張小喜，王延壽，張 偉

(甘肅省有色金屬地質(zhì)勘查局天水礦產(chǎn)勘查院，甘肅天水 741020)

實(shí)踐證明，容易發(fā)生變形破壞和滑坡的邊坡多為高邊坡，因此高邊坡是研究與防治的重點(diǎn)[1]。一般將高度大于30 m的巖質(zhì)邊坡和大于20 m的土質(zhì)邊坡稱(chēng)為高邊坡[2]。高邊坡穩(wěn)定性問(wèn)題涉及鐵路工程、公路工程、礦山工程、地災(zāi)工程、水利工程、建筑工程等諸多工程領(lǐng)域。高邊坡的變形失穩(wěn)，致使村鎮(zhèn)、鐵路、公路和文化遺產(chǎn)等被掩埋，造成人民財(cái)產(chǎn)損失等事件頻頻發(fā)生，其穩(wěn)定性取決于當(dāng)?shù)仄麦w的地質(zhì)條件和人為改造程度，而這是由我國(guó)獨(dú)特的地形地質(zhì)條件和作為一個(gè)發(fā)展中國(guó)家所面臨的大規(guī)模工程建設(shè)所決定的[3]。吳砦古城高邊坡是由其獨(dú)特的地形地質(zhì)條件決定的，地處渭河Ⅳ級(jí)階地，三面臨河，可用“一座懸崖上的抗金古城”來(lái)形容；同時(shí)亦是由于人類(lèi)工程活動(dòng)較強(qiáng)烈而形成的，即古城北邊“依山造居”(圖1a)，西邊“懸崖掛公路”(圖1b、圖1c)，東邊“坡腰通小路”(圖1d)。

注：a.古城北邊“依山造居”，b、c.西邊“懸崖掛公路”，d.東邊“坡腰通小路”Note:a.Constructing house adjoining the hill side in northern ancient city;b,c.Roads of cliff in western ancient city;d.Lane of midslope in eastren ancient city圖1 吳砦古城高邊坡Fig.1 The high slope of Wuzhai ancient city

隨著全球經(jīng)濟(jì)建設(shè)的迅猛發(fā)展和科學(xué)技術(shù)日新月異的發(fā)展，國(guó)內(nèi)外學(xué)者和科研機(jī)構(gòu)在邊坡災(zāi)害防治技術(shù)領(lǐng)域取得了豐碩成果，如早期的地表截排水、清方減載、填土反壓、擋土墻、抗滑樁方法，以及后來(lái)的錨桿、錨(桿)索格構(gòu)、注漿、植物固坡法[4]。當(dāng)邊坡較高時(shí)，其治理方案常常采用多種組合治理方案，如樁錨支擋體系[5]。

1 邊坡成因

為確定合理的高邊坡加固設(shè)計(jì)方案，從形成條件和誘發(fā)因素2個(gè)方面分析高邊坡成因[6]。

1.1形成條件

1.1.1地形地貌。研究區(qū)原始微地貌為渭河Ⅳ級(jí)高階地，由渭河侵蝕堆積作用形成，三面臨河，北邊和西邊有渭河流過(guò)，東邊有秦嶺溝道經(jīng)過(guò)，地勢(shì)總體向河谷方向傾斜。河床至坡頂?shù)母卟钸_(dá)35m，古城北邊坡原始坡度15°～40°，西南端坡度較陡，逐漸向東北端漸變而變緩；西邊坡原始坡度約50°；東邊坡原始坡度達(dá)40°，溝床至坡頂?shù)母卟钸_(dá)30 m。

1.1.2地層巖性。3處高邊坡地層巖性均為第四系上更新統(tǒng)沖洪積物，為粉土、卵石雙層結(jié)構(gòu)土體，上部為含碎石粉土，厚度為1～3 m，淺黃色，中密，稍濕，干強(qiáng)度低，韌性低；中下部巖性為卵石，夾少量塊石、漂石，青灰色，中密，呈次棱角-棱角狀，粒徑一般為2～20 cm，其中2～10 cm的占35%～50%，10～20 cm的占20%～30%，大于20 cm的占5%～10%，其余為砂土充填，分選性較好。

1.2誘發(fā)因素

1.2.1河流侵蝕作用。從邊坡形成條件可知，3處邊坡坡腳均有河流或溝道流水經(jīng)過(guò)，坡腳長(zhǎng)期受水的侵蝕作用，坡腳卵石層逐漸被河水或溝道流水沖走，上部坡體因坡腳部分被掏空而失去下部支撐力，經(jīng)常發(fā)生崩塌、溜滑、掉土等現(xiàn)象，尤其在暴發(fā)暴雨時(shí)，河水漲高，流量增大，侵蝕作用加劇，坡腳沖刷更加嚴(yán)重，周而復(fù)始，逐漸形成了高陡斜坡，被形象地稱(chēng)為“一座懸崖上的抗金古城”。

1.2.2人類(lèi)工程活動(dòng)。除了河流侵蝕作用外，人類(lèi)工程活動(dòng)亦是形成古城高邊坡的重要因素。北邊坡坡腳被當(dāng)?shù)卮迕瘛耙臑槠降亍焙箝_(kāi)荒種地和修建房屋，從而使邊坡變得更加高陡；西邊坡本是一高邊坡，但修建的310國(guó)道從坡腰穿過(guò)，使得西邊坡變成了二級(jí)邊坡，一級(jí)邊坡坡腳受渭河河水侵蝕，二級(jí)邊坡坡腳因修建公路而被開(kāi)挖，兩級(jí)邊坡變得更加陡峭，可用“懸崖掛公路”來(lái)形容西邊坡之高陡；東邊坡亦是坡腰處修建鄉(xiāng)村道路，從而使邊坡變得更陡，近乎直立。

2 邊坡特征及穩(wěn)定性分析

2.1邊坡特征吳砦古城高邊坡由北、西、東三處邊坡構(gòu)成，其特征如下：

北邊坡寬116 m，坡高5～28 m，兩頭低中間高，東北端高度約5 m，中間達(dá)28 m，西南端高度為21 m，坡度50°～60°，局部可達(dá)70°。邊坡上部坡體為含碎石粉土，植被覆蓋較好；中下部為卵石層，分選性差、膠結(jié)較差，坡體局部有懸空現(xiàn)象。沿臨空面分布有許多凸出的漂石、塊石，直徑多為0.3～0.7 m，最大可達(dá)1.0 m。近年來(lái)，掉落巖塊的體積、規(guī)模及頻率均有逐漸增大、增多的跡象，當(dāng)?shù)鼐用褚巡捎脻{砌石支護(hù)對(duì)部分凸出的漂石、塊石進(jìn)行支護(hù)；對(duì)邊坡東北端亦進(jìn)行漿砌石擋墻支護(hù)，已治理邊坡寬度為24.6 m；另外，對(duì)整個(gè)坡頂亦進(jìn)行漿砌石擋墻加固，且砌筑了耳墻。在未對(duì)下部坡體進(jìn)行有效加固支護(hù)時(shí)，對(duì)上部坡體的加固無(wú)疑是對(duì)坡頂進(jìn)行加載，從而坡頂局部出現(xiàn)了裂縫現(xiàn)象。

西邊坡因國(guó)道310的建設(shè)而分成上下兩級(jí)邊坡，這里主要針對(duì)公路以上的二級(jí)邊坡展開(kāi)討論。該邊坡寬240 m，坡高6～20 m，南低北高，坡度40°～60°。邊坡上部坡面為含碎石粉土，坡面有大量的椿樹(shù)；中下部為卵石層，分選性差、膠結(jié)較差，坡體較陡，坡腳處近乎直立。沿臨空面分布有少量凸出的漂石、塊石，直徑多為0.3～0.9 m，最大可達(dá)1.2 m。坡面溜土、掉塊現(xiàn)象嚴(yán)重，經(jīng)常堵塞坡腳處的排水渠；局部有滑塌，面積達(dá)100 m2，滑體平均厚度約2 m。當(dāng)?shù)卮迕褚褜?duì)該邊坡的南段進(jìn)行漿砌石擋墻支護(hù)，寬度為30 m。

東邊坡被鄉(xiāng)村道路分割成上下兩級(jí)邊坡，一級(jí)邊坡寬102 m，坡高2～10 m，南高北低，坡度介于30°～45°；二級(jí)邊坡寬88 m，坡高12～19 m，南低北高，坡度均大于75°，近乎直立。一級(jí)邊坡相對(duì)平緩，且坡面植被覆蓋較好；二級(jí)邊坡高陡，坡體上部為含碎石粉土，土質(zhì)松散，坡面掉塊現(xiàn)象嚴(yán)重，中下部為卵石層，分選性差、膠結(jié)較差，局部掉塊后上部土體呈懸空狀。沿臨空面分布有許多凸出的漂石、塊石，直徑多為0.3～1.0 m，最大可達(dá)1.5 m。近年來(lái)凸出的漂石、塊石逐漸增多，掉落巖塊的體積、規(guī)模及頻率均有逐漸增大、增多的跡象。

2.2穩(wěn)定性分析由于邊坡失穩(wěn)而引起的事故，在工程界屢見(jiàn)不鮮。由此可見(jiàn)，分析邊坡穩(wěn)定性對(duì)邊坡的治理方案探討起著重要作用。邊坡失穩(wěn)在力學(xué)上主要是一個(gè)強(qiáng)度問(wèn)題，常用的方法有極限平衡法[7]、滑移線場(chǎng)法[1，8]、極限分析法[8]、有限元法[9]、邊界元法[10]、離散元法[11]、差分法[12]、圖解法、模糊數(shù)學(xué)分析法[13]等。

極限平衡條分法是邊坡穩(wěn)定性最常用的分析方法，如瑞典法、簡(jiǎn)化Bishop法、不平衡推力法(傳遞系數(shù)法)、Spencer法和Morgenstern-Price法等。瑞典法和簡(jiǎn)化Bishop法假定滑裂面是個(gè)圓柱面(剖面圖上是個(gè)圓弧)，前者在求條底反力時(shí)忽略了條間力的作用，且在求穩(wěn)定性系數(shù)時(shí)僅考慮對(duì)同一點(diǎn)的力矩平衡；后者還假定條間力的方向?yàn)樗椒较?，可通過(guò)垂直方向力的平衡求條底反力，通過(guò)對(duì)同一點(diǎn)的力矩平衡求解穩(wěn)定性系數(shù)；傳遞系數(shù)法適用于任意形狀的滑裂面，而假定條間力與上一條塊底面平行，根據(jù)力的平衡條件，逐個(gè)條塊向下推求，直到最后一個(gè)條塊的推力為零。根據(jù)吳砦古城高邊坡特征，可采用圓弧滑面的簡(jiǎn)化Bishop法，另外，該方法計(jì)算的結(jié)果誤差很小[1]。

古城北、西、東邊坡平面如圖2a、b、c所示，選取最危險(xiǎn)地段實(shí)測(cè)得剖面如圖3a、b、c所示，建立模型，并計(jì)算分析邊坡穩(wěn)定性。

注：a、b、c分別為古城北、西、東邊坡平面Note:a,b,c were north,west,east slope plane,respectively圖2 吳砦古城高邊坡平面Fig.2 The high slope plane of Wuzhai ancient city

圖3 吳砦古城高邊坡剖面Fig.3 The high slope section of Wuzhai ancient city

古城高邊坡地層表層覆蓋一層薄含碎石粉土，下部均為卵石，黏聚力c=13.0 kPa，φ=45°，天然容重r=20 kN/m3，飽和容重rsr=22 kN/m3。經(jīng)計(jì)算得古城北、西、東邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)分別為1.091、1.053、1.040，在地震、強(qiáng)降雨等作用下易發(fā)生變形破壞。

3 邊坡綜合治理及穩(wěn)定性分析

3.1邊坡綜合治理

3.1.1坡率設(shè)計(jì)。根據(jù)古城北、西、東邊坡工程地質(zhì)條件和各自的邊坡特征，結(jié)合已有治理工程特點(diǎn)，考慮坡頂已建城墻，對(duì)三處邊坡分別按1∶0.5、1∶0.5、1∶0.3自上而下削坡。

3.1.2邊坡加固類(lèi)型選擇。一般來(lái)講，邊坡因其不同的工程地質(zhì)條件有著不同的變形破壞模式，其穩(wěn)定性亦不盡相同，從而根據(jù)計(jì)算結(jié)果確定的邊坡加固工程類(lèi)型各有不同，針對(duì)不同的邊坡變形破壞模式，分別采用不同的加固工程措施。然而，吳砦古城高邊坡的加固，不僅是加固高邊坡本身的穩(wěn)定性，同時(shí)亦是對(duì)歷史古城遺跡的加固與保護(hù)，從而加固類(lèi)型的選擇要有統(tǒng)一性，另外，也要彰顯一座歷史古城的外在形象。

3.1.2.1針對(duì)坡腳應(yīng)力集中的加固。有效消除坡腳應(yīng)力集中，確保邊坡穩(wěn)定，是該工點(diǎn)成敗的關(guān)鍵[14]。該工程中三處邊坡地層巖性均為卵石，而又無(wú)地下水，可采用傳統(tǒng)的擋土墻進(jìn)行加固，既能防止坡腳擠壓破壞，又能起到避免受強(qiáng)降雨或地表徑流等雨水作用的沖刷。擋土墻采用重力式擋土墻，胸坡比為1∶0.3，背坡比為1∶0.1，墻頂寬0.6 m，墻高3.0 m，基礎(chǔ)埋深1.5 m，用C20混凝土現(xiàn)澆。

3.1.2.2針對(duì)邊坡失穩(wěn)的加固。三處邊坡臨空面分布許多凸出的漂石、塊石，且常常有大體積巖塊掉落現(xiàn)象，為對(duì)坡體進(jìn)行有效加固支護(hù)，均選用預(yù)應(yīng)力錨索格構(gòu)支護(hù)，格構(gòu)內(nèi)填充漿砌片石，在北邊坡坡頂砌筑青磚耳墻，既能防止坡體在自重或外力作用下的失穩(wěn)變形，又能防止坡面被雨水沖刷，同時(shí)也體現(xiàn)著一座歷史古城的形象。格構(gòu)橫梁與豎肋間距均為3.0 m，截面尺寸均為0.3 m×0.4 m，采用C30混凝土現(xiàn)澆。預(yù)應(yīng)力錨索采用三根一束φ15.2鋼絞線，錨固段長(zhǎng)為9.0 m，自由段長(zhǎng)為9.0 m，傾角20°。

3.2邊坡加固后的穩(wěn)定性分析預(yù)應(yīng)力錨索距擋土墻頂1.5 m處為第一排，自第一排以上每隔3.0 m布設(shè)錨索一排，東邊坡預(yù)應(yīng)力錨索布置如圖4所示。對(duì)坡腳擋墻加固和坡體預(yù)應(yīng)力錨索加固后的邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性分析，經(jīng)計(jì)算得古城北、西、東邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)分別為1.563、1.552、1.548，從加固前后的邊坡穩(wěn)定性系數(shù)可以發(fā)現(xiàn)，加固支護(hù)后使邊坡安全性有很大提高。

圖4 東邊坡預(yù)應(yīng)力錨索布置圖Fig.4 The collocation of prestressed anchor cables

4 工程效果

該工程2017年6月施工完成，治理效果如圖5所示，經(jīng)過(guò)多次雨季和地震考驗(yàn)。邊坡變形監(jiān)測(cè)資料顯示，治理前尚呈溜土、掉塊和局部滑塌的邊坡，治理后目前未發(fā)現(xiàn)變形。

圖5 古城高邊坡治理效果Fig.5 Management effect of the old city high slope

5 結(jié)論

(1)在分析邊坡穩(wěn)定性時(shí)，計(jì)算方法的選擇對(duì)計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性影響較大，地層為卵石的邊坡，其滑裂面多為圓弧，宜采用簡(jiǎn)化Bishop法進(jìn)行計(jì)算，其計(jì)算結(jié)果誤差很小，吳砦古城高邊坡未加固支護(hù)前，邊坡穩(wěn)定性較差，在地震、強(qiáng)降雨等作用下易發(fā)生變形破壞。

(2)邊坡的治理設(shè)計(jì)時(shí)，有效消除坡腳應(yīng)力集中，是確保邊坡穩(wěn)定的關(guān)鍵，對(duì)于地層為卵石的高陡邊坡，坡腳宜用擋墻加固支護(hù)，既能防止坡腳擠壓破壞，又能起到避免受強(qiáng)降雨或地表徑流等雨水作用的沖刷，坡體宜用預(yù)應(yīng)力錨索格構(gòu)加固，并在格構(gòu)內(nèi)填充片石，既能防止坡體在自重或外力作用下的失穩(wěn)變形，又能防止坡面被雨水沖刷，另外，預(yù)應(yīng)力錨索之錨固段在卵石地層中的錨固效果較好。

(3)經(jīng)實(shí)踐證明，對(duì)于地層為卵石的高陡邊坡，采用坡腳擋墻支護(hù)、坡體預(yù)應(yīng)力錨索格構(gòu)加固和坡面漿砌片石護(hù)面的治理方案合理可行，治理效果良好。