重慶武隆民用機(jī)場(chǎng)巖溶地基高填方邊坡穩(wěn)定性分析

熊天杰，黃林，來(lái)云亮

（1 重慶機(jī)場(chǎng)集團(tuán)有限公司，重慶 401120； 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）

0 引言

中國(guó)是世界上巖溶發(fā)育較完全分布較廣的國(guó)家之一，巖溶地貌多分布于西南云貴高原及其周邊區(qū)域，具有種類(lèi)多、厚度大、年代久的特點(diǎn)，而重慶地區(qū)又以埋藏型巖溶為主[1-2]，受到山區(qū)地形條件的限制，現(xiàn)有的陸運(yùn)交通網(wǎng)絡(luò)已不能滿足日益增長(zhǎng)的運(yùn)輸需要，經(jīng)濟(jì)發(fā)展也受到制約，因此民航運(yùn)輸?shù)膬?yōu)勢(shì)便逐漸顯現(xiàn)。國(guó)家對(duì)于中西部地區(qū)民用機(jī)場(chǎng)項(xiàng)目新建或改擴(kuò)建工程的支持力度也在不斷加大[3]。 而在山區(qū)修建機(jī)場(chǎng)，往往要面對(duì)復(fù)雜的氣候條件、高地震烈度以及深挖高填等特殊工程問(wèn)題，而高填方邊坡失穩(wěn)產(chǎn)生的工程地質(zhì)事故也會(huì)造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失以及不良的社會(huì)影響，因此對(duì)巖溶地基的治理、穩(wěn)定性的研究和高填方邊坡失穩(wěn)的防治是巖溶區(qū)工程建設(shè)中不可忽視的重點(diǎn)問(wèn)題[4]。 針對(duì)山區(qū)機(jī)場(chǎng)道槽區(qū)巖溶地基的處理，高俊生[5]認(rèn)為應(yīng)根據(jù)巖溶發(fā)育程度、可能性及危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)結(jié)果，采取清爆換填、強(qiáng)夯探測(cè)、加筋補(bǔ)強(qiáng)相結(jié)合的綜合治理方案，以達(dá)到最優(yōu)處置效果。孫建民[6]分別采用振動(dòng)碾壓、沖擊碾壓、原地面強(qiáng)夯及碎石樁四種施工工藝對(duì)巖溶地基進(jìn)行處理，并對(duì)處理效果進(jìn)行對(duì)比分析。 通過(guò)數(shù)值分析手段，侯俊偉[7]、唐佳穎等[8]探究了單排懸臂樁和雙排樁、加筋土和樁板擋墻聯(lián)合支護(hù)體系對(duì)高填方邊坡穩(wěn)定性的影響，結(jié)果表明采取以上支擋防護(hù)措施均可有效改善地基與邊坡的工程性狀。

作為我國(guó)首例在機(jī)場(chǎng)建設(shè)中引入重力壩的深挖高填工程，研究不同巖溶地基處理技術(shù)對(duì)壩體及其后方大方量填料的變形穩(wěn)定有著重大工程意義。因此本文以重慶武隆民用機(jī)場(chǎng)南端深溝高填方工程為研究對(duì)象，通過(guò)前期調(diào)研、室內(nèi)試驗(yàn)和數(shù)值模擬等手段，針對(duì)機(jī)場(chǎng)建設(shè)中涉及的4 種巖溶地基處理技術(shù)、高填方邊坡穩(wěn)定性控制等實(shí)際問(wèn)題開(kāi)展研究，以期為工程建設(shè)方案設(shè)計(jì)及工程風(fēng)險(xiǎn)規(guī)避提供參考。

1 工程概況

重慶武隆民用機(jī)場(chǎng)位于重慶市武隆縣仙女山鎮(zhèn)仙女山村，場(chǎng)址地處仙女山背斜北西翼， 場(chǎng)區(qū)海拔高度在1620～1900m 之間，總體地勢(shì)東高西低、南高北低，東側(cè)與一近東北向延伸的山梁相接，西側(cè)和南端為臺(tái)地邊緣切割較深的沖溝，北端及軸線中部地形相對(duì)平坦，規(guī)劃?rùn)C(jī)場(chǎng)跑道處于起伏較小的場(chǎng)區(qū)中部。 場(chǎng)區(qū)范圍內(nèi)出露兩套地層，上部覆蓋層以第四系松散堆積的紅黏土夾雜碎石為主，下伏基巖主要由二疊系上統(tǒng)吳家坪組（P3w）灰?guī)r、硅質(zhì)巖及頁(yè)巖組成， 場(chǎng)區(qū)內(nèi)地表巖溶及現(xiàn)代地下巖溶發(fā)育程度較低，卻存在發(fā)育良好的埋藏性古地下巖溶，呈現(xiàn)溶蝕漏斗、溶蝕洼地、落水洞等多種巖溶現(xiàn)象。機(jī)場(chǎng)南端下伏基巖中發(fā)育有三個(gè)較大的溶室，溶室勘探深度約15～20m，溶室內(nèi)部形成空腔并相互連接，且多被第四系殘坡積物所充填。考慮地下水溶蝕作用對(duì)巖溶地基承載力及場(chǎng)地使用的安全影響，需對(duì)溶室進(jìn)行相應(yīng)處理。 由于受到地形條件與天然氣管道位置的限制， 高填方邊坡不具備放坡條件，且須將放坡坡率控制在1∶1.4 左右。因此使用碎石填料對(duì)南端深溝處進(jìn)行回填時(shí)，選擇重力式高擋墻支擋（攔擋壩）對(duì)邊坡進(jìn)行支護(hù)，壩體由“北翼”和“南翼”兩部分組成，兩翼壩軸線夾角約147°，壩體總長(zhǎng)約135m，高約40m。 南端深溝溶溝發(fā)育情況及天然氣管道位置如圖1 所示，壩體及溶室平面位置如圖2 所示。

圖1 南端深溝溶溝發(fā)育情況及天然氣管道位置

圖2 南端深溝壩體及溶室平面位置圖

2 地基處理方案及建模

2.1 巖溶地基處理方案設(shè)計(jì)

為提高巖溶地基穩(wěn)定性與承載力，以滿足上部攔擋壩及填方工程的施工需要，工程上通常考慮采用強(qiáng)夯、清爆、充填、注漿、結(jié)構(gòu)物跨越、樁基等處理方法對(duì)巖溶地質(zhì)體進(jìn)行一定的加固。 注漿采用的材料多為水泥砂漿和混凝土；結(jié)構(gòu)物跨越常采用的結(jié)構(gòu)形式包括網(wǎng)格梁、框架梁、地基板、土工格室等；將巖溶地質(zhì)體空腔內(nèi)強(qiáng)度較低的黏土挖除后，多用塊石、漿砌片石以及混凝土等高強(qiáng)度材料加以充填[9]。

本文以穿越基巖內(nèi)部3 號(hào)溶室中心部位的最危險(xiǎn)填方剖面NPH2-HPH2 為例（圖2），選用4 種較為常見(jiàn)的巖溶地基處理方法，施工內(nèi)容如下：

（1） 塊石充填處理：將溶室中原有的黏土碎石充填物清除后，采用塊石充填溶室并夯實(shí)，以增強(qiáng)巖溶地基強(qiáng)度；

（2） 混凝土充填處理：將溶室中原有的黏土碎石充填物清除后，采用混凝土充填溶室，并養(yǎng)護(hù)至標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)強(qiáng)度，以增強(qiáng)巖溶地基強(qiáng)度；

（3） 蓋板跨越處理：將長(zhǎng)×寬分別為 30m×12m 的混凝土蓋板置于溶室正上方，要求蓋板跨越溶室頂部，且蓋板上表面與混凝土攔擋壩體連結(jié)，從而對(duì)上覆結(jié)構(gòu)提供支撐；

（4） 土工格室跨越處理：采用與溶洞口尺寸相近土工格室鋪設(shè)于溶室頂部，要求將洞口完全覆蓋，并固定于溶室周?chē)膰鷰r上，且與攔擋壩體連結(jié)，為上覆結(jié)構(gòu)提供支撐。

2.2 數(shù)值模型構(gòu)建

以上述NPH2-NPH2 剖面以及現(xiàn)場(chǎng)溶室地形勘查數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，考慮數(shù)值模擬中的邊界效應(yīng)，在保持主要研究對(duì)象尺寸不變的前提下，對(duì)基巖邊界進(jìn)行適當(dāng)擴(kuò)展，建立原始工況及4 種巖溶處理工況下的數(shù)值模型。 根據(jù)設(shè)計(jì)方案，將點(diǎn)、線數(shù)據(jù)導(dǎo)入專(zhuān)業(yè)建模軟件Rhino5.0 中， 并建立相應(yīng)的非流行曲面， 然后采用Griddle 插件進(jìn)行網(wǎng)格劃分， 將生成的四面體網(wǎng)格文件導(dǎo)入FLAC3D6.0 中， 其中圍巖與壩體按照二維剖面拉伸形成對(duì)稱(chēng)模型，溶室由實(shí)際幾何形態(tài)構(gòu)建三維模型。 采用軟件內(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。

原始工況及4種巖溶處理工況下的數(shù)值分析模型如圖3 所示，亦可直觀看出填料-壩體-基巖的空間相對(duì)位置。模型長(zhǎng)×寬×高分別為328m×100m×170m，由約149000 個(gè)四面體單元和約27700個(gè)網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)組成。其中， 溶室洞口長(zhǎng)22.3m，寬 8.5m，溶室深19.2m。 計(jì)算中基巖、壩體、填料及溶室原始填充物的相關(guān)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)，接觸面與土工格室的相關(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)參考相關(guān)文獻(xiàn)[10]。 表1—表3 為數(shù)值計(jì)算中不同材料選取的本構(gòu)模型及相關(guān)參數(shù)。

圖3 原始狀態(tài)及4 種巖溶處理方案下的數(shù)值分析模型

表1 填料、基巖與溶室原始填充物的本構(gòu)模型及相關(guān)參數(shù)

表2 接觸面相關(guān)參數(shù)

表3 土工格室相關(guān)參數(shù)

3 結(jié)果與分析

3.1 不同工況下邊坡變形發(fā)展規(guī)律

3.1.1 填料位移分布特征

原始工況下模型整體位移云圖如圖4 所示，圖中將填料、壩體、溶室位置用虛線標(biāo)注。 為了更加直觀對(duì)比不同處理方案的優(yōu)劣程度，將原始工況與4種巖溶處理工況下的填料中下部、 壩體和溶室的位移云圖匯總于表4。

由圖4 可知，原始狀態(tài)下，填料在靠近坡腳處的位移較大， 從坡腳至坡頂呈層狀遞減趨勢(shì)， 最大位移為14.46cm。 位移矢量近似豎直向下，越靠近坡腳處偏移越明顯。 以上特征說(shuō)明，在自重作用下，填料位移以豎向沉降為主，伴隨有一定的側(cè)向滑移；從坡體傾向上看，填料變形分布規(guī)律與填方量及基巖面傾斜程度相關(guān)，填料中下部方量較大，且下伏基巖面較陡，因而該部分填料的豎向沉降及側(cè)向滑移量均較大。

圖4 原始狀態(tài)下模型整體位移云圖

由表4 可知，在塊石充填、混凝土充填、蓋板處理和土工格室跨越處理工況下， 模型整體位移云圖分布特征與原始工況下相似，填料最大位移仍發(fā)生于靠近坡腳處，但相比原始工況下的分別減少了 0.98cm （6.78%）、1cm （6.91%）、0.41cm（2.80%）、0.92cm（6.36%），說(shuō)明以上 4 種地基處理方式均可在一定程度上減小填料位移量， 但影響較小。

3.1.2 壩體位移分布特征

相比于填料而言，壩體總體位移相對(duì)較小，但壩體水平位移分量較填料有所增大。 從縱切面上看，壩體表現(xiàn)出遠(yuǎn)離填料一側(cè)位移大、靠近填料一側(cè)位移小，頂部位移大、底部位移小的特征，最大位移發(fā)生于壩頂處，為9.33cm。 由此可見(jiàn)，在后方填料的側(cè)壓力以及壩體自身的重力作用下，壩體會(huì)發(fā)生豎向變形并伴有一定的側(cè)向壓迫，說(shuō)明壩體的存在可有效阻止后方填料的進(jìn)一步變形。

1.3.1 對(duì)照組 對(duì)照組患有陰道炎的老年糖尿病患者給予雌激素軟膏（批準(zhǔn)文號(hào)：國(guó)藥準(zhǔn)字H20051718，規(guī)格：14 g（1 g：0.625 mg）進(jìn)行治療，給藥方式為陰道內(nèi)給藥。根據(jù)患者陰道炎的嚴(yán)重程度，每天給予0.5～2 g藥物。根據(jù)說(shuō)明書(shū)的使用方法給藥。給藥療程為4周。

由表4 亦可看出，4 種地基處理工況下壩體位移云圖分布特征與原始工況下相似，最大位移仍發(fā)生于壩頂處，但相比原始工況 下 分 別 減 小 1.26cm （13.50% ）、1.44cm （15.40% ）、1.01cm（10.83%）、0.78cm（8.36%）。可見(jiàn)充填法對(duì)于模型壩體變形的控制效果同樣優(yōu)于結(jié)構(gòu)物跨越法，這可能與兩種方法不同的作用機(jī)理有關(guān)。 通過(guò)置換溶室軟弱充填物并填充強(qiáng)度較大的塊石或混凝土，可顯著增強(qiáng)壩體地基強(qiáng)度，進(jìn)而有效減小上方壩體的位移；而在溶室上部加蓋結(jié)構(gòu)物， 是依靠結(jié)構(gòu)物對(duì)壩體形成有效支撐，從而抑制了壩體的位移，但由于溶室充填物強(qiáng)度太低，其變形控制效果較充填處理法差。

表4 不同工況下填料、壩體及溶室位移云圖

3.1.3 溶室位移分布特征

從圖4 可直觀看出，溶室與填料、壩體相比位移最小，位移方向接近豎直向下，其最大位移出現(xiàn)在頂部中心處，為8.16cm，并由頂部中心向四周及底部呈圈層狀遞減。 由此可見(jiàn)，隨著壩體及填料施工的逐步完成，溶室內(nèi)強(qiáng)度較低的原有軟弱充填物不足以抵抗上部壩體施加的壓力，壩體會(huì)發(fā)生一定程度的豎向變形，且頂部累積變形最大，但由于周?chē)鶐r的強(qiáng)力支撐，使其四周及底部變形受到限制，因此溶室位移呈現(xiàn)由中心向四周和底部逐漸遞減的趨勢(shì)。

溶室內(nèi)部采用塊石和混凝土置換后， 溶室力學(xué)性質(zhì)顯著改善，其變形大幅度減小，最大位移量與初始工況相比分別減少了6.58cm（80.64%）和7.35cm（90.07%），且兩者的變形分布規(guī)律發(fā)生了明顯變化。 采用塊石置換后溶室的受力方向和邊界條件未變，因此溶室位移分布規(guī)律與原始工況下相似，但混凝土置換后頂部位移中心向填料一側(cè)偏移，說(shuō)明僅填料一側(cè)的強(qiáng)度就足以對(duì)上覆結(jié)構(gòu)物形成有效支撐，其余部分還未產(chǎn)生較大變形。 對(duì)溶室采用蓋板處理和土工格室跨越處理，相較于原始工況，溶室變形有了些許改善， 最大位移量分別減少了0.76cm （9.31%） 和2.82cm（52.8%）。 結(jié)構(gòu)物跨越處理后溶室的變形分布規(guī)律同樣發(fā)生了變化，其中蓋板處理后溶室位移分布特征與原始工況下相似，土工格室跨越處理后出現(xiàn)與混凝土充填方案相似的變形趨勢(shì)。

3.2 不同工況下邊坡穩(wěn)定性對(duì)比

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，對(duì)不同巖溶工況下填料、壩體及溶室各部分最大位移下降率進(jìn)行對(duì)比，同時(shí)結(jié)合前述關(guān)于各工況下模型位移發(fā)展規(guī)律的分析，篩選出最優(yōu)處理方案，如各巖溶處理工況下模型各部分最大位移下降百分比柱狀圖（圖5）。

圖5 不同巖溶處理方案下模型各部分最大位移下降百分比柱狀圖

由圖5 可知，相比于原始工況，4 種巖溶處理措施均不同程度地減小了模型各部分最大位移， 其中溶室位移下降最為顯著，其次為壩體位移和填料位移。 填料大致經(jīng)歷了豎向沉降—回彈—緩慢滑移三個(gè)變形階段，隨著壩體變形的增大，填料的滑移變形也逐漸增大，最終趨于相對(duì)穩(wěn)定。 由于基巖本身對(duì)壩體有一定的支撐作用，因此巖溶處理措施對(duì)壩體及填料的變形控制影響較小。

4 結(jié)論

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， 建立了原始工況及4 種巖溶處理工況下的5 個(gè)三維分析模型，分別對(duì)填料、壩體和溶室的位移分布特征以及位移發(fā)展規(guī)律進(jìn)行了分析，比選出巖溶處理最優(yōu)方案。 所得結(jié)論如下：

（1） 填料和壩體變形以豎向沉降為主，同時(shí)伴有一定的側(cè)向滑移。 填料變形分布與填方量及基巖面傾斜程度有關(guān)，當(dāng)溝谷底部以上填方量較大，且下伏基巖面較陡時(shí)，上部填料變形相對(duì)較大；壩體在頂部以及遠(yuǎn)離填料一側(cè)變形較大，逐漸向底部及靠近填料一側(cè)遞減，最大位移發(fā)生于坡肩和壩頂處。

（2） 溶室相比于填料和壩體位移最小，以豎向變形為主。 隨著溶室力學(xué)性能的提高，最大位移位由溶室頂部中心處逐漸向填料一側(cè)偏移，溶室整體位移呈現(xiàn)由中心向四周和底部逐漸遞減的變化趨勢(shì)。

（3） 4 種巖溶處理方案均在不同程度上減小了填料、壩體和溶室的變形，增強(qiáng)了巖溶地基承載力以及高填方邊坡穩(wěn)定性。 其中充填法對(duì)于模型各部位的變形發(fā)展控制效果顯著優(yōu)于結(jié)構(gòu)物跨越法，以混凝土充填最優(yōu)，其次依次為塊石充填、土工格室跨越和蓋板跨越。