昆明某工程前緣壩體邊坡穩定性分析及治理措施研究

寸春發，許漢華，劉文連，龔憲偉，郝 勇

(1.云南建投基礎工程有限責任公司，云南昆明，650217；2.中國有色金屬工業昆明勘察設計研究院有限公司，云南昆明 650051)

隨著國家基礎建設投入不斷加大，各地大量進行水利水電、建筑、礦山、交通（道橋、公路鐵路、機場）等基礎設施建設，這為邊坡工程的發展提供了良好條件[1]。影響邊坡穩定性的主要因素有邊坡材料力學特性、邊坡幾何尺寸和邊坡外部荷載三大方面[2]。邊坡穩定性計算方法、參數的確定，均需建立在邊坡破壞模式分析的基礎上[3]。本文首先從地形地貌、地層巖性、氣象及水文、地質構造、特殊性粉煤灰土層及水文地質條件介紹了研究區的地質背景，然后驗算了某工程前緣壩體邊坡穩定性，最后提出了相關治理措施建議供類似工程借鑒參考。

1 地質背景

1.1 研究區地形地貌

研究區原始地貌為低中山構造剝蝕、沖刷地貌單元，區內沖溝較發育，原始沖溝呈“U”型，地勢北高南低，溝心寬緩，縱坡比降5%～10%，東側和西側向溝心平緩傾斜；總體上場地北、東、西三側臨山，沖溝出口在初期壩體位置呈上寬下窄“喇叭”口狀，近似北-南走向，溝底開闊，自然坡度3°～8°，溝底寬度介于50～80m，標高介于2029.00～2060.00m 之間，溝底原有一條北東-南西走向的溝渠，溝床寬2～5m，沖溝兩側多被開墾為農用耕地，兩岸山體斜坡坡度介于30°～60°，坡面植被發育。

場地南側則分布有南西-北東走向的灰渣庫壩體，該壩體由初期堆石壩及五級土石子壩構成，壩體總高度約60m，壩軸線最長度（第五級子壩）約220m，壩頂寬約4.0m，其中各級子壩高約5.0m，壩頂寬4.0m，各級子壩外側壩體坡度1∶4，內側壩體坡度1∶2；初期壩高35.0m，壩頂寬約7.0m，壩底寬約98.0m，外側壩體坡度1∶1.6，內側壩體坡度1∶1.5。初期壩于1986 年建成，并于1993 年增設堆石反壓體，該反壓體按8 度地震烈度設計和施工，反壓體外壩體坡度為1∶1.6。

1.2 研究區地層巖性

研究區巖土層主要由第四系人工堆積雜填土、粉煤灰、各級子壩體堆積填土、初期壩體碎石填土及反壓體塊石填土層，第四系沖洪積粉質黏土層，第四系坡殘積粉質黏土層，下伏基巖寒武系滄浪鋪組頁巖、粉砂巖所構成。

1.3 研究區氣象及水文

研究區所在地昆明市西山區地處云貴高原中部，緯度低，海拔高，加之有高原湖泊滇池、陽宗海調節溫濕度，形成“夏無酷暑，冬無嚴寒”四季如春的宜人氣候，最冷月平均溫度7.5℃，最熱月平均溫度19.7℃，極端最低溫度-5℃，極端最熱溫度33.3℃，年平均氣溫為14.5 度；月平均最高相對濕度（8 月）84%，月平均最低相對濕度（3 月）47%，年平均相對濕度74%；日最大降雨量120mm，月平均最大降雨量402mm，全年平均降雨量1031mm，年雷暴日64～69 天／年。由于溫濕度適宜，日照長，霜期短，能見度良好，鮮花常年不謝，草木四季常青，故有“春城”美譽，是世界上少有的全天候旅游城市被人們譽為東方的“日內瓦”，昆明的自然條件利于長年施工。

經過現場地質調查，研究區位于的南北向稗子箐溝，其上游主要分布有三條支溝，區內無較大的地表水體及河流通過，主要地表水為各支溝內少量流水，各支溝均為季節性沖溝，主要接受大氣降雨及地下水滲溢補給。未建設灰場堆渣庫之前，場地主要為各支溝匯水徑流排泄地段。經前期灰渣場修建，目前場地內已有較完善的排水、排洪系統；渣體下已修筑了高2.4m，寬2.5m，拱形頂的排洪隧道，各支溝內也修筑了導水管涵，并且在各支溝上游部位修筑了擋泥壩。場地周邊及原始沖溝上游地表水主要經過排水隧洞排出場地外，而場地內（原灰渣庫內）地下水則經過壩體導水碎石層下滲流至壩體反濾排滲系統排出初期壩體下游積水池中，經三角堰測流，水量相對較小，約5～8m2/d。

1.4 研究區地質構造

研究區在區域上處于川滇經向構造帶和南嶺緯向構造帶的復合部位，受強大的南北向構造影響，南嶺緯向構造帶連續性遭受破壞。區域內東西向構造有三個明顯特點（1）背、向斜寬緩；（2）斷層多為逆掩斷層或沖斷層；（3）由于地應力主要來自北部，使構造線一般都有向南凸出彎曲的特征。

1.5 特殊性粉煤灰土層

粉煤灰，是從煤燃燒后的煙氣中收捕下來的細灰，粉煤灰是燃煤電廠排出的主要固體廢物，根據電廠資料顯示，場地內的粉煤灰主要氧化物組成為：SiO2、Al2O3、FeO、Fe2O3、CaO、TiO2等。主要由飛灰及爐底灰組成，飛灰是進入煙道氣灰塵中最細的部分，爐底灰是分離出來的比較粗的顆粒。首先粉煤灰的活性主要來自活性SiO2(玻璃體SiO2) 和活性Al2O3(玻璃體Al2O3)在一定堿性條件下的水化作用。因此，粉煤灰中活性SiO2、活性Al2O3和f-CaO(游離氧化鈣)都是活性的的有利成分，硫在粉煤灰中一部分以可溶性石膏(CaSO4)的形式存在，它對粉煤灰早期強度的發揮有一定作用，因此粉煤灰中的硫對粉煤灰活性也是有利組成。其次粉煤灰是晶體礦物和非晶體礦物的混合物，一般晶體礦物為石英、莫來石、氧化鐵、氧化鎂、生石灰及無水石膏等，非晶體礦物為玻璃體、無定形碳和次生褐鐵礦，其中玻璃體含量占50%以上。再次粉煤灰是一種人工火山灰質混合材料，它本身略有或沒有水硬膠凝性能，但當以粉狀及水存在時，能在常溫，特別是在水熱處理(蒸汽養護)條件下，與氫氧化鈣或其他堿土金屬氫氧化物發生化學反應，生成具有水硬膠凝性能的化合物，成為一種增加強度和耐久性的材料。最后粉煤灰會產生揚塵，污染大氣，若排入水系會造成河流淤塞，而其中的有毒化學物質還會對人體和生物造成危害。場地內粉煤灰層其透水性屬弱～中等透水層，地下水位以上為呈稍濕～濕狀態，而地下水位以下則呈濕～飽和狀，場地內下滲的粉煤灰中孔隙水，再前期灰渣排放利用期間已得到綜合的中水處理，并且循環利用，目前該循環水利用系統還未拆除，擬工程建成后將繼續作生產用水使用。

2 水文地質條件

2.1 地表水

研究區附近周邊區域內主要地表水為位于場地外圍西南部螳螂川及東南部的滇池，螳螂川距場地約15km，與滇池相距約5km。距場地南部約120m處的宗龍箐溝為螳螂川上游支流，該宗龍箐溝位于場地下游南部地段，場地內已修建了較完善的排洪水涵（管）系統，沖溝及河流對場地的不構成侵蝕性威脅。除此之外，距研究區最近的地表水體主要為場地上游北端頭三條原始沖溝內由各攔泥壩圍堰形成的常年集水體，攔泥壩內的水體較小，主要匯集山體基巖裂隙滲水。而攔泥壩及場地上游沖溝內雨季匯集的洪水則主要通過場地內排洪隧道排出場地外；調查范圍內匯積的少量雨水、地下滲水主要通過壩體地下反濾排滲系統下滲至初期壩下游積水池內集中排泄。研究區主要為地表雨水徑流區，以及淺層地下水入滲補給區，水力方向總體上自北向南排泄于宗龍箐溝，最終流向螳螂川。

2.2 地下水

根據現場鉆探揭露的含水層情況、現場走訪調查，結合區內已有的水文地質資料，經綜合分析可知，場地鉆探深度范圍內主要有三層地下水：

第一層為主要賦存于第四系人工堆積粉煤灰②1、②2 層、碎石填土層③2 層中的上層滯水（即包氣帶水）；第二層為主要賦存于原始沖溝內第四系沖洪積層、局部碎石含量較大的粉質黏土⑤層中的孔隙潛水，屬淺層地下水，水量隨干、濕季節交替而變化；第三層地下水主要為賦存于寒武系滄浪鋪組中的基巖裂隙水。該層屬深層地下水，其中頁巖富水性較差，屬相對隔水層，而粉砂巖富水性中等，為場地內地下水的主要導、存水層。場地內基巖裂隙水的賦存或排泄條件、水力聯系等主要受巖體節理裂隙發育程度及裂隙的貫通性等因素所控制。

研究區內地下水主要接受大氣降水、地表水的入滲補給和控制，總體上由北東向西南流向，并向螳螂川上游支流宗龍箐溝排泄。

2.3 主要地層的滲透性指標

本次研究共取11 件粉煤灰試樣進行室內滲透性試驗，滲透性試驗成果見表1。

表1 滲透性試驗成果見

3 邊坡穩定性分析

3.1 計算指標選取

驗算指標選擇時，本次研究根據原狀土試樣室內土工剪切試驗成果，結合現場原位測試，同時借鑒了云南地區同類邊坡工程的經驗，結合本壩體工程邊坡所處工程環境綜合比對分析，確定各巖土層的驗算強度指標見表2。

表2 邊坡驗算指標建議表

表3 邊坡穩定性驗算結果表

3.2 工程邊坡穩定性驗算結果及分析評價

從表3 中穩定性驗算結果可知，壩工程邊坡在現狀自然條件下（不考慮荷載情況）、考慮廠房荷載作用下、考慮廠房荷載＋8 度地震作用下、考慮假設最高淹沒水位＋廠房荷載作用下、考慮假設最高淹沒水位＋廠房荷載＋8 度地震作用條件下是處于穩定狀態。

綜上所述，場地內工程邊坡作為一級邊坡，按擬靜力法進行驗算在現狀條件或工程建設后壩體邊坡整體是處于穩定的，但在不利因素影響下壩體邊坡坡面局部將可能產生小范圍內的坍塌、掉塊現象。

粉煤灰堆渣體屬特殊填積體，在飽水情況下受地震作用影響時可能產生液化，其抗剪強度迅速降低，壩體穩定性隨之降低；因此，必要時應對灰渣庫及壩體進行動力穩定性分析研究。

雖然壩體各子壩坡面已形成塊石護坡體，但由土夾石筑成的各子壩坡面抗沖刷剝蝕能力仍相對較弱，因此要注意完善場地雨排水系統，對壩體邊坡坡面及其周邊截排水溝進行修復與完善。同時在工程施工過程中，不能在壩體邊坡頂部進行堆載和進行大劑量爆破開挖，注意對現有壩體邊坡坡面、坡形的維護。

4 治理措施建議

工程建設應總體考慮地表水疏排系統，并對場地現有排洪系統進行定期檢查和疏導。設計和施工中應注意填土地面及排水溝渠的防滲處理，避免地表水下滲引起地基沉陷或造成排水系統失效。

由于本工程及其施工場地具有特殊性，施工中應編制重點針對灰渣庫壩體變形監測體系，并組織設計渣體溫度異常、渣體釋放有毒有害氣體可能性的施工應急預案。

粉煤灰渣庫的具有顯著的特點是貯煤灰不貯水，庫體的設計允許庫內水通過壩體反濾排滲系統滲流排出壩外。為此壩體排滲系統運行正常時，孔隙水壓力一般較小；但當煤灰一旦填堵塞壩體排滲系統中的濾孔，從而將會影響壩體滲流，導致使壩體產生的孔隙水壓力增大。根據本次勘察鉆孔中觀察到的地下水位來看，目前灰渣庫壩體排滲系統運行良好，排滲系統尚屬有效，但在工程建成后，應常設必要的觀測孔，對壩體水位進行監測，必要時對壩體產生的孔隙水壓力進一步進行研究。

完善場地地表雨排水系統，建議工程建成后，對地面采全封變的隔水處理；對壩體邊坡坡面及其周邊截排水溝進行修復與完善，同時在工程施工過程中，不能在壩體邊坡頂部進行堆載和爆破開挖，注意對現有壩體邊坡坡面、坡形的維護。