山區(qū)高速公路典型棄渣邊坡災(zāi)變機(jī)制和處置措施優(yōu)化*

李 薇，王 瑩，尹小濤

(1.云南交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，云南 昆明 650000；2.中國科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所巖土力學(xué)與工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430071)

0 引言

山區(qū)高速公路建設(shè)橋隧比相對較高，土石方平衡困難較大，棄土場往往選擇在道路附近的山溝，多數(shù)為邊幫棄土，對原有的自然環(huán)境影響較大，棄土帶來的中長期環(huán)境安全需慎重對待[1]。

山區(qū)高速公路的棄土，在實(shí)際工程中大多直接排放堆積，不經(jīng)過分層壓實(shí)，往往導(dǎo)致結(jié)構(gòu)疏松、級配不良、固結(jié)程度不高，相較于一般填筑工程的質(zhì)量要差很多[2-3]。病害多主要表現(xiàn)為：①棄土自身特點(diǎn)帶來的工后沉降變形較大，且呈現(xiàn)分區(qū)特征，經(jīng)常造成較大范圍的差異沉降裂縫[4-6]；②表層相對深部土層密實(shí)程度要小，若局部坡率控制不好(往往大于天然休止角)，則會產(chǎn)生局部坡面淺表不穩(wěn)現(xiàn)象；③整體穩(wěn)定性或沿棄土與自然地面滑移變形問題，往往是選址和未嚴(yán)格按施工組織設(shè)計要求清表造成的，在不良土層做清除處理時，斜坡地形的表土清除后需整理成臺階形[7-10]；④棄渣場的中長期安全，需要嚴(yán)格的系統(tǒng)支撐，譬如完備、暢通的渠道系統(tǒng)及長期有效的攔砂壩[11-15]，坡面穩(wěn)定等多方面的安全保障，絕不是一勞永逸的事情，需對每個棄渣場建立安全管理檔案，定期巡視修復(fù)和評估。

本文以大永高速公路大理東k2+500棄渣場為例，建立現(xiàn)狀地形、不同處治措施地形和最終整治地形的極限平衡有限元數(shù)值模型，揭示棄渣邊坡的變形破壞機(jī)制和安全性演化過程，以期為類似工程提供借鑒。

1 工程概況

1.1 大理東k2+500棄渣場的歷史和現(xiàn)狀調(diào)查

k2+500棄渣場處于山間溝谷，邊坡為斜坡，底部為緩坡，邊坡為淤泥或淤泥質(zhì)土，厚1～2m。底部上部為殘坡積硬塑黏土，厚3～4m；下部為圓礫、卵石等。場地內(nèi)匯水面積約為場址面積的3倍，地表徑流量大，無穩(wěn)定的地下水溢出，水文地質(zhì)條件較簡單。根據(jù)GB 18306—2015《中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖》[16]，測區(qū)地震動峰值加速度為0.20g，地震動反應(yīng)譜特征周期為0.40s，與之對應(yīng)的地震基本烈度為Ⅷ度。k2+500棄渣場初始地形如圖1所示。

圖1 k2+500棄土場初始地形

棄土先從圖1右后側(cè)邊幫逐步滿填，往下游攔砂壩方面推進(jìn)。目前該棄渣場棄土高度約24m，棄方量約146萬m3，坡腳設(shè)置2道攔砂壩，坡高8m，長分別為156.5，132.1m。該棄渣場設(shè)置排水溝，0.6m×0.6m排水溝420m長，3m×2m排水溝1 121m長。堆放棄土前，棄渣場沿原溝槽設(shè)置1.5m×1m盲溝長1 010m。根據(jù)GB 51018—2014《水土保持工程設(shè)計規(guī)范》[17]中關(guān)于棄土量、棄土高度及棄渣場失事后對主體工程或環(huán)境造成的危害程度確定棄渣場級別的有關(guān)規(guī)定，該棄渣場為3級棄渣場。地面調(diào)查測得的棄渣天然休止角約37°，渠道、攔砂壩和坡面坡頂狀態(tài)如圖2所示。

圖2 渠道、攔砂壩和坡面坡頂狀態(tài)

1)既有環(huán)向渠道，局部渠道開裂、淤堵、破損，建議修補(bǔ)破損渠道；由于坡頂面積較大，建議增補(bǔ)完善橫縱集水溝渠，接入環(huán)向渠道系統(tǒng)。

2)攔砂壩外觀完好，基底穩(wěn)定，墻背淤積輕微，當(dāng)前坡腳距離攔砂壩約30m，現(xiàn)狀穩(wěn)定。但調(diào)查發(fā)現(xiàn)前緣棄土未清除表層淤泥質(zhì)土，造成表土底鼓，側(cè)向擠出滑移對攔砂壩可能造成潛在威脅。

3)臨近攔砂壩前緣棄渣邊坡，坡頂有多條弧形貫通裂縫，坡腳表層淤泥質(zhì)土底鼓明顯，且坡面沖刷嚴(yán)重，前緣坡體處于欠穩(wěn)定狀態(tài)。

1.2 巖土體工程特性

利用多次現(xiàn)場調(diào)查測得的棄渣天然休止角、現(xiàn)場灌砂試驗(yàn)和顆分試驗(yàn)、室內(nèi)剪切強(qiáng)度試驗(yàn)和數(shù)值反分析，綜合確定了該棄渣場巖土體計算參數(shù)建議值，如表1所示。

1.3 存在的工程問題

由于大理東棄渣場是溝谷滿填，所以對兩側(cè)自然邊坡的穩(wěn)定沒有影響，目前主要問題在于坡體前緣的不穩(wěn)定，在極端降雨下可能失穩(wěn)，甚至?xí){下游攔砂壩的安全；或產(chǎn)生泥石流，越過兩道攔砂壩威脅下游住戶。因此，需對其變形機(jī)制和穩(wěn)定性進(jìn)行評估，并提出優(yōu)化處置措施。

表1 大理東k2+500棄渣場計算參數(shù)建議值

2 計算工況和計算方案設(shè)計

根據(jù)《水土保持工程設(shè)計規(guī)范》[17]和JTG D30—2015《公路路基設(shè)計規(guī)范》[18]綜合確定棄渣邊坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)，棄渣場級別為3級，計算方法采用Bishop法，正常工況(采用自然參數(shù))、降雨工況(采用飽水參數(shù))、地震工況(采用自然參數(shù)，考慮地震荷載)下邊坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)分別為1.25，1.10，1.10。

針對現(xiàn)狀地形，在Phase 2D軟件建立有限元模型，利用強(qiáng)度折減法，揭示棄渣邊坡滑動變形機(jī)制；針對現(xiàn)狀地形、不同加固處置地形和最終整治地形，利用Slide軟件，設(shè)計不同極限平衡法計算工況，評估其穩(wěn)定性，為優(yōu)化設(shè)計提供參考。

3 大理東k2+500棄渣場變形破壞機(jī)制

3.1 棄渣邊坡失穩(wěn)機(jī)制

根據(jù)現(xiàn)狀地形調(diào)查邊坡地質(zhì)資料，建立Phase 2D有限元數(shù)值模型，如圖3所示。模型兩側(cè)采用法向約束，底面全約束。

圖3 大理東k2+500棄渣邊坡有限元數(shù)值模型

在數(shù)值模型的基礎(chǔ)上，對3個設(shè)計工況分別進(jìn)行強(qiáng)度折減法數(shù)值計算，以正常工況為例，說明其變形破壞機(jī)制，正常工況下大理東k2+500現(xiàn)狀棄渣邊坡變形如圖4所示。

圖4 正常工況下大理東k2+500現(xiàn)狀棄渣邊坡變形云圖

底部厚度不大的表層淤泥質(zhì)土層是坡體沿臨空方向側(cè)向擠出滑移的主要原因，即淤泥質(zhì)土層承載力有限，上覆棄土質(zhì)量超過其極限承載能力，則發(fā)生側(cè)向擠出滑移。由圖4b可知，坡頂部下沉約0.6m，前緣坡腳上隆約0.7m，這些變形破壞現(xiàn)象在圖2現(xiàn)場調(diào)查照片中清晰可見；圖4a，4c，4d也說明了類似的變形運(yùn)動特征，最大水平位移約1.3m，坡頂弧形裂縫的范圍與計算得到的變形破壞模式相吻合，多數(shù)距離邊緣約10m。

現(xiàn)狀棄渣邊坡強(qiáng)度折減法計算得到的變形和穩(wěn)定性系數(shù)結(jié)果如表2所示。

表2 k2+500現(xiàn)狀棄渣邊坡強(qiáng)度折減法計算結(jié)果

由表2可知，正常工況下棄渣邊坡處于基本穩(wěn)定狀態(tài)，降雨工況下棄渣邊坡處于欠穩(wěn)定狀態(tài)，地震工況下棄渣邊坡失穩(wěn)，各工況棄渣邊坡均不滿足工程穩(wěn)定性要求，需采取加固措施。目前坡腳距攔渣墻約20m，隨著繼續(xù)填筑推進(jìn)，若還不清底，則后期會威脅攔渣墻安全。

3.2 棄渣場穩(wěn)定性評估

在棄渣邊坡變形破壞機(jī)制的基礎(chǔ)上，針對坡腳清底+反壓加固措施，邊坡和最終整形邊坡采用Slide軟件Bishop法自動搜索對最不利滑動面和最小穩(wěn)定性系數(shù)進(jìn)行計算分析，結(jié)果如表3所示。

表3 棄渣邊坡極限平衡法穩(wěn)定性計算結(jié)果

由表3可知，現(xiàn)狀地形下，極限平衡法和強(qiáng)度折減法計算結(jié)果接近；加固措施工況揭示的優(yōu)化結(jié)果為坡腳清底寬度≥10m且反壓高度≥8.0m，整形坡率為1∶2.0；整形坡率按1∶2.0考慮，計算結(jié)果也滿足各工況工程穩(wěn)定性要求。上述計算結(jié)果可作為大理?xiàng)壴鼒鲞吰轮卫淼囊罁?jù)。

3.3 山區(qū)高速公路棄渣場穩(wěn)定性評估建議

工程棄土過程類似于一個大型天然休止角現(xiàn)場試驗(yàn)，且為動態(tài)過程，實(shí)際棄土的堆積過程具有明顯的分帶特征；隨著填高的增加，也會有堆載預(yù)壓固結(jié)作用；隨著時間的推移和經(jīng)歷雨季，也會實(shí)現(xiàn)自然固結(jié)。這些時間因素均會不同程度改善棄渣邊坡整體和局部穩(wěn)定性，所以利用天然休止角建議整形坡率和評估棄渣邊坡穩(wěn)定性是一種相對保守的評估方法和控制指標(biāo)。

大理東棄渣場施工期測得的天然休止角為30°～34°，隨著時間的推進(jìn)和固結(jié)程度的提高，實(shí)際上這個角度是提高的，假設(shè)按1∶2.0坡率整形，按k=tgα/tgβ計算安全系數(shù)(α為天然休止角或摩擦角，β為整形坡角)，可簡單估算整形棄渣邊坡穩(wěn)定性，求得的安全系數(shù)為1.15～1.35，可見該方法可用于正常條件下的棄土邊坡穩(wěn)定性初評。

大理東棄渣場的災(zāi)變機(jī)制主要是表層不良土層未做徹底清除造成沿淤泥質(zhì)土的側(cè)向擠出變形破壞。由此可見，一般棄渣場的初始清表和沿自然地面的臺階整形，對于其整體穩(wěn)定至關(guān)重要，這些均為隱蔽工程，后期整治困難。隱蔽工程嚴(yán)格規(guī)范作業(yè)是棄渣場整體安全的基礎(chǔ)環(huán)節(jié)，后期依據(jù)天然休止角的坡面整形是關(guān)鍵。這2個環(huán)節(jié)做好后，一般情況下棄渣邊坡整體安全風(fēng)險可控。

4 結(jié)語

1)大理東棄渣場的變形破壞主要是底部淤泥質(zhì)土不良地層控制的，沿淤泥質(zhì)土的側(cè)向擠出破壞是棄土邊坡失穩(wěn)的主要因素，坡頂?shù)幕⌒瘟芽p、下沉變形和坡腳的隆起破壞均證明了這一點(diǎn)。

2)大理東棄渣場在坡腳清除寬度≥10m，按1∶2.0坡率，反壓高度≥8m的條件下棄土邊坡各工況均滿足工程穩(wěn)定性要求；整治坡率1∶2.0條件下的棄土邊坡也滿足工程穩(wěn)定性要求。

3)山區(qū)棄渣邊坡的穩(wěn)定主要受初始清表和地面臺階整形等隱蔽條件和后期坡面整形坡度小于天然休止角等綜合控制，前者一旦出現(xiàn)問題會增大整治難度，后者尚可采取補(bǔ)救措施。

4)綜上，山區(qū)高速公路棄渣場安全風(fēng)險的控制要結(jié)合交通工程棄土過程階段性進(jìn)行，不能一勞永逸，需定期評估，建立棄渣場的環(huán)境安全風(fēng)險管控檔案制度。