山區高速公路棄土場穩定性分析

文/謝振安

1 前言

山區高速公路隧道和路基深挖方比例大，因填挖不平衡引起棄土石方量多，且受地形、征地限制及運距等因素影響，棄土場大多堆砌于山間溝谷中，容易產生較高的棄土堆筑高度。雖在設計階段會對棄土場選址及防護做簡單設計，但因方案變更等因素，實際堆筑情況會有較大變化，原設計防護措施不一定能滿足實際穩定性要求，容易形成水土流失、崩塌、滑坡等災害，更嚴重的還有可能引發泥石流等重大災害。為了保證已堆筑棄土場安全穩定，需對棄土場現狀做針對性的穩定性分析。本文以廣東省仁新高速K220+650 左側棄土場為例，介紹已建棄土場穩定性分析思路及方法。

2 工程概況

仁新高速公路K220+650 左側棄土場所處區域地質背景簡單，地震基本烈度屬Ⅵ度區。評估區處于低山、丘陵地貌，地形地勢起伏較大，山坡自然坡度25°～40°。另外，棄土場約17.66 萬m3棄渣，渣頂標高225.95m，渣底標高136.18m，最大高度89.77m。棄土場樁號范圍：K220+425～K220+800，基本沿著高速公路線路走向。棄土場現狀草木發育良好，位于封閉山谷，對周圍居民生產生活影響較小。棄土場所處山間溝谷內水量較少，地下水對場地工程施工影響較小；另外，評估區屬中緯度亞熱帶季風性濕潤氣候，夏長冬短，多年平均降雨量1400～2400mm，故氣象水文條件對棄土場穩定影響程度較大，需考慮暴雨工況穩定情況[1]。

3 坡體現狀調查

坡面未見淺層滑塌，但受地表水沖刷影響，部分坡面出現沖溝，對邊整體穩定無影響，但長期沖刷易引起淺層滑塌。坡腳局部位置可見水土流失現象，形成坑洼地，坑深0.5～1m 左右，長期積水下滲對坡體穩定不利。坡面未見堆載體整體滑動或淺層滑塌，暫時處于穩定狀態；但考慮該棄土場棄土方量大，棄土高度高，強風化砂巖含量較高，遇水易軟化、強度降低，存在一定安全隱患，因此需通過計算分析確定。

4 現狀測量及勘察

對棄土場現狀進行測量，得出1∶500 平面地形圖，測量各棄土場的坡形坡率及堆載范圍，根據現狀地形圖并結合堆載前地形圖布置2 個勘察鉆孔一個勘察斷面（見圖1）。

地質鉆探揭露上覆堆載體主要由第四系素填土（粘性土、碎石）、粉質粘土、坡殘積粉質粘土組成；基底主要由石炭系砂巖、炭質砂巖及其風化層組成。

5 穩定性計算分析評價

根據堆載體所在地形溝谷走向及填土厚度等，初步選取地質橫斷面5-5（見圖1）作為主斷面進行計算分析。考慮堆載體變形主要有三種可能，分別是堆載體與原地面接觸面變形、堆載體自身變形和坡面淺層變形，以下圍繞三種變形情況進行穩定性分析計算[2]。

圖1 棄土場測量平面圖（含勘察斷面）

5.1 計算并選定參數

5.1.1 確定棄土與原始地面交界力學參數

棄土與原始地面交界位置較為薄弱，棄土透水性強在交界位置極易富集地下水，所以潛在最危險滑面最有可能發生在棄土與原地面交界位置，因此宜采用折線形滑動法進行邊坡穩定性分析。棄土與原地面交界處滑面參數較難確定，通過Φk=arctan(tanΦ+c/γH)求得綜合內摩擦角，滑面內聚力根據經驗取10kPa，摩擦角取現狀地形及原狀地形自然休止角，通過上述公式計算得棄土綜合內摩擦角約為36°，取安全儲備系數1.25，最終綜合取值28.5°。

5.1.2 確定棄土（碎石土）力學參數

碎石土由填石和填土組成，參數較難確定，勘察推薦人工填石重度取18kN/m3，內聚力取0kPa，內摩擦角30°～40°，結合重型動力觸探試驗結果，最終確定碎石土內聚力取0KPa，內摩擦角取38°。

5.1.3 確定巖土層力學參數

結合勘察資料及軟件計算等資料，最終確定各層巖土力學參數取值如下表1：

表1 邊坡驗算選用力學參數表

5.2 邊坡穩定計算

根據《水土保持工程設計規范》，棄土場級別應根據堆渣量、堆渣最大高度以及棄渣場失事后對主體工程或環境造成的危害程度確定。K220+650 左側棄土場約17.66 萬m3棄渣，最大高度89.77m，棄土場級別判定為3 級。正常工況下穩定性性安全系數不應小于1.25，非正常工況下穩定性性安全系數不應小于1.1。本邊坡采用理政巖土軟件的邊坡穩定性分析系統進行驗算。

針對三種變形方式，選取堆土體與原地面接觸面為棄土場邊坡最危險性斷面，并分別考慮天然工況和暴雨工況，采用擴大自下滑力進行分析計算；考慮堆土體自身穩定性采用圓弧滑動自動搜索不利滑面計算（圖2），并分別考慮天然工況及暴雨工況，計算得穩定性分析結果如表2 所示：

圖2 穩定性分析計算模型圖

表2 棄土場穩定性分析結果一覽表

6 防護建議

針對該棄土場，建議加強棄土場邊坡日常病害巡查；布設監測點，定期監測邊坡變形位移情況；對坡頂平臺及坡面局部地段（植被生長不良）進行植草防護或硬化處理，防止地表水沖刷，增強邊坡穩定性。現場調查，平臺均已硬化但無排水溝，建議增設平臺排水溝，修復棄土場的邊坡排水設施，急流槽堵塞或破損處應及時疏通并修復，同時急流槽與棄土場場頂排水溝相連。棄土場坡腳以上局部薄弱區處于欠穩定狀態，建議采用注漿加固等措施處理，以保證邊坡局部穩定性[3]。

7 結語

棄土場穩定性分析可以采用現場踏勘調查、地形測量及補充勘察全面了解棄土場現狀情況，然后采用極限平衡法等方法對邊坡進行穩定性分析。棄土場邊坡的變形類型和破壞模式包括坡面淺層變形、堆載體與原地面接觸面滑動變形以及堆載體自身失穩變形。棄土場穩定性分析應結合勘察測量資料確定堆載體各層驗算力學參數，并根據不同工況，計算邊坡穩定性安全系數，最終確定不同破壞形式邊坡穩定狀態，并根據分析結果，提出防治建議。