山區高速公路典型棄渣場穩定性綜合評估

李 薇，楊 華，尹小濤，張 朔,4

(1.云南交通職業技術學院，云南 昆明 650000；2.中交鐵道(武漢)建設科技有限公司，湖北 武漢 430056；3.中國科學院武漢巖土力學研究所 巖土力學與工程國家重點試驗室，湖北 武漢 430071；4.安徽理工大學 土木建筑學院，安徽 淮南 232001)

0 引言

隨著“長江經濟帶”和“一帶一路”倡議等國家政策的頒布實施，我國西南地區高速公路和鐵路項目建設逐漸增多。由于我國西南地區屬于山地高原地形，江河縱橫，地跨6大水系，這一獨特的自然地形地貌特點決定了山區高速公路建設以橋隧為主。因此，在山區高速公路建設過程中產生土石方量巨大的棄渣。這些棄渣因其顆粒級配差、欠固結、非飽和等因素導致再利用率極低[1-5]，若這些棄渣隨意堆置或處置、防護不當，則會對生態環境造成極大破壞，導致水土流失，嚴重時極易形成滑坡、泥石流等安全問題，直接威脅高速公路沿線生產、生活安全。因此，在高速公路沿線需要建設大量的棄渣場來堆置這些棄渣。

目前，國內外學者對山區高速公路棄渣場的研究較少，蔣成海等[6]指出了山區高速公路棄渣場建設在技術及管理兩方面存在的問題，并針對存在的問題，分別從規劃設計階段、工程實施階段和運營管理階段提出了建議。張家銘等[7]考慮多種影響棄渣邊坡安全穩定的因素，基于改進的正交設計方法對其設計和防護提供指導。吳謙等[8]對某一棄渣場穩定性可靠度進行研究，發現邊坡穩定系數對棄渣內摩擦角的變異最為敏感。劉建偉等[9]采集棄渣場不同坡位的棄渣樣品，對多項物理指標進行測定，研究影響棄渣場穩定性的主要因素。劉浩等[10]結合典型棄渣場工程實例，通過正交試驗設計和方差分析理論對棄渣場滑坡影響因素敏感性進行了分析。王光輝等[11]基于棄渣邊坡地質模型利用數值計算方法分析了該棄渣場在降雨條件下的邊坡穩定性。張朔等[12]歸納總結了山區高速公路棄渣場常見病害，并對其致害機理和相應的安全控制技術進行了深入探討。從目前的研究現狀來看，研究主要集中于影響棄渣場安全穩定因素的研判，且目前的棄渣場安全評估工作相對靜態，忽視了棄渣體從堆積到穩定是一個動態過程，缺乏對其系統的綜合安全控制技術研究。

1 當前山區高速公路棄渣場存在的問題及挑戰

1.1 山區高速公路棄渣場存在的問題

(1)山區高速公路棄渣場設計施工管理等無章可循，作為高速公路建設的線外附屬工程，在各個方面得不到重視[13]。當前相關工作主要參考其他行業排土場規范或水土保持類相關規范[14-15]，不能真正反映棄渣自身特點和山區棄渣場既有特征。

(2)工可階段選址存在潛在隱患，由于山區高速公路沿線場地極為有限，前期選址過于理想化，缺乏系統可操作性的完備考慮，導致某些棄渣場地自然穩定性存在潛在隱患[16]。

(3)棄渣本身性質較差，顆粒級配不良，分選性差，孔隙率高，結構松散，欠固結，施工過程中通常不進行嚴格壓實處理，需要較長時間固結穩定，由此造成一定范圍內的工后不均勻沉降。

(4)棄渣過程缺乏嚴格管控，存在過多安全隱患，譬如棄渣方量超標、場地清表不到位、棄渣臨空面過多、邊坡坡率過陡、邊坡臺階寬度不足等問題。

(5)當前棄渣場穩定性評估多為一次性的終了評估，資料相對靜止，缺乏多階段定性調查，棄渣邊坡屬于人工松散堆積體，常見的破壞形式與傳統的土質或巖質邊坡不同，僅憑定性或定量手段以傳統邊坡穩定性評價的方式進行評估，往往導致結果失真。

1.2 山區高速公路棄渣場面臨的挑戰

(1)近期密集的法律法規的頒布實施。當前我國環保法規日趨嚴格，為了約束相關單位保護當地生態環境，相關部委在強制規定生產建設單位編制水土保持方案的基礎上，相繼下達的《生產建設項目水土保持監督管理辦法》(辦水保函[2019]172號)、《生產建設項目水土保持承諾制管理的通知》(辦水保[2020]160號)等文件均明確指出應當將棄渣場作為水土保持的重中之重，并細化棄渣堆置階段的各單位主體責任。由此帶來的改變，對原有穩定性評價內容和方法提出挑戰。因此，如何準確、規范、合理地進行山區高速公路棄渣場綜合安全評估值工作值得思考。

(2)近期安全事故頻發。深圳光明新區紅坳棄渣場失穩事故，其主要原因是棄渣超載造成的地基承載失穩，事故帶來的警示是不能沒有論證地擅自增容擴容。云南云臨高速某棄渣場的失穩問題，主要原因在于下臥層造成的地基失穩，那么這些事故提出的挑戰是現有的選址方法是不完善的，目前工可調查的范圍，多數局限于在google圖上作業，包括現場看一下、圈一下，這樣選址對于多數是可以的，可是出問題的往往是特殊案例，帶來的危害也是巨大的。這些安全事故說明依托既有規范，如果是狹隘的理解評估是遠遠不夠的，如果沿用傳統的方式方法那么這類安全問題可能還會產生。

(3)棄渣場評估流程逐漸嚴格化、科學化、合理化，相關單位需要正視棄渣場工作，針對山區高速公路建設和運營過程中棄渣場可能出現的安全問題和環境問題，開展相應的科學研究工作，摒棄以往的一次性終了驗收性評估，通過定性與定量相結合的評估方式進行多階段跟蹤評估，提出安全經濟且適用于山區高速公路棄渣場的綜合安全控制技術。

因此，本研究在總結當前山區高速公路棄渣場存在的諸多問題和挑戰的基礎上，依托實際工程，利用前期、中期和整形后不同階段的現場踏勘、多期測繪等技術資料，進行定性評價，采用地面調查方式，利用工程地質評價方法，重點解決不良地質和地基承載帶來的整體失穩風險；定量評價，采用極限平衡法建模計算方式，利用不同工況棄渣邊坡安全系數標準，判斷棄渣邊坡是否滿足工程穩定性要求，把控棄渣邊坡的安全風險。定性和定量相結合的棄渣場穩定性綜合評估方法可以為山區類似棄渣場工程穩定性評價和安全控制提供借鑒。

2 山區交通工程棄渣場綜合評估方法

首先山區棄渣工程的實施具有階段特征，不同階段面臨不同的安全挑戰，規劃設計階段主要是定性方法；實施階段主要是定量方法，兩者共同組成了完整的符合實際的棄渣場穩定性專題評估。

2.1 定性評估

定性評估，采用方法主要是地面調查，適用于初期規劃階段，采用工程地質評價方法，主要解決不良地質和地基承載安全帶來的棄渣場整體失穩安全風險，控制指標主要是規劃堆高造成的堆載不能超過地基承載力。

2.2 定量評估

定量評估，采用方法主要是規范規定的極限平衡方法，適用于整形后階段，采用數值建模計算的方式，主要解決棄渣邊坡是否滿足工程穩定性要求帶來的安全風險，控制指標主要是自然、降雨、地震工況棄渣邊坡是否滿足規范規定安全系數標準。

定性和定量相結合有助于解決棄渣場的穩定性，符合實際工程的評估流程，做到風險的過程把控。

3 工程實例

3.1 工程概況

該棄渣場位于大永高速公路主線K2+500的山間溝谷，邊坡為斜坡，底部為緩坡，邊坡為淤泥或淤泥質土，厚約1～2 m。該棄土場棄土高度最高約24 m，占地26.6×104m2，設計棄方量達146.0×104m3。

該棄土場恢復后分2級，第1級高10 m，坡比1∶1.7；第2級高10 m，坡比1∶1.7。坡腳設置兩道攔砂壩，坡高8 m，長分別為156.5 m和132.1 m。該棄土場設置排水溝，0.6 m×0.6 m排水溝420 m，3 m×2 m排水溝1 121 m。棄土場在堆放棄前方，沿原溝槽設置1.5 m×1 m的盲溝1 010 m。3級棄渣場，如圖1所示。

圖1 不同時期K2+500棄渣場照片Fig.1 Photos of K2+ 500 spoil ground in different periods

K2+500棄渣場整體1級填筑，坡體兩側設置排水溝，坡角約為40°，臨近攔砂壩一側底部可見明顯底鼓，側向擠出效應顯著，前緣邊坡處于欠穩定狀態，飽和狀態下存在局部穩定性問題。坡前設置攔渣墻，往下約30 m位置有一橫跨輸水渡槽，溝口右側山坡頂部有一戶人家。平面地形見圖2。

圖2 K2+500棄渣場平面Fig.2 Plane of K2 + 500 spoil ground

3.2 基于地面調查的定性評估

3.2.1 地面調查

根據規范要求，需要調查并評估攔渣墻和渠道等主體結構的外觀、功能；坡面穩定狀態。從現場調查和施工單位提供的基槽照片來看，攔渣墻直接坐落在基巖上，結構外觀完好，背側容量充足，攔渣墻當前狀態穩定。棄渣場攔渣墻現狀如圖3所示。

圖3 K2+500棄渣場攔渣墻現狀Fig.3 Current situation of slag retaining wall in K2+500 spoil ground

已設置邊溝，既有截排水措施整體結構完好，調查期間發現局部開裂破損現象，建議及時修補，防止坡面匯水通過裂縫進入坡體，如圖4所示。

圖4 部分截排水溝淤塞、破損Fig.4 Blockage and damage of part of drainage ditch

現場調查發現，該棄渣場采用1級坡堆積整形。調查期間發現坡體前緣有側向擠出變形滑坡跡象，坡腳淤泥質土層隆起，前緣坡頂發現多條弧形裂縫，見圖5。從以上調查情況來看，棄渣邊坡目前處于欠穩定狀態。

圖5 K2+500棄渣場坡面調查Fig.5 Investigating slope surface of K2+500 spoil ground

3.2.2 調查評估

(1)定性評價

當前坡腳不穩定，局部有脫坡跡象，底部隆起嚴重，推移底部淤泥質土平移約10 m左右，有多條弧形底鼓裂縫，目測淤泥質土層厚度不大，前緣邊坡存在失穩風險，且靠近攔渣墻，繼續堆積則可能威脅攔渣墻的整體安全。

(2)潛在問題分析及處治措施建議

根據現場調查、棄渣場設計文件和堆填現狀的綜合分析，認為形成前緣坡體滑移的原因是：①初始選擇場地的時候未發現表層淤泥質土層，或者這部分不良土體是清表后堆積期間外運堆積造成，這些都是過程管理不到位造成的；②表層1 m左右淤泥質土的側向擠出效應是造成前緣邊坡失穩的主要因素；③建議在前緣10 m范圍清底至自然較好土層，利用棄渣壓實形成一個壓腳平臺，在保證前緣坡體安全的基礎上，也可以保障前緣坡體不會威脅到攔渣墻。

3.3 基于建模計算的定量評估

根據勘察報告、水土保持文件、規范經驗取值、現場試驗和數值反分析[17]，綜合確定了K2+500棄渣場計算參數，統計列于表1。

表1 K2+500棄渣場現場試驗結果及計算參數Tab.1 Field test result and calculation parameters of K2+500 spoil ground

根據《中國地震動參數區劃圖》(GB18306—2015)[18]，測區地震動峰值加速度為 0.20g，地震動反應譜特征周期 0.40 s，地震基本烈度為Ⅷ度。根據設計提供的計算剖面，在slide軟件平臺建立其計算模型，采用自動搜索滑面的Bishop法計算穩定性系數，最不利滑面見圖6，不同工況穩定性系數統計列于表2。

圖6 K2+500棄渣邊坡的最不利滑面Fig.8 Worst sliding surface of K2+500 spoil slope

表2 K2+500棄土場邊坡穩定性系數Tab.2 Stability coefficients of K2+500 spoil ground

由表2和圖6可知，K2+500棄渣邊坡，現狀地形，正常工況穩定性系數1.09，小于1.25，不滿足工程穩定性要求；非正常工況Ⅰ穩定性系數1.02，小于1.10，不滿足工程穩定性要求；非正常工況Ⅱ穩定性系數0.80，小于1.10，不滿足工程穩定性要求。在坡腳清除淤泥質土層后，按1∶2.0坡率設置8 m 高10 m寬反壓平臺后，棄土邊坡正常工況1.635，大于1.25，滿足工程穩定性要求；非正常工況Ⅰ1.477，大于1.10，滿足工程穩定性要求；非正常工況Ⅱ1.126，大于1.10，滿足工程穩定性要求。因此，K2+500棄土場邊坡，現狀地形下，均不滿足工程穩定性要求；表層淤泥質土層需要做清除處理，清除寬度不小于10 m，整形坡率按1∶2.0考慮，坡高8 m反壓措施下，整治地形下，均滿足工程穩定性要求。

4 現行規范作法和本研究方法對比分析

(1)現行規范做法下的評估效能分析

行業現在普遍的做法是在完成棄渣邊坡的整形后，委托有資質的單位對棄渣場進行穩定性專題評估。對于前期和過程的評估沒有做強制要求。

普遍做法是在現場調查的基礎上，評估攔渣墻、渠道系統是否滿足要求；在現場試驗或室內試驗或經驗取值的基礎上，建模計算分析，完成棄渣邊坡的穩定性評價。驗算棄渣邊坡是否存在沿渣體內部、棄渣和原地面接觸部位、沿自然地層不利位置產生滑移風險。這些是當前評估的重點。

靜態評估，忽視了過程管控，對于帶病上崗和后期劣化的控制效果幾乎為0。國家近期密集出臺了很多管理文件，無外乎強調主體責任，已經有多階段全鏈條評估的趨勢。

(2)本研究綜合評估方法的效能分析

定性和定量相結合的綜合評估方法是單位該領域有效工作經驗的總結，實踐證明是行之有效的，將安全控制目標前移分解到工作的各環節，主要包括以下環節：①場地階段解決選好地址，避免或者管控不良地質、特殊土體帶來的不利影響，控制整體失穩風險。②堆積過程的全程管控和規劃堆積，避免不良渣土堆積在底部和表面，盡可能好的土體包裹不好的土體。③整形后棄渣邊坡穩定性評價，控制坡率，保障棄渣邊坡整體穩定。④主體結構效能的定期管養，保證控水攔渣，保證棄渣場的中長期安全，棄渣工程本身是多環節動態過程，那么評估就要體現這些特點，否則脫離實際，則管控效果就會大打折扣。

5 結論

在總結當前山區高速公路棄渣工程穩定性專題評估存在問題的基礎上，根據作者對該領域的長期跟蹤服務，提出了定性和定量相結合的綜合評估方法，明確了兩者的工作內容、方法和目標，利用工程實例檢驗了方法的科學性和合理性。

定性評估，采用多階段地面調查方法，適用于初期規劃階段，采用工程地質評價方法，主要解決不良地質和地基承載安全帶來的棄渣場整體失穩安全風險，控制指標主要是規劃堆高造成的堆載不能超過地基承載力，解決帶病上崗風險。

定量評估，采用建模計算方法，適用于整形后階段，采用極限平衡法，主要解決棄渣邊坡是否滿足工程穩定性要求帶來的安全風險，控制指標主要是自然、降雨、地震工況棄渣邊坡是否滿足規范規定安全系數標準，解決棄渣邊坡是否存在沿渣體內部、棄渣和原地面接觸部位、沿自然地層不利位置產生的滑移風險。

定性和定量相結合有助于解決棄渣場的穩定性，符合實際工程的評估流程，做到風險的過程把控，更符合山區棄渣工程的實際特點。