十堰某扶贫产业园高填方边坡整体与局部稳定性分析

武 哲， 刘明扬， 田 宁， 黄珏皓

(1.中国建筑国际集团有限公司， 香港 999077； 2.中建国际投资(湖北)有限公司， 武汉 430000；3.中国科学院 武汉岩土力学研究所岩土力学与工程国家重点实验室， 武汉 430071； 4.中国科学院大学， 北京 100049)

边坡稳定性是岩土工程中的一个重要研究对象，常用边坡稳定性分析方法有极限平衡法和数值计算法[1]。对于复杂非均质边坡，常采用数值计算方法计算边坡稳定性，主要有混沌优化[2]、随机法[3-4]、强度折减法[5-7]等方法确定滑动面；对于简单均质边坡，常采用极限平衡法分析边坡稳定性。邹广电等[8]将条间力与安全系数联系，建立了更为严格的普遍极限平衡法，采用极限平衡法分析了边坡稳定性。陈祖煜等[9]基于传统的Spencer法，将极限平衡法扩展到了三维。

极限平衡法是根据静力平衡原理，分析边坡在各种破坏模式下的受力状态以及边坡滑体上的抗滑力与下滑力的关系来表征边坡的稳定性。工程中常用的极限平衡法有费伦纽斯(Fellenius)法、毕肖普(Bishop)法、泰勒(Taylor)法、简布(Janbu)法、摩根斯顿-普赖斯(Morgenstern-Price)法、斯潘塞(Spencer)法以及传递系数法等。

由于极限平衡法原理简单，计算速度快，计算精度高，可以给出物理意义明确的边坡稳定系数以及可能的破坏面，常被用来进行边坡稳定性分析。结合十堰某扶贫产业园“挖山填沟”项目，依据工程资料，划分计算剖面，基于Geo-Studio软件的SLPOE/W模块，对施工整平后的“梯田式”长边坡进行了稳定性分析。

1 工程实例

1.1 工程背景

2013年11 月，习近平同志到湖南湘西考察时首次作出了“实事求是、因地制宜、分类指导、精准扶贫”的重要指示。2015年，习近平同志在减贫与发展高层论坛上再次强调，中国扶贫攻坚工作实施精准扶贫方略。2017年4月，国家启动实施建设河北雄安新区战略规划，河北省随之对产业进行调整，部分雄安新区产业向周边转移。

据不完全统计，雄安新区产业调整前，在京津冀范围内有约5 万郧西籍人员从事木材加工产业。为了承接雄安新区产业转移、号召郧西籍人士回乡创业、响应国家精准扶贫战略政策、拉动当地经济快速发展，郧西县委、县政府启动河夹扶贫产业园项目建设。

1.2 地形地貌

拟建建筑物场地位于十堰市郧西县河夹镇以东约2 km处，距离郧西县城约20 km，距离福银高速青曲收费站约15 km，地理位置优越，交通便捷，场地宏观地貌属于丘陵谷地，总体地势北高南低，勘察区山顶标高330～470 m，山脊呈条带状，分水岭明显。沟谷多呈V形或U形，如图1所示。沟谷标高270～390 m，切割深度40～100 m。两侧边坡坡度为30°～60°，植被发育较好，多以松木、灌木、杂草为主，勘察前场地已进行了清表，拟建场地属于山地，非基本农田保护区，也不是水源林保护区。

图1 场地平面位置卫星图

1.3 工程地质条件

根据勘察资料，园区为丘陵谷地地貌，地形起伏较大，场地内上覆一层厚度为1.0～22.0 m的第四系(Qdl)坡积土,下伏晚白垩纪寺沟组(K2s)泥质粉砂岩、砂砾岩和南华纪耀岭河组(Nhy)钠长绿帘绢云千枚岩。覆盖层以中软土和中硬土为主，建筑场地类别为Ⅱ类，场地地震基本烈度为6度，设计基本地震加速度值为0.05g，设计特征周期为0.35 s，抗震设计分组为第一组，拟建场地属建筑抗震一般地段。建筑物设防类别为标准设防类。结合区域地质资料调查，拟建场地内没有断裂、地裂缝、岩溶等影响场地稳定性的不良地质作用，区域及场地稳定性较好，属于基本稳定场地，工程建设适宜性差，岩土体的计算参数具体取值见表1。

表1 岩土体计算参数

由于扶贫产业园场地过大，地形复杂，高差较大，为更好地满足分步实施的条件，将场地分为A、B、C、D、E、F 6个分区，如图2所示。其中A区位于整个园区的最高处，可以俯瞰整个园区场地综合坡度约为1.8%；B、C、D区为台地梯田形式，每一级台地宽度为80～90 m，相邻台地梯田高差约为7 m，台地横向综合坡度约为0.5%；E区与D区相接，台地高差约为10 m，综合坡度约为3%；F区位于B区南侧，与B区以高边坡相连接，场地分为6个小台地，相邻台地高差约为10 m。

图2 扶贫产业园场地划分图

2 边坡稳定性分析

2.1 边坡局部稳定性分析

由于边坡G区存在局部高边坡，因此在进行施工之前，对场地内存在的高边坡进行稳定性分析，考虑土体处于天然与饱和两种状态，结合地震作用共4种工况，对G区高边坡进行稳定分析。依据工程资料，地震烈度取7度，地震水平系数为0.038，竖向系数为0，图3给出了在水和地震作用下利用Morgenstern-Price法求解得到的G区边坡稳定系数。

图3 G区高边坡稳定性计算结果

表2给出了不同劣化作用下边坡稳定系数。由表2可以看出，对于不同计算工况下，水和地震作用下均对边坡具有劣化效应，单一作用下，水对边坡的劣化效应要比单一地震作用下大，叠加效应下边坡稳定系数达到最小。

表2 G区边坡安全系数

2.2 边坡整体稳定性分析

对于施工整平后的“梯田式”边坡进行稳定性分析，根据钻孔柱状图及勘察资料，在Geo-Studio软件的SLOPE/W模块中建立模型，如图4所示。图4(a)展示了A-B-G-F区边坡剖面图，图4(b)表示的是A-D-E区边坡剖面图。根据工程经验，在两个边坡剖面中沿着岩土体接触面划分若干个最危险滑动区域，如图5所示，利用数值计算软件计算相应滑动区域的边坡稳定系数。

图4 “挖山填高”边坡剖面图

在A-B-G-F边坡剖面中划分6个最危险滑动区域，其中，1～5号区域采用指定滑面的方式计算稳定系数，6号区域利用数值分析软件自动搜索滑面，如图5(a)所示；在A-D-E边坡剖面中划分一个最危险滑动区域，采用指定滑面的方式计算边坡稳定系数，如图5(b)所示。

图5 边坡最危险滑动区域划分

采用极限平衡法求解边坡稳定系数时，对于A-B-G-F边坡中的6#滑面和A-D-E边坡中的1#滑面采用了两种不同的方法求解边坡稳定系数，边坡稳定系数如表3所示。从表中可以看出所有边坡稳定系数均大于1，表示在天然工况下边坡处于稳定状态。此外，采用Bishop法求解得到的边坡稳定系数计算结果普遍大于使用Morgenstern-Price法，这意味着在实际工程中，单一采用Bishop法求解边坡稳定性得到的结果偏于危险。图6给出了对于6#滑动区域自动搜索得到的滑动面，从图中可以看出极限平衡法通过将最危险滑动区域划分为若干个圆弧面后，建立力平衡与矩平衡方，程通过求解土体受力来获得边坡稳定系数，进而确定最危险滑动面。

图6 A-B-G-F边坡6#滑面

表3 边坡安全系数计算结果

3 结论

基于极限平衡原理，利用Morgenstern-Price法和Bishop法基于Geo-Studio平台的SLOPE/W模块，对湖北十堰某扶贫产业园边坡进行了稳定性分析，主要结论如下：

1)水和地震作用均对边坡稳定性有劣化效应，单一因素作用下，谁的劣化效应大于地震作用，当劣化效应叠加时，边坡稳定性最差，稳定系数最小。

2)基于极限平衡原理的M-P法计算结果一般小于Bishop法求解得到的计算结果，在实际工程中但亦采用Bishop法求解边坡稳定性得到的计算结果偏于危险。

3)含有多层土体的边坡最危险滑动面一般位于岩土体交界面上，在划分危险区域时，可依据这一特点在岩土体交界面周围划分区域搜索滑面。