凯湘1，吴丹丹1

(1.中国地质大学(武汉)工程学院，湖北 武汉 430074；2.中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，四川 成都 610072)

在对西南地区某800 kV换流站填方边坡现场进行工程地质调查的基础上，通过对经过先期治理但仍发生变形的填方边坡的变形特征和监测数据进行分析，总结边坡稳定性影响因素，并结合FLAC3D数值模拟对边坡变形破坏机制进行了研究。结果表明：该填方边坡破坏模式为整体滑移破坏，导致边坡经过治理但仍发生变形的主要诱因是强降雨，但边坡的前期治理设计也存在不足；由于降雨导致边坡重度增大，底部强风化泥岩软化，填土抗剪强度降低，在边坡内形成贯通的滑动面，滑动面绕过加筋土挡土墙的加筋带，边坡顺着强风化层从软化的坡脚剪出；位移监测显示边坡处于加速变形阶段；边坡应急治理措施应重点放在控制边坡继续沿软弱面的滑移变形上，并加强坡体排水，该边坡变形控制的治理方案对同类工程的设计与应急治理具有一定的参考价值。

填方边坡；变形机制；数值模拟

近年来我国电力行业迅速发展，越来越多的电网工程修建在山区，高填方、挖方边坡在电网工程建设中遇到的问题也越来越多[1-3]。由于高填方、挖方边坡所处的工程地质条件复杂，再加上一些不利的外部因素的影响，会使一些填方边坡在回填后出现较大变形，其稳定性往往得不到保证。而电网工程边坡一旦失稳，将直接威胁到站内电力设施和工作人员的安全，造成巨大经济损失，因此山区电站填方边坡的变形和稳定性及其防治问题的研究必须引起高度重视。本文以西南地区某800 kV换流站填方边坡为例，结合监测数据和数值模拟[4-7]分析了经过先期治理但仍发生变形的填方边坡的变形破坏机制，并制定了基于变形控制的治理方案，方案实施后取得了较好的效果。

1 填方边坡概况

本文所研究的填方边坡地处西南地区某800 kV换流站西南角“丫”状冲沟的汇水区，沟谷呈宽阔“U”形，谷底宽20～50 m，冲沟内多种植水稻,冲沟两侧为丘岗环绕，丘顶多呈浑圆状。场地地层结构较为简单，上部为人工填土，厚度为2～16 m；下部为厚度约1～2 m的粉质黏土，呈软塑状态；基岩为泥岩，分为两层，上层为厚度1.5～2 m的强风化层，下部为稳定连续分布的中风化层，岩层产状为120°∠10～15°。基岩岩质较软，遇水易软化，暴露于空气中易崩解。场地地下水主要为第四系松散土类孔隙潜水和基岩裂隙水，场区无统一稳定水位面，主要受地形的控制，地下水水量较丰富，受降雨影响其水位变化较大。

该填方边坡是某800 kV换流站场区DE段，长约72 m。该段填方边坡原始设计方案为自然放坡+加筋土挡土墙处理，最大坡高为18.0 m，最高处分三级放坡处理：第一级(自坡顶起算)坡高8.0 m，采用自然放坡，坡比为1∶1.75；第二级坡高8.0 m，采用加筋土挡土墙，挡土墙坡比为1∶0.25；第三级坡采用加筋土挡土墙，挡土墙坡比为1∶0.25。每两级之间设宽2 m的马道，坡肩采用隔水硬化处理，马道采用素土覆盖夯实，自然放坡坡面采用2.5 m×2.5 m间距菱形浆砌块石格构护坡，格构间采用土工格栅网(NF植基网)铺面植草；加筋土挡土墙采用生态袋护面；坡脚设排水沟，将其他段截水、排水统一排泄到自然冲沟内；边坡地基采用CFG桩进行处理，详见图1。

2 边坡变形破坏特征分析

2.1 边坡变形破坏特征

边坡自坡顶到坡脚均有不同程度的变形，如图2所示。边坡后缘站区内距围墙15 m处出现长44 m、宽2 cm的拉裂缝[见图2(a)]；坡顶围墙出现明显的对称“八字形”裂缝[见图2(b)、(c)]，裂缝与地面夹角约35°～45°，裂缝长约3～5 m、宽1～2 cm；坡面浆砌块石格构有明显鼓胀开裂现象，裂缝宽约2～3 cm[见图2(d)]；坡体南端一侧有整体垮塌趋势；加筋土挡土墙上部马道与土工格栅植草连接处的格构梁产生裂缝并向外倾斜；加筋土挡土墙有向外的水平变形；坡脚护脚墙出现弯曲变形和裂缝。

2.2 边坡变形监测分析

自边坡施工完工后在边坡上布置了地表变形为主的监测系统，控制边坡的整体变形。地表位移主要利用高精度全站仪，采用极坐标法进行监测，监测点分别设置在坡肩、马道和坡脚处，编号为J01、J02、J03、J04，如图1所示。2013年2月25日至8月25日监测点J01、J02、J03、J04的累计水平位移、累计沉降位移和降雨量随时间的变化曲线见图3。

由图3可以看出：2013年3月1日至3月20日，边坡的累计水平位移变化较小,2013年3月20日至4月5日，边坡的累计水平位移增大到10 mm，期间降雨量从40 mm增加到70 mm，2013年4月5日至6月18日边坡的累计水平位移曲线较平稳，保持在10 mm左右;2013年3月到6月中旬边坡的累计沉降位移曲线较平缓。从监测数据可以判断该段时间内降雨量不大，边坡处于较稳定状态。2013年6月20日开始持续降雨，到2013年7月20日总降雨量从55 mm增加到122 mm，累计水平位移和累计沉降位移持续增大。其中，坡脚J02监测点累计水平位移从10 mm增大到82 mm，水平位移增量达72 mm；坡脚护脚墙监测点J01和马道上J03监测点累计水平位移也增大到50 mm左右，水平位移增量达40 mm;马道上J03监测点累计沉降位移最大，沉降位移增量达50 mm，其他监测点沉降位移增量均在5～20 mm之间；坡肩位移监测数据较少，累计水平位移变化不大，但出现了15 mm的沉降变形。上述监测数据表明，边坡变形是强降雨导致，降雨量增多，边坡变形急剧增加。

3 边坡变形破坏机制

3.1 边坡稳定性影响因素分析

引起该填方边坡经治理加固后仍出现较大变形的主要外因是大量降雨和人为破坏坡脚。该边坡地处场地“丫”型冲沟的汇水区，场区内地表水往此处汇集,雨水入渗使地下水水位抬升，加上边坡排水不畅，边坡岩土体长期处于饱水状态，导致其重度增大、抗剪强度降低。此外，坡脚护脚墙外就是鱼塘和水田，坡脚在水的长期浸泡下，CFG桩复合地基土体发生软化，其强度降低。

影响边坡稳定性的内因是不良的工程地质条件、土体自身的性质和加固结构的强度。边坡填土的密实度及均匀性存在各向异性，并有湿陷性、低强度、高压缩性等性质[8]，其物理力学性质对边坡稳定性起重要作用。由于该边坡底部基岩上覆一层强风化泥岩，强度极差，在地下水的作用下发生软化易形成滑动面；同时加固设施的强度无法满足要求，加固结构自身也将会产生变形破坏。

3.2 边坡变形破坏机制分析

已有研究表明，边坡的变形分为以下三个阶段[9-10]：①整体滑移初始变形阶段，在自重作用下，边坡发生较小的变形以满足自身的稳定，变形曲线斜率增大，随着时间的延续而逐渐平缓；②整体滑移等速变形阶段，边坡的变形速率较小，变形曲线非常平缓，几乎保持不变，降雨等因素作用下会有较小波动；③整体滑移加速变形阶段，边坡变形速率持续增长，变形曲线趋于陡立。

据此并结合前述对边坡变形、位移监测数据和边坡稳定性影响因素的分析，判断该边坡处于整体滑移破坏的加速变形阶段。由于该边坡排水不畅，大量的降雨使边坡土体饱水，强度参数急剧减小，边坡填土内产生圆弧滑动面，边坡易沿着加筋土挡土墙底部软化的强风化泥岩发生滑动，从坡脚剪出，形成贯通的滑动面，造成边坡整体下滑，从而使站区内地面产生拉裂缝，坡顶围墙出现裂纹，且暴雨作用下边坡局部发生较大变形使浆砌块石格构出现裂缝。而边坡沉降变形是由于降雨使得土体重度增大，填土和加筋土挡土墙的土体发生压缩变形造成的。

3.3 边坡变形破坏机制的FLAC3D数值模拟

为了进一步探究边坡发生变形的原因，在上述定性分析的基础上，本文采用FLAC3D[11-13]建立了边坡计算模型(见图4)，模拟暴雨工况下该边坡的变形破坏情况。模型在与实际边坡相应的位置处同样设置了位移监测点。

在暴雨工况下，由于边坡没有进行地下水水位监测，降雨入渗影响深度无法准确判断。根据现场调查得知，降暴雨时边坡底部护脚墙上排水孔出水量较大，判断雨水渗入整个坡体，中风化泥岩以上考虑为饱水状态。因此数值模拟中除中风化泥岩采用天然参数外，其余均采用饱和参数。经充分考虑岩土体介质特性和结构特征，根据现场试验结果并参考与该边坡类似工程地质条件的岩土体物理力学参数，对边坡各岩土体介质材料的物理力学参数进行赋值，见表1。

表1 边坡各岩土体介质材料的物理力学参数

边坡变形数值模拟曲线见图5。由图5可知， J01和J02监测点水平位移最大，最终破坏时水平位移达237 mm左右，而J04监测点沉降位移最大(200 mm)，J03监测点其次(75 mm)。将数值模拟监测结果与实际结果进行对比可见，坡脚水平位移最大(J01和J02监测点)，沉降位移由于坡顶实际监测时间较短难以比较，其余监测点数值模拟结果与实际变形趋势基本一致。由于实际边坡仍处于变形破坏中，其位移量小于模拟的最终结果。由此可见，数值模拟结果与实际监测结果比较吻合，表明数值模拟结果是可靠的。

上述数值模拟结果表明，边坡的填筑体与基岩之间的强风化泥岩带控制了边坡滑动面的形成。此外，由边坡剪切应变增量云图(见图6)可以看出，边坡存在一个相对贯通的剪应变增量集中带，集中带从边坡的后缘开始，绕过了加筋土挡土墙的加筋带，沿着基伏面上的软弱带，并穿过了CFG桩加固区，从边坡坡脚穿出。由边坡的位移等值线图(见图7)可知，边坡深部位移较大，最大位移出现在强风化泥岩带上，其剪切应变增量云图也表明边坡深部剪切应变较大，最大剪切应变增量也出现在强风化泥岩带，说明由于强降雨导致边坡整体重度增大而抗剪强度降低，边坡沿基伏面上的强风化泥岩带发生整体滑动，并从坡脚剪出。由此可见，其数值模拟结果与定性分析结论一致。

通过数值模拟可知，强降雨是导致边坡变形破坏的主要诱因，但该边坡前期的设计中也存在如下不足：

(1) 排水措施设计不合理。该边坡只在护脚墙上布置了一排排水孔，加筋土、填土内和坡表的水无法及时排走。

(2) 加筋的长度不够。边坡的滑动面较深，加筋带没有穿过滑动面，导致加筋土挡土墙没有起到抗滑的作用。

(3) 坡脚加固措施设计不合理。坡脚仅用护脚墙处理，无法防止边坡发生整体滑移。

4 应急治理对策

通过上述定性定量分析及已有边坡治理研究[14-16]调研，该边坡的应急治理重点应放在如下几个方面：

(1) 重点对坡脚进行处理，布置一排抗滑桩，抗滑桩底部嵌入中风化泥岩，防止边坡继续沿软弱岩层产生滑移变形。

(2) 暴雨和汇水是影响边坡稳定性的关键因素，建立完善的导排水系统，保证能够及时将雨水排出坡体外。

(3) 加强坡面支护，坡表换为钢筋混凝土格构锚，防止发生局部变形。

边坡应急治理设计方案如图8所示。治理措施实施后，该边坡变形得到了有效的控制，目前边坡稳定性较好。

5 结 论

(1) 该换流站填方边坡填土的强度和填筑体底部的强风化泥岩带对边坡的稳定性起控制作用，在降雨、前期设计存在不足等因素的影响下，使边坡发生整体滑移破坏。

(2) 该填方边坡处于整体滑移破坏的加速变形阶段。在强降雨作用下，边坡土体重度增大，强风化泥岩软化和填土抗剪强度降低，从而形成贯通的剪切滑动面，滑动面绕过了加筋土挡土墙的加筋带，边坡顺着强风化层从软化的坡脚剪出。

(3) 该边坡的应急治理必须重点控制边坡沿软弱面的滑移变形，并局部进行加固治理，同时加强坡体排水工作。该应急治理方案可以满足边坡稳定性要求，对同类工程的设计与应急治理具有一定的参考价值。

[1] 孙海江，周永力.溪洛渡水电站高边坡治理施工措施[J].人民长江,2010，41(5):50-51.

[2] 梁钰旺，刘惠来.构皮滩水电站场内道路高边坡治理[J].人民长江,2010，41(22):77-80.

[3] 蔡涵俊，梅涛.500kV变电站边坡支护结构设计与施工[J].土工基础,2012，43(6):24-26.

[4] 杨国俊，王亮清，谭维佳.某水电站导流洞入口边坡开挖稳定性分析[J].安全与环境工程,2012，19(5):111-114.

[5] 杨矫，王宇，雷富宏，等.降雨入渗下残坡积土边坡的稳定性模拟研究[J].安全与环境工程,2012，19(3):5-10.

[6] 李学伟，李小伟，焦涛，等.昔格达土路堤边坡稳定性优化分析[J].安全与环境工程,2014，21(1):120-124.

[7] 熊文林.山区高速公路隧道洞口边坡稳定性的数值模拟[J].安全与环境工程,2013，20(5):108-112.

[8] 倪武杰.土质边坡破坏机理及稳定性研究[D].西安：长安大学,2010.

[9] 许强，汤明高，徐开祥，等.滑坡时空演化规律及预警预报研究[J].岩石力学与工程学报,2008，27(6):1104-1112.

[10]黄润秋，赵建军，巨能攀，等.汤屯高速公路顺层岩质边坡变形机制分析及治理对策研究[J].岩石力学与工程学报,2007，26(2):239-246.

[11]陈金锋，宋二祥，徐明.强度折减有限元法在昆明新机场高填方边坡稳定分析中的应用[J].岩土力学,2011，32(S1):636-641.

[12]褚铅波.基于FLAC3D的土质边坡稳定性及其抗滑桩加固研究[D].杭州：浙江大学,2013.

[13]邹启贤，申思冉，罗昌宏，等.基于FLAC3D的某桥头边坡稳定性数值模拟分析[J].安全与环境工程,2012，19(4):133-136.

[14]巨能攀，赵建军，邓辉，等.黄山高速滑移弯曲边坡变形机理分析及应急治理对策[J].地球科学进展,2008，23(5):474-481.

[15]巨能攀，赵建军，邓辉，等.公路高边坡稳定性评价及支护优化设计[J].岩石力学与工程学报,2009，28(6):1152-1161.

[16]尹文锋，武卫星，陈长胜.皂市库区北岸线公路顺层边坡治理设计[J].人民长江,2008，39(21):75-76.

通讯作者：胡新丽(1968—)，女，博士，教授，主要从事岩土工程稳定性评价、地质灾害防治等方面的研究。E-mail: huxinli@cug.edu.cn

Study on Deformation Mechanism of a Fill Slope

XU Cong1,HU Xinli1,SHA Yu2,HUANG Kaixiang1,WU Dandan1

(1.FacultyofEngineering，ChinaUniversityofGeosciences，Wuhan430074，China；2.ChengduEngineeringCorporationLimited,PowerChina，Chengdu610072，China)

Investigating the engineering geological condition of a fill slope of a 800kV Convertor Station,this paper analyzes the deformation features and monitoring data of the fill slope,which has been reinforced.By using FLAC3Dnumerical method,the paper also discusses the influence factor of the slope deformation and the deformation mechanism.The results show that the failure mode of the slope is sliding as a whole.Heavy rainfall is the main factor which causes the deformation of the fill slope and the previous design is inadequate to some extent.Under the effect of rain,the density of the soil in the slope increases and the heavily weathered mud stone at the bottom becomes soft.The shear strength of the filled earth decreases obviously.These changes make the sliding surface go around reinforced earth retaining wall and cut out from the soft slope toe along the weathered zone.Displacement monitoring indicates that the slope is in the accelerated deformation stage.The emergency control design should focus on restraining the deformation on the heavily weathered zone and enhance the drainage in the slope.This project provides a reference for the future engineering design.

fill slope；deformation mechanism；numerical modeling

李长冬(1981—)，男，博士，副教授，主要从事岩土体稳定性评价与地质灾害防治方法方面的研究与教学工作。E-mail：lichangdong2008@126.com

1671-1556(2015)01-0039-06

2014-05-19

2014-11-25

国家重点基础研究发展计划(“973”计划)项目 (2011CB710600)；国家自然科学基金项目(41272305)

徐 聪(1989—)，男，硕士研究生，主要研究方向为岩土工程。E-mail：xuc0928@gmail.com

X45；P642

A

10.13578/j.cnki.issn.1671-1556.2015.01.007