某鐵路棄渣場滑坡成因分析及整治方案研究

張秋月

(中國鐵路設計集團有限公司,天津 300308)

山區鐵路建設項目中,隧道與路塹等工程會產生大量的棄渣。 加強棄渣場的設計與施工,對避免產生次生災害,減少水土流失具有重要意義[14]。 已有許多學者對此進行了相關研究:李元昌等對鐵路棄渣場的綜合設計進行了相應研究[57];王光輝[8]等采用理論分析與數值仿真相結合的研究方法,分析了棄渣場在降雨入滲條件下的邊坡穩定性,認為隨著降雨的持續,入滲影響深度增加,渣場邊坡穩定性將逐漸降低[89];江冰通過穩定性計算,提出了后緣削方減載與前緣填土反壓相結合的治理措施[1011];陳仕闊等[12]通過計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]通過現場勘查、試驗,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行分析,并對整治方案進行研究設計。

1 棄渣場概況

1.1 工程地質和水文地質條件

該棄渣場位于低山區,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,局部夾粉質黏土薄層,僅在河流邊緣分布,層厚約2.65 m。

(8)細砂(②64):褐灰色,密實,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,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 棄渣場設計概況

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

1.3 棄渣場滑移情況

棄渣場所在地區降雨集中且頻繁,降雨量較大,導致地下水位普遍上升,地表黏土普遍飽水。 陸續堆載棄渣后,發現棄渣場下游征地界外側至進場便道約24 畝范圍發生滑移,滑坡體最長處約150 m(見圖1),補勘地質縱斷面見圖2。 最大裂縫寬約60 cm,深約1.5 m。 滑層為軟塑狀黏土,滑移擾動后呈淤泥狀。 發生滑移后,施工單位對原設計棄渣場邊界樁進行位移觀測,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。

圖2 棄渣場補勘縱斷面(橫向∶縱向=1 ∶2.5)

2 棄渣場滑移原因分析

根據現場調查和補勘情況,認為棄渣場滑移的原因為:

(1)在連續集中降雨后,棄渣由不飽和狀態變為充水飽和,引起附加荷載增大,物理力學指標降低。

(2)場地內未施作渣場底部盲溝、渣場周邊截排水系統,導致雨水無法及時排出。

(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。

當集中棄渣產生的附加荷載超過原始土體所能承受的臨界壓力時,堆渣體下伏土體產生剪切破壞并滑出,形成地面鼓包、開裂,因下滑力有限且上覆土層較厚,此時的滑動主要表現為蠕滑(即圖3 中的滑動面1、2、3)。 當雨水沿鼓包裂縫滲入土中,滑移體(堆渣和滑動土體)前緣土體受雨水浸泡,物理力學指標大大降低,在滑移體推力及雨水浸泡軟化的共同作用下,土體發生新的剪切破壞,形成新的剪切破裂面。 經過多次蠕滑,最終貫通形成一個連續的軟弱滑動面,即圖3 中的滑動面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,設計了滲溝降水方案: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。 為了驗證方案的可行性,對地下水位降低至滑移面以下的工況進行穩定性分析。

基于滑移后地面線及補勘棄渣場地質縱斷面,利用RocScience 公司開發的Slide 軟件進行建模,選用摩根斯頓-普賴斯法[14]對棄渣場進行穩定性分析。

改進的摩根斯頓-普賴斯法典型條塊見圖4,計算原理及方法如下:

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的垂直距離/m。

棄渣場各土層物理力學指標如表1 所示。

表1 棄渣場各土層物理力學指標

續表1

土體飽水狀態下穩定性計算見圖5,施作滲溝后,地下水位降至滑移面以下1 m,土體穩定性計算見圖6。

圖5 土體飽水狀態下穩定性計算結果

圖6 滲溝降水狀態下穩定性計算結果

由圖5、圖6 可知,棄渣場整體穩定性安全系數由0.890 提高至1.163,但仍不滿足安全系數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,還需要結合其他方案進行治理。

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行計算,一般工況下安全系數K 取1.20,地震工況下安全系數K 取1.05。 棄渣場所處區域地震動峰值加速度Ag=0.278g,地震工況下水平地震力的計算公式為

式中 FihE——第i 條土塊質心處的水平地震力/kN;

η——水平地震力作用修正系數,取值0.25;

Ag——地震動峰值加速度/(m/s2);

mi——第i 條土塊的質量/kg。

計算發現,由于地震動峰值加速度較高,地震工況下滑坡推力遠大于一般工況,故采用地震工況進行抗滑樁的設計。 該棄渣場滑坡范圍大,且滑移層底面埋深較大,物理力學指標低,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,錨固段中黏土部分水平方向土質地基系數取2 000 kPa/m2,全風化泥巖水平方向土質地基系數取6 000 kPa/m2,計算時認為上一排樁承擔其上方所有土條的剩余滑坡推力,下排抗滑樁僅承擔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力計算結果見表2。 計算結果表明,三排抗滑樁方案可以較好地分段抵抗滑坡體的下滑推力,遏制滑坡體繼續向下方蠕滑。施作抗滑樁的同時,應完善防排水系統,加強位移監測,防止施工過程中天然土層條件繼續惡化。

圖7 鉆孔灌注樁布置縱斷面(單位:m)

表2 樁位滑坡推力及內力統計

4 結論

(1)棄渣場應及時施作地表、地下排水設施,并嚴格控制棄渣的堆積高度。

(2)地下排水設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定性。

(3)應根據滑坡范圍大小及下滑力的大小合理選擇抗滑樁的排數及位置,同時應完善防排水系統,加強位移監測。