某公路棄渣場穩(wěn)定性評估及處置建議研究

馬 晉

(山西省交通規(guī)劃勘察設(shè)計院 太原市 030012)

1 工程概況

高速公路某棄渣場面積約3.24×104m2,棄渣方量約20.0×104m3,棄渣場屬于溝道型,棄渣從原黃土沖溝的支溝溝頭起至支溝中段,下游距離某高速約500m,周邊無房屋建筑。于2018年初堆積結(jié)束,至今已近4年時間。現(xiàn)狀該棄渣場已采取“放緩邊坡+漿砌片石擋渣墻”護坡,坡體范圍內(nèi)構(gòu)筑有縱向截、排水系統(tǒng)。

2 評價方法

專業(yè)技術(shù)人員組成工作項目組,充分收集調(diào)查評估區(qū)已有環(huán)境、工程及地質(zhì)資料,編制調(diào)查評估工作綱要,經(jīng)審查合格后即開展野外地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查等工作。調(diào)查中突出針對棄渣場已有支護結(jié)構(gòu)及其變形情況等進行詳細(xì)調(diào)查,評估現(xiàn)狀棄渣場穩(wěn)定性,并對棄渣場穩(wěn)定性發(fā)展趨勢進行調(diào)查評估。在此基礎(chǔ)上,針對棄渣場的安全堆放提出合理的處置措施[1],技術(shù)路線圖見圖1。

圖1 技術(shù)路線圖

3 棄渣場項目區(qū)條件

3.1 氣象水文條件

項目區(qū)屬溫帶大陸性季風(fēng)氣候,根據(jù)山西氣候區(qū)劃方案,屬晉北溫帶寒冷半干旱氣候區(qū)。春季雨雪少,風(fēng)沙大,蒸發(fā)量大,經(jīng)常出現(xiàn)干旱天氣;夏季雨量集中,間有大雨、暴雨、冰雹等;秋季雨水少,早晚涼爽,中午炎熱;冬季風(fēng)多雪少,氣候寒冷。

項目區(qū)內(nèi)年平均氣溫一般為7℃左右。7月份為最熱,平均氣溫為22.2℃,最高氣溫可達37.9℃。1月份最冷,平均氣溫為-10℃,極端最低氣溫-31.6℃。凍結(jié)期始于11月上旬,解凍期為3月中旬,最大凍土深度150cm。

項目區(qū)內(nèi)年平均降水量384.7mm,最大年降水量588.2mm,最小年降水量213.6mm。

項目區(qū)內(nèi)無霜期初始5月11日,終止9月25日,無霜期136d。

與項目有影響的主要河流屬黃河一級支流渾河的上游河段,經(jīng)過的河流主要有蒼頭河及其支流二道河、三道河、石匣河。

3.2 地質(zhì)環(huán)境條件

項目位于黃土覆蓋基巖中低山區(qū),主要微地貌為黃土梁峁、黃土沖溝、基巖中緩坡、基巖沖溝,區(qū)內(nèi)黃土大面積覆蓋,半坡地帶較厚;基巖主要在山頂出露,巖性多為奧陶系灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r、泥質(zhì)灰?guī)r及石炭系中統(tǒng)本溪組砂泥巖,沖溝較發(fā)育,切割深度20～35m,多呈“V”字型,自然植被多為灌木。地下水位埋深較大。

該棄渣場原始地形為黃土沖溝的支溝。某高速公路以4×25m橋梁形式跨主溝而過,與主沖溝垂直相交。棄渣場范圍內(nèi)設(shè)置縱橫向包括截水溝、急流槽、排水渠等排水系統(tǒng)。

評估區(qū)內(nèi)出露地層為由馬蘭組(Q3)、離石組(Q2)黃土組成,厚度20～50m。Q3m馬蘭黃土廣泛分布于表層,黃土臺面沖蝕切割嚴(yán)重。項目未見濕陷性報告。

評估區(qū)范圍地震動峰值加速度為0.15g,反應(yīng)譜特征周期0.4s,地震基本烈度為Ⅶ度,沿線工程構(gòu)造物需按相應(yīng)要求設(shè)防。

3.3 其他條件

調(diào)查評估區(qū)范圍內(nèi)存在的不良地質(zhì)作用主要為黃土邊坡坍塌。評估區(qū)人類活動主要為棄渣堆積,棄渣場周圍無其他構(gòu)造物。棄渣堆積約4年前已完成,將坡地地形后緣基本填平,形成多級斜坡地形,極大的改變了該區(qū)地形地貌條件。評估區(qū)內(nèi)破壞地質(zhì)環(huán)境的人類活動程度為中度。

4 棄渣場穩(wěn)定性分析

4.1 棄渣場現(xiàn)場情況分析

該棄渣場原始地形為黃土沖溝的支溝,如圖2所示。原溝底前緣地面縱坡較緩約為10%,溝頭后緣較陡。棄渣主要為路基、隧道開挖過程中的土方、石方。棄渣場長度約350m,寬115m,最大棄土高度約39m,棄方量約為20.0×104m3,下游500m為某高速互通和橋梁,危害程度為較輕,綜合評估為4級渣場。

圖2 棄渣場平面圖

棄渣場正面形成5級臺階狀,如圖3所示,每級坡面高約8～10m;除第三級平臺寬度75m,外臺階平臺寬度2～6m,邊坡坡率為1∶1.75～1∶2。第一級邊坡坡腳設(shè)有擋土墻。棄渣場邊坡防護工程主要為擋渣墻和坡頂植物防護。棄渣場排水設(shè)施為環(huán)棄渣場兩道排水渠,坡面較陡處設(shè)置急流槽引入原黃土溝,棄渣場從原溝頭填筑,并設(shè)置有排水溝,未見阻斷排水現(xiàn)象。

圖3 棄渣場剖面圖(單位:m)

4.2 棄渣場變形與監(jiān)測情況

據(jù)調(diào)查,棄渣場投放運行后,有關(guān)方面采取了定期巡視與當(dāng)?shù)卮彐?zhèn)群測群防相結(jié)合的形式,對棄渣體及其擋渣墻、排水溝進行變形監(jiān)測工作。近幾年來的變形監(jiān)測未發(fā)現(xiàn)棄渣體有大的變形跡象。棄渣場除豎向固結(jié)沉降外,未見其他變形。棄渣場范圍內(nèi)一級邊坡?lián)踉鼔Y(jié)構(gòu)較為完善,未見明顯變形破壞、開裂等現(xiàn)象。棄渣場排水溝少量橫向出現(xiàn)的較細(xì)裂紋,觀察可見多達十余處的裂縫。調(diào)查評估,該棄渣場排水工程總體變形量輕微。主要病害為土石堵塞排水設(shè)施,導(dǎo)致排水不暢。

4.3 棄渣場穩(wěn)定性計算

根據(jù)《水土保持工程設(shè)計規(guī)范》(GB 51018—2014)中的表5.7.4-2棄渣場抗滑穩(wěn)定安全系數(shù),采用瑞典圓弧法、改良圓弧法計算,4級棄渣場正常運營工況下,抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)規(guī)定值取1.15;非正常工況下,抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)規(guī)定值取1.05。

結(jié)合相關(guān)研究,棄渣場穩(wěn)定性主要受到堆積物質(zhì)的巖土性質(zhì)和水文條件影響。根據(jù)規(guī)范及相關(guān)工程經(jīng)驗,在天然狀態(tài)下稍密棄渣體正工況(基本組合):重度取19kN/m3,C=12kPa,φ=27°;在極端狀態(tài)(長期降雨)棄渣場渣體飽和狀態(tài)下飽和重度取21kN/m3,C=10.5kPa,φ=27°。通過計算,當(dāng)棄渣場放坡坡率為1:1.5時,正產(chǎn)工況下,棄渣場安全系數(shù)為1.309>1.15,非正常工況地震情況下,棄渣場安全系數(shù)為1.178>1.05,持續(xù)降雨下,棄渣場安全系數(shù)為1.08>1.05,均滿足規(guī)范要求[2]。

該棄渣場分級坡高8～10m,放坡坡率 1∶1.75～1∶2,整體放坡坡度較緩,坡度角稍小于土體等效內(nèi)摩擦角,利于坡體穩(wěn)定,小范圍放坡坡度較大,不滿足穩(wěn)定放坡坡率要求,較大坡度有可能會對渣體穩(wěn)定性造成不利影響,存在變形破壞的可能性,結(jié)合棄渣場地質(zhì)環(huán)境條件,該段邊坡變形破壞規(guī)模較小,危害區(qū)域僅限于棄渣場邊坡及棄渣場前緣一級邊坡較小范圍內(nèi),地質(zhì)災(zāi)害危險性低。

4.4 棄渣場穩(wěn)定性分析

外部形態(tài)方面,棄渣場堆渣整體坡面坡度在19°～47°之間,第一至三級坡面較陡約47°。棄渣場坡頂局部坡肩松散,有少量裂縫,外觀形態(tài)較為穩(wěn)定。堆渣體后緣無貫穿裂隙、前緣未見剪出裂縫,原地面未見隆起變形等不良現(xiàn)象,堆放整體穩(wěn)定。

內(nèi)在條件方面,棄渣場目前堆渣體堆放時間約為4年,下部土體自然沉降后固結(jié),有利于其力學(xué)指標(biāo)提升,提高自身穩(wěn)定性能。

根據(jù)現(xiàn)狀調(diào)查,一級邊坡?lián)踉鼔ξ闯霈F(xiàn)明顯結(jié)構(gòu)受損現(xiàn)象,預(yù)測在評估該段擋渣墻產(chǎn)生變形破壞的可能性小。現(xiàn)場擋墻前緣無重要建構(gòu)筑物,地質(zhì)災(zāi)害危險性低。

項目所在區(qū)6～8月為每年雨季,雨季中降水量大,棄渣場范圍雨水也會增多,排水溝防洪排澇基本能滿足要求,但對于突發(fā)暴雨應(yīng)對能力尚不足。棄渣場下游主溝某高速橋梁計洪水頻率為1/100,孔跨較大,滿足泄洪要求。

根據(jù)上述分析,預(yù)測該棄渣場后期固結(jié)沉降量將進一步減小,受渣體固結(jié)沉降影響的排水溝變形速率將趨緩,總體上有關(guān)縫隙寬度進一步增加的可能性逐步減少,排水溝存在裂縫有潛在危險,且滾落土石淤堵排水溝,雨季易造成溢流,沖刷坡面,降低坡面穩(wěn)定性,故應(yīng)封堵溝內(nèi)縫隙,截斷地表水滲入渣體通道,可保證棄渣場在極端天氣下的水穩(wěn)定性。

5 棄渣場安全堆放建議

(1)完善排水設(shè)施:排水溝應(yīng)對突發(fā)暴雨特殊狀況不足,應(yīng)適當(dāng)增加排洪水設(shè)施,如坡頂增加支排水溝,迅速排除徑流,減少坡面滲入,減低墻背壓力。排水溝存在局部裂縫和溝底堵塞情況,建議定期對排水設(shè)施進行檢查、疏通,確保截、排水溝通暢,對發(fā)現(xiàn)的裂縫進行充填修補,避免地表水沿排水設(shè)施底部裂縫滲入渣體。

(2)棄渣場正面邊坡未采取綠化措施,可采取噴混植生植物防護措施,可以加固表面土體。

(3)應(yīng)科學(xué)合理地進行棄渣場的綠化工作,禁止進行對棄渣場穩(wěn)定性不利的工程行為,如在渣體上開挖魚塘、大水灌澆地、坡腳開挖、后緣堆積加載、新建構(gòu)筑物等。

(4)合理進行棄渣場周邊場地利用規(guī)劃,新建構(gòu)筑物應(yīng)遠(yuǎn)離棄渣場變形破壞可能影響范圍,棄渣場下方的1.5倍坡高約60m范圍內(nèi)禁止興建民房、修筑公路等。

(5)建立健全棄渣場管理、維護長效機制,安排棄渣場安全巡查專員定期巡、排查,發(fā)現(xiàn)安全隱患及時報告、處置。

6 結(jié)論

該棄渣場已構(gòu)筑排水系統(tǒng)、采用“分級放坡+擋渣墻”邊坡防護措施?，F(xiàn)存排水工程有縱向排水設(shè)施,局部排水設(shè)施堵塞微。排水設(shè)施需及時維護,以保證棄渣場的穩(wěn)定性。棄渣場所處位置地面縱坡約為10%,棄渣場沿坡底整體滑動可能性不大。通過計算,棄渣場在正常工況下,自身穩(wěn)定性安全系數(shù)為1.309,滿足規(guī)范要求。棄渣場在飽水的非正常工況下,通過計算,安全穩(wěn)定系數(shù)為1.08,滿足規(guī)范要求。但在持續(xù)雨水沖刷下,棄渣場坡腳擋渣墻凍融強度損失下局部有產(chǎn)生變形破壞的可能性,變形破壞形式主要表現(xiàn)為失穩(wěn)、垮塌;渣體邊坡整體較高,有產(chǎn)生淺表層滑坡、垮塌的可能性。此類局部的變形失穩(wěn),若能及早發(fā)現(xiàn)、及早處置,其造成的破壞影響將不大且可控制,地質(zhì)災(zāi)害危險性也將減小。棄渣堆積運行期內(nèi),邊坡支護結(jié)構(gòu)、排水系統(tǒng)若能有效發(fā)揮支擋、截排水作用,棄渣場的長期整體穩(wěn)定性將有保障,發(fā)生整體滑坡變形破壞的可能性小,地質(zhì)災(zāi)害危險性小。

為保證棄渣場長期穩(wěn)定,應(yīng)建立棄渣場管理、維護長效機制,落實棄渣場安全堆放措施;采取定期巡視與群測群防相結(jié)合的形式,監(jiān)測棄渣場變形和坡腳擋土墻完好情況,發(fā)現(xiàn)安全隱患及時報告、處置。特別是雨季時節(jié),加強棄渣場安全穩(wěn)定巡視監(jiān)測。

該棄渣場的穩(wěn)定性評估方法[3]與堆放建議可為同類大型棄渣場的設(shè)計與后期防災(zāi)減災(zāi)措施提供參考。