天水市吳砦古城高邊坡治理方案探討

張小喜，王延壽，張 偉

(甘肅省有色金屬地質勘查局天水礦產勘查院，甘肅天水 741020)

實踐證明，容易發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[1]。一般將高度大于30 m的巖質邊坡和大于20 m的土質邊坡稱為高邊坡[2]。高邊坡穩定性問題涉及鐵路工程、公路工程、礦山工程、地災工程、水利工程、建筑工程等諸多工程領域。高邊坡的變形失穩，致使村鎮、鐵路、公路和文化遺產等被掩埋，造成人民財產損失等事件頻頻發生，其穩定性取決于當地坡體的地質條件和人為改造程度，而這是由我國獨特的地形地質條件和作為一個發展中國家所面臨的大規模工程建設所決定的[3]。吳砦古城高邊坡是由其獨特的地形地質條件決定的，地處渭河Ⅳ級階地，三面臨河，可用“一座懸崖上的抗金古城”來形容；同時亦是由于人類工程活動較強烈而形成的，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

隨著全球經濟建設的迅猛發展和科學技術日新月異的發展，國內外學者和科研機構在邊坡災害防治技術領域取得了豐碩成果，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，以及后來的錨桿、錨(桿)索格構、注漿、植物固坡法[4]。當邊坡較高時，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計方案，從形成條件和誘發因素2個方面分析高邊坡成因[6]。

1.1形成條件

1.1.1地形地貌。研究區原始微地貌為渭河Ⅳ級高階地，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，東邊有秦嶺溝道經過，地勢總體向河谷方向傾斜。河床至坡頂的高差達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40°，溝床至坡頂的高差達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沖洪積物，為粉土、卵石雙層結構土體，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過，坡腳長期受水的侵蝕作用，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，經常發生崩塌、溜滑、掉土等現象，尤其在暴發暴雨時，河水漲高，流量增大，侵蝕作用加劇，坡腳沖刷更加嚴重，周而復始，逐漸形成了高陡斜坡，被形象地稱為“一座懸崖上的抗金古城”。

1.2.2人類工程活動。除了河流侵蝕作用外，人類工程活動亦是形成古城高邊坡的重要因素。北邊坡坡腳被當地村民“夷為平地”后開荒種地和修建房屋，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國道從坡腰穿過，使得西邊坡變成了二級邊坡，一級邊坡坡腳受渭河河水侵蝕，二級邊坡坡腳因修建公路而被開挖，兩級邊坡變得更加陡峭，可用“懸崖掛公路”來形容西邊坡之高陡；東邊坡亦是坡腰處修建鄉村道路，從而使邊坡變得更陡，近乎直立。

2 邊坡特征及穩定性分析

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28 m，西南端高度為21 m，坡度50°～60°，局部可達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、膠結較差，坡體局部有懸空現象。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1.0 m。近年來，掉落巖塊的體積、規模及頻率均有逐漸增大、增多的跡象，當地居民已采用漿砌石支護對部分凸出的漂石、塊石進行支護；對邊坡東北端亦進行漿砌石擋墻支護，已治理邊坡寬度為24.6 m；另外，對整個坡頂亦進行漿砌石擋墻加固，且砌筑了耳墻。在未對下部坡體進行有效加固支護時，對上部坡體的加固無疑是對坡頂進行加載，從而坡頂局部出現了裂縫現象。

西邊坡因國道310的建設而分成上下兩級邊坡，這里主要針對公路以上的二級邊坡展開討論。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；中下部為卵石層，分選性差、膠結較差，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1.2 m。坡面溜土、掉塊現象嚴重，經常堵塞坡腳處的排水渠；局部有滑塌，面積達100 m2，滑體平均厚度約2 m。當地村民已對該邊坡的南段進行漿砌石擋墻支護，寬度為30 m。

東邊坡被鄉村道路分割成上下兩級邊坡，一級邊坡寬102 m，坡高2～10 m，南高北低，坡度介于30°～45°；二級邊坡寬88 m，坡高12～19 m，南低北高，坡度均大于75°，近乎直立。一級邊坡相對平緩，且坡面植被覆蓋較好；二級邊坡高陡，坡體上部為含碎石粉土，土質松散，坡面掉塊現象嚴重，中下部為卵石層，分選性差、膠結較差，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1.5 m。近年來凸出的漂石、塊石逐漸增多，掉落巖塊的體積、規模及頻率均有逐漸增大、增多的跡象。

2.2穩定性分析由于邊坡失穩而引起的事故，在工程界屢見不鮮。由此可見，分析邊坡穩定性對邊坡的治理方案探討起著重要作用。邊坡失穩在力學上主要是一個強度問題，常用的方法有極限平衡法[7]、滑移線場法[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、模糊數學分析法[13]等。

極限平衡條分法是邊坡穩定性最常用的分析方法，如瑞典法、簡化Bishop法、不平衡推力法(傳遞系數法)、Spencer法和Morgenstern-Price法等。瑞典法和簡化Bishop法假定滑裂面是個圓柱面(剖面圖上是個圓弧)，前者在求條底反力時忽略了條間力的作用，且在求穩定性系數時僅考慮對同一點的力矩平衡；后者還假定條間力的方向為水平方向，可通過垂直方向力的平衡求條底反力，通過對同一點的力矩平衡求解穩定性系數；傳遞系數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，根據力的平衡條件，逐個條塊向下推求，直到最后一個條塊的推力為零。根據吳砦古城高邊坡特征，可采用圓弧滑面的簡化Bishop法，另外，該方法計算的結果誤差很小[1]。

古城北、西、東邊坡平面如圖2a、b、c所示，選取最危險地段實測得剖面如圖3a、b、c所示，建立模型，并計算分析邊坡穩定性。

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。經計算得古城北、西、東邊坡的穩定性系數分別為1.091、1.053、1.040，在地震、強降雨等作用下易發生變形破壞。

3 邊坡綜合治理及穩定性分析

3.1邊坡綜合治理

3.1.1坡率設計。根據古城北、西、東邊坡工程地質條件和各自的邊坡特征，結合已有治理工程特點，考慮坡頂已建城墻，對三處邊坡分別按1∶0.5、1∶0.5、1∶0.3自上而下削坡。

3.1.2邊坡加固類型選擇。一般來講，邊坡因其不同的工程地質條件有著不同的變形破壞模式，其穩定性亦不盡相同，從而根據計算結果確定的邊坡加固工程類型各有不同，針對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定性，同時亦是對歷史古城遺跡的加固與保護，從而加固類型的選擇要有統一性，另外，也要彰顯一座歷史古城的外在形象。

3.1.2.1針對坡腳應力集中的加固。有效消除坡腳應力集中，確保邊坡穩定，是該工點成敗的關鍵[14]。該工程中三處邊坡地層巖性均為卵石，而又無地下水，可采用傳統的擋土墻進行加固，既能防止坡腳擠壓破壞，又能起到避免受強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，基礎埋深1.5 m，用C20混凝土現澆。

3.1.2.2針對邊坡失穩的加固。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象，為對坡體進行有效加固支護，均選用預應力錨索格構支護，格構內填充漿砌片石，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變形，又能防止坡面被雨水沖刷，同時也體現著一座歷史古城的形象。格構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混凝土現澆。預應力錨索采用三根一束φ15.2鋼絞線，錨固段長為9.0 m，自由段長為9.0 m，傾角20°。

3.2邊坡加固后的穩定性分析預應力錨索距擋土墻頂1.5 m處為第一排，自第一排以上每隔3.0 m布設錨索一排，東邊坡預應力錨索布置如圖4所示。對坡腳擋墻加固和坡體預應力錨索加固后的邊坡進行穩定性分析，經計算得古城北、西、東邊坡的穩定性系數分別為1.563、1.552、1.548，從加固前后的邊坡穩定性系數可以發現，加固支護后使邊坡安全性有很大提高。

圖4 東邊坡預應力錨索布置圖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，經過多次雨季和地震考驗。邊坡變形監測資料顯示，治理前尚呈溜土、掉塊和局部滑塌的邊坡，治理后目前未發現變形。

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

5 結論

(1)在分析邊坡穩定性時，計算方法的選擇對計算結果的準確性影響較大，地層為卵石的邊坡，其滑裂面多為圓弧，宜采用簡化Bishop法進行計算，其計算結果誤差很小，吳砦古城高邊坡未加固支護前，邊坡穩定性較差，在地震、強降雨等作用下易發生變形破壞。

(2)邊坡的治理設計時，有效消除坡腳應力集中，是確保邊坡穩定的關鍵，對于地層為卵石的高陡邊坡，坡腳宜用擋墻加固支護，既能防止坡腳擠壓破壞，又能起到避免受強降雨或地表徑流等雨水作用的沖刷，坡體宜用預應力錨索格構加固，并在格構內填充片石，既能防止坡體在自重或外力作用下的失穩變形，又能防止坡面被雨水沖刷，另外，預應力錨索之錨固段在卵石地層中的錨固效果較好。

(3)經實踐證明，對于地層為卵石的高陡邊坡，采用坡腳擋墻支護、坡體預應力錨索格構加固和坡面漿砌片石護面的治理方案合理可行，治理效果良好。