昆明某工程前緣壩體邊坡穩(wěn)定性分析及治理措施研究

寸春發(fā)，許漢華，劉文連，龔憲偉，郝 勇

(1.云南建投基礎(chǔ)工程有限責(zé)任公司，云南昆明，650217；2.中國有色金屬工業(yè)昆明勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，云南昆明 650051)

隨著國家基礎(chǔ)建設(shè)投入不斷加大，各地大量進(jìn)行水利水電、建筑、礦山、交通（道橋、公路鐵路、機(jī)場）等基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，這為邊坡工程的發(fā)展提供了良好條件[1]。影響邊坡穩(wěn)定性的主要因素有邊坡材料力學(xué)特性、邊坡幾何尺寸和邊坡外部荷載三大方面[2]。邊坡穩(wěn)定性計(jì)算方法、參數(shù)的確定，均需建立在邊坡破壞模式分析的基礎(chǔ)上[3]。本文首先從地形地貌、地層巖性、氣象及水文、地質(zhì)構(gòu)造、特殊性粉煤灰土層及水文地質(zhì)條件介紹了研究區(qū)的地質(zhì)背景，然后驗(yàn)算了某工程前緣壩體邊坡穩(wěn)定性，最后提出了相關(guān)治理措施建議供類似工程借鑒參考。

1 地質(zhì)背景

1.1 研究區(qū)地形地貌

研究區(qū)原始地貌為低中山構(gòu)造剝蝕、沖刷地貌單元，區(qū)內(nèi)沖溝較發(fā)育，原始沖溝呈“U”型，地勢北高南低，溝心寬緩，縱坡比降5%～10%，東側(cè)和西側(cè)向溝心平緩傾斜；總體上場地北、東、西三側(cè)臨山，沖溝出口在初期壩體位置呈上寬下窄“喇叭”口狀，近似北-南走向，溝底開闊，自然坡度3°～8°，溝底寬度介于50～80m，標(biāo)高介于2029.00～2060.00m 之間，溝底原有一條北東-南西走向的溝渠，溝床寬2～5m，沖溝兩側(cè)多被開墾為農(nóng)用耕地，兩岸山體斜坡坡度介于30°～60°，坡面植被發(fā)育。

場地南側(cè)則分布有南西-北東走向的灰渣庫壩體，該壩體由初期堆石壩及五級土石子壩構(gòu)成，壩體總高度約60m，壩軸線最長度（第五級子壩）約220m，壩頂寬約4.0m，其中各級子壩高約5.0m，壩頂寬4.0m，各級子壩外側(cè)壩體坡度1∶4，內(nèi)側(cè)壩體坡度1∶2；初期壩高35.0m，壩頂寬約7.0m，壩底寬約98.0m，外側(cè)壩體坡度1∶1.6，內(nèi)側(cè)壩體坡度1∶1.5。初期壩于1986 年建成，并于1993 年增設(shè)堆石反壓體，該反壓體按8 度地震烈度設(shè)計(jì)和施工，反壓體外壩體坡度為1∶1.6。

1.2 研究區(qū)地層巖性

研究區(qū)巖土層主要由第四系人工堆積雜填土、粉煤灰、各級子壩體堆積填土、初期壩體碎石填土及反壓體塊石填土層，第四系沖洪積粉質(zhì)黏土層，第四系坡殘積粉質(zhì)黏土層，下伏基巖寒武系滄浪鋪組頁巖、粉砂巖所構(gòu)成。

1.3 研究區(qū)氣象及水文

研究區(qū)所在地昆明市西山區(qū)地處云貴高原中部，緯度低，海拔高，加之有高原湖泊滇池、陽宗海調(diào)節(jié)溫濕度，形成“夏無酷暑，冬無嚴(yán)寒”四季如春的宜人氣候，最冷月平均溫度7.5℃，最熱月平均溫度19.7℃，極端最低溫度-5℃，極端最熱溫度33.3℃，年平均氣溫為14.5 度；月平均最高相對濕度（8 月）84%，月平均最低相對濕度（3 月）47%，年平均相對濕度74%；日最大降雨量120mm，月平均最大降雨量402mm，全年平均降雨量1031mm，年雷暴日64～69 天／年。由于溫濕度適宜，日照長，霜期短，能見度良好，鮮花常年不謝，草木四季常青，故有“春城”美譽(yù)，是世界上少有的全天候旅游城市被人們譽(yù)為東方的“日內(nèi)瓦”，昆明的自然條件利于長年施工。

經(jīng)過現(xiàn)場地質(zhì)調(diào)查，研究區(qū)位于的南北向稗子箐溝，其上游主要分布有三條支溝，區(qū)內(nèi)無較大的地表水體及河流通過，主要地表水為各支溝內(nèi)少量流水，各支溝均為季節(jié)性沖溝，主要接受大氣降雨及地下水滲溢補(bǔ)給。未建設(shè)灰場堆渣庫之前，場地主要為各支溝匯水徑流排泄地段。經(jīng)前期灰渣場修建，目前場地內(nèi)已有較完善的排水、排洪系統(tǒng)；渣體下已修筑了高2.4m，寬2.5m，拱形頂?shù)呐藕樗淼?，各支溝?nèi)也修筑了導(dǎo)水管涵，并且在各支溝上游部位修筑了擋泥壩。場地周邊及原始沖溝上游地表水主要經(jīng)過排水隧洞排出場地外，而場地內(nèi)（原灰渣庫內(nèi)）地下水則經(jīng)過壩體導(dǎo)水碎石層下滲流至壩體反濾排滲系統(tǒng)排出初期壩體下游積水池中，經(jīng)三角堰測流，水量相對較小，約5～8m2/d。

1.4 研究區(qū)地質(zhì)構(gòu)造

研究區(qū)在區(qū)域上處于川滇經(jīng)向構(gòu)造帶和南嶺緯向構(gòu)造帶的復(fù)合部位，受強(qiáng)大的南北向構(gòu)造影響，南嶺緯向構(gòu)造帶連續(xù)性遭受破壞。區(qū)域內(nèi)東西向構(gòu)造有三個(gè)明顯特點(diǎn)（1）背、向斜寬緩；（2）斷層多為逆掩斷層或沖斷層；（3）由于地應(yīng)力主要來自北部，使構(gòu)造線一般都有向南凸出彎曲的特征。

1.5 特殊性粉煤灰土層

粉煤灰，是從煤燃燒后的煙氣中收捕下來的細(xì)灰，粉煤灰是燃煤電廠排出的主要固體廢物，根據(jù)電廠資料顯示，場地內(nèi)的粉煤灰主要氧化物組成為：SiO2、Al2O3、FeO、Fe2O3、CaO、TiO2等。主要由飛灰及爐底灰組成，飛灰是進(jìn)入煙道氣灰塵中最細(xì)的部分，爐底灰是分離出來的比較粗的顆粒。首先粉煤灰的活性主要來自活性SiO2(玻璃體SiO2) 和活性Al2O3(玻璃體Al2O3)在一定堿性條件下的水化作用。因此，粉煤灰中活性SiO2、活性Al2O3和f-CaO(游離氧化鈣)都是活性的的有利成分，硫在粉煤灰中一部分以可溶性石膏(CaSO4)的形式存在，它對粉煤灰早期強(qiáng)度的發(fā)揮有一定作用，因此粉煤灰中的硫?qū)Ψ勖夯一钚砸彩怯欣M成。其次粉煤灰是晶體礦物和非晶體礦物的混合物，一般晶體礦物為石英、莫來石、氧化鐵、氧化鎂、生石灰及無水石膏等，非晶體礦物為玻璃體、無定形碳和次生褐鐵礦，其中玻璃體含量占50%以上。再次粉煤灰是一種人工火山灰質(zhì)混合材料，它本身略有或沒有水硬膠凝性能，但當(dāng)以粉狀及水存在時(shí)，能在常溫，特別是在水熱處理(蒸汽養(yǎng)護(hù))條件下，與氫氧化鈣或其他堿土金屬氫氧化物發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成具有水硬膠凝性能的化合物，成為一種增加強(qiáng)度和耐久性的材料。最后粉煤灰會產(chǎn)生揚(yáng)塵，污染大氣，若排入水系會造成河流淤塞，而其中的有毒化學(xué)物質(zhì)還會對人體和生物造成危害。場地內(nèi)粉煤灰層其透水性屬弱～中等透水層，地下水位以上為呈稍濕～濕狀態(tài)，而地下水位以下則呈濕～飽和狀，場地內(nèi)下滲的粉煤灰中孔隙水，再前期灰渣排放利用期間已得到綜合的中水處理，并且循環(huán)利用，目前該循環(huán)水利用系統(tǒng)還未拆除，擬工程建成后將繼續(xù)作生產(chǎn)用水使用。

2 水文地質(zhì)條件

2.1 地表水

研究區(qū)附近周邊區(qū)域內(nèi)主要地表水為位于場地外圍西南部螳螂川及東南部的滇池，螳螂川距場地約15km，與滇池相距約5km。距場地南部約120m處的宗龍?bào)錅蠟轶氪ㄉ嫌沃Я?，該宗龍?bào)錅衔挥趫龅叵掠文喜康囟?，場地?nèi)已修建了較完善的排洪水涵（管）系統(tǒng)，沖溝及河流對場地的不構(gòu)成侵蝕性威脅。除此之外，距研究區(qū)最近的地表水體主要為場地上游北端頭三條原始沖溝內(nèi)由各攔泥壩圍堰形成的常年集水體，攔泥壩內(nèi)的水體較小，主要匯集山體基巖裂隙滲水。而攔泥壩及場地上游沖溝內(nèi)雨季匯集的洪水則主要通過場地內(nèi)排洪隧道排出場地外；調(diào)查范圍內(nèi)匯積的少量雨水、地下滲水主要通過壩體地下反濾排滲系統(tǒng)下滲至初期壩下游積水池內(nèi)集中排泄。研究區(qū)主要為地表雨水徑流區(qū)，以及淺層地下水入滲補(bǔ)給區(qū)，水力方向總體上自北向南排泄于宗龍?bào)錅?，最終流向螳螂川。

2.2 地下水

根據(jù)現(xiàn)場鉆探揭露的含水層情況、現(xiàn)場走訪調(diào)查，結(jié)合區(qū)內(nèi)已有的水文地質(zhì)資料，經(jīng)綜合分析可知，場地鉆探深度范圍內(nèi)主要有三層地下水：

第一層為主要賦存于第四系人工堆積粉煤灰②1、②2 層、碎石填土層③2 層中的上層滯水（即包氣帶水）；第二層為主要賦存于原始沖溝內(nèi)第四系沖洪積層、局部碎石含量較大的粉質(zhì)黏土⑤層中的孔隙潛水，屬淺層地下水，水量隨干、濕季節(jié)交替而變化；第三層地下水主要為賦存于寒武系滄浪鋪組中的基巖裂隙水。該層屬深層地下水，其中頁巖富水性較差，屬相對隔水層，而粉砂巖富水性中等，為場地內(nèi)地下水的主要導(dǎo)、存水層。場地內(nèi)基巖裂隙水的賦存或排泄條件、水力聯(lián)系等主要受巖體節(jié)理裂隙發(fā)育程度及裂隙的貫通性等因素所控制。

研究區(qū)內(nèi)地下水主要接受大氣降水、地表水的入滲補(bǔ)給和控制，總體上由北東向西南流向，并向螳螂川上游支流宗龍?bào)錅吓判埂?/p>

2.3 主要地層的滲透性指標(biāo)

本次研究共取11 件粉煤灰試樣進(jìn)行室內(nèi)滲透性試驗(yàn)，滲透性試驗(yàn)成果見表1。

表1 滲透性試驗(yàn)成果見

3 邊坡穩(wěn)定性分析

3.1 計(jì)算指標(biāo)選取

驗(yàn)算指標(biāo)選擇時(shí)，本次研究根據(jù)原狀土試樣室內(nèi)土工剪切試驗(yàn)成果，結(jié)合現(xiàn)場原位測試，同時(shí)借鑒了云南地區(qū)同類邊坡工程的經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合本壩體工程邊坡所處工程環(huán)境綜合比對分析，確定各巖土層的驗(yàn)算強(qiáng)度指標(biāo)見表2。

表2 邊坡驗(yàn)算指標(biāo)建議表

表3 邊坡穩(wěn)定性驗(yàn)算結(jié)果表

3.2 工程邊坡穩(wěn)定性驗(yàn)算結(jié)果及分析評價(jià)

從表3 中穩(wěn)定性驗(yàn)算結(jié)果可知，壩工程邊坡在現(xiàn)狀自然條件下（不考慮荷載情況）、考慮廠房荷載作用下、考慮廠房荷載＋8 度地震作用下、考慮假設(shè)最高淹沒水位＋廠房荷載作用下、考慮假設(shè)最高淹沒水位＋廠房荷載＋8 度地震作用條件下是處于穩(wěn)定狀態(tài)。

綜上所述，場地內(nèi)工程邊坡作為一級邊坡，按擬靜力法進(jìn)行驗(yàn)算在現(xiàn)狀條件或工程建設(shè)后壩體邊坡整體是處于穩(wěn)定的，但在不利因素影響下壩體邊坡坡面局部將可能產(chǎn)生小范圍內(nèi)的坍塌、掉塊現(xiàn)象。

粉煤灰堆渣體屬特殊填積體，在飽水情況下受地震作用影響時(shí)可能產(chǎn)生液化，其抗剪強(qiáng)度迅速降低，壩體穩(wěn)定性隨之降低；因此，必要時(shí)應(yīng)對灰渣庫及壩體進(jìn)行動(dòng)力穩(wěn)定性分析研究。

雖然壩體各子壩坡面已形成塊石護(hù)坡體，但由土夾石筑成的各子壩坡面抗沖刷剝蝕能力仍相對較弱，因此要注意完善場地雨排水系統(tǒng)，對壩體邊坡坡面及其周邊截排水溝進(jìn)行修復(fù)與完善。同時(shí)在工程施工過程中，不能在壩體邊坡頂部進(jìn)行堆載和進(jìn)行大劑量爆破開挖，注意對現(xiàn)有壩體邊坡坡面、坡形的維護(hù)。

4 治理措施建議

工程建設(shè)應(yīng)總體考慮地表水疏排系統(tǒng)，并對場地現(xiàn)有排洪系統(tǒng)進(jìn)行定期檢查和疏導(dǎo)。設(shè)計(jì)和施工中應(yīng)注意填土地面及排水溝渠的防滲處理，避免地表水下滲引起地基沉陷或造成排水系統(tǒng)失效。

由于本工程及其施工場地具有特殊性，施工中應(yīng)編制重點(diǎn)針對灰渣庫壩體變形監(jiān)測體系，并組織設(shè)計(jì)渣體溫度異常、渣體釋放有毒有害氣體可能性的施工應(yīng)急預(yù)案。

粉煤灰渣庫的具有顯著的特點(diǎn)是貯煤灰不貯水，庫體的設(shè)計(jì)允許庫內(nèi)水通過壩體反濾排滲系統(tǒng)滲流排出壩外。為此壩體排滲系統(tǒng)運(yùn)行正常時(shí)，孔隙水壓力一般較?。坏?dāng)煤灰一旦填堵塞壩體排滲系統(tǒng)中的濾孔，從而將會影響壩體滲流，導(dǎo)致使壩體產(chǎn)生的孔隙水壓力增大。根據(jù)本次勘察鉆孔中觀察到的地下水位來看，目前灰渣庫壩體排滲系統(tǒng)運(yùn)行良好，排滲系統(tǒng)尚屬有效，但在工程建成后，應(yīng)常設(shè)必要的觀測孔，對壩體水位進(jìn)行監(jiān)測，必要時(shí)對壩體產(chǎn)生的孔隙水壓力進(jìn)一步進(jìn)行研究。

完善場地地表雨排水系統(tǒng)，建議工程建成后，對地面采全封變的隔水處理；對壩體邊坡坡面及其周邊截排水溝進(jìn)行修復(fù)與完善，同時(shí)在工程施工過程中，不能在壩體邊坡頂部進(jìn)行堆載和爆破開挖，注意對現(xiàn)有壩體邊坡坡面、坡形的維護(hù)。