某场地高边坡和洪水综合治理工程研究

张立乾 田义斌 闫 晶 李 兵 孟 良

（1.北京特种工程设计研究院，北京 100028；2.中交规划设计研究院有限公司，北京 100082）

0 引言

极限平衡法是目前最主要的边坡稳定评价方法，在圆弧破坏、平面破坏、曲面倾倒破坏等评价方法的基础上，许多学者从不同角度研究破坏机制及其演化属性[1-5]，如基于极限分析上限法与非线性莫尔-库仑破坏准则及岩体内正应力属性，和强度折减法结合，建立边坡稳定系数的分析法[6-7]；基于应力应变软化模型变形分析，揭示边坡的破坏演化全过程[8-9]。但极限平衡分析法的力学模型与破坏模式相对简单，评价结果常与工程实际存在一定差异。随着计算机技术的发展，数值分析方法特别是有限元和离散元等数值方法得到广泛应用，边坡稳定性评价精度获得较大提升。然而应用实践中发现，有限元方法在搜索最容易出现的潜在滑移区域和分析边坡破坏演变过程方面存在不足，而离散元方法的不足之处在于缺乏严密的理论基础[10]。本文在边坡稳定分析中，采取了极限平衡法与数值分析法相结合的手段，从而提高治理方案分析计算的可靠性。

常用的特小流域计算方法有推理公式法、林平一法和经验公式法等[11]。林平一法是针对坡地汇流特点提出的坡地洪峰计算方法，该方法不足之处在于汇流计算过程中将流域内河道假定为单一对称的矩形河道，与山谷实际地形有一定差别。地区综合经验公式是在缺乏资料的情况下计算洪峰流量的一种简易方法，不足之处在于未充分考虑下垫面影响因素。相比于上述两种计算方法，推理公式法的优势在于方法结构简单，参数较少，对资料条件要求不高，更适用于小流域洪水计算。本文通过实测资料推求的暴雨参数及洪水经验参数，可以使计算结果更加符合小流域暴雨洪水特性。

1 工程概况

工程位于峰山北部山区，峰山属侵蚀构造变质岩山区，区内山体较陡，相对高差约100～300 m。该工程的某场地选址于两侧山脊间的深切“V”字形沟谷中，场地两侧山体陡峭，属于两山夹一沟的典型地形，沟底非常狭窄，没有场地建设所需的自然条件，为了满足场地功能需要，需要将该处现状沟底以近似垂直的坡率下挖10 m 左右，场地面临三处突出的岩土问题，即两侧高边坡防护和所处山沟的防洪排水。场地平面示意图见图1，三维数字地形图见图2。

图1 场地平面示意图

图2 场地三维数字地形

北侧边坡坡脚至坡顶高约50 m，坡率约1∶0.5，出露岩石的岩性主要为变质岩，呈强风化-中等风化，两条断裂带小角度和高边坡坡面斜交穿过，是影响高边坡稳定的关键因素。西侧边坡坡面有一较大堆积体，主要物质为块石土、砂及人工堆积碎石等，物质成分复杂，厚度达11.5 m，方量约5×104m3，是目前边坡潜在滑动变形的主要物质成分。从场址至“V”形山谷流域源头水平距离约1000 m，汇水面积约40×105m2，谷底平均纵坡为15%，其下游正冲建设场地。该场地处于北侧高边坡、南侧滑坡、东侧山谷洪水的正下方，受到来自南、北、东三方面威胁，加之场地空间狭小（建筑场地仅有800 m2），没有缓冲的空间，治理工作风险和难度极大。

2 场地北侧边坡治理

2.1 边坡地质情况

北侧边坡范围内发育2 条断层，编号分别为F1、F2。F1 和F2 断层控制一条厚度4～7 m 的破碎带，破碎带破碎程度较高，岩体多为块状、碎块状，其间可见高岭土等泥质充填，出露面可见岩石掉块。F1和F2 断层分别为破碎带的西面和东面边界。根据现场勘查，F1 断层倾向280°，倾角53°～60°，在边坡中南部出露（6 剖面处），与边坡小角度斜交，夹角约20°，在边坡出露处倾角为53°，并向坡内发育10～30 cm宽的蚀变带；F2 断层仅在边坡最南端出露（8 剖面处），出露处倾向252°，倾角54°（见图3）。根据野外调查及钻探施工，推断F2 断层向北斜插入坡内，向坡内倾向有所变化，大致与F1 断层倾向相同，为280°；F2 断层自边坡出露处向南倾向为252°，F1 断层在边坡最南端向南产状也有所变化，其倾向与F2断层相同，倾向为252°。F2 断层可见有3～5 cm 厚断层泥。断层立面示意见图4。受构造控制，工程范围内岩体节理裂隙发育，优势节理裂隙产状分别为186°∠82°、145°∠19°和18°∠33°。

图3 勘察断面平面布置

图4 F1、F2 断层立面示意

2.2 边坡稳定性计算

边坡岩体的c、φ值采用反算法、经验法及试验指标综合确定，设计推力选用“自然工况、暴雨工况及地震工况”三种工况进行计算，将推力较大者作为设计推力，稳定性计算主要采用极限平衡法，适当进行数值模拟校核，推力计算主要采用传递系数法。边坡稳定性计算具体参数及计算结果见表1。

表1 参数指标、稳定系数及设计推力表

2.3 边坡治理设计

边坡治理设计遵循了“抓住关键、划分主次、分区对策、综合治理、经济适用”的基本治理理念，利用断层破碎带的空间位置这一主要控制因素，结合典型断面的稳定计算成果，综合运用主、被动加固措施，联合排水构造措施，最终形成系统性的综合治理方案，边坡加固治理的典型立面图见图5。治理方案共采用5 种联合治理措施。

图5 高边坡加固治理立面图

（1）预应力锚索墩+挂网喷射砼防护：一级坡采用4 排预应力锚索进行加固治理，锚索长度为15～27 m，锚固段长均为8 m，锚索采用5φs15.2 高强度低松弛的1860 级钢绞线，锚索水平间距4.0 m，竖向间距4.0 m，钻孔直径为150 mm，倾角24°，锚墩嵌入坡面20 cm，采用C35 钢筋混凝土现浇。

（2）预应力锚索框架：按照“强腰固脚”的加固理念，为分担下滑力，于二级-六级边坡坡面分别设置2～3 排预应力锚索进行加固，其中 2-2-5-5 断面每级边坡采用3 排Ⅰ型框架锚索，锚索长度为20～34 m，锚固段长均为8 m，锚索采用5φs15.2 高强度低松弛的1860 级钢绞线，锚索水平间距3.0 m，垂直间距2.5 m，钻孔直径为150 mm，锚索倾角均为24°。锚索端部设钢筋砼框架，每片框架由2 根竖梁和3 根横梁组成，框架梁截面尺寸均为0.6 m×0.5 m，采用C35 钢筋混凝土现浇。6-6 断面、7-7 断面每级边坡采用2 排Ⅱ型框架锚索。

（3）框架锚杆：为加强坡脚抗剪切破坏能力，二级坡面采用4 排框架锚杆加固治理，锚杆长度8 m、9 m，锚筋为1φ25 螺纹钢，锚孔直径110 mm，水平间距3.0 m，垂直间距2.0 m；锚杆端部设置框架，框架梁截面尺寸0.3 m×0.3 m，采用C35 钢筋混凝土现浇。

（4）仰斜排水孔：为截排断层破碎带内地下水，于坡体设置3 排仰斜式排水孔，孔径φ110 mm，仰角6°，孔深16～35 m，孔内插入φ100 mm 软式透水管，内衬φ3mm 螺旋钢丝。呈梅花状布置，水平间距4～6 m（见图6）。

图6 边坡典型断面（3 断面）治理设计图

（5）平台砼挡水捻：为截排三级坡脚仰斜排水孔排出的地下水，二级平台增设挡水捻，挡水捻尺寸为0.4 m×0.4 m 矩形，厚30 cm，采用C20 砼现浇。

典型的边坡治理断面图见图6。

3 场地山谷来洪治理

场地山谷洪水和南侧滑坡在空间位置上耦联，二者相互衔接，应整体考虑，一并治理。治理工程划分为两个阶段，分期实施，一期为排洪工程，二期为南侧滑坡治理工程。项目建设场地处于峰山北部山区“V”字形深切沟从东向西延伸的正下方，山势陡峻，沟谷狭窄，汇水面积大，排洪工程是决定项目安全的关键工程。

3.1 山谷汇流量计算

山谷汇流量的准确计算是排洪设计合理的前提。根据项目的重要性，排洪设计采用百年一遇防洪标准，根据文献[12-15]，采用5 种方法对汇流量进行计算，计算方法及结果见表2。经综合分析，取洪水流量Q1%=20 m3/s 进行排洪渠设计。

表2 百年一遇来洪量计算表

3.2 排洪渠断面尺寸确定

谢才公式或曼宁公式适用于理想沟渠[16]，对于有急转弯或纵坡突变的沟渠则需要采用无压力临界流计算公式确定水深和雍水位，进而确定沟渠截面尺寸。依据《公路涵洞设计规范》（JTG/T 3365-02-2020）中7.2.1 条文规定确定排洪渠截面尺寸，设涵渠净宽2.5 m，求渠涵净高，具体计算公式见式（1）-式（6）。

式中：Vk为涵内临界流速，m/s；Qp为设计流量，m3/s；Bk为临界水深时的涵内静水面宽度，m；ε为涵内侧向压缩系数；Ak为临界水深时涵内净过水面积，m2；Vqs为涵内收缩断面处流速，m/s；hqs为涵内收缩断面处水深，m；hq为涵前积水深，m；Φ为流速系数；为涵前行进流速，m/s。

经计算，hq=2.875 m，设计排洪渠净截面尺寸取值为2.5 m×3.0 m。

3.3 排洪渠平面、纵断面设计

排洪渠从东侧V 字形沟谷出口高程处以导流槽（长度19.58 m）型式起，沿西侧山体通过C20 砼导流槽以41.75%纵坡由南向北将洪水引入截面尺寸2.5 m×3.0 m 的C30 钢筋砼排洪渠，进而引至场坪内排洪渠，场坪内排洪渠以1.5%的纵坡沿南侧山体坡脚场坪边界线由东向西进入截面尺寸2.5 m×3.0 m 的C30 钢筋砼盖板明涵（盖板明涵穿越场坪道路），涵洞出口排洪渠和整个场地的标准断面排洪渠过渡衔接，形成整个场地的完整排水体系。南侧边坡最南侧9 m 范围由于场地狭小，坡面采用锚杆挂网喷砼防护。排洪渠平面布置见图7，纵断面布置见图8。由于南侧滑坡治理为第二期实施，位于其坡脚的排洪沟采取了加盖盖板的排洪渠型式（见图8），加盖板的目的出于以下三点考虑：①防止二期竣工前滑坡局部坍塌覆盖排洪渠造成阻水，引发水患；②排洪渠处于场坪内部，占用了部分原本就已紧张的场坪面积，加设盖板后的标高和场地标高同高，车辆、设备及人员均可在其上活动，从而不影响场坪有效的使用面积；③加设盖板后，盖板和渠身、渠底形成四铰刚构体系，受力更加稳定，盖板按照公路II 级荷载和覆土5 m 荷载最不利包络设计。

图7 排洪渠平面布置示意图及盖板渠横断面（单位：cm）

图8 排洪渠纵断面布置图（单位：m）

4 场地南侧边坡治理

4.1 边坡形态特征

南侧边坡位于“V”字形沟南侧，山体陡峻，边坡表层出露松散堆积体，下伏基岩为涷水杂岩，岩性主要为变质岩。坡体总长约80 m，按走向分为东西2段，东段长约56 m，走向330°，坡度30°～50°，前缘较陡，地表植被稀少；西段长约24 m，走向为285°，坡度30°左右，地表多为植被覆盖。边坡中下部存在堆积层滑坡，滑体主要由人工堆积块石、砂组成，滑体最大厚度约为11.5 m，属浅-中层滑坡，滑体体积约5×104m3，属小型堆积层滑坡。坡体立面见图9，勘测布线平面见图10。

图9 滑坡体立面

图10 勘测布线平面示意图

4.2 滑坡体变形特征

组成滑体的碎、块石土等人工堆积物结构松散，稳定性较差，一般工况下滑体无明显滑动变形，仅见表面石块掉落。修建场地时清理坡脚松散土体致使坡脚变陡，削弱了滑体前缘阻滑作用，使得堆积体稳定性进一步降低，2020 年8 月18 日傍晚，当地突发强降雨，致使滑体前缘出现局部滑塌，滑塌体积约100 m3，滑坡导致下方路面堵塞，施工场地内积水无法排出，场地施工设备被淹没。根据现场勘查，该堆积层滑坡潜在滑体南北向宽约80 m，前后缘高差110 m，平均厚度6 m，体积约5×104m3，潜在滑面为堆积体与下伏片岩间的基覆界面。

4.3 滑坡体稳定性分析

选取代表剖面13-13、14-14，采用极限平衡法对堆积层滑坡整体稳定性进行评价，滑带土c、φ值采用反算法、经验法综合确定，经计算，各工况下堆积层滑坡均处于欠稳定状态，稳定性计算见表3。

表3 堆积层滑坡整体稳定系数计算表

4.4 滑坡体后方高边坡稳定性分析

对堆积层滑坡削方（见4.5 节）后，边坡最大高度约36 m，边坡下伏变质岩为似层状结构，片理产状为16°∠46°，坡体表层岩性较软，局部有泥质充填，后缘控制性节理产状为116°∠78°，边坡岩体主要破坏模式为片理与控制性节理组合下的平面型块体破坏，破坏模式见图11，赤平投影分析见图12，稳定性计算结果见图13、图14。由图13 可知，13-13 剖面在自然工况下稳定系数为1.059，地震工况下的稳定系数为1.015，均不满足规范要求；由图14 可知，14-14 剖面在自然工况下稳定系数为1.305，地震工况下的稳定系数为1.284，稳定性尚可，由此可知典型剖面13-13 地段边坡稳定性不满足要求，需加固处理。

图11 高边坡控制节理和片理组合下破坏模式

图12 高边坡赤平投影分析图

图13 13-13 剖面稳定性计算结果

图14 14-14 剖面稳定性计算结果

4.5 南侧滑坡及高边坡治理设计

滑坡体最厚处约为11.5 m，滑体体积约为5×104m3，属小型滑坡。滑体物质为碎、块石土，滑坡前部近乎直立，抗滑段被削弱后改变了原有的力学平衡，从而引起上部滑体失稳变形，目前滑坡处于欠稳定状态，如不及时治理，变形范围会进一步加大，对场地造成较大的安全威胁。考虑到堆积层体量较小，采用大面积清除堆积体不但可彻底解除滑坡对场地的威胁，而且可以增加场坪使用面积，鉴于此，提出了对堆积层滑坡体进行大面积清方处理为主，同时辅以必要防护加固的处理对策。治理施工将边坡分为3级，每级坡高6～15 m，坡率1∶0.4～1∶2，两级坡之间设置宽2.0～5.5 m 平台。刷方后一、二级坡剩余堆积体存在堆积层滑动变形风险，选取13-13 剖面对剩余堆积层滑坡进行稳定性及滑坡推力计算（见表4），为治理设计提供依据。

表4 13-13 剖面残留堆积层滑坡稳定系数及推力计算表

本着“固脚强腰”的设计思路，边坡坡脚整体采用C20 砼挡墙进行支挡，对13-13 剖面对应区段坡脚挡墙外部采用地梁锚索加固，对高边坡腰部采用预应力锚索墩进行加固治理，其余坡面采用锚杆挂网喷砼加固防护，同时采用多项边坡截排水综合治理措施。典型综合治理断面见图15，对应的边坡稳定性分析见图16。由图16 可知，加固后边坡在自然工况下的稳定系数为1.313，地震工况下的稳定系数为1.236，均满足规范要求。

图15 典型综合治理断面图

图16 加固后边坡稳定系数

5 结论

建设项目选址于“V”字形沟谷，建设场地面临两侧山体边坡和沟谷洪水治理等岩土工程问题，每个治理项目都有其特殊性，同时各治理项目之间在时空上又相互耦联、彼此制约，给治理设计带来一定困难。整个治理设计经历了从认识模糊到认识清晰、从定性判断到定性、定量综合分析的过程，归纳总结可以得出以下结论：

（1）岩土工程治理设计与勘查密不可分，工程地质的准确把握是岩土治理的基础和前提，而工程地质勘察成果的针对性和有效性又离不开对工程地质和治理工程的概念性和经验性的把握。

（2）在山谷中进行项目建设，防洪是项目成败的关键。具体防洪设计需根据建设项目重要性等级合理制定防洪标准，结合沟谷流域特征确定频遇流量，进而建立通畅、有效的排洪渠道。

（3）对于小型滑坡治理，优先采取清方处理措施更为合理，对于清方后的耸立的高边坡仍需进行稳定性分析、评价，制定合理的防护对策，以确保整个边坡的安全。