西南山區(qū)高速公路高填方棄土場(chǎng)破壞模式分析及穩(wěn)定性研究

袁旭凱， 許萬(wàn)忠， 嚴(yán)鐵軍， 胡明欣

(昆明理工大學(xué) 國(guó)土資源工程學(xué)院， 云南 昆明 650093)

隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)建設(shè)的快速發(fā)展，基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)不斷向西南山區(qū)擴(kuò)展。 在高速公路建設(shè)過(guò)程中有大量的深挖邊坡和長(zhǎng)隧道，開(kāi)挖量和隧道渣量大。由于受交通的限制，運(yùn)輸距離長(zhǎng)。挖填方難以平衡,便會(huì)產(chǎn)生大量永久棄方,必然要設(shè)置棄土場(chǎng)來(lái)處置棄土[1-2]。而高速公路棄土場(chǎng)設(shè)計(jì)規(guī)模大，在特殊工況下會(huì)發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害，影響工程建設(shè)的順利進(jìn)行。

目前針對(duì)高速公路高填方棄土場(chǎng)的穩(wěn)定性研究不多，沈明祥等[2]通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查和計(jì)算分析評(píng)估了貴州省六盤(pán)水至威寧高速公路棄土場(chǎng)穩(wěn)定性；抗興培等[3]從飽和非飽和理論出發(fā)分析了強(qiáng)降雨條件下棄土場(chǎng)邊坡穩(wěn)定性變化歷程；李研[4]對(duì)高速公路棄土場(chǎng)的處置方案進(jìn)行了研究；蔣成海[5]指出高速公路棄土場(chǎng)存在的問(wèn)題并提出了相應(yīng)的處置措施；韓信等[6]對(duì)棄土場(chǎng)位置選擇以及設(shè)計(jì)原則進(jìn)行了研究。以上文獻(xiàn)從現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查、飽和非飽和理論、風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)、處置方案設(shè)計(jì)等方面研究了高速公路棄土場(chǎng)的相關(guān)問(wèn)題，但缺乏全面系統(tǒng)的穩(wěn)定性評(píng)估。因此，有必要結(jié)合具體工程實(shí)例對(duì)高速公路高填方棄土場(chǎng)進(jìn)行系統(tǒng)的評(píng)價(jià)，了解其各工況各階段的穩(wěn)定性，預(yù)防地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生。

該文以西南山區(qū)某高速公路高填方棄土場(chǎng)為研究對(duì)象，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)地走訪調(diào)查，分析棄土場(chǎng)可能發(fā)生的破壞模式；并結(jié)合場(chǎng)地工前工后，從定性定量的角度全面系統(tǒng)地對(duì)棄土場(chǎng)場(chǎng)址穩(wěn)定性、棄土場(chǎng)局部和整體穩(wěn)定性、棄土場(chǎng)支擋結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性等方面進(jìn)行安全評(píng)估。為其他類似工程棄土場(chǎng)設(shè)置提供分析設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)。

1 棄土場(chǎng)工程概況

1.1 周邊情況

該高速公路棄土場(chǎng)位于云貴高原山區(qū)，地形連續(xù)，地表根據(jù)山勢(shì)起伏較大。處于構(gòu)造剝蝕中山斜坡地貌區(qū)，地表覆蓋薄層第四系殘坡積土，巖性以黏性土為主，多呈硬塑狀，局部混少量強(qiáng)風(fēng)化砂巖碎石。下伏地層為紫紅色泥巖、砂巖，固結(jié)程度低，抗風(fēng)化能力弱。距棄土場(chǎng)上游200 m處有一戶居民。

研究區(qū)屬低緯度高原季風(fēng)氣候區(qū)域，受滇西北高原和橫斷山脈高山峽谷地形的影響，區(qū)域內(nèi)一年干濕季分明，氣候空間立體變化明顯，應(yīng)考慮強(qiáng)降雨對(duì)棄土場(chǎng)穩(wěn)定性的影響。

研究區(qū)地震活動(dòng)頻繁，地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，總體上屬于地震活動(dòng)強(qiáng)烈區(qū)域。該區(qū)地震震中一般位于構(gòu)造體系復(fù)合部位，地震活動(dòng)具有明顯的周期性變化，近期地震運(yùn)動(dòng)頻繁，穩(wěn)定性評(píng)估時(shí)應(yīng)考慮地震的影響。

1.2 設(shè)計(jì)概況

棄土場(chǎng)設(shè)計(jì)棄土石方量約50.28萬(wàn)m3，占地面積40 446 m2。棄土場(chǎng)設(shè)置兩個(gè)臺(tái)階，臺(tái)階標(biāo)高分別為2 905 m、2 880 m，平臺(tái)寬度20 m，坡比為1∶2，棄土場(chǎng)設(shè)計(jì)堆放剖面如圖1所示。在棄土場(chǎng)周?chē)O(shè)置截排水溝，排水溝斷面為矩形，一側(cè)溝寬1.5 m，深1.5 m，另一側(cè)溝寬1 m，深1 m，排水溝為混凝土澆筑。棄土場(chǎng)下游支擋結(jié)構(gòu)為重力式擋墻，高8 m。

圖1 棄土場(chǎng)剖面圖(單位：m)

1.3 棄土來(lái)源及棄土場(chǎng)級(jí)別

棄土場(chǎng)堆積材料主要為公路棄渣。填筑區(qū)溝谷縱坡平緩，填料整體質(zhì)量較好，嚴(yán)格按施工方案進(jìn)行分級(jí)填筑、壓實(shí)并合理控制邊坡分級(jí)填筑高度、坡率，堆放的棄土按照設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了分層壓實(shí)，壓實(shí)度不低于85%。

根據(jù)GB 51018—2014《水土保持工程設(shè)計(jì)規(guī)范》，棄土場(chǎng)級(jí)別應(yīng)根據(jù)堆土量、堆土最大高度以及棄土場(chǎng)失事后對(duì)主體工程或環(huán)境造成危害程度確定[7]，具體標(biāo)準(zhǔn)如表1所示。

表1 棄土場(chǎng)級(jí)別

經(jīng)對(duì)比分析，棄土場(chǎng)場(chǎng)地條件一般，設(shè)計(jì)堆置高度33 m，棄土容積為50.28萬(wàn)m3，棄土場(chǎng)上游200 m有一戶居民，棄土體失穩(wěn)，對(duì)上游有一定影響。故此棄土場(chǎng)級(jí)別屬3級(jí)。常用工況下該棄土場(chǎng)允許的最小安全系數(shù)為1.25；非常用工況下該棄土場(chǎng)允許的最小安全系數(shù)為1.10。

2 棄土場(chǎng)基本破壞模式

根據(jù)張倬元等[8]對(duì)棄土場(chǎng)進(jìn)行的研究，整理總結(jié)并通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)工程地質(zhì)勘查分析，在棄土場(chǎng)滑坡中，按滑動(dòng)面位置及其滑動(dòng)產(chǎn)生的原因，可以將棄土場(chǎng)的滑坡分為以下4類：沿棄土場(chǎng)內(nèi)部滑動(dòng)面的滑坡，沿基底接觸面的滑坡、沿地基軟弱層的滑坡和沿棄土場(chǎng)表層局部坍塌與錯(cuò)動(dòng)。

2.1 棄土場(chǎng)內(nèi)部滑動(dòng)

當(dāng)棄土場(chǎng)基底巖層比較穩(wěn)固，由于棄土自身物理力學(xué)性質(zhì)較差，或在外界條件的影響下，此時(shí)在棄土內(nèi)部發(fā)生剪切破壞，但滑體未剪穿下部滑床基底巖土體，剪出口常出現(xiàn)在棄土坡面靠近坡腳處的位置(圖2)。對(duì)于含土量較高并具有一定濕度的棄土場(chǎng)，隨棄土場(chǎng)內(nèi)棄土高度增加，會(huì)發(fā)生壓實(shí)和沉降，由于棄土場(chǎng)內(nèi)部孔隙壓力的不平衡，導(dǎo)致出現(xiàn)應(yīng)力集中區(qū)，孔隙壓力的存在也會(huì)降低潛在滑移面上的摩擦阻力，進(jìn)而導(dǎo)致滑坡的發(fā)生。

圖2 棄土場(chǎng)內(nèi)部滑坡

發(fā)生在棄土場(chǎng)內(nèi)部的滑坡，大多數(shù)與棄土的物理力學(xué)性質(zhì)有關(guān)，在棄土場(chǎng)受到大氣降雨、地表水的浸潤(rùn)或者地震動(dòng)的影響時(shí)，往往會(huì)嚴(yán)重惡化棄土場(chǎng)的穩(wěn)定狀態(tài)。因此對(duì)棄土場(chǎng)進(jìn)行安全評(píng)估時(shí)要驗(yàn)算多種工況下的局部穩(wěn)定性。

2.2 沿基底接觸面的滑動(dòng)

當(dāng)棄土場(chǎng)的基底傾角較陡，棄土與基底接觸面之間的抗剪強(qiáng)度小于棄土物料本身的抗剪強(qiáng)度時(shí)，便會(huì)發(fā)生沿基底接觸面的滑動(dòng)(圖3)。如果基底上部存在風(fēng)化層或腐殖土層，這一層土堆積在棄土下部會(huì)形成軟弱夾層，遇到雨水的浸潤(rùn)或者地震的搖振，便會(huì)促進(jìn)滑坡的形成。這類滑坡的主要控制因素是基底表面與棄土之間的物理力學(xué)強(qiáng)度指標(biāo)以及基底表面本身的傾

圖3 棄土場(chǎng)沿基礎(chǔ)底面滑坡

角。因此要結(jié)合棄土和基底巖土體的土工試驗(yàn)數(shù)據(jù)，驗(yàn)算棄土場(chǎng)多種工況下的整體穩(wěn)定性。

2.3 沿地基軟弱層滑動(dòng)

當(dāng)棄土場(chǎng)地基含有軟弱層時(shí)，由于承載力較低，在棄土場(chǎng)散體巖土體荷載或雨水等因素作用下易產(chǎn)生沿軟弱地基的滑坡。這類破壞主要表現(xiàn)為沉降變形和坐落-滑移式滑坡(圖4)。

圖4 棄土場(chǎng)沿地基軟弱層滑坡

沉降變形主要發(fā)生在較陡的地基上且具有較大沉降系數(shù)的干旱地區(qū)。較厚的部分比較薄的部分具有更大的沉降，從而導(dǎo)致沉降不均產(chǎn)生許多拉裂縫?？p隙中的裂縫為降雨和滲水創(chuàng)造了便利的條件。當(dāng)縫隙中的水存儲(chǔ)量增加時(shí)，可能會(huì)導(dǎo)致滑坡。

坐落-滑移式滑坡主要是由于棄土場(chǎng)之下的地基內(nèi)因水和軟弱層的存在及過(guò)載等因素而導(dǎo)致的地基滑坡。在棄土場(chǎng)堆填過(guò)程中，棄土堆填高度的不斷增加，基底土層持力層厚度也隨著棄土的荷載加大而不斷加深，當(dāng)棄土堆填到一定高度時(shí)，棄土載荷達(dá)到軟弱基底的承載極限，基底連續(xù)性好的、強(qiáng)度低的軟弱帶，被擠壓產(chǎn)生塑性流動(dòng)，沿下部基底剪切隆起，同時(shí)在軟弱帶上方棄土層內(nèi)形成拉伸應(yīng)力，加上棄土松散物料屬于非均質(zhì)巖體，在自身重力作用下棄土沿基底軟弱層切入，引起棄土場(chǎng)坐落-滑移式滑坡。因此，這類滑坡危害較大，對(duì)棄土場(chǎng)進(jìn)行穩(wěn)定性評(píng)估時(shí)，要全面驗(yàn)算場(chǎng)址穩(wěn)定性、邊坡局部和整體穩(wěn)定性、支擋結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。

2.4 棄土場(chǎng)表層的坍塌與錯(cuò)動(dòng)

當(dāng)棄土場(chǎng)局部堆積坡度過(guò)大，在上部進(jìn)行繼續(xù)堆積時(shí)就有可能打破局部的應(yīng)力平衡，導(dǎo)致坡體錯(cuò)動(dòng)形成新的平衡穩(wěn)定狀態(tài)。此種破壞常發(fā)生在棄土表層，是一種局部小規(guī)?；?圖5)。

圖5 棄土場(chǎng)表層局部坍塌破壞

3 棄土場(chǎng)穩(wěn)定性分析

3.1 棄土場(chǎng)穩(wěn)定性定性評(píng)估

經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，研究區(qū)內(nèi)及周?chē)窗l(fā)現(xiàn)不良地質(zhì)災(zāi)害體，現(xiàn)狀場(chǎng)地危害小。根據(jù)棄土場(chǎng)場(chǎng)址的地質(zhì)環(huán)境條件、建設(shè)規(guī)模、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)等在建設(shè)中和運(yùn)營(yíng)后可能造成風(fēng)險(xiǎn)的影響因子，定性綜合判定該棄土場(chǎng)場(chǎng)地危險(xiǎn)性小。

3.2 棄土場(chǎng)場(chǎng)址穩(wěn)定性評(píng)估

3.2.1 計(jì)算模型建立

此次棄土場(chǎng)場(chǎng)址穩(wěn)定性計(jì)算將原始地形剖面進(jìn)行了地質(zhì)概化，建立穩(wěn)定性計(jì)算模型。采用GeoStudio軟件的Slope/W模塊進(jìn)行計(jì)算分析(圖6)。

圖6 場(chǎng)址穩(wěn)定性計(jì)算模型

3.2.2 參數(shù)選取及工況設(shè)置

通過(guò)室內(nèi)土工試驗(yàn)以及相關(guān)工程類比分析，綜合對(duì)比，選取棄土場(chǎng)基底巖土體物理力學(xué)參數(shù)(表2)。場(chǎng)址穩(wěn)定性驗(yàn)算設(shè)置3種工況：天然工況、暴雨工況、地震工況。

表2 棄土場(chǎng)各土層物理力學(xué)參數(shù)

3.2.3 計(jì)算結(jié)果分析

棄土場(chǎng)場(chǎng)址穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。

由表3可知：棄土場(chǎng)場(chǎng)址邊坡在自然工況下安全系數(shù)為3.33，大于標(biāo)準(zhǔn)安全系數(shù)1.25；暴雨工況下安全系數(shù)為2.91，地震工況下安全系數(shù)為2.72，均大于標(biāo)準(zhǔn)安全系數(shù)1.10，滿足規(guī)范的穩(wěn)定性要求，故原始邊坡穩(wěn)定。

表3 棄土場(chǎng)場(chǎng)址穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果

3.3 棄土場(chǎng)邊坡局部和整體穩(wěn)定性評(píng)估

3.3.1 計(jì)算模型建立

根據(jù)棄土場(chǎng)設(shè)置概況以及場(chǎng)地工程地質(zhì)條件將剖面圖進(jìn)行地質(zhì)概化(圖7)。采用GeoStudio軟件的Slope/W模塊進(jìn)行計(jì)算分析。

圖7 邊坡局部及整體穩(wěn)定性計(jì)算模型

3.3.2 參數(shù)選取及工況設(shè)置

結(jié)合土工試驗(yàn)，以及相關(guān)工程資料，考慮降雨環(huán)境下填土力學(xué)參數(shù)大大降低，各土層物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表2，其中擋土墻在軟件中設(shè)置為高強(qiáng)度材料，排除從擋土墻范圍內(nèi)剪出的可能性。

3.3.3 計(jì)算結(jié)果分析

棄土場(chǎng)局部和整體穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 棄土場(chǎng)局部和整體穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果

由表4可知：棄土場(chǎng)邊坡局部穩(wěn)定性和整體穩(wěn)定性在3種工況下，穩(wěn)定性系數(shù)呈有規(guī)律下降，大于標(biāo)準(zhǔn)安全系數(shù)，滿足規(guī)范的穩(wěn)定性要求，故棄土場(chǎng)邊坡局部和整體穩(wěn)定。

3.4 棄土場(chǎng)支擋結(jié)構(gòu)物穩(wěn)定性評(píng)估

該棄土場(chǎng)支擋結(jié)構(gòu)為重力式擋土墻，此次穩(wěn)定性驗(yàn)算利用理正巖土軟件的擋土墻模塊進(jìn)行驗(yàn)算。

3.4.1 支擋結(jié)構(gòu)模型建立

擋土墻穩(wěn)定性計(jì)算模型見(jiàn)圖8。

圖8 擋土墻穩(wěn)定性計(jì)算模型(單位：cm)

3.4.2 支擋結(jié)構(gòu)計(jì)算結(jié)果分析

經(jīng)過(guò)軟件計(jì)算各工況穩(wěn)定性，該擋土墻的滑動(dòng)穩(wěn)定性驗(yàn)算、基礎(chǔ)強(qiáng)度驗(yàn)算、臺(tái)頂截面強(qiáng)度驗(yàn)算、抗傾覆穩(wěn)定性驗(yàn)算、整體穩(wěn)定驗(yàn)算等均滿足GB 51018—2014《水土保持工程設(shè)計(jì)規(guī)范》要求，故該擋土墻滿足棄土場(chǎng)設(shè)計(jì)的穩(wěn)定性要求。

3.5 棄土場(chǎng)截排水系統(tǒng)驗(yàn)算

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)在棄土場(chǎng)外圍修筑了地表截排水溝，根據(jù)場(chǎng)區(qū)匯水條件，對(duì)截排水溝過(guò)水能力進(jìn)行驗(yàn)算。

根據(jù)中國(guó)公路科學(xué)研究所提出的小匯水面積流量計(jì)算公式：

QP=φSPF

(1)

式中：QP為設(shè)計(jì)頻率地表水匯流量(m3/s)；φ為徑流系數(shù)，取 0.2；SP為設(shè)計(jì)降雨強(qiáng)度(mm/h)；F為匯水面積(km2)。

根據(jù)衛(wèi)星影像測(cè)得場(chǎng)區(qū)匯水面積約為0.86 km2。

在中國(guó)氣象網(wǎng)查得，該地區(qū)20年一遇最大小時(shí)降雨量為 61.6 mm/h，由此求得棄土場(chǎng)流域內(nèi)最大匯水流量為10.6 m3/s。

根據(jù)GB 50014—2006《室外排水設(shè)計(jì)規(guī)范》，排水溝的設(shè)計(jì)流量為[9]：

(2)

(3)

式中：Q排為排水溝設(shè)計(jì)最大流量；A為排水溝過(guò)水?dāng)嗝婷娣e(m2)；V為流速；n為粗糙系數(shù)；R為水力半徑(m)；i為水力梯度(明渠排水等于排水溝溝底的縱坡度)；x為濕周(m)。

根據(jù)先期設(shè)計(jì)資料及現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，排水溝斷面為矩形，一側(cè)溝寬1.5 m，深1.5 m，另一側(cè)溝寬1 m，深1 m，排水溝為混凝土澆筑，根據(jù)GB 50014—2006《室外排水設(shè)計(jì)規(guī)范》，n=0.014?？紤]安全超高0.2 m，A1=1.95 m2，A2=0.8 m2，x1=4.5 m，x2=3 m，R1=0.43 m，R2=0.26 m，i=0.03(排水溝順地表布設(shè))，將上述數(shù)據(jù)代入式(2)、(3)，得到：

Q排1=10 m3/s

Q排2=5 m3/s

由上述計(jì)算結(jié)果可知：棄土場(chǎng)區(qū)地表匯水流量Q=10.6 m3/s，小于排水溝的最大設(shè)計(jì)過(guò)水流量Q排=15 m3/s，當(dāng)前排水溝過(guò)流斷面滿足要求。

4 結(jié)論及建議

4.1 結(jié)論

(1) 根據(jù)定性分析可知，棄土場(chǎng)場(chǎng)地危險(xiǎn)性評(píng)估結(jié)果為危險(xiǎn)性??；該棄土場(chǎng)建設(shè)用地的適宜性為基本適宜，棄土場(chǎng)建設(shè)方案及主體防護(hù)工程設(shè)計(jì)合理，綜合判定該棄土場(chǎng)建設(shè)安全性評(píng)估結(jié)果為安全。

(2) 通過(guò)定量計(jì)算，棄土場(chǎng)邊坡在所有工況下，場(chǎng)址穩(wěn)定性、局部穩(wěn)定性和整體穩(wěn)定性均滿足規(guī)范要求，在天然工況下的安全系數(shù)均大于1.25；暴雨工況和地震工況下的安全系數(shù)均大于1.10，棄土場(chǎng)處于穩(wěn)定狀態(tài)。

(3) 泥石流攔擋設(shè)施及截排水溝符合設(shè)計(jì)要求，能滿足該棄土場(chǎng)日常運(yùn)行的穩(wěn)定性需求。

4.2 建議

(1) 定期對(duì)棄土場(chǎng)邊坡、支擋結(jié)構(gòu)以及截排水系統(tǒng)進(jìn)行檢查和監(jiān)測(cè)，發(fā)現(xiàn)變形、裂縫或位移應(yīng)及時(shí)匯報(bào)相關(guān)部門(mén)，并加密監(jiān)測(cè)頻次，及時(shí)采取工程加固措施。

(2) 棄土場(chǎng)應(yīng)采取必要的綠化措施,減小坡面水土流失。