西南山區(qū)高速鐵路隧道棄渣場(chǎng)穩(wěn)定性分析

孫天煜

(中鐵第五勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，北京 102600)

新填筑的棄渣場(chǎng)經(jīng)常存在棄渣體成分混合、顆粒大小不均、欠壓實(shí)等問題。當(dāng)棄渣場(chǎng)地處起伏很大的溝谷時(shí),如果發(fā)生暴雨等自然災(zāi)害天氣,就會(huì)導(dǎo)致棄渣場(chǎng)邊坡滑塌，出現(xiàn)泥石流等自然災(zāi)害,從而使渣場(chǎng)所在地區(qū)水土大量喪失,甚至還會(huì)對(duì)下游地區(qū)群眾的經(jīng)濟(jì)財(cái)產(chǎn)安全帶來重大危害。

目前針對(duì)渣場(chǎng)邊坡在降雨影響下的穩(wěn)定性研究，米海珍教授[1]通過比擬法，分析了降水持續(xù)時(shí)間和滲透深度之間的關(guān)系，滑坡的發(fā)現(xiàn)具有一定滯后性；潘思渝[2]認(rèn)為，影響邊坡穩(wěn)定性的主要原因是雨水滲透進(jìn)土體使得其體積含水率變大，重度增加，邊坡穩(wěn)定系數(shù)下降幅度由降水時(shí)長決定；吳謙等[3]則發(fā)現(xiàn)在影響邊坡穩(wěn)定性的各技術(shù)參數(shù)中，內(nèi)摩擦角最為靈敏，土體黏聚力次之，棄渣重度敏感度最低，在暴雨工況下，渣場(chǎng)邊坡局部有16.8%概率會(huì)處于失穩(wěn)狀態(tài)；唐巖巖等[4]通過對(duì)比模型發(fā)現(xiàn)土體飽和滲流及物化耦合導(dǎo)致邊坡滑移失穩(wěn)的概率增大，滑移面主要經(jīng)蝕變帶出現(xiàn)。

本次研究對(duì)象為玉龍山隧道棄渣場(chǎng)，目前尚未堆填。本棄渣場(chǎng)周邊有村莊，屬敏感點(diǎn)。由于棄渣場(chǎng)所在地不能危害附近公共服務(wù)基礎(chǔ)設(shè)施、企業(yè)、農(nóng)村居民點(diǎn)等的安全[5-7]，針對(duì)本棄渣場(chǎng)存在因失穩(wěn)可能導(dǎo)致地質(zhì)災(zāi)害的風(fēng)險(xiǎn)，有必要對(duì)本棄渣場(chǎng)的穩(wěn)定性進(jìn)行分析。

1 工程概況

1.1 棄渣場(chǎng)基本概況

玉龍山隧道棄渣場(chǎng)位于四川省儀隴縣石佛鄉(xiāng)境內(nèi)，新建漢巴南鐵路D1K88+000右側(cè)2.53 km處沖溝內(nèi)。棄土場(chǎng)占地約19.9 hm2，棄渣量為138.01萬m3。棄渣體最大堆高約22 m，分為三級(jí)邊坡，邊坡坡率約1∶2.5，坡腳采用C25混凝土擋土墻防護(hù)，棄渣體前緣為村道，綜合判定棄渣場(chǎng)級(jí)別為3級(jí)。棄渣場(chǎng)周圍及棄渣體上均設(shè)有完備的防排水系統(tǒng)。渣場(chǎng)區(qū)地形如圖1所示。

1.2 地質(zhì)情況

工程地質(zhì)勘探結(jié)果揭示:場(chǎng)區(qū)范圍內(nèi)的上覆巖土層大部分為第四系全新統(tǒng)人工回填土、第四系全新統(tǒng)沖洪積粉質(zhì)黏土,殘坡積粉質(zhì)黏土、塊狀巖石,以及侏羅系上統(tǒng)蓬萊鎮(zhèn)組上段的粉砂石、砂石。場(chǎng)區(qū)范圍內(nèi)未見不良地質(zhì)現(xiàn)象和特殊巖石。

棄渣場(chǎng)工區(qū)的地下水大部分是基巖性裂隙水,局部則以孔隙潛水為主,基巖性裂隙水大部分賦存在節(jié)理裂縫帶內(nèi),巖體整體性較差,破碎但具有連通性,水力相互關(guān)聯(lián)緊密,可看作統(tǒng)一含水體;孔隙潛水賦存在粉砂巖等松散巖石中。二者對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)及鋼筋無侵蝕性，對(duì)工程基本無影響。

2 數(shù)值模型建立

2.1 巖土體物理力學(xué)參數(shù)

依據(jù)擬建的玉龍山隧道棄渣場(chǎng)場(chǎng)地勘測(cè)與設(shè)計(jì)情況,該棄渣場(chǎng)的棄渣體主要為全風(fēng)化～強(qiáng)風(fēng)化頁巖。利用反演參數(shù)法、經(jīng)驗(yàn)值等分析方法對(duì)工程地質(zhì)條件進(jìn)行對(duì)比,綜合選擇棄渣材料參數(shù)指標(biāo)；基底下部的巖土地層物理力學(xué)參數(shù)值則根據(jù)對(duì)擬建棄渣場(chǎng)址的工程地質(zhì)勘查報(bào)告中的土工檢驗(yàn)結(jié)果及相關(guān)工程經(jīng)驗(yàn)綜合選擇。棄渣體與基底各巖土層所選取的各項(xiàng)參數(shù)如表1所示。

表1 棄渣場(chǎng)及基底地層物理力學(xué)指標(biāo)表

2.2 暴雨參數(shù)選取

在極端暴雨條件下，有一定比重的雨水受地形影響產(chǎn)生地表徑流，對(duì)該部分雨量應(yīng)不予考慮。對(duì)于降雨徑流量和滲流量的比例計(jì)算，一般根據(jù)經(jīng)驗(yàn)法——利用地表徑流系數(shù)經(jīng)驗(yàn)取值進(jìn)行估算。結(jié)合該地區(qū)土質(zhì)滲透性，玉龍山隧道棄渣區(qū)的地表徑流系數(shù)經(jīng)驗(yàn)取值為0.2，而土體滲透比率則為0.8。

依據(jù)當(dāng)?shù)貧庀筚Y料，降雨量取9.2 mm/h，假定持續(xù)降雨24 h，分析棄渣體自重和降雨滲透兩種狀態(tài)下的棄渣體邊坡穩(wěn)定性及暴雨結(jié)束后，在停止降雨后，進(jìn)行歷時(shí)1 d,3 d,5 d的計(jì)算。

2.3 計(jì)算模型及邊界條件

本次數(shù)值計(jì)算采用Mohr-Coulomb模型。首先應(yīng)按照現(xiàn)場(chǎng)的地勘實(shí)測(cè)結(jié)果設(shè)定地下水位線，并以地下水位線為界，將上層的模型兩側(cè)界限按零流速考慮，下層的模型兩側(cè)界限按定值水頭處理，在模型底部設(shè)置不滲透的界限。坡面重力式擋土墻側(cè)設(shè)置為潛在滲流面。

3 工況與控制標(biāo)準(zhǔn)

3.1 計(jì)算工況

根據(jù)渣場(chǎng)地區(qū)的地質(zhì)條件和有關(guān)地勘報(bào)告綜合評(píng)價(jià)結(jié)果，棄渣場(chǎng)自身特征、暴雨影響等各項(xiàng)因素對(duì)棄渣場(chǎng)穩(wěn)定性將產(chǎn)生非常關(guān)鍵的影響，故選取正常工況(天然工況)和非正常工況(暴雨工況)進(jìn)行棄渣場(chǎng)穩(wěn)定性分析。各計(jì)算工況如表2所示。

表2 計(jì)算工況

3.2 控制標(biāo)準(zhǔn)

棄渣場(chǎng)的穩(wěn)定性控制標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)根據(jù)棄渣場(chǎng)失穩(wěn)可能造成破壞后果的嚴(yán)重性、邊坡類型和坡高等因素進(jìn)行安全等級(jí)劃分。擬建的玉龍山隧道棄渣場(chǎng)的級(jí)別為3級(jí)。參考相關(guān)規(guī)范，綜合確定該棄渣體在不同工況下安全系數(shù)控制標(biāo)準(zhǔn)，見表3。

表3 棄渣體穩(wěn)定安全系數(shù)Fst控制標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)GB 50330—2013建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范[8]，建筑物基坑邊坡的穩(wěn)定狀態(tài)分級(jí)為四個(gè)級(jí)別，如表4所示。

表4 邊坡穩(wěn)定性狀態(tài)劃分

4 計(jì)算結(jié)果分析

根據(jù)棄渣場(chǎng)的滑坡情況以及滑動(dòng)機(jī)理分析結(jié)論[9]和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查情況,本次棄渣場(chǎng)穩(wěn)定性計(jì)算分析分為：

1)沿基底接觸表面下滑的總體穩(wěn)定性；2)沿棄渣體邊坡內(nèi)部潛在滑面滑動(dòng)的局部穩(wěn)定性分析。本次棄渣場(chǎng)穩(wěn)定性計(jì)算運(yùn)用極限平衡原理，根據(jù)自然狀態(tài)、降雨24 h和停雨后1 d～5 d的不同工況,分別選擇Ordinary,Bishop,Janbu和Morgenstern-Price四個(gè)計(jì)算公式進(jìn)行檢算,得出渣場(chǎng)邊坡和棄渣體穩(wěn)定性系數(shù)，如圖2,圖3所示。

由圖2,圖3可得，Ⅱ-Ⅱ剖面采用4種不同的計(jì)算方法中，天然工況下棄渣場(chǎng)整體穩(wěn)定性和棄渣體局部穩(wěn)定性系數(shù)最小值分別為4.077和3.661；暴雨工況最小值均出現(xiàn)在降雨24 h后停雨5 d，為2.469和2.381。從天然狀態(tài)至降雨24 h后，渣場(chǎng)穩(wěn)定性系數(shù)均大幅下滑，因?yàn)樵诜钦９r條件下，考慮暴雨條件的滲流，當(dāng)降雨量達(dá)到暴雨強(qiáng)度等級(jí)時(shí)，坡面出現(xiàn)徑流現(xiàn)象，部分降雨流走，其余則滲透進(jìn)土體，含水量增大，導(dǎo)致棄渣體邊坡內(nèi)孔隙水壓力增大，降雨入滲軟化了棄土的力學(xué)指標(biāo)。當(dāng)暴雨結(jié)束后，停雨1 d～5 d，雨水繼續(xù)向深層土體下滲，進(jìn)一步軟化了邊坡棄渣的力學(xué)指標(biāo)，穩(wěn)定性系數(shù)進(jìn)一步降低，但降低幅度相對(duì)較小。綜上所述，從天然狀態(tài)到停雨后第5天，計(jì)算所得棄渣場(chǎng)邊坡穩(wěn)定性系數(shù)均大于規(guī)范中允許的最小安全系數(shù)，綜合該區(qū)域雨季降水特性、渣場(chǎng)滲透特性及擋土墻基底承載力等因素，判定該棄渣場(chǎng)處于穩(wěn)定狀態(tài)，但不排除由于雨水沖刷引起的淺層溜塌的危險(xiǎn)。為進(jìn)一步檢驗(yàn)棄渣場(chǎng)的整體穩(wěn)定性能否達(dá)到規(guī)定要求,除以上方式外,亦可使用傳遞系數(shù)法,假設(shè)潛在滑動(dòng)面是棄渣體底面與土體接觸面,將棄渣體切割成若干條塊,剩余推動(dòng)力從高程較高條塊向低點(diǎn)傳導(dǎo),在最低點(diǎn)處條塊的剩余推動(dòng)力也剛好為零,則可認(rèn)為該棄渣場(chǎng)滿足極限平衡條件。Ⅱ-Ⅱ剖面條塊劃分如圖4所示。

計(jì)算剖面仍選擇Ⅱ-Ⅱ剖面，不考慮擋土墻提供的反力，即棄渣場(chǎng)邊坡前緣作臨空處理，對(duì)天然條件和暴雨條件下典型剖面采用不平衡推力傳遞系數(shù)法計(jì)算棄渣體整體穩(wěn)定性系數(shù)，結(jié)果如表5所示。

表5 不平衡推力傳遞系數(shù)法棄渣體整體穩(wěn)定性系數(shù)表

經(jīng)計(jì)算，天然和暴雨?duì)顟B(tài)下，Ⅱ-Ⅱ剖面中棄渣體沿基底滑移的穩(wěn)定性系數(shù)分別為2.71，2.02，邊坡穩(wěn)定性系數(shù)大于規(guī)范所規(guī)定值1.25。因此，上述工況條件下，棄渣場(chǎng)不會(huì)沿基底發(fā)生滑移破壞，棄渣場(chǎng)邊坡整體穩(wěn)定性較好。

5 結(jié)論

通過以極限平衡法為原理的GeoStudio進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，同時(shí)采用傳遞系數(shù)法確定玉龍山隧道棄渣場(chǎng)穩(wěn)定性系數(shù)，可以得到如下結(jié)論：1)隨著降雨的進(jìn)行，降雨24 h后整體及局部穩(wěn)定性系數(shù)較天然狀態(tài)時(shí)均出現(xiàn)較大幅度下降。暴雨停止時(shí)，棄渣場(chǎng)穩(wěn)定性系數(shù)并非最小值，由此可見，滲流過程不會(huì)隨著降雨停止而結(jié)束，在降雨24 h后停雨5 d時(shí)，穩(wěn)定性系數(shù)達(dá)到最低值。2)在天然和暴雨等工況條件下,通過GeoStudio對(duì)擬建玉龍山隧道棄渣場(chǎng)選取的 Ⅱ-Ⅱ 典型斷面進(jìn)行棄渣場(chǎng)邊坡穩(wěn)定性計(jì)算和最不利的滑動(dòng)面搜索結(jié)果,棄渣場(chǎng)總體和棄渣體局部穩(wěn)定性系數(shù)最小值均符合規(guī)范中的邊坡安全系數(shù)控制范圍,通過傳遞系數(shù)法進(jìn)一步證明了棄渣場(chǎng)總體穩(wěn)定性較好,沿棄渣體的邊坡基底接觸面以及軟弱土層產(chǎn)生整體滑動(dòng)面的可能性也極小。