某鐵路棄渣場滑坡成因分析及整治方案研究

張秋月

(中國鐵路設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司,天津 300308)

山區(qū)鐵路建設(shè)項(xiàng)目中,隧道與路塹等工程會(huì)產(chǎn)生大量的棄渣。 加強(qiáng)棄渣場的設(shè)計(jì)與施工,對避免產(chǎn)生次生災(zāi)害,減少水土流失具有重要意義[14]。 已有許多學(xué)者對此進(jìn)行了相關(guān)研究:李元昌等對鐵路棄渣場的綜合設(shè)計(jì)進(jìn)行了相應(yīng)研究[57];王光輝[8]等采用理論分析與數(shù)值仿真相結(jié)合的研究方法,分析了棄渣場在降雨入滲條件下的邊坡穩(wěn)定性,認(rèn)為隨著降雨的持續(xù),入滲影響深度增加,渣場邊坡穩(wěn)定性將逐漸降低[89];江冰通過穩(wěn)定性計(jì)算,提出了后緣削方減載與前緣填土反壓相結(jié)合的治理措施[1011];陳仕闊等[12]通過計(jì)算邊坡剩余下滑推力,給出了加固方案和綜合治理措施;潘一茜等[13]通過現(xiàn)場勘查、試驗(yàn),提出了“前緣抗滑支擋+排水溝”的綜合治理措施。

以下對某高速鐵路工程隧道棄渣場滑坡的成因進(jìn)行分析,并對整治方案進(jìn)行研究設(shè)計(jì)。

1 棄渣場概況

1.1 工程地質(zhì)和水文地質(zhì)條件

該棄渣場位于低山區(qū),地勢起伏較大,地表主要為水稻田,下游緊鄰一條寬約4 ～8 m 的河流,邊緣與施工便道相鄰。

棄渣場范圍內(nèi)主要地層情況為:

(1)淤泥(⑧11):黃褐色,褐灰色,流塑,層厚約0.9 ～2 m,其層底為滑動(dòng)面。

(2)黏土(⑧22):黃褐色,灰褐色,軟塑,局部硬塑。 呈層狀分布于表層,層厚約1.5 ～2.4 m。

(3)黏土(⑧23):黃褐色,軟塑,呈層狀分布于表層,層厚約2.6 m。

(4)黏土(⑧24):黃褐色,灰褐色,硬塑,局部軟塑,含碎石,呈層狀分布,層厚約0.7 ～4.2 m。

(5)黏土(⑧25):褐灰色,硬塑,含碎石,呈層狀分布,層厚約3.4 m。

(6)黏土(②23):灰褐色,軟塑,局部硬塑,含約30%的碎石,僅在河流邊緣分布,層厚約1.5 m。

(7)黏土(②24):黃褐色,硬塑,含約35%的碎石,局部夾粉質(zhì)黏土薄層,僅在河流邊緣分布,層厚約2.65 m。

(8)細(xì)砂(②64):褐灰色,密實(shí),飽和,含約15%的碎石,僅在河流邊緣分布,層厚約0.9 m。

(9)塊石土(②164):青灰色,密實(shí),飽和,局部潮濕,成分以安山巖為主,一般塊徑10 ～30 cm,最大50 cm,充填約3%的土,僅在河流邊緣分布,層厚約2.45 m。

(10)泥巖(○1711):褐灰色,全風(fēng)化,巖芯呈土柱狀,呈層狀分布,揭露層厚3.5 ～11.7 m。

1.2 棄渣場設(shè)計(jì)概況

隧道棄渣場位于鐵路左側(cè)約300 m,棄渣量為10.45×104m3(實(shí)方)。 原設(shè)計(jì)中采用分層碾壓密實(shí)方案,邊坡每6 m 進(jìn)行分級(jí),坡率為1 ∶2,每級(jí)邊坡間設(shè)置10 m 寬平臺(tái)。 渣場頂部設(shè)2%的橫向排水坡并設(shè)置M10 漿砌片石排水溝,排水溝縱向坡度不小于2%。渣場邊緣設(shè)置M10 漿砌片石水溝以截渣場外地表水。渣場底設(shè)置碎石盲溝,渣場坡腳設(shè)擋渣墻。

1.3 棄渣場滑移情況

棄渣場所在地區(qū)降雨集中且頻繁,降雨量較大,導(dǎo)致地下水位普遍上升,地表黏土普遍飽水。 陸續(xù)堆載棄渣后,發(fā)現(xiàn)棄渣場下游征地界外側(cè)至進(jìn)場便道約24 畝范圍發(fā)生滑移,滑坡體最長處約150 m(見圖1),補(bǔ)勘地質(zhì)縱斷面見圖2。 最大裂縫寬約60 cm,深約1.5 m。 滑層為軟塑狀黏土,滑移擾動(dòng)后呈淤泥狀。 發(fā)生滑移后,施工單位對原設(shè)計(jì)棄渣場邊界樁進(jìn)行位移觀測,通過58 d 的觀測,邊界樁最大位移為17.545 m,平均滑移速率為0.29 m/d,最大滑移速 率為0.76 m/d,且滑移仍在持續(xù)。

圖2 棄渣場補(bǔ)勘縱斷面(橫向∶縱向=1 ∶2.5)

2 棄渣場滑移原因分析

根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查和補(bǔ)勘情況,認(rèn)為棄渣場滑移的原因?yàn)?

(1)在連續(xù)集中降雨后,棄渣由不飽和狀態(tài)變?yōu)槌渌柡?引起附加荷載增大,物理力學(xué)指標(biāo)降低。

(2)場地內(nèi)未施作渣場底部盲溝、渣場周邊截排水系統(tǒng),導(dǎo)致雨水無法及時(shí)排出。

(3)棄渣未平攤,而是自上而下集中堆載,形成最高約為12 m 的松散堆積體,在溝頭形成了較大的附加荷載。

當(dāng)集中棄渣產(chǎn)生的附加荷載超過原始土體所能承受的臨界壓力時(shí),堆渣體下伏土體產(chǎn)生剪切破壞并滑出,形成地面鼓包、開裂,因下滑力有限且上覆土層較厚,此時(shí)的滑動(dòng)主要表現(xiàn)為蠕滑(即圖3 中的滑動(dòng)面1、2、3)。 當(dāng)雨水沿鼓包裂縫滲入土中,滑移體(堆渣和滑動(dòng)土體)前緣土體受雨水浸泡,物理力學(xué)指標(biāo)大大降低,在滑移體推力及雨水浸泡軟化的共同作用下,土體發(fā)生新的剪切破壞,形成新的剪切破裂面。 經(jīng)過多次蠕滑,最終貫通形成一個(gè)連續(xù)的軟弱滑動(dòng)面,即圖3 中的滑動(dòng)面4。

3 整治方案研究

3.1 滲溝降水

圖3 滑移過程示意

為有效降低地下水位,設(shè)計(jì)了滲溝降水方案:沿滑移底面下方1 m 處,順棄渣場縱坡自上而下間隔20 m施作排水滲溝,以緩解降雨引起的水位升高對渣體的影響。 為了驗(yàn)證方案的可行性,對地下水位降低至滑移面以下的工況進(jìn)行穩(wěn)定性分析。

基于滑移后地面線及補(bǔ)勘棄渣場地質(zhì)縱斷面,利用RocScience 公司開發(fā)的Slide 軟件進(jìn)行建模,選用摩根斯頓-普賴斯法[14]對棄渣場進(jìn)行穩(wěn)定性分析。

改進(jìn)的摩根斯頓-普賴斯法典型條塊見圖4,計(jì)算原理及方法如下:

圖4 摩根斯頓-普賴斯法典型條塊

式中 u——作用于條塊底面的單位孔隙壓力/(kN/m);

dx——土條寬度/m;

dW——土條重量/kN;

q——坡頂外部的垂直荷載/(kN/m);

Me——水平地震慣性力對土條底部中點(diǎn)的力矩/(kN·m);

dQ、dV——土條的水平和垂直地震慣性力/kN;

α——條塊底面與水平面的夾角/(°);

β——土條側(cè)面的合力與水平方向的夾角/(°);

he——水平地震慣性力到土條底面中點(diǎn)的垂直距離/m。

棄渣場各土層物理力學(xué)指標(biāo)如表1 所示。

表1 棄渣場各土層物理力學(xué)指標(biāo)

續(xù)表1

土體飽水狀態(tài)下穩(wěn)定性計(jì)算見圖5,施作滲溝后,地下水位降至滑移面以下1 m,土體穩(wěn)定性計(jì)算見圖6。

圖5 土體飽水狀態(tài)下穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果

圖6 滲溝降水狀態(tài)下穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果

由圖5、圖6 可知,棄渣場整體穩(wěn)定性安全系數(shù)由0.890 提高至1.163,但仍不滿足安全系數(shù)1.20 的要求[14],故僅采用滲溝降水的方案不能滿足整治需要,還需要結(jié)合其他方案進(jìn)行治理。

3.2 抗滑樁支擋

利用摩根斯頓-普賴斯法,對各段滑坡推力按一般工況和地震工況分別進(jìn)行計(jì)算,一般工況下安全系數(shù)K 取1.20,地震工況下安全系數(shù)K 取1.05。 棄渣場所處區(qū)域地震動(dòng)峰值加速度Ag=0.278g,地震工況下水平地震力的計(jì)算公式為

式中 FihE——第i 條土塊質(zhì)心處的水平地震力/kN;

η——水平地震力作用修正系數(shù),取值0.25;

Ag——地震動(dòng)峰值加速度/(m/s2);

mi——第i 條土塊的質(zhì)量/kg。

計(jì)算發(fā)現(xiàn),由于地震動(dòng)峰值加速度較高,地震工況下滑坡推力遠(yuǎn)大于一般工況,故采用地震工況進(jìn)行抗滑樁的設(shè)計(jì)。 該棄渣場滑坡范圍大,且滑移層底面埋深較大,物理力學(xué)指標(biāo)低,下滑力較大,若采用單排抗滑樁,需要的樁身尺寸過大,且存在發(fā)生越頂破壞的可能[16]。 通過對不同樁位所需抗滑樁的尺寸進(jìn)行試算,最終確定了三排抗滑樁的方案:樁徑1 m、樁間距1.2 m,樁頂通長設(shè)置冠梁(冠梁為方形,邊長1.2 m),抗滑樁樁長及樁位見圖7。

抗滑樁檢算時(shí),錨固段中黏土部分水平方向土質(zhì)地基系數(shù)取2 000 kPa/m2,全風(fēng)化泥巖水平方向土質(zhì)地基系數(shù)取6 000 kPa/m2,計(jì)算時(shí)認(rèn)為上一排樁承擔(dān)其上方所有土條的剩余滑坡推力,下排抗滑樁僅承擔(dān)與上排樁之間土條的剩余滑坡推力。

三排樁樁位的剩余滑坡推力及內(nèi)力計(jì)算結(jié)果見表2。 計(jì)算結(jié)果表明,三排抗滑樁方案可以較好地分段抵抗滑坡體的下滑推力,遏制滑坡體繼續(xù)向下方蠕滑。施作抗滑樁的同時(shí),應(yīng)完善防排水系統(tǒng),加強(qiáng)位移監(jiān)測,防止施工過程中天然土層條件繼續(xù)惡化。

圖7 鉆孔灌注樁布置縱斷面(單位:m)

表2 樁位滑坡推力及內(nèi)力統(tǒng)計(jì)

4 結(jié)論

(1)棄渣場應(yīng)及時(shí)施作地表、地下排水設(shè)施,并嚴(yán)格控制棄渣的堆積高度。

(2)地下排水設(shè)施可有效減少地下水對棄渣場淺表土層的影響,有利于提高棄渣場的整體穩(wěn)定性。

(3)應(yīng)根據(jù)滑坡范圍大小及下滑力的大小合理選擇抗滑樁的排數(shù)及位置,同時(shí)應(yīng)完善防排水系統(tǒng),加強(qiáng)位移監(jiān)測。