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高边坡治理方案设计优化分析
邓擎旗　王　峰
(中国航天科技集团公司第四研究院　710025　西安)
摘　要:由于许多边坡工程受各种因素—地质条件、场地条件、使用性质等方面的影响,需要结合工程实际情
况,才干设计出科学、经济、安全、环境美观的治理工程设计。本文结合某特殊边坡的方案设计论证过程
介绍了边坡治理设计中比选、优化的作用效果。
关键词:边坡设计;方案;评审;优化;效果
前言
在某些工程设计中,经常会碰到一些有特殊条件、特殊用
途的工程案例,有些特殊规定又与设计中所遵循的国家规范规
定相冲突。这就需要工程技术人员结合工程实际充足优化比
选方案,最终完毕经济、合理满足规范的工程设计。
1　边坡概况和特点
1. 1　边坡概况
该工程项目重要是对五个厂房周边的挖方边坡及厂房间
的土隔墙、厂方前方土台的稳定性进行评价,然后完毕其治理
工程设计。治理前边坡坡率为1: 0. 89~1: 0. 48(48°~64°)不
等,大多为1: 0. 6~1: 0. 7,高度为22~34m,边坡皆为一坡到
顶,中间没有缓冲平台,方土台、土隔墙高度平均高度在18m,
坡度为1: 0. 6~1: 0. 7。
表一　各厂房边坡坡角、坡率及坡高一览表
厂房编号坡角(°)坡率坡高(m)备注
甲
东54 1: 0. 72 22
南52 1: 0. 77 13
西48 1: 0. 89 11
北51 1: 0. 79 21
乙
东64 1: 0. 48 28
南51 1: 0. 79 19
西52 1: 0. 77 13
北53 1: 0. 74 22
丙
东58 1: 0. 62 34
南52 1: 0. 77 23
西53 1: 0. 74 20
北53 1: 0. 74 28
丁
东57 1: 0. 64 21
南53 1: 0. 74 19
北51 1: 0. 79 18
坡高为厂房
之上高度
(厂房高度
10·4m)
戊
东56 1: 0. 66 26
南55 1: 0. 69 20
西51 1: 0. 79 13
北54 1: 0. 72 21
厂区现有的边坡、土隔墙、方土台的一部分在底部作了1.
4~2. 0m高度不等的浆砌片石护面墙,其它部位未作任何防护
工程,也未做任何坡面绿化工程。
目前,已开挖四年的边坡及土隔墙的下部已出现局部垮
塌,坡面上的古土壤层已出现冲刷凹槽,其中甲厂房附近的填
方边坡出现过局部滑塌现象。
1. 2　边坡工程特点
该厂区周边的边坡、土隔墙、方土台边坡皆为围绕在各厂
房四周。该土质边坡、土隔墙、方土台有多重作用: 1、把厂房
分割成几个独立的单元,互不影响; 2、在厂房发生爆炸等灾害
时,对其他厂房起保护作用; 3、土质边坡对爆破产生的冲击波
起吸取作用,能尽量减少爆炸产生的冲击波产生的二次危害。
2　边坡工程地质概况
2. 1　边坡工程地质条件
2. 1. 1　地形地貌
场地地貌单元属黄土塬(铜人塬),地形东高西低,场地南
北两侧皆为黄土冲沟。各厂房外围边坡及土隔墙皆为机械挖
方边坡,坡面陡直,坡率为1: 0. 89~1: 0. 48,大多为1: 0. 6~1:
0. 7,坡高为22~34m。边坡顶面地势较平缓、开阔。
2. 1. 2　边坡地层岩性
根据本次工程地质测绘和前期勘察揭露,场地地层岩性主
要为第四系松散堆积物,即由马兰、离石黄土、残积古土壤互层
组成。地层产状较缓,倾向西,倾角在15°左右,按其岩性特
征,自上而下划分为9层,黄土和古土壤层相间分布。黄土层
呈大孔结构,针状孔隙发育,含少量白色钙质条纹,土质较均
匀,具湿陷性,垂直节理发育。局部偶见蜗牛壳碎片;古土壤层
呈具团粒结构,大孔发育,含多量白色钙质斑块及结核,土质均
匀。底部为钙质结核层。
2. 1. 3　抗震设防烈度
根据《中国地震动参数区划图》GB18306-2023,厂区所在
位置地震动峰值加速度为0. 20g,地震动反映谱特性周期为0.
35s,所相应的地震基本烈度为Ⅷ度。根据《建筑工程抗震设计
规范》GB 50011-2023,应进行抗震设防。
2. 1. 4　地下水
此外,根据勘察报告,场地地下水埋深大于80m,在厂房坡
脚地坪以下不小于45m,对边坡及土隔墙稳定性无影响。
2. 2　边坡稳定性分析和计算
2. 2. 1　边坡稳定性分析
该区的边坡及土隔墙较高,土体土质较均一,孔隙较发育。
上部(15m以上)黄土结构较疏松,具湿陷性,其强度较低,土
层直立性较差。由上至下,不同时代的黄土地层的渗透性逐步
减弱,在大气降雨下,雨水沿孔隙、节理、裂隙下渗,遇古土壤层
而滞留,黄土在饱水状态下会发生局部坍塌、坡面冲刷、掉块等
破坏现象。而该区地震烈度为Ⅷ度区,场地又被长安-临潼活
动断裂包围,是地震活跃区。黄土土质疏松、边坡临空面大,受
地震力作用时,土体结构将遭受破坏,抗剪强度减少,有也许引
起边坡失稳破坏。
2. 2. 2　边坡稳定性计算
1、各种参数的取值:本次边坡稳定性计算粘聚力、内摩擦
角、天然重度的取值采用勘察报告中的建议值。用圆弧滑动面
法计算时,正常工况下边坡稳定安全系数为K≥1. 30;根据《边
坡工程设计规范》,强降雨(连续降雨)状态下边坡稳定安全系
数为K≥1. 20;根据《铁路抗震设计规范》(GBJ111-87)规定,
该类边坡工程在地震状态下,边坡稳定安全系数为≥1. 10。
2、计算方法:对区内现有各厂房的边坡、土隔墙、方土台在
自然状态下、强降雨状态下、地震状态下的稳定性采用简化
Bishop法进行了验算。
3、计算结果:计算结果表白,边坡在正常工况下是稳定的
但在地震工况下欠稳定,但均不满足在圆弧滑动法计算的正常
工况下边坡稳定性系数应≥1. 30、强降雨(连续降雨)状态下
边坡稳定性系数应≥1. 20、地震状态下≥1. 10的规定。需要
进行治理。特别强调的是:对土隔墙稳定影响最大的是:水平
地震力的影响。
3　边坡工程方案设计、比选、优化
由于该工程的特殊性,在工程设计过程中业主加强了与设
计单位的有效沟通,在设计前、设计完毕后对设计的有关问题
进行了及时的协商最终完毕了科学、经济、可行的治理设计方
案。
3. 1　治理设计技术思绪
由于工厂的特殊性,该区域的土隔墙及土质边坡的作用:
土隔墙有防止爆炸影响隔壁厂房,还要尽量减少坡面防护过程
中混凝土的使用量,以便有更多的土质坡面来吸取爆炸产生的
能量,减少二次破坏。因此规定在设计中尽量保持原有土隔墙
的高度;减少坡面上混凝土防护面积,最大限度的保存原有的
吸取能量的功能。
结合工厂特殊的规定,形成治理的技术思绪:
将厂区挖方形成的边坡分为两类,第一类是在厂区外围直
接与黄土塬相连的边坡,此类边坡有条件可向外削坡减少坡
度,减少下滑力,增大坡体安全度,直到符合规范规定的自然条
件;第二类是厂区内厂房之间的土隔墙及厂房入口处的方土
台,这两种土体构筑物通过验算都不满足抗震规定,需要治理。
但这类构筑物减少地震力的途径只能是减少土隔墙高度,没有
削坡的也许性,增强抗震能力的方法可采用钢筋混凝土格构、
锚杆系统与灌注桩相连。
除安全问题以外,尚有环境问题。目前,厂区在春天风季
沙尘飞扬,秋天雨季泥浆遍地,因此要尽也许对环境进行绿化
使之防止坡面冲刷、剥蚀,并且使环境美观,这也是选择方案的
一个重要因素。
3. 2　边坡治理方案
根据计算结果,对厂区周边各边坡作了3种断面形式的治
理方案,以供选择。厂房之间的土隔墙、方土台因无放缓边坡
的也许,只能在减少土隔墙、方土台到一定高度的同时,采用加
固措施,故治理方案只有一个。K07厂房周边边坡因受厂房与
边坡直接相连的条件制约,故治理方案只有一个。整个工程方
案组合为3个。
3. 2. 1　方案一:
(一)厂区周边边坡治理方案重要内容: (下部格梁锚杆护
坡+上部1: 1放坡方案)
①边坡按台阶式设计,下部为陡坡(格梁锚杆加固)、上部
为缓坡的组合方案。经验算拟定,边坡下部设计两级陡坡,其
坡率取1: 0. 75,每级坡高为8. 0m,平台宽度为2. 0m;第三级边
坡以上设边坡坡率为1: 1. 0,高度为8. 0m,平台宽度为2. 0m。
第一、二级边坡采用格梁锚杆结构加固。整个坡面绿化。
②在各级平台上设立排水沟、急流槽。
(二)土隔墙及方土台的治理方案
土隔墙及方土台高度减低至降到16m,坡面格梁加锚杆相
结合的结构体系来相应增大抗震能力,表面绿化解决。
(三)丁厂房周边边坡治理方案
由于丁厂房已与周边坡体结为一体,已无分隔开的也许,
通过验算,周边坡体的稳定系数达不到安全标准。必须对丁厂
房东边坡、北边、南边坡采用钢筋混凝土挖孔灌注抗滑桩对坡
体进行预加固,以保证厂房的日后的安全。丁厂房顶面以上的
东边坡、北边和南土隔墙的设计坡率采用1: 1,平台宽度为2.
0m。
3. 2. 2　方案二:
(一)厂区周边边坡治理方案: (全放坡方案):
①通过验算证明,将厂区周边边坡削成台阶式边坡,坡率
取1: 1,平台宽度取2. 0m,边坡高度为8. 0m,以此模式做成的
边坡,可以满足安全规定
②平台上设排水沟以防止雨季坡面水流冲刷和拦截泥沙。
③表面绿化解决。
(二)丁厂房周边边坡、土隔墙及方土台的治理方案
丁厂房周边边坡、土隔墙及方土台的治理方案与方案一相
同。
3. 2. 3　方案三:
(一)厂区周边边坡治理方案: (下部格梁锚杆护坡+上部
1: 1放坡优化方案)
①边坡按台阶式设计,设计四级边坡,第一、二级边坡坡率
取1: 0. 75,坡高为8. 0m,平台宽度为1. 5m;第三级边坡边坡坡
率为1: 1. 0,高度为10. 0m,第三级平台宽度为4. 5m,并在三级
平台上铺设巡逻道及排水沟。第四级边坡坡率随坡到坡顶界
墙附近。
②除三级边坡外,其余边坡采用格构加锚杆,平台设排水
沟,坡面设急流槽,表面绿化护理。
(二)土隔墙及方土台的治理方案
土隔墙及方土台的治理方案与方案一相同。
(三)丁厂房周边边坡治理方案
丁厂房周边边坡、土隔墙及方土台的治理方案与方案一相
同。
4　方案技术比较
方案一:下部为陡坡(格梁锚杆加固)、上部为缓坡的组合
方案:下部陡坡用格梁锚杆结构加固,隔梁间坡面采用挂网喷
锚加固,坡脚栽培藤蔓植物或客土喷播草种植被护坡。上部缓
坡用草皮覆盖。此方案下部陡坡与周边土隔墙、厂房前方土台
的坡率一致,比较和谐,占地也较少,技术合理。
缺陷:治理范围超过工厂东侧边界,需要征用部分耕地。
方案二(全放坡方案):本方案采用放缓边坡,使坡体达成
规定的安全等级。其最大的优点是贴近自然条件,有较好的边
坡绿化条件,环境美观,在不考虑征地的条件下,造价较低。
缺陷是,下部缓坡与周边土隔墙、厂房前方土台的坡率不
一致,且超过东侧边界过多,需要征用大量耕地。
方案三:优点是厂区边界维持现状不变,节省征地费用,不
足之处是坡面的坡率上下反复、多变,坡面结构形式相对多变。
经比较,由于征用耕地手续较为繁琐,且严重影响工期,
方案三为推荐方案,经专家评审,在方案三的基础进行设计优
化。
5　方案优化
为了节省工程投资,达成“经济、合理”的目的,通过勘察、
设计、高校等专家和工程技术人员两次专项优化审查,充足结
合工程实际,在方案三的基础进行调整、优化,最终完毕满足规
范的边坡治理施工图设计。
5. 1　方案评审
方案设计完毕后,相关专家对设计进行了讨论、评审。评
审意见认为:
(a)设计采用勘察推荐的黄土力学指标(C,Φ值选取)有
点保守,治理费用高,可根据经验值适当调整参数,对原方案设
计的边坡、土隔墙、方土台的设计计算模型等作进一步优化;
(b)结合K07厂房结构竣工图,验证抗滑移桩的必要性。
(c)甲工房东侧冲积沟采用旋喷桩加固松散填土的措施,
可以结合周边地貌优化解决。
5. 2　在方案三基础上的方案优化
通过对专家意见认真分析,优化调整如下:
(a)一方面对方案三设计的C,Φ值选取、土隔墙、方土台等
设计计算模型进行修改,设计参数调整情况见下表。
与工厂工艺方协商在不影响土隔墙大部分使用功能后,将
土隔墙高度再减少2-4m,大大的减少地震力对土隔墙的作用。
通过两方面调整,边坡周边、方土台、土隔墙三种设计计算
模型,在方案三的卸载土方的基础上,各种自然状态、强降雨和
地震状态下,是稳定的。
按照以上结论,原考虑坡面设立土体锚杆作为重要结构构
件,完全只需考虑为边坡表面护理的构造措施,大大缩短了缩
短了杆格梁中锚杆的长度,将原方案锚杆长度12~14m,变更
为6m-8m,土隔墙的防护措施中锚杆长度也又本来的6m-
12m变为4-8m,大大节省了工程投资,此举措估计节省投资
500万元。
(b)同时依据镶嵌于边坡之间的丁厂房的结构图,通过查
验和复算,该厂房为“双窑洞”钢筋混凝土整体结构,墙体、顶
板厚度为500mm,原工房设计已考虑了必要的水平作用力,本
次设计不需考虑边坡对厂房的水平作用力;
根据上述情况,取消原设计钢筋砼人工挖孔的抗滑移桩,
此举节约工程投资150万元。
(C)甲工房东侧冲击沟虽已回填,由于不密实,出现局部
坍塌。原方案中考虑在40余根旋喷桩,已完全固化冲击沟中
回填土,避免边坡东侧的冲沟积水对边坡的影响,通过协商和
方案综合比较,采用了对冲沟处进行征地,将冲沟部分回填,修
筑地面截排水措施,将冲沟水经地表排走,减少冲沟积水对边
坡的影响。通过这几项措施,取消了旋喷桩的保护措施,节约
工程投资约50万元。
5. 3　优化后效果
5. 3. 1　通过以上三个方面的优化措施,最终出具了施工图,通
过预算,节约工程投资共计800万元。
5. 3. 2　按照设计的施工图组织工程施工,于2023年终土建、
绿化治理工程竣工, 2023年年终通过国家验收。
6　结论:
笔者作为建设方建设主管和代表,组织和参与了本次高边
坡治理方案设计的全过程,通过该项目的优化分析,有以下体
会:
(1)作为工程各级管理人员,特别是建设方,应当自觉遵
守基本建设管理程序。按照程序,可以有的放矢,比如本项目
优化设计,笔者自始至终遵照建设工程的程序执行,在关键的
阶段,如方案比选、优化、设计等重要环节,组织专家进行阶段
性设计审查工作,充足与专家、设计人员沟通、交流,集大家之
意见,使之贯穿于整个设计工作。
(2)建设方要充足重视方案设计阶段的工作,工程设计阶
段,特别是方案设计阶段是影响和控制工程造价的关键环节,
认真研究分析和比选,进行多方案的技术经济分析,最终才干
选择出一个科学、经济、可行的设计方案。
依据标准及参考文献
[1]国家标准《湿陷性黄土地区建筑规范》(GB50025-2023)
[2]国家标准《建筑地基基础设计规范》(GB50007-2023)
[3]国家标准《建筑边坡设计规范》(GB50330-2023)
[4]行业标准《基坑土钉支护技术规程》