公安厅技术大楼场地高边坡治理方案设计优化分析.doc

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,才能设计出科学、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,常常会遇到一些有特殊条件、特殊用途的工程案例,有些特殊要求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分优化比选方案,最终完成经济、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主要是对五个厂房周围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,然后完成其治理工程设计。治理前边坡坡率为1: 0. 891: 0. 48(4864)不等,大多为1: 0. 61: 0. 7,高度为2234m,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. 61: 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104m)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1.42. 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围的边坡、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收作用,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. 891: 0. 48,大多为1: 0. 61:0. 7,坡高为2234m。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GB18306-2001,厂区所在位置地震动峰值加速度为0. 20g,地震动反应谱特征周期为0.35s,所对应的地震基本烈度为度。根据建筑工程抗震设计规范GB 50011-2001,应进行抗震设防。2. 1. 4地下水另外,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,抗剪强度降低,有可能引起边坡失稳破坏。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K1. 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K1. 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:计算结果表明,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的要求。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、设计完成后对设计的有关问题进行了及时的协商最终完成了科学、经济、可行的治理设计方案。3. 1治理设计技术思路由于工厂的特殊性,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收爆炸产生的能量,减少二次破坏。因此要求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,最大限度的保留原有的吸收能量的功能。结合工厂特殊的要求,形成治理的技术思路: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降低坡度,减少下滑力,增大坡体安全度,直到符合规范要求的自然条件;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,这两种土体构筑物经过验算都不满足抗震要求,需要治理。但这类构筑物减少地震力的途径只能是降低土隔墙高度,没有削坡的可能性,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,还有环境问题。目前,厂区在春天风季沙尘飞扬,秋天雨季泥浆遍地,因此要尽可能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,对厂区周围各边坡作了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可能,只能在降低土隔墙、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厂房周围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)厂区周围边坡治理方案主要内容: (下部格梁锚杆护坡+上部1: 1放坡方案)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。经验算确定,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。在各级平台上设置排水沟、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,表面绿化处理。(三)丁厂房周围边坡治理方案由于丁厂房已与周围坡体结为一体,已无分隔开的可能,经过验算,周围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)厂区周围边坡治理方案: (全放坡方案):经过验算证明,将厂区周围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,可以满足安全要求平台上设排水沟以防止雨季坡面水流冲刷和拦截泥沙。表面绿化处理。(二)丁厂房周围边坡、土隔墙及方土台的治理方案丁厂房周围边坡、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)厂区周围边坡治理方案: (下部格梁锚杆护坡+上部1: 1放坡优化方案)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。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)丁厂房周围边坡治理方案丁厂房周围边坡、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围土隔墙、厂房前方土台的坡率一致,比较和谐,占地也较少,技术合理。缺点:治理范围超出工厂东侧边界,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,使坡体达到规定的安全等级。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。缺点是,下部缓坡与周围土隔墙、厂房前方土台的坡率不一致,且超出东侧边界过多,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,达到“经济、合理”的目的,经过勘察、设计、高校等专家和工程技术人员两次专项优化审查,充分结合工程实际,在方案三的基础进行调整、优化,最终完成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成后,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,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处理。5. 2在方案三基础上的方案优化经过对专家意见认真分析,优化调整如下:(a)首先对方案三设计的C,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,将土隔墙高度再降低2-4m,大大的降低地震力对土隔墙的作用。经过两方面调整,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,原考虑坡面设置土体锚杆作为主要结构构件,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1214m,变更为6m-8m,土隔墙的防护措施中锚杆长度也又原来的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,经过查验和复算,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,经过协商和方案综合比较,采取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。经过这几项措施,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2007年底土建、绿化治理工程竣工, 2008年年底通过国家验收。6结论:笔者作为建设方建设主管和代表,组织和参与了此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,应该自觉遵守基本建设管理程序。按照程序,能够有的放矢,比如本项目优化设计,笔者自始至终遵照建设工程的