贵州某拟建机场高填方边坡破坏模式及稳定性分析

胡勇生，燕俊松，唐宁

(1.四川省地质工程集团公司，成都 610015； 2.成都理工大学地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室，成都 610059)

1 引言

随着交通运输的快速发展，我国机场建设已经逐渐面向广大山区[1-3]。为满足机场的平整和净空条件，山区机场建设势必会深挖高填，形成高填方边坡。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九寨黄龙机场三期扩建工程，新填筑的高填方边坡曾发生明显的水平位移[4-5]；攀枝花机场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[6]。可见，高填方边坡稳定性问题已经成为山区机场建设中亟待解决的技术难题。

对于顺坡填筑的高填方边坡而言，其稳定性很大程度上受地基结构的控制。一般而言，逆向坡、横向坡以及水平层状坡自身稳定性较好，可视为填方边坡的良好地基；而对于顺向坡，其本身就属易滑结构，历史时期很可能已经发生变形破坏，在作为填方地基时，更易因为上部加载而整体失稳，从而引起工程事故。加之坡体内部存在软弱夹层，坡表覆盖层深厚等情况，使填方地基结构更趋复杂，也使高填方边坡的失稳破坏模式具有很大的不确定性。

拟建机场场区地形、地质条件较复杂，机场建设不仅需要面对深挖高填等工程技术难题，还需面对复杂、不利的地基结构给高填方边坡稳定带来的严峻挑战。本文针对该机场高填方边坡稳定性问题，着重分析了高填方边坡的失稳破坏模式，进而评价了边坡的稳定性。成果对该机场建设具有重要的指导意义。

2 工程概况及地质条件

拟建机场跑道设计长度3 200 m，道面总宽360 m，高程2 430 m，呈南北走向，本文研究区涉及跑道北段1 089 m(图1)。填方区主要位于跑道东侧，面积约34.9×104m2，填方平均高度在30 m以上，最大高度达66 m，填方边坡总体坡率按1∶2设计。

图1 研究区工程地质平面图

场区属剥蚀-溶蚀浅丘地貌，地形起伏较大，高程2 384～2 470 m，最大高差86 m，自然斜坡坡度一般为10°～25°，局部在30°以上。区内主要出露二叠系下统梁山组(P1l)和石炭系上统马坪群组(C3mp)地层，其中梁山组(P1l)地层构成填方边坡下伏基岩，岩性为中厚层砂岩夹薄层碳质页岩、泥岩，砂岩层厚0.3～0.5 m，碳质页岩、泥岩层厚0.05～0.1 m。区内岩层倾向NEE，倾角11°～18°，与坡角相近，形成典型的顺向坡结构。

区内自然斜坡稳定性较差，发育两处中型“滑移-弯曲”型滑坡和一处不稳定斜坡。滑体最大厚度为11.3 m，由高黏粒含量的块碎石土构成，滑带以灰黑色黏土为主，含10%～15%角砾，母岩为碳质页岩，厚0.1～0.2 m。滑带下部6～8 m岩体破碎，系深部变形之结果。孔深15～31.5 m范围内揭露多层软弱夹层，泥化严重。

综上，该区地质条件对高填方工程的实施十分不利，“硬夹软”的岩性组合、顺向坡结构、深厚覆盖层、软弱夹层无一不对高填方边坡稳定性产生重大影响，复杂的地基结构将导致高填方边坡具有多种可能的失稳破坏模式。

3 高填方边坡失稳破坏模式分析

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。因此，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。根据地基结构复杂程度不同，可将区内填方边坡划分为3种情况：(1)在老滑坡上填方；(2)在不稳定斜坡上填方；(3)在未变形斜坡上填方。本文着重对第一种情况进行分析，后两者以此类推。

(1) 在老滑坡上填方

直接在老滑坡上填方时，地基结构最为复杂发育4层软弱面(带)，分别为原始坡面、老滑坡滑带、浅层潜在滑带、深部软弱夹层。以Ⅰ-Ⅰ′剖面阐述高填方边坡可能的失稳破坏模式(图2-A)。

Ⅰ-Ⅰ′剖面穿越H1滑坡，受地基结构控制，填方边坡存在5种可能的失稳破坏模式：①因原始坡面植被发育，土层疏松，若清理不善，易在填方体下部形成软弱面，发生“蠕滑-拉裂”式圆弧形滑动破坏，滑面上部以弧形扩展至填方体表面，前缘于坡脚剪出；②老滑坡滑带强度低，也是地下水富集部位，填方边坡局部追踪老滑带发生“蠕滑-拉裂”型圆弧形滑动，上部以弧形扩展至填方体表面，前缘于坡脚剪出；③填方边坡沿老滑坡滑带发生“滑移-拉裂”式整体失稳，前缘于坡脚剪出；④原始斜坡沿碳质页岩泥化夹层发生明显的变形，填方边坡可沿该潜在滑带发生“滑移-弯曲”型破坏，前缘于坡脚剪出；⑤受岩性组合控制，坡体深部存在多个由碳质页岩泥化而成的软弱夹层，填方边坡可沿该软弱夹层发生“滑移-弯曲”型破坏，前缘于坡脚剪出。

(2) 在不稳定斜坡上填方

在不稳定斜坡上填方时(Ⅱ-Ⅱ′剖面)，因坡表覆盖层厚度小，可视原始坡面为基覆界面，此时边坡的软弱带主要为原始坡面(基覆界面)、潜在滑带、深部软弱夹层。填方边坡存在3种可能的破坏模式(图2-B)：①沿原始坡面(基覆界面)发生“蠕滑-拉裂”式圆弧形滑动；②沿潜在滑带发生“滑移-弯曲”型顺层滑动；③沿深部软弱夹层发生“滑移-弯曲”型顺层滑动。

(3) 在未变形斜坡上填方

地基结构相对简单(Ⅲ-Ⅲ′剖面)。填方边坡存在2种可能的破坏模式(图2-C)：①沿原始坡面(基覆界面)发生“蠕滑-拉裂”式圆弧形滑动；②沿深部软弱夹层发生“滑移-弯曲”型顺层滑动。

4 高填方边坡稳定性计算

4.1 计算模型

由于区内高填方边坡地基结构复杂，失稳破坏模式多样，为达到全面评价之目的，对每一种破坏模式下的稳定性作了逐一计算。针对3种地基情况(①在老滑坡体上填方；②在不稳定斜坡上填方；③在一般斜坡上填方)，分别选取Ⅰ-Ⅰ′、Ⅱ-Ⅱ′、Ⅲ-Ⅲ′剖面建立计算模型(图3)。计算方法采用Morgenstern-Price法[7]，计算在GeoStudio软件的slope/w模块中进行。分别计算了高填方边坡在天然、暴雨、地震(地震动峰值水平加速度a=0.10 g)3种工况下的稳定性。

Ⅰ-Ⅰ′剖面，穿越老滑坡H1，最大厚度11.3 m，下伏6～8 m基岩较破碎，系原始斜坡顺层变形之结果。坡内发育由碳质页岩演化而成的软弱夹层，厚约2.4m，深度10.1～21.4 m。计算模型长约521 m，高约118 m，最大填方高度49.3m(图3-A)。

Ⅱ-Ⅱ′剖面，穿越不稳定斜坡BW1，潜在滑带最大深度6.7 m，坡内发育软弱夹层，厚约1.7 m，深度3.9～15.4 m。计算模型长约479 m，高约120 m，最大填方高度40.6 m(图3-B)。

Ⅲ-Ⅲ′剖面，坡表覆盖层最大厚度6.2 m，主要分布于坡脚一带。原始斜坡无明显变形，下伏基岩发育软弱夹层，厚约1.3 m，最大深度9.7 m。计算模型长约415 m，高约110 m，最大填方高度41.2 m(图3-C)。

图2 高填方边坡失稳破坏模式

图3 计算模型图

4.2 参数选取

考虑到真实地质条件的复杂性，本文在建立计算模型时进行了适当简化，将砂岩、灰岩等坚硬岩体作同种材料处理，松散覆盖层、潜在滑带、软弱夹层等软弱面(带)单独设层。参数选取主要依据现场及室内土工试验成果，结合当地工程经验值综合确定(表1)。

4.3 结果分析

不同破坏模式下高填方边坡稳定性计算结果见表2。根据《建筑边坡工程技术规范》(GB50330-2013)，当稳定性系数FS≥安全系数Fst，边坡处于稳定状态，无需进行支护；当1.05≤FS

表1 稳定性计算参数表

表2 高填方边坡稳定性计算结果

剖面Ⅰ-Ⅰ′：暴雨和地震工况下，除模式⑤外，其余破坏模式均处于欠稳定状态，表明边坡易沿原始坡面、基覆界面、老滑坡滑带及浅层潜在滑带发生滑动，沿深部软弱夹层发生失稳的可能性小。

剖面Ⅱ-Ⅱ′：暴雨和地震工况下，边坡处于欠稳定状态，可沿原始坡面(基覆界面)、浅层潜在滑带及深部软弱夹层发生滑移。

剖面Ⅲ-Ⅲ′：暴雨和地震工况下，模式①边坡处于欠稳定状态，易沿原始坡面(基覆界面)发生滑移破坏；模式②尽管处于基本稳定，但深部软弱夹层的存在，使边坡不满足安全要求。

5 结论及建议

区内高填方边坡在暴雨和地震校核工况下不满足稳定性要求，原始坡面、老滑坡滑带、浅层潜在滑带往往构成危险滑面，可发生“滑移-弯曲”型或“蠕滑-拉裂”型圆弧形滑动破坏，部分情况下深部软弱夹层可能构成滑面。据此提出如下防治建议：

(1) 确保填料质量，选择合理的压实工艺，在保证1∶2总坡率前提下，分级放坡，设置马道，并对坡面、坡脚进行防护。

(2) 高度重视原地面地基处理，彻底清除坡表老滑坡体、覆盖层和植被，开挖台阶，增大填方体与地基接触面强度，协调填方体与地基变形。

(3) 加强地表和地下排水措施建设，结合马道设置截排水沟，修设盲沟，同时在填方体内设置多层透水层。

(4) 采用抗滑桩强制支护措施加固高填方边坡，也可采用反压法提高边坡稳定性。