棄土場(chǎng)再利用場(chǎng)站選址風(fēng)險(xiǎn)分析與控制

程 楠

（中鐵二十三局集團(tuán)有限公司 四川成都 610000）

1 引言

2020年5月，中共中央、國(guó)務(wù)院印發(fā)了《關(guān)于新時(shí)代推進(jìn)西部大開發(fā)形成新格局的指導(dǎo)意見》，強(qiáng)調(diào)要強(qiáng)化基礎(chǔ)設(shè)施規(guī)劃建設(shè)，提高通達(dá)度、通暢度和均等化。統(tǒng)籌經(jīng)濟(jì)發(fā)展與安全發(fā)展兩件大事，更好地發(fā)揮西部地區(qū)國(guó)家安全屏障作用[1]。

本棄土場(chǎng)全斜長(zhǎng)約1.2 km，表面周長(zhǎng)約2.8 km，最底部寬度約400 m，本次選址位于距離最底部斜長(zhǎng)約420 m處，鋼筋加工場(chǎng)平臺(tái)距離底部約200 m[2]。由于歷史原因，棄土場(chǎng)整體堆方不能預(yù)算，因而棄土場(chǎng)潛在風(fēng)險(xiǎn)如果不能有效辨識(shí)與管控，極易導(dǎo)致次生事故[3]。項(xiàng)目選址相對(duì)位置及平面布置見圖1。

圖1 項(xiàng)目選址相對(duì)位置及平面布置

2 整體環(huán)境分析

（1）區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造

項(xiàng)目區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造主要為新場(chǎng)向斜、新觀背斜、九龍山背斜、蒼溪向斜及龍干山背斜。以蒼溪向斜為界，西北為川西褶皺帶，東南為川中褶皺帶[4]。區(qū)域內(nèi)褶皺平緩，北部以傾向南東的單斜形態(tài)為構(gòu)造特征，巖層傾角自北而南逐漸減緩，由7°～10°漸變過渡為1°～3°，甚至水平，其中僅蒼溪向斜在構(gòu)造上形成略具儲(chǔ)水向斜的輪廓[5]，見圖2。

圖2 蒼溪縣地貌

項(xiàng)目所在地為相鄰山脈結(jié)合部，山塬多為長(zhǎng)梁平臺(tái)地，頂部開闊、平緩，山坡呈臺(tái)階狀逐級(jí)下降，溝深谷窄，谷坡陡峭，海拔多在600～1 000 m間，相對(duì)高度在200～500 m之間，西部以位于亭子鄉(xiāng)與劍閣縣鶴齡接壤的長(zhǎng)寧山主峰（鵝頂堡）海拔868.3 m為最高[6]。地層巖性變化不大，斷裂構(gòu)造不發(fā)育，水文地質(zhì)條件良好，破壞地質(zhì)環(huán)境的人類工程活動(dòng)較大，突發(fā)性地質(zhì)災(zāi)害不發(fā)育，地質(zhì)環(huán)境條件復(fù)雜程度為中等[7]。

（2）自然災(zāi)害危險(xiǎn)性分析

蒼溪縣多年平均降水量為996.8 mm，年最大降雨量1 605.1 mm，最小降雨量為573.2 mm。降雨量分布極不均勻，降雨多集中在5～10月，平均降雨量為846.6 mm，占全年總降雨量的84.93%。若拌和站、鋼筋加工廠排水不暢，可能發(fā)生內(nèi)澇。蒼溪縣極端最高氣溫達(dá)39.3℃，在炎熱天氣條件下，操作人員失誤增多，可能導(dǎo)致人員的不安全行為[8]。

（3）地質(zhì)災(zāi)害

1＃鋼筋加工廠、1＃拌和站地處低山地帶，地勢(shì)平緩，站區(qū)西面、南面鄰坡（棄土場(chǎng)護(hù)坡），遇洪水可能發(fā)生滑坡。站區(qū)區(qū)域原為大唐電站棄土場(chǎng)，若發(fā)生地基沉降，可能造成房屋倒塌、設(shè)備設(shè)施損壞。蒼溪縣地震動(dòng)峰值加速度為0.05 g，地震動(dòng)加速度反應(yīng)譜特征周期為0.40 s，相應(yīng)的地震基本烈度為6 度，區(qū)域較穩(wěn)定[9]。

（4）生產(chǎn)安全危險(xiǎn)因素

拌和站主要包括原料儲(chǔ)存、原料計(jì)量及輸送、攪拌出站等工藝過程，主要設(shè)備有空壓機(jī)、裝載機(jī)、皮帶輸送機(jī)、攪拌主機(jī)、攪拌車等運(yùn)轉(zhuǎn)設(shè)備設(shè)施及計(jì)量系統(tǒng)。在生產(chǎn)過程中存在車輛傷害、機(jī)械傷害、觸電、火災(zāi)、容器爆炸、高處墜落、粉塵危害、噪聲危害等。

3 地質(zhì)穩(wěn)定性仿真分析

3．1 工程建設(shè)中及建設(shè)后可能引發(fā)或加劇地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性分析

建設(shè)場(chǎng)地切填方邊坡高度小于3 m時(shí)引發(fā)地質(zhì)災(zāi)害的可能性較小，3～6 m時(shí)引發(fā)地質(zhì)災(zāi)害的可能性較大，大于6 m時(shí)引發(fā)地質(zhì)災(zāi)害的可能性最大。切填方在硬質(zhì)巖中按65°角放坡，在土層中按45°角放坡。1＃鋼筋加工廠北面與1＃拌和站之間存在高約3 m的切方邊坡，1＃拌和站周邊設(shè)置排水溝，工程建設(shè)引發(fā)切方邊坡滑坡的可能性小，對(duì)施工人員、設(shè)備及擬建工程的危害程度小。場(chǎng)站區(qū)域原為大唐電站棄土場(chǎng)，若未對(duì)設(shè)備基礎(chǔ)進(jìn)行夯實(shí)處理，存在地面沉降的可能性。

3．2 模型

莫爾—庫(kù)侖準(zhǔn)則也稱作莫爾庫(kù)侖強(qiáng)度理論。該理論假設(shè)場(chǎng)站土體的剪切破壞只發(fā)生在正應(yīng)力和剪應(yīng)力同時(shí)存在的較復(fù)雜的應(yīng)力條件下，因此分析中忽略了只有正應(yīng)力或者只有剪應(yīng)力的相對(duì)簡(jiǎn)單的應(yīng)力條件。某個(gè)截面上作用的剪應(yīng)力滿足抗剪切強(qiáng)度時(shí)，場(chǎng)站土體會(huì)沿該截面發(fā)生剪切破壞。莫爾—庫(kù)侖準(zhǔn)則分析法具有使用簡(jiǎn)單、通俗易懂以及物理意義清晰等優(yōu)點(diǎn)，對(duì)于分析土體強(qiáng)度問題具有重要作用[10]。

圖3為場(chǎng)站選址模型橫截面。其中：L1和L3為場(chǎng)站選址兩個(gè)斜坡面的寬度；L2為場(chǎng)站選址頂面寬度；L4為場(chǎng)站選址高度；H為滲透水位高度；Hs為滲透高度。

圖3 場(chǎng)站選址模型橫截面

從場(chǎng)站選址結(jié)構(gòu)看，孔隙壓力和重力載荷均是影響邊坡穩(wěn)定性的重要因素。首先仿真孔隙壓力剖面，其計(jì)算理論基于滲流中最基本的定律——達(dá)西定律：

式中：v為滲流速度；J為水力坡降。該定律描述飽和土中水的滲流速度與水力坡降之間的線性關(guān)系規(guī)律，即滲流速度v與水力坡降J成正比。用靜水壓力和重力模擬場(chǎng)站選址，靜水壓力引起的位移和應(yīng)力可通過施加不均勻力來(lái)計(jì)算。靜水壓力計(jì)算公式：

式中：Pa為自由水面下作用在結(jié)構(gòu)物任一點(diǎn)a的壓力；ha為結(jié)構(gòu)物上的水壓力計(jì)算點(diǎn)a到水面的距離；γ為水重度。

在孔隙壓力仿真以及靜水壓力和重力模擬的基礎(chǔ)上，基于摩爾－庫(kù)侖準(zhǔn)則進(jìn)行研究?？紤]飽和土與非飽和土內(nèi)摩擦角不同，采用基于孔隙壓力下的重力和變孔隙壓力共同作用下土體的彈塑性破壞，對(duì)場(chǎng)站選址體的壓力水頭、邊坡坍塌前的等效塑性應(yīng)變進(jìn)行仿真計(jì)算，確定斜坡崩塌前的滑動(dòng)面，并對(duì)邊坡崩塌前場(chǎng)站選址土體的位移量進(jìn)行計(jì)算[11]。

3．3 仿真結(jié)果

為便于計(jì)算，將地基簡(jiǎn)化為均質(zhì)模型，將最大斷面進(jìn)行二維網(wǎng)格剖分，綜合考慮場(chǎng)站選址土體填筑工序和各填筑層的厚度，將其沿壩軸線方向等間距平推，得到場(chǎng)站選址初始三維網(wǎng)格。圖4為計(jì)算仿真結(jié)果，L1、L2和L3分別為15 m、5 m 和24 m，路堤L4的高度為12 m；滲透水位為10 m，滲透高度為4 m。坡壩內(nèi)的壓力水頭如圖4a所示，在水下墻體的壓力水頭為0～10 m，而在滲流面上為0 m。正壓頭是指正孔隙壓力，表示飽和土；而非飽和土用零壓頭表示。圖4中的零壓力水頭線為飽和土和非飽和土分開的浸潤(rùn)面位置。

圖4 場(chǎng)站選址計(jì)算仿真結(jié)果（L1＝15）

圖4b為在水壓下的場(chǎng)站選址土體滑動(dòng)面，箭頭表示土壤顆粒位移方向。右下角附近土壤不會(huì)因?yàn)橄逻吔绲墓潭s束而滑動(dòng)。圖4d為邊坡崩塌前場(chǎng)站選址土體位移量三維位移可視化。圖4d結(jié)果表明，利用平面應(yīng)變對(duì)場(chǎng)站選址進(jìn)行二維分析，可以有效預(yù)測(cè)土體失穩(wěn)情況。

圖5為場(chǎng)站選址算例2的計(jì)算仿真結(jié)果，其長(zhǎng)度L1、L2和L3分別為20 m、5 m和24 m，路堤L4的高度為12 m；滲透水位為10 m，滲透高度為4 m。

圖5 場(chǎng)站選址計(jì)算仿真結(jié)果（L1＝20）

圖6為場(chǎng)站選址算例3的計(jì)算仿真結(jié)果，其長(zhǎng)度L1、L2和L3分別為24 m、5 m和24 m，路堤L4的高度為12 m；滲透水位為10 m，滲透高度為4 m。

圖6 場(chǎng)站選址計(jì)算仿真結(jié)果（L1＝24）

圖7為場(chǎng)站選址算例4的計(jì)算仿真結(jié)果，其長(zhǎng)度L1、L2和L3分別為28 m、5 m和24 m，路堤L4的高度為12 m；滲透水位為10 m，滲透高度為4 m。

3．4 分析討論

比較算例1～4的結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，隨著場(chǎng)站選址邊坡L1距離增加，場(chǎng)站選址滑動(dòng)面體積增大，場(chǎng)站選址土體穩(wěn)定性變差，滑坡風(fēng)險(xiǎn)增加。安全系數(shù)FOS值可作為場(chǎng)站選址穩(wěn)定性量化評(píng)估參數(shù)，而用于研究邊坡穩(wěn)定性的強(qiáng)度折減法中的摩爾—庫(kù)侖材料參數(shù)是安全系數(shù)FOS的函數(shù)。減小材料參數(shù)會(huì)導(dǎo)致土體抗剪強(qiáng)度降低，最終變得不穩(wěn)定，在一定的荷載組合下會(huì)導(dǎo)致路堤坍塌。當(dāng)安全系數(shù)FOS值大于1.915時(shí)，彈塑性分析不收斂，因此需模擬至其值變?yōu)?.915，即由于塑性應(yīng)變?cè)黾雍碗S后的剪切強(qiáng)度降低而導(dǎo)致邊坡坍塌前的等效塑性應(yīng)變[12]。

4 災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)控制

建設(shè)場(chǎng)地適宜性分為適宜、基本適宜、適宜性差三級(jí)。

4．1 整體風(fēng)險(xiǎn)控制措施

場(chǎng)站整體進(jìn)行混凝土硬化處理，四周低、中心高，面層排水坡度大于2.5%，四周設(shè)置排水溝，排水溝底面采用M7.5砂漿抹面，雨天不積水、不泥濘，晴天不揚(yáng)塵。拌和站區(qū)分生活區(qū)、作業(yè)區(qū)、材料存放區(qū)、材料庫(kù)和車輛停放區(qū)。四周設(shè)置水溝并進(jìn)行混凝土硬化處理，場(chǎng)外沉砂井及污水過濾池封閉管理，并于四周設(shè)置圍墻。

4．2 防治控制措施

（1）防治措施

人工切方應(yīng)從上到下分級(jí)開挖、分級(jí)支護(hù)。切方在硬質(zhì)巖中按65°放坡，在土層中按45°放坡。對(duì)形成的邊坡應(yīng)加強(qiáng)穩(wěn)定性驗(yàn)算，對(duì)開挖完成的邊坡采取可靠措施進(jìn)行防護(hù)。

在場(chǎng)地周圍修建合理、完善的防排水溝渠，防止降雨及地表水對(duì)地基及土體造成影響，避免邊坡滑坡等地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生。在工程建設(shè)施工過程中，必須嚴(yán)格執(zhí)行有關(guān)技術(shù)規(guī)范，確保施工安全，以免引發(fā)地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生。

（2）控制原則

在工程建設(shè)過程中，對(duì)切方地段全面采用自上而下的開挖方式，對(duì)形成的切方邊坡及時(shí)進(jìn)行有效支護(hù)，確保施工安全和邊坡穩(wěn)定；雷雨季節(jié)加強(qiáng)原棄土場(chǎng)邊坡的巡查，發(fā)現(xiàn)隱患及時(shí)處理；選擇有異常變化現(xiàn)象的點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，在變形的不同部位布點(diǎn)，形成監(jiān)測(cè)點(diǎn)網(wǎng)，以全面掌握變化情況。

5 結(jié)論

經(jīng)分析，項(xiàng)目區(qū)地形簡(jiǎn)單，地貌類型單一，地層巖性變化不大，斷裂構(gòu)造不發(fā)育，突發(fā)性地質(zhì)災(zāi)害不發(fā)育，評(píng)估區(qū)地質(zhì)環(huán)境條件復(fù)雜程度為中等。本工程為臨建工程，類型為一般建設(shè)項(xiàng)目，工程地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)估級(jí)別定為三級(jí)。依據(jù)現(xiàn)狀評(píng)估和預(yù)測(cè)分析結(jié)果，將整個(gè)評(píng)估區(qū)劃分為地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性小區(qū)（Ⅲ），建設(shè)場(chǎng)地適宜性為適宜。拌和站建于棄土場(chǎng)范圍，工程建設(shè)引發(fā)和遭受滑坡、崩塌等地質(zhì)災(zāi)害的可能性小，危害性及危害程度小。