山區(qū)高速鐵路棄渣場穩(wěn)定性分析

張連啟

（北京鐵研建設監(jiān)理有限責任公司，北京 102628）

從1999 年實施西部大開發(fā)戰(zhàn)略開始，到2020 年的《關于新時代推進西部大開發(fā)形成新格局的指導意見》發(fā)布，我國西部地區(qū)的鐵路、公路等交通設施建設取得了極大的進步。由于西部地區(qū)獨特的地理特點，山區(qū)鐵路、公路等建設了大量的橋梁、隧道等工程[1-2]，建設過程中產生了大量廢棄渣土[3-4]，進而導致了大量的棄渣場工程出現(xiàn)。棄渣堆積體往往結構松散，容易產生穩(wěn)定性問題[5-6]。如何有效分析棄渣堆積體及擋墻的穩(wěn)定性，成為人們日益關注的問題。

在棄渣場穩(wěn)定性的研究方面，已有學者進行了廣泛而深入的研究。王莉[7]基于大量的統(tǒng)計數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，當棄渣場的水解性巖石含量與黏土含量超過40%，臺階高度超過18 m 時，棄渣場有較大概率出現(xiàn)滑坡；劉浩等[8]對影響棄渣場穩(wěn)定性的因素進行了分析，認為坡率、內聚力和內摩擦角等屬于影響棄渣場坡體穩(wěn)定性的主要因素，而坡高、渣體容重和堆積位置下伏基巖傾角屬于次要影響因素；羅雷等[9]認為棄渣場的坡度低于土體內摩擦角時，堆積體可以在無風、大暴雨的情況處于穩(wěn)定狀態(tài)，但擋渣墻是必要的工程措施；毛雪松等針對棄渣場堆積體的非飽和滲流問題，采用GeoStudio 軟件對降雨條件下的穩(wěn)定性問題進行研究，認為降雨條件下的邊坡穩(wěn)定性變化存在滯后現(xiàn)象，邊坡穩(wěn)定系數(shù)在降雨停止后還會繼續(xù)下降；羅浩等[10]研究了棄渣場邊坡在堆積過程中不同粒徑顆粒的分布特點和引起的破壞模式影響效應，認為降雨作用下的棄渣堆積體固結沉降、孔隙率降低及抗剪強度降低，棄渣場邊坡的穩(wěn)定性隨之降低。郭朋瑜等[11]通過剪切試驗，分析了節(jié)理分布位置對巖體綜合抗剪強度和破裂特征的影響程度；洪振宇等[12]研究了土體非飽和情況下及降雨入滲與震動耦合作用下棄渣場的穩(wěn)定性，并針對某實際工程，認為降雨滲流地震耦合作用下該棄渣場是穩(wěn)定的。

然而，棄渣堆積體的性質和結構復雜，受實際環(huán)境影響較大，其穩(wěn)定性分析方法和結果也存在差異。本文以杭州至長沙鐵路客運專線（以下簡稱“杭長客專”）九塘隧道進口的棄渣場為研究對象，利用現(xiàn)場調研、現(xiàn)場試驗和室內試驗，獲得了棄渣場基本情況和土體性質，并基于Delphi6.0 開發(fā)應用程序，進行了棄渣堆積體穩(wěn)定性和擋墻穩(wěn)定性分析，對保障棄渣場穩(wěn)定和高速鐵路的正常運營具有現(xiàn)實意義。

1 棄渣場概況

1.1 場地情況

本文的研究對象為杭長客專九塘隧道進口的棄渣場。棄渣場周邊為丘陵地貌，地形起伏，自然坡度約在16°~22°之間，相對高差約為25 m~30 m。棄渣場植被覆蓋率低，四周山體植被發(fā)育較為茂盛。棄渣場共占地14.5 畝（1 畝約等于0.066 7 hm2），總棄渣量達10 萬m3，棄渣最大高度為30 m，屬于4 級棄渣場。

棄渣場下游出口100 m 范圍內的建筑分布如圖1所示，從上到下依次為水塘、擋墻、場坪和杭長客專。擋墻位于棄渣場坡腳，實際長度68 m，墻高4.1 m，擋墻墻頂寬2.2 m。由于未設置排水系統(tǒng)，擋墻后方積水形成水塘。

圖1 棄渣場周邊環(huán)境示意圖

1.2 地質條件

棄渣場的地質條件是影響其穩(wěn)定性的重要因素。為此，對棄渣場的地質條件進行現(xiàn)場調研。該渣場所處位置上覆第四系全新統(tǒng)殘坡積層（Q4el+dl）粉質黏土；下伏基巖為元古界板小木坪組（Ptx）板巖，各層的土體性質特征如下。

（1）第一層粉質黏土（Q4el+dl）。該土層主要分布在地表緩坡及溝谷中，土層厚度約為1~4 m，具有較高的含水率，且具有硬塑性，屬于II 級普通土，承載力為180 kPa。

（2）第二層板巖（Ptx）位于粉質黏土層下方，由全風化層和強風化層組成。巖層整體為板狀構造，節(jié)理裂隙發(fā)育，呈淺黃和灰綠色，屬于變余砂質結構。其中，全風化層厚度約為4~26m，屬于III 級硬土，承載力為200 kPa；強風化層厚度約為3~60 m，屬于V 級次堅石，承載力為500 kPa。此外，該棄渣場的地表水較為匱乏，主要來源為大氣降雨等季節(jié)性變化，受氣候影響較大，并由于缺乏排水系統(tǒng)，主要以蒸發(fā)、下滲和徑流等形式排泄。

2 棄渣場穩(wěn)定性分析原理及方法

棄渣場的穩(wěn)定性分析主要包括棄渣堆積體的邊坡穩(wěn)定性和擋墻的穩(wěn)定性分析，前者主要分析其邊坡穩(wěn)定性，后者主要分析其抗滑和抗傾覆情況。由于棄渣場所在地的地震烈度為Ⅵ級，根據(jù)GB 51018—2014《水土保持工程設計規(guī)范》[13]，可以不進行地震工況計算。

2.1 棄渣堆積體穩(wěn)定性分析原理及方法

棄渣場的渣料為松散土體，對其進行邊坡穩(wěn)定性的分析時，主要采用以條分法和極限平衡原理為基礎的邊坡極限平衡法。根據(jù)假設的不同，分析方法可以選用瑞典圓弧法和簡化Bishop 法、Janbu 法、Sarma 法和Morgenstern-Price 法等，其中，瑞典圓弧法和簡化Bishop 法的應用較為廣泛。

瑞典圓弧法不考慮條分法中土條兩側的作用力，主要適用于棄渣場抗滑穩(wěn)定性的計算；而簡化Bishop法考慮了2 側條間力的作用，對均質棄渣體更為適用。為增加計算結果的可靠性，本文同時采用2 種方法進行計算，式（1）和式（2）分別為簡化Bishop 法和瑞典圓弧法的表達式。

式中：K 表示抗滑穩(wěn)定性安全系數(shù)；b 為條塊寬度（m）；W為條塊重力（kN）；V 為垂直地震慣性力（向上為負，向下為正）（kN）；u 為作用于土條底面的孔隙壓力（kPa）；α 為條塊的重力線與通過此條塊底面中點的半徑之間的夾角（°）；c'和φ'為土條底面的有效應力抗剪強度指標；MC為水平地震慣性力對圓心的力矩（kN·m）；R 為圓弧半徑（m）。

結合前述調研的棄渣場情況，可以知道棄渣場的植被覆蓋率低，缺乏排水系統(tǒng)，且位于多雨地區(qū)。因此在進行邊坡穩(wěn)定性的計算時，應考慮降雨情況。因此，計算條件可以分為降雨和非降雨2 種，而根據(jù)現(xiàn)場試驗和室內試驗結果，可以確定該棄渣場的渣體及巖層的基本物性參數(shù)，具體見表1。在計算時，選取具有代表性的橫、縱剖面進行計算，如圖2 所示。表1 中的參數(shù)可以為后續(xù)的穩(wěn)定性計算提供支撐。

圖2 棄渣場計算剖面

表1 棄渣場基本物性參數(shù)

2.2 擋墻穩(wěn)定性分析原理及方法

擋墻的穩(wěn)定性計算主要分為抗滑移穩(wěn)定性計算和抗傾覆穩(wěn)定性計算。如式（3）和式（4）所示。本文的棄渣場擋墻屬于重力式擋墻，墻背上的主動土壓力和被動土壓力應按式（3）和式（4）進行計算。

式中：Ea為墻背土壓力的反力（kN），Ea=Ex+Ey；Ex為墻背所承受的水平土壓力（kN）；Ey為墻背所承受的豎向土壓力（kN）；W 為破裂棱體的重力及破裂面以內的路基面上荷載產生的重力（kN）；θ 為墻背巖土內產生的破裂面與豎直面的夾角（°）；φ0為墻背巖土綜合內摩擦角（°）；δ 為墻背摩擦角（°）；α 為墻背傾角（°）。

確定了作用在擋墻上的土壓力后，可以進行抗滑安全系數(shù)和抗傾覆安全系數(shù)的計算，分別見式（5）和式（6）。

式中：M0=ExZx+FhEZhE；My=GZW+EyZy+EpZp；M0為傾覆力矩（kN·m）；Zx為墻后土壓力的水平分力到墻趾的距離（m）；ZhE為水平地震力到墻趾的距離（m）；My為穩(wěn)定力矩（kN·m）；ZW為墻身自重及墻頂以上恒載自重合力重心到墻趾的距離（m）；Zy為墻后土壓力的總豎向分力到墻趾的距離（m）；Zp為墻前被動土壓力到墻趾的距離（m）。

擋墻的墻身高4.1 m，墻頂寬2.2 m，其橫斷面如圖3 所示。根據(jù)調研及試驗結果，可以確定該擋墻的基本計算參數(shù)，見表2。

圖3 擋墻橫斷面工圖

表2 擋墻基本參數(shù)

3 穩(wěn)定性計算結果

3.1 棄渣場穩(wěn)定性計算結果

本節(jié)針對非降雨條件和降雨條件下的棄渣堆積體穩(wěn)定性進行了計算，計算結果如圖4 所示。圖中的Z1、Z2、H1 和H2 工況依次為縱剖面整體穩(wěn)定性、縱剖面局部穩(wěn)定性、橫剖面整體穩(wěn)定性及縱剖面局部穩(wěn)定性。由圖4可知，降雨會導致棄渣堆積體的穩(wěn)定性下降，但降雨條件下和非降雨條件下的堆積體穩(wěn)定性皆高于穩(wěn)定安全系數(shù)，棄渣場整體穩(wěn)定、局部穩(wěn)定。

圖4 棄渣堆積體穩(wěn)定性分析結果

3.2 攔擋工程穩(wěn)定性計算結果

本節(jié)針對非降雨條件和降雨條件下的擋渣墻抗滑穩(wěn)定性和抗傾覆穩(wěn)定性進行了分析，計算結果如圖5所示。由圖5 可知，降雨會導致?lián)踉鼔Φ姆€(wěn)定性下降，但降雨條件下和非降雨條件下的擋渣墻穩(wěn)定性皆高于穩(wěn)定安全系數(shù)，擋渣墻具有足夠的抗滑和抗傾覆能力。

圖5 擋墻穩(wěn)定性分析結果

4 結論

本文以山區(qū)高速鐵路棄渣場為研究對象，通過現(xiàn)場試驗和室內試驗獲得了土體性質參數(shù)，并計算了棄渣場穩(wěn)定性，得到主要結論如下。

（1）選取棄渣場的典型斷面，計算非降雨條件和降雨條件下的縱剖面整體穩(wěn)定性、縱剖面局部穩(wěn)定性、橫剖面整體穩(wěn)定性及縱剖面局部穩(wěn)定性。雖然降雨使得安全系數(shù)下降，但都在穩(wěn)定安全系數(shù)值以上，棄渣堆積體整體穩(wěn)定、局部穩(wěn)定。

（2）針對擋渣墻，計算非降雨條件和降雨條件下的抗滑穩(wěn)定性和抗傾覆穩(wěn)定性，抗滑穩(wěn)定性和抗傾覆穩(wěn)定性在降雨作用下下降，但也在穩(wěn)定安全系數(shù)值以上，擋渣墻的安全儲備充足。

（3）九塘隧道棄渣場的擋墻工程完備，棄渣堆積體和擋渣墻的穩(wěn)定性較好，暫時可不進行加固處理。但棄渣場缺乏排水系統(tǒng)，受季節(jié)影響會造成擋墻后積水，可能成為影響棄渣場穩(wěn)定性的來源。