机场高填方边坡滑移规律与稳定性分析_吴丹泽.pdf

DOI:10.13379/j.issn.1003-8825.202204010开放科学（资源服务）标识码（OSID）机场高填方边坡滑移规律与稳定性分析吴丹泽1，王广德2，郝友诗1，任 庚2（1.民航机场规划设计研究总院有限公司东北分公司，沈阳110043；2.北京中企卓创科技发展有限公司，北京100621）摘要：依托某机场高填方边坡滑移变形工程实例，在原位监测失效的情况下着重分析边坡失稳滑移发展过程数据，辅助刚体极限平衡法计算手段，综合预测边坡整体稳定性，提出表层和深部位移监测预警值，指导滑移过程治理措施设计。通过分析研究成果，为机场工程边坡滑移历史和判断稳定趋势提供有益探索，为边坡稳定性分析预测提出决策依据。关键词：山区机场；高填方边坡；滑移规律；稳定性；监测预警中图分类号：TU43文献标志码：A文章编号：1003 8825(2023)01 0165 06 0 引言山区机场高填方边坡稳定影响因素多、诱发失稳因素复杂，失稳滑移边坡溯源分析及工程预警成为山区机场建设中亟待解决的技术难题。机场高填方工程具有时空非线性分布、多因素敏感性等特征，空间构型的改变引起应力的重分布，必然将以变形的方式释放应力，使边坡体呈现出变形-稳定的过程规律1，这一过程随工程自然条件不同而差异较大，例如，贵阳龙洞堡机场沉降观测时间达6 个月后趋于收敛稳定。通过对国内多个机场工程实际案例总结，机场高填方边坡稳定性影响因素包括：施工工法、地表及地下水、原地基岩土体工程性质、填筑体特性2。在机场高填方工程建设实践中，国内学者总结出了“基底面”、“临空面”、“填筑体顶面”和“填筑体”要素组成的“三面一体控制论”系统3，进而对边坡滑移过程原位监测与时空综合分析，达到灾害预警、修正设计的目的。虽已探索到有效的解决途径，但机场高填方边坡滑坡情况仍有发生，如九黄机场滑坡、宜昌三峡机场灯光带滑坡、攀枝花机场滑坡4等，均造成了重大财产损失和社会影响。东北地区某机场高填方边坡施工过程中的原位监测失效，地表出现明显位移，恢复有效位移监测一年后，发现变形持续发展且长时间无收敛趋势。本文依托该高填方边坡工程，整理分析监测数据，揭示滑坡体时空演化分布规律，反推滑坡体滑面位置和滑体范围5，揭示出诱发滑坡的机理机制，采用刚体极限平衡法计算软件验算坡体稳定性。成果可为类似工程提供参考。1 工程概况 1.1 机场边坡滑移概况东北地区某机场场区地处丘陵地貌单元，地形呈东高西低的态势。地势设计面及原地形三维图，见图 1。位于场区西南侧的#11 边坡跨越冲沟，该冲沟自北向南横穿跑道，地势由北向南降低，冲沟最大深度约 6 m。该区域原地面地形坡度约 14%，最大填方边坡高度约 32 m。图1机场地势设计面及原地形三维图 2020 年底现场踏勘发现：#11 边坡南侧坡脚外村庄出现地面出水、裂缝等滑移情况，滑移体东西方向长约 214 m，其中有明显位移的滑移体长约70 m，向南方向已产生 80100 cm 位移，边坡外土体隆起高度约 50100 cm，地表见多条裂缝且附近有水渗出，裂缝宽度最大 20 cm。地裂缝位置开挖探槽，发现裂缝发展至地面以下 4 m 处尖灭。据现场施工人员反映，2019 年 9 月2020 年10 月施工期间，#11 边坡各级边坡未见明显裂缝，收稿日期：2022 05 23作者简介：吴丹泽（1985），男，辽宁昌图人。高级工程师，硕士，主要从事机场场道、岩土、路基工程设计、咨询及科研工作。E-mail：。吴丹泽，等：机场高填方边坡滑移规律与稳定性分析 165 坡顶及其北侧土面区未见张拉裂缝。1.2 工程地质与水文地质条件#11 边坡区地层由上至下：耕土平均厚0.5 m；黏 土 0.5 3.1 m；碎 石 0.2 14.1 m；全风化玄武岩 1.09.0 m 不等，不连续分布；强风化玄武岩及全风化花岗岩，底板最大埋深勘察深度未揭穿。原地基自上而下为 1.03.0 m厚粉质黏土、2.08.0 m 厚碎石层、全风化花岗岩或玄武岩等。场地自然地势条件有利于自然排水，区域内没有河流，地下水类型主要为上层滞水。地层主要力学特性指标，见表 1。表1地层主要力学特性指标地层承载力特征值/kPa压缩模量/（MNm3）耕土黏土160 4.32混黏土碎石28012.03全风化玄武岩26039.92强风化玄武岩700全风化花岗岩70038.21 1.3 边坡工程设计#11 边坡设计为四级，每级边坡高度 8 m，采用 C25 预制混凝土骨架护面，骨架内回覆耕植土喷播植草，护脚采用 M10 浆砌片石，自上而下各级坡率为 12、12.25、12.5、12.75，平台宽度 2 m6。GEOSLOPE 软件计算#11 边坡最小安全系数为 1.48。边坡稳定影响区原地基清除层黏土、-1 层粉质黏土，换填挖方区强风化花岗岩或中风化玄武岩。填方区原地面沿冲沟沟底设置排水盲沟，出水口引入附近场外排水沟，冲沟东侧紧邻#11 边坡设置排水箱涵。设置填筑体内部块碎石水平排水滤层，利于水排入马道排水沟。1.4 边坡工程施工概况受两条高压线搬迁滞后影响，2018 年 7 月2019 年 8 月，先施工高压线两侧的土石方工程，直到拆除高压线后，再施工被高压线影响部分。后填 筑 区 首 先 对 原 地 基 采 用 能 级 2 000 kNm强夯，预留一道原地面排水盲沟，后填筑区填筑厚度 30 m，先填筑区剩余填筑厚度约 10 m，新旧填筑体搭接采用满夯补强处理。施工过程中由于变形监测基准点设置在滑移影响区之内，基准点与边坡同步移动致使边坡变形监测措施失效。#11 边坡施工顺序示意，见图 2。先填区域被动挤压区域先填区域变形范围高压线影响的后填筑区坡下滑动区域图2#11 边坡施工顺序示意 2 边坡滑移工程勘察2020 年底，对边坡滑移影响区进行了专项勘察，地层情况和物理力学参数出现较大差异。专项勘察揭示的滑移影响区地层情况：砾质黏性土，系第四纪全新世河相冲洪积的地层，坡积、洪积形成，黏性土呈可塑状态，透水层，动力触探锤击数平均 7.1 击，平均厚度 5.0 m。砾质黏性土，系花岗岩风化残积而成，标准贯入试验击数平均 8.6 击，平均厚度 7.9 m。砾质黏性土层之下为花岗岩，未揭穿。滑动面深度 9.520.0 m 不等，在砾质黏性土层与基岩的接触面附近。滑体主要为浅层第四系洪坡积混合土、花岗岩残积土（砾质黏性土）及排水沟附近少量人工填土。滑床主要为第四系残积（Q4el）层，砾质黏性土，为花岗岩残积土，受渗流水浸泡影响较小，韧性及干强度中等，可塑及硬塑状态。滑带位于混合土与砾质黏性土之间，滑体土与滑床土的物理力学性质差别不明显。滑移影响区高密度电法物探解译断面，见图 3。在坡脚附近原地面以下 1020 m 处有一富水带（蓝色），推测是花岗岩中的断层破碎带，由于该破碎带埋藏较深，对边坡稳定性影响较小。在边坡区及其北侧土面区，原地面以下的碎石层与基岩接触带未见蓝色低电阻率区，表明该区排水能力较好，未见不利于边坡稳定的地下不良结构体。图3滑移影响区高密度电法物探解译断面 路基工程 166 Subgrade Engineering2023 年第 1 期（总第 226 期）3 边坡滑移过程时空监测 3.1 滑移监测方案布置现场位移监测点，持续观测#11 边坡地表位移、沉降和深层侧向位移。监测点布置，见图 4。PF 表示边坡顶部土面区监测点，PS 表示斜坡坡面监测点，PE 表示坡底工程区域外地表监测点，CX 表示深部测斜孔。随施工进度调整监测点布置，冻融季节及雨季监测频率 2 次/天，其余时间23 次/天。跑道PS11PS13PS21PS31PS41PS51PS25PS35PS55PS61PS64PS71PE12PE15PE21PE23PE32PE34PE44PE54PE42PE52PE61PE63PF11PF13PF21PF23PF31PF33PF41PF43PF51PF53PF61PF63CX1CX2CX4CX5CX3N边坡变形监测断面PS74100 100 100 100 100 图4监测点平面布置（单位：m）3.2 表层位移监测通过整理分析#11 边坡 2021 年监测数据，找出滑动范围和影响深度，并提出预警值指导实际工程治理设计方案7。相邻监测断面水平距离 50 m，个别点位在不同时间段内遭到破坏。PS1 纵断面90 天累计位移 3.86 mm、PS6 斜断面 365 天累计位移 53.44 mm，变形收敛稳定，推测出坡体东西两个方向滑动范围。PF11PF61 横断面累计 115 天最大水平位移 11.30 mm，位移量非常小，可判定滑动后缘位置未侵入跑道区（跑道区为先填筑体）。PE15PE54 横断面位移量不规律，滑坡前缘超出了该断面位置且前缘边线呈“凹”曲线形。PF31PE23 断面位移监测成果统计，见图 5。PF51PE44 断面位移监测成果统计，见图 6。中部监测纵断面 PF31PE22、PF51PE44位移量较大，一年内累计位移最大可达 539.66 mm（PS44），两个断面在滑坡前缘位置 PE 监测区累计变形量呈差异现象，根据 PE 区监测数据，推演出滑动范围边界。PF31PE22 纵断面斜坡坡面上监测点年均变形量均超过 400.00 mm，坡顶土面区和坡底工程区域外地表变形速率远小于斜坡坡面并在短期内呈现收敛稳定趋势；PF51PE44 纵断面斜坡坡面及 PE41、PE42 监测点年均变形量均超过 400.00 mm，坡顶土面区和坡底工程区域外PE43、PE44 范围以外地表变形速率远小于斜坡坡面并在短期内呈现收敛稳定趋势。#11 边坡滑移区域填方最高位置在 PF61PE54 纵断面位置，最大滑移断面与最高填方断面不重合。原地面PF31PF32PF33PS41PS44PE21PE2210.215.447.1431.76456.03483.22539.665.662.93100天累计变形量365天累计变形量45天累计变形量滑动方向填筑体填筑体1212.2512.7512.5PS43PS4250 m50 m50 m19 m20 m22 m100 m100 m图5PF31PE23 断面位移监测成果统计（位移量：mm）1212.7512.550 m50 m50 m19 m 20 m22 m20 m100 m100 m50 m原地面PF51PF52PF53PS51PS52PS53PS54PE42PE4411.335.468.8488.46478.53464.49492.34272.211.04100天累计变形量365天累计变形量PE41294.49PE434.59滑动方向填筑体填筑体180天累计变形量12.25图6PF51PE44 断面位移监测成果统计（位移量：mm）典型监测点水平位移速率历时曲线，见图 7。水平位移速率整体呈波动状态，未发现明显减小趋势。雨季（7 月份）和春融季节（4 月份）水平位移速率出现增高，最大达 2.03.0 mm/d；旱季逐渐减小到 1.01.5 mm/d。从平面滑移方向上看整体为南偏西 19，边坡位移的同时发生沉降变形，数据变化规律与水平位移一致。暴雨季节属最不利工况条件，考虑安全余度的前提下，将此滑移体地吴丹泽，等：机场高填方边坡滑移规律与稳定性分析 167 表位移监测预警值设定为 2.5 mm/d。123456789 10 11 1200.51.01.52.02.53.03.5月份PS22PS32PS34PS41PS43PS52PS54PE12PE21PE31PE32PE42PE51PF13PF33PF53K10变形速率/（mmd1）图7典型监测点水平位移速率历时曲线 依据 2021 年的监测数据，结合施工过程资料对#11 边坡滑移过程进行推演。#11 边坡自 2019 年8 月底至 10 月底（后填筑区施工期间）产生了近1.34 m 的水平位移后，水平位移一直在缓慢发展中，截止 2020 年底最大水平位移约 2.00 m。可推测出，从后填筑区施工结束（2019 年 10 月底）到20