印尼某火电厂A2—A4区人工边坡失稳机制研究

韩 重，张仁成，李立瑞，汪艮春

(1.中国华电香港有限公司， 北京 100035；2.中南电力设计院有限公司， 湖北 武汉 430071)

随着国家“一带一路”和“海上丝绸之路”的政策理念持续深入人心，国际间工程建设活动交流往来日趋密切，援外互助项目日益增多，面对境外陌生的工程地质条件和复杂的工程项目，建设者们迎来了新的机遇和挑战。

工程活动中人为开挖、填筑所形成的人工边坡一直是土木工程界关注的热点和难点。随着深基坑开挖、水利枢纽、火电能源工程等建设的需要不可避免的伴随许多开挖填筑形成的人工边坡，其建造规模也日益增大，但由于场地地质条件复杂、勘察不到位、设计防护不当、施工扰动过大、外界地震或强降雨干扰等多种不利因素的影响，导致人工边坡失稳破坏的事故屡见不鲜，对临近工程建设活动的影响甚大，甚至严重威胁主要工程项目的安全生产运营，由此上述区域人工边坡失稳破坏机制的研究急需深入探讨。

为了使人工边坡能够长期安全稳定，保障施工项目的安全施工及后期运行，国内外学者对人工边坡的研究多集中在以下几个方面：(1)人工边坡土体的敏感性分析[1-5]；(2)人工边坡的稳定性评价[6-11]；(3)人工边坡的安全控制措施研究[12-16]；(4)人工边坡的监测措施研究[17-21]。综上，人工边坡的研究目的是保证主体工程正常安全运行以及工程长期防灾减灾目标。

基于国内外学者对人工边坡的认识积累，依托印度尼西亚某火电厂A2—A4区问题人工边坡，探讨该区人工边坡变形失稳机制，发现和总结人工边坡失稳破坏的根本原因，综合评价其失稳破坏模式，寻找解决该厂区边坡的安全处治措施，为该区类似人工边坡提供安全保障经验，相关研究具有一定的借鉴意义。

1 工程概况

1.1 工程简介

华电(印尼)玻雅2×660 MW坑口电站工程位于印度尼西亚南苏门答腊省穆印县Tanjung Agung镇境内，地处PT Bukit Asam矿区南部，建设场地属于剥蚀丘陵地貌，经场地平整后，四周形成挖方边坡与填方边坡组合的人工边坡，其中挖方边坡主要分布于厂区北侧、西侧、东北侧、南侧、东南侧和东侧，最大坡高约22 m，总长度约1 602 m;填方边坡主要分布于厂区西北侧、东北侧和西南侧，最大坡高约23 m，总长度约1 717 m。A2—A4区属于问题边坡，位于所建厂区正北方向。场地挖填方人工边坡建设图及问题厂区位置详见图1。

图1 厂区挖填方人工边坡建设图

1.2 A2—A4边坡失稳过程及现状

2019年9月16日，现场巡视人员发现A2—A4段边坡坡顶出现裂缝，缝长约30 m～50 m，隐约可见，缝宽0.1 cm～1.0 cm不等；17日，裂缝宽度有所增加，缝宽0.2 cm～2.0 cm不等；18日，裂缝长度有所增加，缝长约60 m～70 m，缝宽0.2 cm～4.0 cm不等；19日，裂缝长度及宽度继续扩大，未见收敛，裂缝长度约90 m，缝宽0.5 cm～10.0 cm不等；20日凌晨3时，A区坡脚碎煤机室基坑靠近边坡坡脚侧发生垮塌，后部坡体形成滑坡，滑坡主轴长约100 m，前缘宽约200 m，滑坡体积约12万m3，属于中型滑坡(见图2)。

图2 A2—A4区边滑坡现状

1.3 A2—A4区主要地层及岩土性质

根据勘察提供的工程地质剖面，结合现场开挖揭露的地层断面(见图3)，A2—A4区核心地层及岩土性质自上而下依次为：(1)全新统残坡积黏土，黄褐、红褐、褐黄等色，稍湿—饱和；(2)更新统残坡积黏土，灰、深灰、红褐等色，主要由黏土矿物构成，局部含有石英、长石颗粒，呈硬塑—坚硬状态；(3)全风化泥岩(滑体及滑带)，灰、深灰等色，全风化，未胶结，局部夹砂岩，主要由黏土矿物构成，岩芯呈坚硬的黏土状；(4)煤层，黑色，全风化，岩芯呈碎块状，透镜体，厚度不一，性质较差，易扰动和软化，相对软弱，切穿暴露是牵引滑动的主因；(5)强风化泥岩，灰、深灰等色，强风化，未胶结，局部夹泥质砂岩，主要由黏土矿物构成，岩芯呈坚硬的黏土状。

图3 边坡开挖所揭露地层

根据勘察设计报告、室内外试验并结合地区经验和工程类比，综合确定各地层岩土体的物理力学性质指标建议值，详见表1。

表1 A2—A4区边坡各地层计算参数统计表

2 基于数值仿真的A2—A4区滑坡变形破坏机制

2.1 计算模型及边界条件

根据勘察提供的地形图、工程地质剖面和现场施工进度，选用Rockscience系列中的Phase 2D有限元分析软件进行数值仿真计算，分别建立A2—A4区A2-1、A3-2、A3-3、A4-4段初始地形、现状地形、开挖整形的有限元数值模型。模型均采用三角形网格划分，网格类型为Triangles，计算采用理想弹塑性本构模型，采用Mohr-Coulomb屈服准则，边界条件采用边坡底部固定约束，侧面法向约束，地表自由。材料模型计算参数详见表1。计算模型见图4。

图4 考虑地形变化的A2—A4区边滑坡计算模型

2.2 A2区变形破坏机制

通过对A2区初始地形及现状地形进行有限元计算，初始地形及现状地形的水平位移、竖向位移以及剪应变如图5所示。

图5 地形改变造成的A2区变形云图

由图5可知，地形改变造成A2区边滑坡向临空方向发生整体运动，水平位移最大的位置发生在坡脚，由0.022 5 m变为0.171 0 m；沉降最大的位置在坡顶，由0.225 0 m变为0.270 0 m；剪应变最大的位置在坡脚，由0.013 0变为0.050 0，剪应变和水平位移云图揭示的变形破坏模式接近圆弧滑动。

2.3 A3区变形破坏机制

通过对A3区初始地形及现状地形进行有限元计算，初始地形及现状地形的水平位移、竖向位移以及剪应变如图6所示。

图6 地形改变造成的A3区变形云图

由图6可知，地形改变造成A3区边滑坡向临空方向发生整体运动，水平位移最大的位置发生在坡脚，由0.076 5 m变为0.450 0 m；沉降最大的位置在坡顶，由0.475 0 m变为0.680 0 m；剪应变最大的位置在坡脚，由0.016 0变为0.100 0，A3-2地段剪应变和水平位移云图揭示的变化破坏模式接近圆弧滑动，最深发展到煤层；A3-3地段剪应变和水平位移云图揭示的变形破坏模式为煤层切穿暴露造成的组合滑移。

2.4 A4区变形破坏机制

通过对A4区初始地形及现状地形进行有限元计算，初始地形及现状地形的水平位移、竖向位移以及剪应变如图7所示。

图7 地形改变造成的A2区变形云图

由图7可知，地形改变造成A4区边滑坡向临空方向发生整体运动，水平位移最大的位置发生在坡脚，由0.051 0 m变为0.540 0 m；沉降最大的位置在坡顶，由0.270 0 m变为0.380 0 m；剪应变最大的位置在坡脚，由0.008 0变为0.030 0，剪应变和水平位移云图揭示的变形破坏模式为煤层切穿暴露造成的组合滑移，同时土岩分界面也可能造成局部变形过大。

3 A2—A4区边滑坡加固措施研究

3.1 A2—A4区边滑坡加固措施方案

初始地形坡度较缓，在场地整平过程中，局部由于土岩界面和煤层开挖暴露造成不同规模的坍滑，临近建构筑物基坑的开挖也加剧了破坏规模及变形范围，上述滑坡变形破坏机制分析也佐证了这一点。针对A2—A4区边滑坡地段的岩土工程勘察和边滑坡防治工程设计，形成的加固方案见图8。

3.2 A3区边滑坡加固措施计算模型

在上述A2、A3、A4区加固措施+施工作业顺序下，建立现状地形、抗滑桩激活、不同开挖步+对应锚杆加固措施激活、桩锚结构的预应力锚索激活、基坑开挖的多步动态Phase2D有限元数值模拟工况，见图9。限于篇幅，仅展示A3-2滑坡段采取加固措施下的有限元计算过程及结果，其他滑坡段加固过程及加固效果类似。

图8 A2—A4区滑坡加固方案

图9 考虑加固措施下的A3-3段数值计算

3.3 A3区边滑坡加固措施作用效果分析

根据A3-2区计算结果，整理了考虑加固措施、不同开挖工况的该区边滑坡的水平位移及剪应变演化规律，各阶段水平位移结果见图10，剪应变结果见图11。

图10 A3-2各加固阶段下的水平位移云图

图11 A3-2各加固阶段下的剪应变云图

由图10及图11可知，考虑桩锚+坡面锚杆加固下，A3-2区边滑坡向临空方向产生的整体运动，得到了极大约束，水平位移云图范围缩减，抗滑桩的存在阻止了坡脚往深部的位移发展，但在桩基以上整形边坡的中下部水平位移的颜色较深，没有发展到坡顶，这也提醒存在局部越顶的潜在风险，相对于不采取加固措施，变形绝对值和范围得到极大的改善；基坑开挖造成坑壁失稳；剪应变云图显示随着抗滑桩施工，剪应变云图的贯通趋势得到抑制，但是随着整形存在局部越顶变形贯通趋势，需要引起重视。

由图12可知，A3-2区，整个坡面分级整形和分级加固下，位移变化呈小幅增加趋势，只有在最后整形完成和基坑开挖阶段出现急剧增加，基坑开挖对该区边坡变形破坏的影响占比较大，起控制作用。这也说明了边坡存在局部越顶破坏和基坑侧壁坍滑失稳的潜在滑移风险，需要引起重视。

图12 考虑加固措施和开挖工况的A3区位移-施工步曲线

4 A2—A4区人工边坡失稳机制综合评价及安全控制措施

4.1 A2—A4区人工边坡失稳机制综合评价

经过上述不同条件下的有限元数值仿真，结合现场调查，可以综合判定A2、A3、A4区边滑坡的失稳机制、治理效果和后期施工安全注意事项，具体如下：

(1) A2区边滑坡，未采取加固措施下的边坡整形，会造成边坡在全风化泥岩及上部土层内的圆弧滑动；坡面采取锚杆加固+坡脚桩锚加固下，煤层和全风化泥岩及上部土层内的组合变形没有发展贯通趋势，边坡整体安全。

(2) A3-2段边滑坡，未采取加固措施下的边坡整形，会造成边坡在全风化泥岩坡脚剪出+煤层+上部土层内弧形组合滑动；坡面采取锚杆加固+坡脚桩锚加固下，整形期间存在沿二级坡坡脚+煤层+全风化泥岩+上部土层内越顶组合滑移风险；基坑开挖造成基坑侧壁坍滑风险，需要引起重视。边坡整形期间应加强安全监测，基坑开挖期间需要密切关注基坑坑壁安全和基坑施工造成的整形边坡稳定状态的劣化。

A3-3段边滑坡，未采取加固措施下的边坡整形，一旦切穿煤层或者造成该层临空则会造成煤层+全风化泥岩+上部土层的组合牵引滑动；坡面采取锚杆加固+坡脚桩锚加固下，煤层和全风化泥岩及上部土层内的组合变形没有发展贯通趋势，边坡整体安全。

(3) A4区边滑坡，未采取加固措施下的边坡整形，一旦切穿煤层或者造成该层临空则会形成煤层+全风化泥岩+上部土层的组合牵引滑动；坡面采取锚杆加固+坡脚桩锚加固下，煤层和全风化泥岩及上部土层的组合变形没有发展贯通趋势，边坡整体安全。

4.2 A2—A4区人工边坡安全控制措施

(1) 根据数值仿真结果，A3-2区段有越顶破坏的风险，建议加强后期管养工作，保障坡顶截排措施、坡面截排措施、坡脚截排措施的有效性，对于坡面可能的溢出点位置增设盲沟及时疏排。该区是现场管理的重点区段，截排措施的有效性是保障边滑坡中长期安全的重要保障手段。

(2) 加强其他临近边坡地段的基坑支护和边坡安全监测工作，数值仿真和A2—A4区边滑坡的安全监测表明，该区土岩界面集水软化、全风化泥岩坡脚的浸水软化或施工扰动、煤层的切断暴露、临近基坑开挖是挖方边坡破坏的主要地质原因和外部环境改变诱因。因此，基坑支护、监测、现场管理也需要加强，坑内、坡脚严禁积水。

(3) 加强现场整体管理，严禁先基坑后边坡，边坡整形稳定后方可进行临近基坑施工。

5 结论和建议

根据印度尼西亚某火电厂A2—A4区的问题人工边坡，采用多种方法综合探讨了该区人工边坡失稳机制和破坏模式，所得主要结论如下：

(1) A2—A4区人工边坡变形失稳机制主要为全风化泥岩下软弱地层(煤层)切穿暴露所造成的组合滑移以及坡体沿土岩分界面的局部变形，变形破坏模式接近圆弧滑动。人工边坡中的软弱夹层是导致边坡失稳的主控因素，施工过程中应重视地勘并严禁陡坡开挖及切穿暴露软弱层。

(2) A2、A4区综合考虑桩锚+坡面锚杆的方式进行加固，煤层和全风化泥岩及上部土层内的组合变形没有发展贯通趋势，边坡整体安全。A3区在加固作用下存在沿二级坡坡脚+煤层+全风化泥岩+上部土层越顶组合滑移风险以及基坑开挖造成基坑侧壁坍滑风险，需要引起重视并加强监测。

(3) A3-2区段有越顶破坏的风险，建议加强后期管养工作及现场整体管理，保证截排措施的有效性，严禁先基坑后边坡开挖，边坡整形稳定后方可进行临近基坑施工。