鐵路沿線棄渣場(chǎng)邊坡穩(wěn)定性研究

王發(fā)玲，張 亮，程 莉，陳 凱

（中南勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，湖北 武漢 430071）

2019年新修建的蒙華鐵路北起內(nèi)蒙古浩勒?qǐng)?bào)吉南站，南至江西吉安站，全長(zhǎng)1813.5km。在山地區(qū)域修建鐵路、公路等建筑的過(guò)程中通常會(huì)有大量的工程棄渣產(chǎn)生，受山區(qū)地形、運(yùn)輸距離、工程造價(jià)等條件的限制，施工時(shí)通常將此類棄渣堆置于鐵路沿線周邊的溝道內(nèi)。現(xiàn)階段，棄渣場(chǎng)在前期選址、設(shè)計(jì)時(shí)存在風(fēng)險(xiǎn)控制意識(shí)不夠的問(wèn)題，發(fā)生了許多棄渣場(chǎng)滑坡事件，深圳“12·20”特大滑坡事故、山西婁煩礦渣滑坡事故等棄渣場(chǎng)滑坡事故反映了棄渣場(chǎng)在選址、施工和運(yùn)營(yíng)安全的重要性。因此，需對(duì)人工棄渣場(chǎng)邊坡的安全穩(wěn)定性進(jìn)行分析研究。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)諸多學(xué)者對(duì)人工棄渣場(chǎng)邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行了分析研究，并取得了一定的成果：段義字等[1]對(duì)煤礦棄渣場(chǎng)進(jìn)行研究，進(jìn)而提出了棄渣場(chǎng)水土流失防治對(duì)策及運(yùn)行管理措施；劉建偉等[2]對(duì)采集的棄渣樣品進(jìn)行了相關(guān)的物理指標(biāo)測(cè)定，并分析研究了棄渣場(chǎng)邊坡穩(wěn)定性；譚鵬[3]通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，得到了典型棄渣體的物理力學(xué)參數(shù)，經(jīng)數(shù)值分析后提出了分析棄土場(chǎng)穩(wěn)定性的方法；王明慧等[4]通過(guò)研究得出在山腳和山溝修建棄渣場(chǎng)，其棄渣場(chǎng)的棄渣量更大、占地更少且棄渣最為方便；劉振旺等[5]通過(guò)對(duì)山區(qū)條件進(jìn)行調(diào)查，分析了泥石流對(duì)棄渣場(chǎng)穩(wěn)定性的影響。

綜上，已有較多學(xué)者對(duì)棄渣的穩(wěn)定性進(jìn)行了分析研究，但大多數(shù)的研究選用的都是二維典型剖面模型，不能完全反映棄渣場(chǎng)邊坡的整體穩(wěn)定性。因此，文章以蒙華鐵路沿線的桐木隧道出口棄渣場(chǎng)為例，在實(shí)地調(diào)研的基礎(chǔ)上，對(duì)棄渣體進(jìn)行取樣分析其物理力學(xué)參數(shù)，并利用有限元軟件Midas GTS NX對(duì)桐木隧道出口棄渣場(chǎng)邊坡進(jìn)行三維穩(wěn)定性分析。根據(jù)有限元分析的結(jié)果，提出棄渣場(chǎng)邊坡的防護(hù)措施及建議。

1 工程概況

桐木隧道出口棄渣場(chǎng)位于蒙華線DK1701+668線路左側(cè)110m處山坳，占地面積約1.3hm2。棄渣場(chǎng)附近南側(cè)最近約300m有洪源槽水，東南側(cè)約3.3km為大豐水庫(kù)。渣場(chǎng)設(shè)計(jì)堆渣量約10萬(wàn)m3，地勢(shì)東北向高西南向低。棄渣場(chǎng)邊坡前緣坡腳處為高約7m的混凝土擋墻，坡高42m，渣體分6級(jí)放坡，每級(jí)坡高6m，坡比1∶2.5，平臺(tái)寬度3m（3級(jí)坡后設(shè)置30m寬平臺(tái)），后緣與現(xiàn)狀山坡相連。堆渣體縱向長(zhǎng)度約144m，最大寬度約94m，堆渣體周邊設(shè)置截水天溝、中部設(shè)置排水溝、底部設(shè)置排水盲管，以截排地表及地下水。棄渣廠區(qū)平面圖如圖1所示。

圖1 棄渣場(chǎng)區(qū)平面圖

2 場(chǎng)區(qū)工程地質(zhì)條件

2.1 地形地貌

蒙華鐵路桐木隧道出口棄渣場(chǎng)所在區(qū)域地貌單元屬丘陵，即低山地貌，棄渣溝谷呈“V”字形，沖溝整體坡度上陡下緩，整體坡度約17°，高程約158～214m。山體表層為第四系殘坡積土，其下為千枚巖。

2.2 氣象水文

棄渣場(chǎng)位于亞熱帶溫暖濕潤(rùn)氣候區(qū)，具有四季分明、雨量充足、無(wú)霜期較長(zhǎng)的特點(diǎn)。平均無(wú)霜期260d，全年平均氣溫為17.2℃。年平均降水量為1680.2mm，降水量季節(jié)分配很不均勻。棄渣區(qū)地下水類型主要為全強(qiáng)風(fēng)化巖體中的孔隙水與基巖裂隙水。區(qū)內(nèi)山體切割強(qiáng)烈，溝谷發(fā)育，總體上棄渣堆積區(qū)地形坡度較大，地下水徑流路徑較短，水量、水位受大氣降水影響較大。棄渣沖溝周邊山體基巖為千枚狀板巖、粉砂質(zhì)板巖等，巖體透水性較差，全、強(qiáng)風(fēng)化后多呈泥狀，富水性不算好，總體上區(qū)內(nèi)地下水水量不豐，僅有少量的地下水賦存于有一定張開(kāi)度的基巖裂隙之中。總體上地下水富水性較差，溝內(nèi)無(wú)大的泉點(diǎn)出露，溝底僅季節(jié)性流水。該溝域水文地質(zhì)條件簡(jiǎn)單，其地下水的補(bǔ)給排泄等徑流活動(dòng)，不會(huì)對(duì)棄渣堆積構(gòu)成大的不利影響。

2.3 地質(zhì)構(gòu)造

場(chǎng)區(qū)處于九嶺隆起和萍樂(lè)凹陷帶的復(fù)合部分，構(gòu)造體系以東西向、北東向（華夏系）、北北東向（新華夏系）為主。棄渣場(chǎng)所處區(qū)域斷層構(gòu)造發(fā)育，巖層節(jié)理裂隙發(fā)育。調(diào)查評(píng)估區(qū)段處于華南褶皺范圍內(nèi)的贛粵褶皺帶，是較為穩(wěn)定的弱震區(qū)，歷史上沒(méi)有破壞性地震記載。根據(jù)《中國(guó)地震動(dòng)峰值加速度區(qū)劃圖》（GB 18306—2015），評(píng)估區(qū)的地震動(dòng)峰值加速度為0.05g，地震反應(yīng)特征周期為0.35s，地震基本烈度為6度區(qū)。

3 棄渣場(chǎng)穩(wěn)定性分析

3.1 有限元強(qiáng)度折減法計(jì)算原理

有限元方法中的強(qiáng)度折減法是應(yīng)用最為廣泛的邊坡穩(wěn)定性分析方法，強(qiáng)度折減法的基本原理是將邊坡的巖土體的黏聚力c、摩擦角φ同時(shí)除以折減系數(shù)F，得到一組新的材料參數(shù)c'、φ'，然后將得到的新的材料參數(shù)再進(jìn)行試算，通過(guò)不斷改變折減系數(shù)F，直至研究對(duì)象達(dá)到臨界狀態(tài)。此時(shí)得到的折減系數(shù)F即為邊坡的安全系數(shù)F。強(qiáng)度折減過(guò)程中屈服面變化如圖2所示。

圖2 強(qiáng)度折減過(guò)程中屈服面變化

其分析方程如下：

3.2 有限元本構(gòu)模型

Mohr-Coulomb模型是廣泛應(yīng)用于巖土材料的理論和實(shí)踐中一種本構(gòu)模型，可用公式表示：

材料的抗剪強(qiáng)度與作用在該平面上的法向應(yīng)力有關(guān)，當(dāng)作用在該平面上的法向應(yīng)力和剪應(yīng)力滿足Mohr-Coulomb屈服表達(dá)式時(shí)，剪切破壞。

在應(yīng)力空間中，Mohr-Coulomb準(zhǔn)則是一個(gè)不等邊六邊形圓錐，式（2）可用如下的主應(yīng)力形式表示：

代入式（3）得表示屈服面的屈服函數(shù)如下：

式中：σm為平均正應(yīng)力，Pa；J2為第二偏應(yīng)力不變量，Pa2；θσ為應(yīng)力洛德角，無(wú)量綱。

屈服面是區(qū)分應(yīng)力狀態(tài)從彈性應(yīng)變向塑性應(yīng)變發(fā)展的一種狀態(tài)。如果應(yīng)力位于屈服面之內(nèi)，則F＜0；如果正好位于屈服面之上，則F=0；如果F＞0，則表示應(yīng)力位于屈服面之外。

3.3 巖土體物理參數(shù)選取

蒙華桐木隧道出口棄渣場(chǎng)棄渣來(lái)源主要為桐木隧道出口、洪源一號(hào)隧道及大豐一號(hào)隧道的棄渣，棄渣組成物質(zhì)主要為千枚巖碎石、塊石，如圖3所示。

圖3 棄渣體

棄渣和風(fēng)化基巖的物理力學(xué)參數(shù)是通過(guò)實(shí)驗(yàn)室測(cè)試和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查采樣確定的，其他材料的參數(shù)根據(jù)相關(guān)規(guī)程[6]和經(jīng)驗(yàn)選取。棄渣場(chǎng)所采用的巖土物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 巖土體物理力學(xué)參數(shù)

3.4 計(jì)算模型

基巖、基巖表層殘積土、棄渣體及擋土墻均采用四面體實(shí)體單元，利用有限元軟件Midas GTS NX建立三維山體模型。棄渣場(chǎng)邊坡三維邊坡如圖4所示。

圖4 三維計(jì)算模型

3.5 計(jì)算結(jié)果及分析

采用強(qiáng)度折減法計(jì)算得到桐木隧道出口棄渣場(chǎng)整體穩(wěn)定性最小安全系數(shù)為1.94。按照強(qiáng)度折減法，計(jì)算得到的棄渣場(chǎng)應(yīng)力場(chǎng)分布如圖5所示。從圖5可以看出，在重力方向上隨著埋深的增大邊坡內(nèi)部應(yīng)力場(chǎng)成層分布，其水平應(yīng)力分層特性也較為明顯。

采用強(qiáng)度折減法計(jì)算得到的棄渣場(chǎng)塑性區(qū)分布和位移變形如圖6和圖7所示。從圖5和圖6可以看出，棄渣場(chǎng)并沒(méi)有形成大范圍的圓弧型塑性破壞區(qū)，其變形區(qū)主要集中在棄渣的放坡區(qū)。

4 結(jié)論

文章對(duì)蒙華鐵路桐木隧道出口棄渣場(chǎng)邊坡采用現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研、理論分析與數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，對(duì)邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行了三維數(shù)值分析，結(jié)果表明棄渣場(chǎng)邊坡并未形成大范圍的圓弧塑性破壞區(qū)，其變形主要集中在棄渣的放坡區(qū)，且邊坡的穩(wěn)定性滿足要求。

防護(hù)措施建議如下：（1）棄渣堆積過(guò)程中應(yīng)建立合理的堆填方案，加強(qiáng)棄渣堆填工作管理，保障棄渣堆積過(guò)程中的安全、有序。（2）應(yīng)嚴(yán)格保證棄渣堆積過(guò)程中分層碾壓施工、分級(jí)放坡、設(shè)置擋渣墻，棄渣場(chǎng)底部設(shè)置盲管排水、棄渣場(chǎng)上部設(shè)截水天溝、排水溝，最后對(duì)坡體表層進(jìn)行綠化。（3）建立棄渣場(chǎng)管理、維護(hù)長(zhǎng)效機(jī)制，落實(shí)棄渣場(chǎng)安全堆放措施。采取定期巡視與群測(cè)群防相結(jié)合的形式，監(jiān)測(cè)棄渣場(chǎng)變形情況。在前期棄渣固結(jié)沉降變形較大時(shí)間內(nèi)，可能有由于沉降變形過(guò)大導(dǎo)致截排水系統(tǒng)出現(xiàn)破壞的風(fēng)險(xiǎn)，應(yīng)注意發(fā)現(xiàn)類似安全隱患及時(shí)報(bào)告、處置。特別是雨季時(shí)節(jié)，加強(qiáng)棄渣場(chǎng)安全穩(wěn)定巡視監(jiān)測(cè)。（4）科學(xué)有序地開(kāi)展棄渣場(chǎng)地復(fù)耕復(fù)墾工作，充分利用土地資源。

圖5 棄渣場(chǎng)應(yīng)力分布

圖6 棄渣場(chǎng)應(yīng)變分布圖

圖7 棄渣場(chǎng)位移分布圖