厂区挖方边坡稳定性分析及支护措施研究

刘宇镔

（中核华辰工程管理有限公司，福建 莆田 351100）

1 引言

随着工程建设的规模和范围日益增大，在丘陵地区修建厂房已经极为常见。在厂房建设中，需要对边坡稳定性问题进行处理，其中，大部分需要对边坡进行挖方处理，极易使原本稳定的边坡变得不稳定，导致工程事故的发生，因此，对厂区挖方边坡稳定性及支护措施进行研究具有极为重要的意义，诸多研究人员对此高度重视[1-4]。李振东等[5]采用Geo-Studio软件建立挖方高边坡模型，通过对3种不同挖方施工方案进行数值模拟，分析挖方高边坡的变形破坏特征和稳定性，探究不同放坡坡率对挖方高边坡稳定性的影响；樊炼等[6]以路堑边坡的工程地质条件，采用FLAC3D强度折减法和刚体极限平衡法对路堑边坡开挖过程的稳定性进行了综合研究；屠义伟[7]总结出适合我国山区高速公路挖方边坡的安全防护和稳定性评价技术。

综上所述可以看出，目前已有较多边坡开挖稳定性的研究，但对于拟建厂区的挖方边坡稳定性研究较少。鉴于以上思考，本文以拟建明溪县明源水厂及鱼塘溪生态水系综合治理工程（厂区部分）为工程对象，对关键挖方边坡进行稳定性分析及支护措施研究，以期为今后类似工程提供参考和借鉴。

2 工程概况

拟建明溪县明源水厂及渔塘溪生态水系综合治理工程（厂区部分）位于三明市明溪县雪峰镇城关中学西北侧。本项目为3×104m3/d规模净水厂工程，市政工程重要性等级为二级，场地复杂程度等级为二级，岩土条件复杂程度等级为二级，市政工程勘察等级为乙级。

2.1 场地位置及地形地貌

勘察场地位于三明市明溪县雪峰镇城关中学西北侧，为丘陵地貌。钻机进尺时场地尚未平整，场地为山坡林地，地形起伏大，山坡坡度约15°～40°，北高南低。场地范围内最高点在场地北侧为439.41 m，最低点在西南侧厂区入口处，标高为390.54 m；场地北侧和西侧有大量小型坟墓，正在迁移。

场地地势较陡，北高南低，现有地面标高约为390.54～427.80 m，按场地设计室外整平标高平整后，场地西南角尚须回填0～15.00 m，平整回填后将形成最高约15.00 m的人工填土陡坎，在北侧形成高约10～35 m的人工开挖边坡，坡度约为30°～45°。

2.2 场地岩土性质及其均匀性

根据钻探资料，在钻孔控制深度范围内，表部土层为人工填土，中下部为坡残积成因类型土层，底部为基岩风化带。按其成因、力学强度不同可分为6层，现自上而下描述如下：

1）素填土层①：浅灰色，松散，稍湿；以黏性土及碎石为主，大部分混含碎、植物根系及块石，土层性质不均匀，堆填时间约10年，局部尚未完成自重固结。该层仅分布于场地内的部分地段（共有10个钻孔揭示），层厚0.60～4.90 m，层面标高341.86～404.91 m，层底标高341.26～404.11 m。重型动力触探试验实测锤击数范围值2.0～3.0，标准值2.2；重型动力触探试验修正锤击数范围值2.0～3.0，标准值2.2。

2）坡积黏性土层③：浅黄色等，稍湿，可塑～硬塑。含少量粉细砂及角砾，土层性质较均匀。稍有光滑，韧性和干强度高，无摇震反应。该层分布于场地内的绝大部分地段（共有51个钻孔揭示），层厚1.30～16.70 m，层面埋深0.00～4.90 m，层面标高341.26～439.41 m，层底标高333.56～437.61 m，层面坡度一般5～10%，局部＞15%。标准贯入试验实测锤击数范围值7.0～24.0，标准值12.3，标准贯入试验修正锤击数范围值6.9～17.4，标准值11.1。

3）砂岩残积黏性土层③：黄色等，稍湿，可塑～硬塑。为砂岩风化残留物，主要矿物成分为燧石和长石，次要成分为云母，但长石已完全风化成次生矿物。土层性质较均匀，砂砾含量少于5%；岩芯刀切面稍粗糙，稍有光泽，韧性和干强度中等～低，无摇震反应，遇水易软化。该层分布于场地内的部分地段（共有20个钻孔揭示），层厚3.30～13.10 m，层面埋深0～5.30 m，层面标高400.29～437.61 m，层底标高394.86～430.71 m。标准贯入试验实测锤击数范围值9.0～27.0，标准值14.9；标准贯入试验修正锤击数范围值8.0～23.0，标准值13.0。

4）全风化砂岩④：黄褐色、褐黄色，密实，粉砂状结构，岩体构造类型为散体状；原岩结构基本破坏，但尚可辨认，有残余结构强度；主要成份为燧石和长石，矿物成分显著变化，岩体基本质量等级为Ⅴ级，岩体无洞穴、临空面及软弱夹层等。该层分布于场地内的大部分地段（共有42个钻孔揭示），层厚1.50～19.40 m，层面埋深1.70～17.70 m，层面标高378.78～427.11 m，层底标高372.58～423.51 m。标准贯入试验实测锤击数范围值31.0～47.0，标准值35.6；标准贯入试验修正锤击数范围值22.5～34.6，标准值27.6。

5）砂土状强风化砂岩⑤：黄褐色、褐黄色，密实，砂状结构，岩体构造类型为散体状；原岩结构大部分破坏，主要成份为燧石和长石，矿物成份显著变化，岩体基本质量等级为Ⅴ级，岩体无洞穴、临空面及软弱夹层等。该层分布于场地内的部分地段（共有38个钻孔揭示），层厚2.00～30.70 m，层面埋深3.60～25.90 m，层面标高372.58～430.71 m，层底标高363.68～416.11 m。标准贯入试验实测锤击数范围值51.0～82.0，标准值为57.4；标准贯入试验修正锤击数范围值35.7～57.4，标准值为41.1。

6）碎块状强风化砂岩⑥：灰黄色，稍硬，砂状结构，岩体构造类型为碎裂状；原岩结构大部分破坏，主要成分为燧石和长石，矿物成分显著变化。由于部分钻孔孔深较浅，该层只有38个孔揭示，揭露层厚0.70～33.0 m，层面埋深1.30～38.70 m，层面标高371.56～425.36 m。标准贯入试验反弹。

地基基础设计参数建议见表1。

表1 地基基础设计参数建议表

2.3 水文地质条件

场地位于福建省西北部，北纬26°08′～26°39′，东经116°47′～117°35′。总面积1 708.6 km2。属中亚热带季风气候，四季分明，温湿适中，地形以丘陵为主，山川秀丽，景色迷人。境内有海拔1 000 m以上高山25座，最高的圣水岩为1 561.4 m。山地和丘陵面积占总面积的91.91%，小平原面积占6.98%，水面占1.11%。耕地面积178 462.37亩（约118.97 km2），水域面积28 262.3亩（约18.84 km2）。

明溪县地表水系较发育，但厂区场地内及管道沿线未见地表水系。本地区降雨充沛，大气降水和地表水入渗是本地区地下水的主要补给来源，其补给程度受降雨量、降雨强度、含水层表面入渗程度等条件控制。

场地内的地下水类型为赋存于各含水层中的孔隙及裂隙潜水，各含水层间具水力联系。各含水层中的地下水主要接受大气降水渗补给及地下水侧向径流补给，主要以地下水径流形式向地势较低一带排泄及以地面蒸发形式排泄。素填土层性质不均匀，尤其是黏粒含量、充填方式差异较大，使得该层的孔隙大小、连通性变化较大，往往沿大孔隙呈不规则管状集中式出水，为各向异性含水层，综合透水性中等，富水性一般；坡积黏性土层和砂岩残积黏性土层透水性弱，富水性较小；全风化岩层、砂土状强风化岩层裂隙孔隙率低，碎块状强风化岩层孔隙、裂隙发育，故各风化岩层综合透水性中等。由于各含水层联合厚度大，且以中等透水岩土层为主，故场地内各含水层综合透水性中等、富水性中等。但由于风化岩层裂隙发育的异向性和不均匀性，不排除在局部地段风化岩层中出现地下水涌水量较大的情况。

本次勘察在钻孔深度范围内未观测到地下水位，但由于周边场地正在回填平整中，在一定时期后场地地下水位有可能会上升，上升的幅度取决于周边的地势和地表水的下渗补给程度。据调查，地下水位季节性变化幅度约3～5 m。

拟建配水管道沿线历史最高地下水位标高约341.00 m，近3～5年最高地下水位标高约341.00 m。拟建配水管道沿线今后最高地下水位标高可取相应地面标高下0.50 m。

拟建场地（厂区部分）地势较高内无地表水且钻孔深度内未揭露地下水，据调查，本勘察场地范围内历史最高地下水位标高约377.00 m，近3～5年最高地下水位标高约377.00 m。

2.4 场地稳定性及适宜性

1）拟建场地抗震设防烈度为Ⅵ度，根据区域地质调查资料及建筑场地周边的水文、工程地质勘察成果和本次勘察结果，场地内及其附近无活动的断裂带通过，未发现地裂缝等，可不考虑砂土液化及软土震陷问题，属构造稳定场地。

2）场地地貌较简单，目前未发现滑坡、崩塌、泥石流、地面沉降等不良地质作用；场地整平后，场地东南部将回填有一定厚度的填土层场地西南角尚须回填0～15.00 m，平整回填后将形成最高约15.00 m的人工填土陡坎，在北侧形成高约10～35 m的人工开挖边坡，坡度约为30°～45°。场地地貌较简单，目前未发现滑坡、崩塌、泥石流、地面沉降等不良地质作用；拟建场地分布有一定厚度的填土层，本建筑场地抗震属不利地段，本建筑场地稳定性差，工程建设适宜性差。在对基槽范围内的填土层进行相应处理后，对人工开挖或回填陡坎或边坡进行支护后，场地稳定性尚可，适宜拟建建构筑物的建设。

3 边坡形态与滑动破坏形式

本场地位于山腰处，场地起伏较大，北侧山坡坡度约30°～40°，山坡上主要分布坡积黏性土层和各种风化岩土层。边坡切坡修整后，在北侧形成高约10～35 m的开挖边坡，设计坡度约30°～45°、长度约150 m，边坡坡顶标高约416.00～439.4 m，坡脚标高约406 m。

土质边坡为圆弧滑动破坏，本边坡稳定性分析采用圆弧滑动条分法计算边坡稳定性系数。整个山体岩石未发现大的构造，对边坡稳定影响不大。根据周边资料，岩石一般发育高倾角裂隙，其倾角一般大于边坡天然坡度，因此，基岩一般较为稳定；如果岩石发生滑动，岩石滑动面一般近似于直线形（沿节理裂隙面滑动），当坡角小于节理倾角时，破裂面为追踪节理面滑动呈锯齿状（近似弧形），也可采用圆弧滑动条分法计算边坡稳定性系数。

4 边坡稳定性计算与分析

4.1 计算方式

采用简化毕肖普法验算边坡稳定性，对场地边坡潜在滑动圆弧位置通过计算搜索寻找。圆弧形滑面的边坡稳定性系数可按式（1）~式（3）计算：

式中，Fs为边坡稳定性系数；ci为第i计算条块滑面的黏聚力，kPa；φi为第i计算条块滑面内摩擦角，（°）；li为第i计算条块滑面长度，m；θi为第i计算条块滑面倾角，（°），滑面倾向与滑动方向相同时取正值，滑面倾向与滑动方向相反时取负值；Ui为第i计算条块滑面单位宽度总水压力，kN/m；Gi为第i计算条块单位宽度自重，kN/m；Gbi为第i计算条块单位宽度竖向附加荷载，kN/m，方向指向下方时取正值，指向上方时取负值；mθi为第i计算条块单位宽度竖向荷载，kN/m；Qi为第i计算条块单位宽度水平荷载，kN/m，方向指向坡外时取正值，指向坡内时取负值；hwi、hw,i-1为第i及第i-1计算条块滑面前端水头高度，m；γw为水的重度，取10 kN/m3；i为计算条块号，从后方起编；n为条块数量。

4.2 代表性剖面计算

选取有代表性的11-11′和12-12′两条边坡剖面稳定性验算结果详见表2、图1、图2。由于勘察期边坡地段尚未削坡回填平整，本验算仅考虑边坡削坡后的工况，未考虑后期坡顶回填、建筑物建设及设备货物等荷载。

图1 11-11′剖面边坡稳定性验算图

表2 主要边坡剖面稳定性验算结果

图2 12-12′剖面边坡稳定性验算图

从以上计算结果分析：在天然状态下，即A条件下，边坡整体稳定性系数Fs=0.784～0.861，边坡处于不稳定状态。在饱和状态下，即B条件下，边坡整体稳定性系数Fs=0.663～0.667，边坡处于不稳定状态。同时，根据计算结果，人工削坡后揭露的整个边坡存在滑动的危险，最危险滑裂在坡脚出露。根据国标GB 50330—2013《建筑边坡工程技术规范》，进行边坡稳定性评价时，采用圆弧滑动法计算，对于一级永久边坡，一般工况下其边坡稳定安全系数不应小于1.35，地震工况下其边坡稳定安全系数不应小于1.15，否则应对边坡进行处理。因此，边坡稳定性系数达不到规范要求，设计单位应在上部荷载确定后，对边坡稳定性应进行详细的验算，并进行支护设计或加固处理。

5 边坡有限元分析

5.1 边坡支护方案

根据建筑总平面布置图，场地按室外地面及路面设计标高平整后，厂区北侧形成一条10～35 m的开挖边坡，设计坡度约30°～45°、长度约150 m，边坡坡顶标高约416.00～439.4 m，坡脚标高约406 m，坡脚南侧外为排水池、滤池、滤池设备间及变配电室、混合井、网格絮凝池及平流沉淀池等建构筑物。组成坡体的岩土层以坡积黏性土层、砂岩残积黏性土层、全风化砂岩层、砂土状强风化砂岩为主。计算典型边坡：长约150 m，高约10.00～35.00 m，设计坡度约30°～45°，坡脚标高约为406.00 m，坡顶最高标高约439.41 m，拟采用重力式挡墙结合板肋式或格构式锚杆（或锚索）挡墙进行支护，支挡结构最大墙下荷载约160 kN/m，拟采用浅基础，基础埋深约1.00 m。

5.2 有限元计算模型及结果分析

利用PHASE2有限元软件，按照二维平面问题建立了加固分析有限元模型，模型由3种材料组成，按照空间次序从上往下依次为坡积黏性土层、砂岩残积黏性土层、全风化砂岩层、砂土状强风化砂岩。采用3Noded Triangles单元模拟各岩土层，网格划分后，共计17 336个单元，8 905个节点。对滑坡左侧、右侧边界施加水平向约束，对底界面施加双向约束，并对模型施加初始重力场，方向朝下，边坡计算模型及开挖支护后模型网格划分如图3所示。经计算，加固后边坡关键云图如图4所示。

图3 边坡计算模型及开挖支护后模型网格划分

图4 加固后边坡关键云图

根据以上分析，可以得出结论：采用板肋式或格构式锚杆（或锚索）挡墙支护左侧边坡完全满足边坡稳定性要求，甚至存在足够的安全裕度。对于右侧边坡，利用完整可以不用支护，其自身也可以稳定，但为满足规范要求可直接采用构造措施进行防护即可，无须格构锚固；对于左侧边坡，由于安全系数达到2.41，远远高于规范要求，支护稳定性得以满足。综上所述，该方案支护可行。

6 结论

1）研究区内无对工程建设不利地质活动发生，属稳定区域，适宜工程建设活动。

2）根据厂区工程地质特性，采用简化毕肖普法验算边坡稳定性，对场地边坡潜在滑动圆弧位置通过计算搜索寻找，对比天然状态和饱和状态边坡稳定性发现2种状态下边坡均处于不稳定状态。同时，根据计算结果，人工削坡后揭露的整个边坡存在滑动的危险，最危险滑裂在坡脚出露，应在上部荷载确定后，对边坡稳定性应进行详细的验算，并进行支护设计或加固处理。

3）根据建筑总平面布置图，对典型关键边坡进行支护设计并进行有限元分析，经计算发现采用板肋式或格构式锚杆（或锚索）挡墙支护边坡完全满足边坡稳定性要求，支护方案可行，为今后类似工程提供参考和借鉴。