某鐵路棄碴場穩定性分析與評估

張恒陽

(中鐵第四勘察設計院集團有限公司，湖北 武漢 430063)

1 棄碴場概況

棄碴場地處福建省龍巖市新羅區蓮濱公園東側，翠屏山煤礦場區南側，棄碴方量為45.35萬m3，占地面積為69.33畝。棄碴堆棄于山谷中，棄碴場西側出口處前緣堆高35.0 m～50.0 m，為4級～5級坡堆積，5級平臺，綜合坡率約1∶4.58～1∶4.65，坡腳設采用混凝土擋墻+抗滑樁支護。棄碴體以碎、塊石為主，稍密～中密，粒徑2 cm～20 cm不等，占比70%～75%；含少量礫石、礫砂、黏性土等，主要為粉砂巖、炭質粉砂巖，全～強風化碎塊、黏性土等，質軟，充填占比25%～30%。

2 自然條件

2.1 地形地貌

棄碴場區屬剝蝕低山區山前緩坡，低山區地勢起伏，相對高差150 m～200 m，地形陡峭，自然坡度25°～40°，植被茂密，多為密集樹林，局部山坡及山頂辟為工廠、民房等。山谷區，沖溝發育，溝谷深切，多呈“V”字形，狹長條帶狀分布，谷底發育水溝，地形狹窄，多為荒地等。棄碴場臨近市區及煤礦廠專用鐵路及貨場，人類活動頻繁。

2.2 地層巖性

棄碴場基底地層主要為殘坡積(Qel+dl)粉質黏土，下伏基巖為泥盆系(P1w)粉砂巖。場地地層分布如下：粉質黏土(Qel+dl)：灰黃色、棕紅色，硬塑，含20%～30%礫石，厚2.0 m；泥盆系(P1w)粉砂巖全風化，灰黃色、紫紅色，呈砂土狀，厚約3.0 m～6.0 m；泥盆系(P1w)粉砂巖強風化，灰黃色、紫紅色，呈碎塊狀。

2.3 水文

棄碴場位于小型山谷出口處，三面環山，上游發育兩條沖溝，棄碴場上游山坡匯水面積為0.21 km2，流域范圍內無水塘、水庫等大型蓄水體；棄碴場所處山谷匯水面積不大，主要接受大氣降水補給，季節性流水，地表水不發育。

地下水主要賦存于第四系黏性土層中的孔隙潛水和賦存于基巖風化裂隙中的基巖裂隙水，地下水主要接受大氣降水及地表水補給，地下水不發育。

3 計算剖面、工況和相關參數的選取

3.1 計算剖面

該棄碴場堆棄于小型山谷中，三面環山，內寬外窄，西側一平緩出口，其可能發生失穩的方向主要為沿棄碴場西側出口處的滑動，選取通過西側出口支擋處，且順棄碴場基底坡面方向、棄碴場坡面最陡峭位置三個不同方向剖面A—A,B—B,C—C作為計算剖面進行穩定分析計算。剖面示意圖如圖1所示。

3.2 計算工況

查閱相關資料后得出棄碴場位于地震6度烈度區，可不考慮地震條件下對棄碴場穩定性的影響[1]。因此，對本棄碴場進行天然工況和暴雨工況兩種工況下的穩定性計算分析。

3.3 參數選取

根據現場調查，該棄碴場棄碴體中上部以黏性土夾碎石為主，中下部以碎、塊石為主，夾少量礫石、礫砂、黏性土等。棄碴體及基底地層物理力學參數通過工程地質類比、參數反演及經驗值等方法綜合考慮選取。采用的相關物理力學參數見表1。

4 穩定性計算分析

棄碴場的穩定性從兩方面進行計算分析，棄碴體沿基底接觸面滑動的整體穩定性分析和沿邊坡內部滑動的局部穩定性分析。

4.1 整體穩定性分析

采用不平衡推力傳遞系數法[2]計算棄碴場的整體穩定性，利用相關軟件分析計算A—A剖面、B—B剖面和C—C剖面在天然工況和暴雨工況下的穩定性，得到棄碴場整體穩定性系數見表2。

表1 相關物理力學參數表

表2 棄碴場整體穩定性計算結果表

由表2知：A—A,B—B和C—C剖面天然工況和暴雨工況下整體穩定性系數均大于安全系數控制標準值，屬于穩定狀態。綜合表明棄碴場整體穩定性屬穩定狀態，棄碴場沿基底接觸面發生整體滑移的可能性較小。

4.2 局部穩定性分析

根據極限平衡條分法理論[3]，運用Geo-Studio[4]中的SLOPE/W模塊，利用畢肖普(Bishop)法和摩根斯坦—普賴斯(Morgenstern-Price)法(下稱兩種計算方法)對棄碴場的邊坡穩定性進行計算分析。

1)天然工況。采用Geo-Studio的SLOPE/W模塊搜索潛在的最危險滑面，計算棄碴場A—A，B—B和C—C剖面在天然工況下的穩定性。表3為天然工況下兩種計算方法計算得到的棄碴場邊坡穩定性系數結果。

表3 天然工況下棄碴場邊坡穩定性計算結果表

2)暴雨工況。首先利用Geo-Studio的SEEP/W模塊，依據暴雨工況(持續降雨1 h，6 h，24 h，72 h)，計算得到棄碴場暴雨工況下的滲流場分布[5]，然后利用Geo-Studio中的SLOPE/W模塊搜索A—A,B—B和C—C剖面的最危險滑動面，再計算棄碴場邊坡穩定性。用兩種計算方法計算得到棄碴場在暴雨工況下的邊坡穩定性系數結果如表4所示。

綜上，由表3，表4可知，天然工況和暴雨工況下A—A,B—B,C—C剖面邊坡屬穩定狀態。棄碴場邊坡自穩性較好，不易失穩；在暴雨工況下，經雨水下滲，軟化碴土體，棄碴場邊坡仍能維持穩定狀態。

表4 暴雨工況下棄碴場邊坡穩定性計算結果表

5 結論及建議

5.1 結論

棄碴場整體穩定性：天然工況及暴雨工況下，棄碴場整體均屬于穩定狀態；表明棄碴場整體較穩定，棄碴場不易沿基底接觸面發生整體滑動。

棄碴場局部穩定性：天然工況條件下及暴雨工況下，棄碴場邊坡穩定性屬穩定狀態，棄碴場不易沿內部產生滑坡。

5.2 建議

經過計算及分析后雖然棄渣場整體和局部都處于穩定狀態，但棄碴場邊坡局部沖刷嚴重，建議修整邊坡，合理控制坡高，坡率和平臺寬度，內側設截水溝，并順接至主溝，坡面采用拱形截水骨架護坡+植草、喬灌結合綠化，棄碴場平臺及頂面采用植草、喬灌結合綠化，防止表水沖刷，引發水土流失，并有效減少表水下滲給棄碴場穩定帶來不利影響。鑒于棄碴場棄碴方量較大，應同時做好棄碴場支擋工程等的變形監測和預警工作。