某大厚度填土场地的地质稳定性分析

程东幸，郭 葆，丁 伟，单 波

（中国电力工程顾问集团西北电力设计院有限公司，陕西 西安 710032）

某换流站位于陕西省府谷县田家寨乡东约7 km处的循环工业经济园区内，是典型黄土状土的高填深挖场地。在站址选定之前，所处场地已进行了整平处理，但由于前期场地整平过程中对原始地形未进行测量，而且场地整平过程中的施工方案及检测资料都难以收集到，因此，给场地的长期稳定性和安全性评价以及相应的针对性设计方案的选取带来了很多困难。

为了对场地地质环境有更多的掌握，在采取详细工程地质调查的基础上，采取综合工程地质勘察手段对场地土的工程地质环境和岩土工程性能进行了研究，系统分析了高填深挖场地地质环境的风险性及地基稳定性。

1 高填深挖场地地质环境概况

1.1 地形地貌及地层岩性

站址区原始地貌属黄土梁峁区，地形起伏较大，冲沟纵横，沟谷深切，地貌形态多呈“V”字型。目前场地已经整平（见图1），平面上形成了东、西两个土质平台，高差约5.0～6.0 m，整平时强夯过的痕迹场地内还清晰可见（见图2）。总体上，场地目前地形平坦、地势开阔。

图1 场地地貌形态

图2 强夯处理痕迹

根据各阶段岩土工程勘察资料可知，站址区地层主要分为上部覆盖层和下伏基岩两大部分。其中上部地层为大厚度人工填土、第四系风积成因的黄土状粉土及冲、洪积相的粉质粘土；下部地层主要为侏罗系砂、泥岩。根据站址区地层分布特性、建（构）筑物埋深、适宜的地基方案分析等可知，上部覆盖层是主要的地基持力层，也是变形控制层，其力学性能的好坏直接影响着地基处理方案的选择和实施，在工程勘察、设计中需要重点关注。

1.2 不良地质作用

不良地质作用是影响场地安全性、建（构）筑物平面布设及地基稳定性的主要因素，准确把握不良地质作用的类型、发育程度对于工程设计、建设期防治措施及运行期防治预案都具有极为重要的作用。

通过对场地的工程地质调查及施工图阶段的勘察可知，场地内的不良地质作用主要分为三类，一是边坡问题，站区在整平深挖高填过程中，在站址内及周边形成了6处土质边坡，既有填方边坡，也有挖方边坡，有些边坡已经出现鼓包或塌陷，影响地基的稳定性；二是站址南侧及东、西各发育一条冲沟，其中东侧冲沟沟口有大量土方堆积体，西侧冲沟正对站址，且沟口被站址填方体堵塞；三是站区存在大面积的填方体，厚度大、均匀性差、存在长期变形的特征，影响建（构）筑物地基的稳定性。

1.3 场地基本岩土工程特征

1.3.1 地基土的湿陷性

湿陷性地基土主要包括①层填土和②层黄土状粉土，其中：①层填土的天然孔隙比介于0.569～1.016，标贯击数2～66击，自重湿陷系数0.001～0.065，湿陷系数0.001～0.072，数据充分显示了该层土湿陷性在空间和平面上的不均匀性及离散性。通过对分布在填方区探井I级样的试验数据分析可知，填土的湿陷性主要集中在场址东北区的局部地段，湿陷类型为II级自重；②层黄土状粉土的天然孔隙比0.640～0.929，自重湿陷系数0.001～0.033，湿陷系数0.001～0.031，标贯击数为4～36击，该层相对①层填土地层的稳定性及工程性能的均一性明显变好，在所分析的湿陷性样本中，具备湿陷数量的较少，而且湿陷性样本在空间和平面上没有规律可循，经统计分析后，只有填方区两小片区域具有自重湿陷性，湿陷等级为II级。

1.3.2 地基土的强度特性

在评价地基土的工程性能时，采用室内外试验对各层土强度特性进行了研究，试验结果见表1。结果显示，除①层素填土、②层黄土强度参数离散性大、工程性能均一性较差外，其余各层土的强度参数较大，工程性能较好，强度上满足换流站各建构筑物的变形要求。

表1 场地地基土强度参数

2 场地地质环境特征及风险分析

2.1 概述

地质环境问题是指地质环境中对人类生存与发展有不利或潜在不利影响的各种不良地质现象和作用。引发这种不良地质现象和作用的应力既包括自然地质作用，也包括人为地质作用，还包括自然—人为共同作用。本文所指地质环境问题主要指自然—人为共同作用的结果，即：挖填引起水文地质环境变化的风险、挖填形成的工程边坡风险以及大厚度填土的长期变形及稳定性风险等。

2.2 站址整平后的水环境特征

水是改变场地环境的重要因素，有效的排水系统将对地质环境的稳定和地基变形的控制起到至关重要的作用。本场地为高填深挖场地，初始整平时，对排水系统的设计并没有高度重视，致使场地内部和外侧出现排水不畅、影响场地安全的不利因素。场地整平后，水环境特征主要表现如下：

2.2.1 1号沟排水系统对场地的安全性影响

1号沟位于站址西南侧，沟深30～40 m，宽50～100 m，冲沟走向正对着站区，因整平时大面积填方的缘故，冲沟中下游地段被填埋，形成一个回填封闭洼地（见图3），严重堵塞了原有地表的排水路径。目前，在沟底低洼地段已有积水存在，同时，由钻孔资料可知，沿冲沟走向同高程的钻孔岩性明显湿度较大，呈很湿或饱和状态，说明有水渗透现象。

图3 1号冲沟形态

冲沟排水系统的堵截和地下水的渗流，会影响挖填交接面地下水位的变化，使渗流通道内地基土出现遇水软化现象，可能出现填土强度降低、短时间内发生大面积沉陷或滑移问题，影响场地的稳定性。

2.2.2 3号沟排水系统对场地的安全性影响

3号冲沟位于站址东南侧，由南北向一条主沟和一条近东西向的小支沟构成，冲沟口正对着站址区东南角地段（见图4）。冲沟呈“V”字型，沟口堆积了大量松散的填土，高约5.0 m。目前，该沟口的地面高程大于站址高程，是一条悬沟。

由近几年该地区雨水特征可知，夏季集中降雨的频率越来越高，且具有强度大、时间短，易形成山洪的特征。沟口的堆积体在大雨情况下，易形成泥石流，对站址稳定性威胁较大，因此，对于3号沟除了设置畅通的排水系统外，需要采取有效的处置措施。

图4 3号冲沟形态

2.3 工程边坡及其特征

站址在整平的过程中，由于采取了挖高填低方案，在站址内及周边共形成了高2.5～65 m的6个工程边坡，这些边坡既有填方边坡，也有挖方边坡，坡体的稳定性直接影响着站址的安全性。通过调查和分析可知，1、2、3号边坡对站址稳定性的影响更为明显，因此，本文主要对这几个边坡的概况及特征进行分析说明。

2.3.1 1号边坡

1号边坡为填土边坡，高约34 m，宽120 m，坡度40°～50°。距离站址西侧围墙约50 m，是回填西侧1号冲沟时形成的土质边坡。目前，坡体未进行支护措施，坡面也未设置排水系统，在降雨及沟底渗水影响下，坡顶已经出现连续性张开裂缝和沉陷现象（见图5），如果这种变形持续发展，将会影响站址的安全性，为避免或减缓边坡沉陷和裂缝发展，建议采取一定的加固、整治措施，可考虑采用防渗及坡脚反压等手段。

2.3.2 2号边坡

2号边坡为挖方边坡，坡面已进行了削坡处理，呈4～6个台阶展布，坡高一般为35～50 m，最高约65 m，坡度40°～50°，是站址南侧分布较连续、规模较大的土质高边坡（见图6）。目前坡面局部已出现了坍塌体以及因雨水汇集、冲刷形成的呈小型串珠式冲槽或小型落水洞，且随着雨水的进一步冲涮破坏，有可能形成局部浅层的连续滑塌或比较大的变形破坏，进而影响站址的安全性，建议对坡体采取相应的防护措施及加大雨季巡查和相应的预警、预防措施。

图5 1号边坡

2.3.3 3号边坡

3号边坡为挖填交互边坡，坡高5～10 m，坡度40°～50°，坡面进行了块石护坡处理，坡体上设置了导水管，已进行了基本的加固处理措施。根据现场调研和勘察可知，目前坡面有鼓包现象，坡顶有裂缝和轻微沉陷变形（见图7）。分析认为出现这些变形的主要原因是站址整平过程中填土不均匀及挖填交接面处理效果不好，同时坡顶未设置有效的排水系统造成的，在不进行加载和坡顶采取有效排水后，边坡不会出现大面积失稳的现象。

图6 2号边坡

图7 坡顶沉陷变形

2.4 大厚度填土引起的地面沉降及裂缝

该站址是典型的大厚度填土场地，填土厚度多以20～30 m为主，最厚超过48 m，填土面积约占整个站址区的40%。勘察资料显示，站址区填土的空间分布随机性很大、工程性能很不均匀。根据研究资料可知，大厚度填方体的沉降变形主要包括两部分，一是重力作用下填方体自身的压缩变形；二是填方体下部土体在上覆土压力作用下的压缩变形。通常填方体的压缩固结过程是非常缓慢的，往往会在工后几年甚至几十年持续进行，因此，建设在填方体上建构筑物的变形是长期的，不均匀的，给基础造成的危害是难以预估的。

站址自2013年整平以来，随着雨水渗透、冲刷等，已形成了不少的狭长裂缝和沉降变形，局部地段甚至出现了贯通的冲沟，这些都给站址的安全性带来极大的威胁。

3 场地地基稳定性分析

整平后的站址区挖填空间交错出现，原有地基土与填方体由于固结沉降时间、密实状态以及历史上的受力状态不一致，使得其在荷载作用下的变形速率和变形空间不协调，容易产生差异变形，进而影响建构筑物的稳定性。通常，对于挖填方场地，影响地基稳定的主要原因包括三个方面，即挖填交接面地基的稳定性、厚填方体自身固结过程中的变形稳定性及工程坡体的稳定性。

3.1 挖填交接面地基稳定性

根据站址周边地形地貌及勘察资料可知，站址区原始地层与填土多呈近直立或大角度倾斜面接触（见图8），原始地层由于在经历了长期的地质和气候变迁影响后，固结沉降已经基本完成，多处于密实状态，在外部荷载的作用下，变形空间已经非常有限，而大厚度填土固结沉降时间短，常呈欠固结状态存在。同时，在整个站址区，填土的厚度变化很大，压实性非常不均匀，因此，挖填交接面处地基土的沉降会出现明显的不均匀性，若建构筑物基础坐落在挖填交接面处，地基土的不均匀沉降将是影响地基稳定的最不利因素。

图8 挖填方大角度交接面

3.2 厚填方地基土的变形稳定性

根据室内外试验资料，站址区填土的平均压实系数为0.86，而《建筑地基基础设计规范》（GB 50007－2011）表6.3.7规定：对砌体承重及框架结构，在地基主要受力层范围内，压实系数要求≥0.97；对排架结构，在地基主要受力层范围内，压实系数要求≥0.96；另外，场地整平时，在填土底部并没有设置有效的排水系统（盲沟），在降雨或地表水入渗情况下，随着地下水位的急剧变化，在填土底部容易形成一个软弱带，引起地基土的大面积沉降或者滑移。

通过上述几个因素分析可知，站址区填土的压实系数偏低以及排水措施的失效，都将是影响填方地基稳定性的重要因素，工程设计和建设中需要引起足够的重视。

3.3 工程坡体的稳定性

在站址整平过程中，周边以及站内工形成6个人工边坡，除1号、2号边坡距离站址围墙较远（＞50 m），6号边坡在站址内部还需要处理外，3、4、5号边坡均距离站址围墙很近，目前3号边坡坡顶已经发现裂陷（见图7）和坡面出现鼓包现象，4号边坡坡顶出现落水洞，5号边坡坡体出现塌落现象，这些变形如果继续，都将对站址围墙及附近建构筑物的地基稳定性带来一定威胁，后期工程建设中需要采取有效护坡或加固措施，才能保证工程的百年大计。

4 结语

某换流站站址地质环境及地基稳定性问题的焦点在于大厚度、大面积的填土处理上，包括大厚度填土的排水系统、填土与原状土之间的差异变形控制以及填方形成的工程边坡稳定性等方面。总的来说，如下几个方面一定要重视：

（1）站址及周边的排水系统。水是整个站址区地质环境稳定和地基变形的控制因素，在地表水或地下水径流通道被堵的情况下，暴雨或雨水集中季节地下水位会发生急剧变化，挖填交接面容易形成软化带，致使发生沉陷或滑移。

（2）处理后填土的压实系数低、均匀性较差，长期变形会持续很长时间，对于挖填交接面，尤其是原始地形呈陡坎或大角度的交接面，当有建构筑物布置时，应充分考虑地基土变形的不均匀性。

（3）有些人工边坡在坡顶和坡面均见到一些沉陷、鼓包及坍塌现象，虽然目前坡体是稳定的，但其变形对于距离坡顶较近建构筑物的稳定性是有影响的，应对坡体相应边坡采取一定的防治措施。