重慶武隆民用機(jī)場(chǎng)高填方邊坡施工優(yōu)化控制

徐 浩 黃 林 來(lái)云亮

(1.武隆機(jī)場(chǎng)建設(shè)指揮部，重慶 408500； 2.中國(guó)民航機(jī)場(chǎng)建設(shè)集團(tuán)有限公司西南分公司，四川 成都 610200； 3.重慶大學(xué)土木工程學(xué)院，重慶 400045)

1 概述

我國(guó)西南地區(qū)地理位置特殊、自然資源豐富，不僅對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)起到了巨大支撐作用，在國(guó)家安全和對(duì)外開放方面也有著極為重要的戰(zhàn)略地位。隨著我國(guó)“一帶一路”戰(zhàn)略的推進(jìn)實(shí)施以及對(duì)外開放格局的進(jìn)一步深化，我國(guó)對(duì)于西部地區(qū)的交通規(guī)劃布局有了新的考量和要求，民航運(yùn)輸在綜合交通運(yùn)輸體系中的優(yōu)勢(shì)不斷凸顯[1-3]。由于機(jī)場(chǎng)建設(shè)對(duì)地形地貌、風(fēng)向氣候和凈空條件均有較高的區(qū)位要求，因此在復(fù)雜山區(qū)修建機(jī)場(chǎng)勢(shì)必會(huì)涉及巖溶地基治理和深挖高填工程[4]，因此在項(xiàng)目建設(shè)施工過(guò)程中，應(yīng)合理安排各項(xiàng)工序協(xié)同進(jìn)行，通過(guò)施工過(guò)程優(yōu)化設(shè)計(jì)以提高地基承載力和高填方邊坡穩(wěn)定性。幾乎在所有建設(shè)工程中，如鋼筋混凝土工程、采礦工程、隧道工程、橋梁工程、邊坡工程等，進(jìn)行施工過(guò)程優(yōu)化都是非常必要的，通過(guò)遺傳算法、數(shù)值模擬、BIM施工管理、動(dòng)態(tài)可視化仿真技術(shù)等方法，可對(duì)工程進(jìn)度、成本、質(zhì)量、安全以及施工設(shè)備、人員管理架構(gòu)、工程環(huán)境效應(yīng)等多種因素[5,6]進(jìn)行統(tǒng)籌安排。不同工程的優(yōu)化設(shè)計(jì)思路不同，研究參數(shù)的選擇也不同，如杜海龍等[7]在橋梁工程中以“過(guò)程最優(yōu)、結(jié)果可控”為原則，選擇鋼管混凝土拱橋拱圈應(yīng)力、拱圈線形、白噪聲誤差3個(gè)參數(shù)，對(duì)7種封鉸方案進(jìn)行對(duì)比分析；倪璐等[8]以水電站溢洪道邊坡開挖與支護(hù)工程為研究對(duì)象，討論了如何通過(guò)施工方案整體把控、機(jī)械設(shè)備合理投入與工程質(zhì)量安全監(jiān)管等方式推進(jìn)施工有序進(jìn)行。

作為首例在機(jī)場(chǎng)建設(shè)中引入重力攔擋壩的高填方工程，探討不同施工方案對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響有著重要的現(xiàn)實(shí)意義。因此以重慶武隆民用機(jī)場(chǎng)南端深溝高填方工程為研究對(duì)象，在保證工程進(jìn)度、質(zhì)量、安全的基礎(chǔ)上，考慮填料填筑分層數(shù)及填料幾何形式兩個(gè)因素，提出填方工程與混凝土澆筑工程穿插協(xié)調(diào)進(jìn)行的若干施工方案，通過(guò)建立相應(yīng)數(shù)值計(jì)算模型，確定施工優(yōu)化方案，旨在為類似工程中的災(zāi)害防控和方案設(shè)計(jì)提供參考。

2 工程概況

重慶武隆民用機(jī)場(chǎng)地處重慶市武隆縣北部，臨近武隆仙女山景區(qū)，海拔高度約1 620 m～1 900 m，全年低能見(jiàn)度天數(shù)較多，降雨主要集中在5月～10月，年均降雨量大于1 200 mm。場(chǎng)區(qū)地勢(shì)東高西低、南高北低，東側(cè)為一近東北向延伸的山梁，西側(cè)和南端為流水沖刷切割出的深切槽谷，北端及軸線中部地形相對(duì)平坦，擬建機(jī)場(chǎng)跑道便位于仙女山主峰西側(cè)弱起伏的鐵爐壩子臺(tái)地上，坡度一般為5°～10°，機(jī)場(chǎng)所在臺(tái)地地貌如圖1所示。場(chǎng)區(qū)為典型的喀斯特地貌，場(chǎng)內(nèi)埋藏性古地下巖溶十分發(fā)育，以小型溶洞、溶隙、溶縫為主，局部可見(jiàn)中型溶洞，且多被第四系坡洪積物所充填。機(jī)場(chǎng)跑道南端深溝部位地形復(fù)雜，頂?shù)赘卟钶^大，下部基巖中發(fā)育有3個(gè)較大的溶室，溶室內(nèi)部空腔相互連接，其中橫切3號(hào)溶室中心部位的NPH2-NPH2剖面高差達(dá)80 m，下伏基巖起伏不定，傾角最大可達(dá)75°以上，邊坡失穩(wěn)隱患較大。受到地形條件及天然氣管道位置的影響，高填方邊坡放坡條件受到限制，為保證建設(shè)施工及后期運(yùn)營(yíng)過(guò)程中高填方邊坡的安全穩(wěn)定，在使用碎石填料對(duì)深溝進(jìn)行填筑時(shí)，選擇重力攔擋壩對(duì)邊坡進(jìn)行支擋，壩體由南北“兩翼”組成，兩壩軸線夾角約147°，壩體總長(zhǎng)達(dá)135 m，高達(dá)40 m，寬約19.51 m，壩體及溶室平面位置如圖2所示。攔擋壩所需混凝土方量較大，施工難度較高，工期要求較為嚴(yán)格，壩體澆筑及填方工程須在2個(gè)～3個(gè)月內(nèi)驗(yàn)收完成。

3 填筑方案及建模

3.1 填筑方案設(shè)計(jì)

依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)復(fù)雜地形及巖性特征，并結(jié)合具體施工方式和總體工期要求，考慮將堆石料回填工程及混凝土澆筑工程分批次穿插進(jìn)行。限于篇幅，本文以現(xiàn)場(chǎng)最危險(xiǎn)填方剖面NPH2-NPH2為研究對(duì)象，將填方體填筑批次及其幾何形式作為兩個(gè)變量，在總工期為31 d的控制條件下共設(shè)計(jì)6種填筑方案，設(shè)計(jì)示意圖如圖3所示。其中T2,T3表示填料分兩層或三層填筑，-1,-2,-3表示填料分別填筑至傾斜、傾斜平臺(tái)或水平的幾何狀態(tài)。

壩體分三層施工，不考慮混凝土澆筑所需時(shí)間，每層澆筑完成后進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，從養(yǎng)護(hù)開始到進(jìn)行下一步施工的時(shí)間間隔控制在7 d或14 d不等。以兩層填筑方案為例，詳述具體施工步驟如下：

1)底層壩體施工：基巖面以下的壩基及抗滑墻施工完成，并養(yǎng)護(hù)7 d，此時(shí)底層壩體達(dá)到7 d混凝土養(yǎng)護(hù)強(qiáng)度。

2)中層壩體施工：壩體主體部分施工完成，并養(yǎng)護(hù)7 d，此時(shí)底層壩體達(dá)到14 d混凝土養(yǎng)護(hù)強(qiáng)度，中層壩體達(dá)到7 d養(yǎng)護(hù)強(qiáng)度。

3)頂層壩體及底層填料施工：頂層壩體施工完成，并養(yǎng)護(hù)14 d，養(yǎng)護(hù)期間進(jìn)行填料底層施工，將其分別填筑至傾斜狀、傾斜平臺(tái)狀以及水平狀。此時(shí)底層壩體達(dá)到28 d混凝土養(yǎng)護(hù)強(qiáng)度，中層壩體達(dá)到21 d養(yǎng)護(hù)強(qiáng)度，頂層壩體達(dá)到14 d養(yǎng)護(hù)強(qiáng)度，底層填料填筑完成。

4)頂層填料施工：由于頂層填料填筑時(shí)間較短，因此混凝土壩體各部分強(qiáng)度參考步驟3)中的養(yǎng)護(hù)強(qiáng)度。

對(duì)于三層填筑方案，在頂層壩體養(yǎng)護(hù)期間將底層填料填筑至水平狀，待壩體強(qiáng)度達(dá)到要求后，將中層填料分別填筑至傾斜狀、傾斜平臺(tái)狀以及水平狀，直至頂層填料填筑完成。

3.2 數(shù)值模型構(gòu)建

首先根據(jù)填筑方案設(shè)計(jì)圖，在AutoCAD中繪制生成二維點(diǎn)、線數(shù)據(jù)，然后將其導(dǎo)入專業(yè)建模軟件Rhino 5.0中，生成非流行曲面并建立封閉實(shí)體，結(jié)合Griddle插件進(jìn)行網(wǎng)格劃分，最終生成FLAC3D 6.0可讀的網(wǎng)格文件，采用內(nèi)置方法構(gòu)建壩體—基巖及填料—基巖接觸面，對(duì)模型四周及底部的法向速度進(jìn)行約束，將模型在初始平衡過(guò)程中產(chǎn)生的位移、速度及塑性區(qū)清零。模型長(zhǎng)267 m、寬70 m、高120 m，四面體網(wǎng)格單元數(shù)目從106 079個(gè)到107 780個(gè)不等，節(jié)點(diǎn)數(shù)從21 296個(gè)到21 786個(gè)不等。計(jì)算中基巖、填料與混凝土壩體的參數(shù)主要來(lái)源于現(xiàn)場(chǎng)勘查數(shù)據(jù)及室內(nèi)試驗(yàn)，接觸面相關(guān)參數(shù)參考經(jīng)驗(yàn)值并經(jīng)反復(fù)試算調(diào)整得到，部分參數(shù)參考文獻(xiàn)[9]。表1～表3為計(jì)算過(guò)程中不同材料所選取的本構(gòu)模型及相關(guān)參數(shù)。

表1 填料與基巖的本構(gòu)模型及相關(guān)參數(shù)

表2 混凝土壩體計(jì)算模型及相關(guān)參數(shù)

表3 接觸面相關(guān)參數(shù)

4 結(jié)果與分析

4.1 不同填筑方案下填料及壩體位移發(fā)展規(guī)律

圖4，圖5分別為3種雙層填筑方案下施工階段位移云圖以及填料與壩體最大位移發(fā)展曲線，圖6，圖7對(duì)應(yīng)3種三層填筑方案。在不同施工方案下的數(shù)值計(jì)算模型中，B1，B2，B3分別代表底層、中層及頂層壩體。雙層填筑模型中，T1，T2分別代表底層及頂層填料。三層填筑方案中，T1，T2，T3分別代表底層、中層及頂層填料。

對(duì)于3種雙層填筑方案，當(dāng)?shù)讓訅误wB1和中層壩體B2施工完成后，壩體最大豎向沉降變形由7.00 mm分別增長(zhǎng)至2.46 cm左右。當(dāng)頂層壩體B3及填料T1，T2的陸續(xù)完成，壩體位移持續(xù)增大，最大位移始終位于壩趾處(圖4中標(biāo)記②處)。對(duì)于T2-1和T2-2兩種方案，T1和T2的位移云圖特征較為相近，同時(shí)出現(xiàn)豎向沉降與沿基巖面滑移兩種變形形式，其中在基巖面斜率較大處，填料變形最為顯著，變形大值區(qū)始終位于底層填料T1的中下部(圖4a)～圖4d)中標(biāo)記①處)，位移表現(xiàn)出由中心向四周層狀遞減的特征，最大位移分別從7.57 cm和6.87 cm增至17.17 cm和16.38 cm。對(duì)于T2-3方案而言，T1的變形較小，以豎向沉降為主，T2變形顯著增大，主要集中于T2中部勺形范圍(圖4f)中標(biāo)記①處)，逐漸從T2表面圈層狀擴(kuò)散至T1-T2界面，最大位移從2.82 cm增至13.32 cm。與T2-1,T2-2兩種方案進(jìn)行對(duì)比可發(fā)現(xiàn)，底部填料放置越接近水平，對(duì)上部填料的支撐作用越強(qiáng)烈，填料整體變形越小。但由于T2-3方案中T2單次填筑方量較大，壩體受到的推移作用較大，因此變形也較大。

對(duì)比3種三層填筑方案，隨著中下層壩體B1，B2的陸續(xù)完工，壩體豎向沉降逐漸增長(zhǎng)，壩趾處位移始終最大(圖6中標(biāo)記②處)。當(dāng)頂層壩體B3及底層水平填料T1施工完成后，底層填料的變形特征與T2-3工況相似，以豎向沉降為主。

中層填料T2填筑完成后，在基巖面較陡處的填料變形最為顯著，其位移方向與基巖面傾斜方向保持一致，但3種工況下填料的位移分布特征卻存在明顯差異。對(duì)于T3-1和T3-3工況而言，在填料T1-T2界面附近為變形大值區(qū)域，而在T3-2工況條件下，T2內(nèi)部出現(xiàn)大范圍勺形變形大值區(qū)，T1-T2界面附近同時(shí)出現(xiàn)小范圍變形大值區(qū)，位移云圖均呈現(xiàn)從中心向四周層狀遞減的趨勢(shì)。結(jié)合圖7可知，T3-2工況下T2階段填料和壩趾位移增長(zhǎng)幅度最大，這是由于T2填料體量較大，填料的顯著沉降與滑移強(qiáng)烈壓迫壩體，導(dǎo)致壩體變形增大。

待頂層填料T3施工完成后，不同工況下填料內(nèi)部位移云圖發(fā)生顯著變化。T3-1工況下T1,T2和T3中各出現(xiàn)一個(gè)變形極大值區(qū)，主要分布于填料分界面及坡面中部位置；T3-2工況下變形大值區(qū)主要集中于T2內(nèi)部的勺形區(qū)域，自坡面向內(nèi)部逐層遞減；T3-3工況下T1-T2界面、T2-T3界面和T3中部各出現(xiàn)一個(gè)變形極大值區(qū)，其中最大位移出現(xiàn)在T1-T2界面處。

4.2 施工方案優(yōu)化控制

上述位移變化特征分析僅以壩體和填料的局部最大值為指標(biāo)，為更全面地評(píng)價(jià)邊坡的整體變形穩(wěn)定性，引入平均位移這一指標(biāo)作為參考。如圖8所示，分別從坡腳、坡面、坡肩、坡頂取7個(gè)點(diǎn)(P1～P7)作為填料位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)，同樣從壩體表面取7個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)(K1～K7)作為壩體位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)，根據(jù)所有監(jiān)測(cè)點(diǎn)的平均位移來(lái)反映填料、壩體的總體變形特征。與填料、壩體的最大位移參數(shù)相結(jié)合，對(duì)6種工況下邊坡變形穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)估，比選出最優(yōu)的施工方案。

圖9為不同工況下填料、壩體最大位移及平均位移柱狀圖。由圖9可知，各工況下填料位移相差較大，總體而言，三層填筑方案下填料最大位移及平均位移均低于雙層填筑方案，其中T3-3工況下兩指標(biāo)數(shù)值最小，T2-1工況下兩指標(biāo)數(shù)值最大。然而，各工況下壩體的最大位移及平均位移都較為接近，差距均在1 cm以內(nèi)，其中T3-1工況及T3-3工況下壩體穩(wěn)定性優(yōu)于其余4種工況。

由此可見(jiàn)，通過(guò)調(diào)整填料的填筑方案可有效控制壩體及填料的變形，其中填料位移受施工方案影響較大，壩體變形受施工方案影響較小。以上6種工況中壩體變形均未出現(xiàn)不可控變形破壞，因此高填方邊坡穩(wěn)定性主要由填料變形控制。綜合以上分析，認(rèn)為在中下層水平的三層填筑方案(T3-3)下，邊坡穩(wěn)定性最佳，由此得出了高填方工程中邊坡穩(wěn)定性的優(yōu)化方式，即通過(guò)增加填料分層數(shù)，改善下部填料支撐條件，避免大方量填料直接與基巖面陡坡處接觸并直接作用于壩體，同時(shí)盡量使大方量填料施工次序后置。同時(shí)可考慮在壩趾前方設(shè)置預(yù)應(yīng)力錨索，將其錨固于后方填料中，支模時(shí)可加強(qiáng)壩體內(nèi)部鋼筋設(shè)置以增強(qiáng)壩體整體穩(wěn)定性，必要時(shí)可對(duì)基巖面進(jìn)行抗滑處理，如開挖抗滑臺(tái)階。

5 結(jié)語(yǔ)

本文以武隆民用機(jī)場(chǎng)南端深溝NPH2-NPH2剖面為研究對(duì)象，在控制工期一定的前提下，采用回填工程及混凝土澆筑工程分批次穿插進(jìn)行的方式，設(shè)計(jì)出6種不同填料層數(shù)與填料幾何形式的施工方案，通過(guò)FLAC3D有限差分法分析填料及壩體的位移發(fā)展規(guī)律，探討影響填料及壩體變形的客觀因素，比選出最優(yōu)施工方案，并對(duì)類似工程提出相關(guān)施工建議。所得結(jié)論如下：

1)填料位移分布受基巖面傾斜度、底層填料支撐情況和填料方量3個(gè)因素控制，當(dāng)基巖面陡峭、底部無(wú)水平或傾斜平臺(tái)支撐、一次性填方量巨大時(shí)，填料極易發(fā)生較大位移，其中填料分層界面及填料—基巖界面易形成潛在滑移面，壩體在壩趾處變形最大。

2)增加填料分層數(shù)有助于混凝土壩體在與填料協(xié)同施工的過(guò)程中得到更好的養(yǎng)護(hù)，使其強(qiáng)度進(jìn)一步提高，同時(shí)避免大方量填料單次填筑時(shí)對(duì)壩體造成過(guò)度擠壓，可有效控制壩體及填料變形。

3)將底層填料填筑至水平狀態(tài)可對(duì)上層填料形成有效支撐，避免上層填料在基巖面最陡處發(fā)生較大滑移，進(jìn)而控制壩體及填料的位移。其中中下層填料水平的三層填筑方案(T3-3)邊坡穩(wěn)定性效果最佳。