工程棄渣場穩定性評估方法

摘要：棄土場是山區高速公路建設的線外附屬工程，設計和施工單位往往重視程度不夠，選址及結構設計簡單，施工中經常亂堆亂棄、棄而不管，也出現攔擋與截排水工程防洪標準低、棄土場穩定性差等問題，往往容易誘發滑坡、泥石流等嚴重地質災害，給當地的環境、經濟以及人民的生產和生活都帶來了相當不利的影響。

關鍵詞：工程棄渣場；穩定性評估；望東長江公路大橋

1.項目概況

望東長江公路大橋北岸連接線工程是國家高速公路網中“G35”濟南—廣州公路重要組成部分，與“G50”滬渝、“G42”滬蓉、“G3”京臺、“G56”杭瑞等高速公路聯結成網，是北京、天津、河北、山東、河南等地區通往江西、廣東、浙江、福建等地的重要通道，它的建設對加強中國南北交通聯系、促進區域經濟發展起著重要的作用。在安徽省路網中，本項目是“四縱八橫”高速公路網中的“縱四”商丘—亳州—阜陽—六安—潛山—望江—東至—景德鎮公路的重要組成部分，是溝通安徽省西部地區的縱向干線公路。本項目北接亳州至阜陽至六安至潛山高速公路和合肥至安慶高速公路，終點接望東長江公路大橋，將促使安徽省高速公路網早日形成。本項目及同期規劃實施的望東長江公路大橋與長江黃金水道及銅九鐵路等共同完善安徽省綜合運輸主骨架。

根據《水利部關于加強事中事后監管規范生產建設項目水土保持設施自主驗收的通知》（水保〔2017〕365號）、《生產建設項目水土保持設施自主驗收規程（試行）》（辦水保〔2018〕133號）、《關于全省高速公路建設項目水土保持設施驗收工作的意見》（皖水保函（2020）70號）等有關規定，對水土保持重要防護對象及棄渣場應完善勘察與設計及安全穩定評價，原則上4級及以上的棄渣場應當開展穩定性評估；其他棄渣場應當根據棄渣場選址、堆渣量、最大堆渣高度和周邊重要防護設施情況，開展必要的穩定性評估，以此作為水土保持設施驗收評估的依據。依據上述有關規定，本次工程中K20+080右400、K21+100、K21+464右600、K40+700、K42+480、K43+240左側改路工程旁共6處棄土區需開展穩定性評估工作，以掌握棄土場的穩定狀況及其發展趨勢，避免由于棄土而產生的次生地質災害，減少水土流失，也為后續治理及移交提供咨詢意見，6處棄渣場穩定性評估方式方法相同，本文僅對K20+080右400堆場穩定性進行論述。

2.評估方法

堆土場的不穩定隱患主要為邊坡滑移、崩塌、泥石流、塌陷等。在本項目高速公路修建過程中形成的堆土場，根據前期地質情況調研、現場踏勘后，確定其主要組成為風化—強風化碎石、礫石、砂土、粉質黏土等，不存在崩塌的風險；且由于其堆積高度較小，坡面壓實度較好，微地貌處于正地形，排水條件較好，因此，可以排除泥石流、塌陷等形成的隱患。因此本次評估主要針對堆土場的邊坡穩定性展開，通過對邊坡穩定性安全系數的計算等確定堆土場穩定性。

傾斜的地面稱為斜坡，鐵路、公路建筑施工中，所形成的路堤斜坡稱為路堤邊坡；開挖路塹所形成的的斜坡稱為路塹邊坡；水利、市政或露天等工程開挖施工所形成的斜坡也稱為邊坡；這些對應工程就稱為邊坡工程。對邊坡工程進行分類時，考慮了以下特點：首先按其物質組成，即其按邊坡的地層和巖性，可以分為巖質邊坡和土質邊坡。地層和巖性是決定邊坡工程地質特征的基本因素之一，也是研究區域性邊坡穩定性的主要依據。

2.1邊坡破壞的基本原理及基本形式

2.1.1邊坡破壞基本原理：邊坡從形成開始，各種應力不斷變化，最終隨著邊坡形態和人為作用，達到相對平衡。主要發生以下變化：邊坡附近最大主應力方向和坡面平行，最小主應力方向和坡面垂直，其趨勢是由內向外增多，越靠近坡腳的位置越高，坡內則較好；在坡腳形成明顯的應力集中帶；邊坡坡面巖體由于側向應力近于零，變為兩側受力。

2.1.2邊坡變形破壞基本形式：在復雜的內外地質應力作用下形成的邊坡，又在各種因素作用下發展變化，逐步變形發展至破壞。其基本變形破壞形式主要有：松弛張裂、滑動、崩塌、傾倒、蠕動和流動。

2.2影響邊坡穩定性的因素

2.2.1邊坡材料力學特性參數：包括彈性模量、泊松比、摩擦角、內聚力、重度、抗剪強度等。

2.2.2邊坡的幾何尺寸參數：包括邊坡高度、坡面角和邊坡邊界尺寸以及坡面后方坡體的形狀，即坡體的不連續面和開挖面的坡度及之前方向的幾何關系，確定坡體的各個部分是否滑動或塌落。

2.2.3邊坡外部荷載：包括地震力、重力場、滲流場、構造應力等。

2.3邊坡變形的分析方法

邊坡穩定性分析和評價是滑坡防治的基礎，同時也能對滑坡預測方面進行指導。中國滑坡穩定性分析的研究歷史可分為三個階段：①經驗分析和評價階段；②半經驗半理論分析和評價階段；③理論深入發展階段。國內外對于邊坡方面的問題研究較多，且有一些較為成熟的理論。目前較為常用的定量分析方法主要有極限平衡法和數值分析方法。

2.3.1極限平衡方法的基本思想是：以摩爾—庫倫抗剪強度理論為基礎，將滑坡體劃分成若干垂直條塊，建立作用在垂直條塊上的力的平衡方程式，并進行求解安全系數。包括以下幾種方法：瑞典圓弧滑動法、畢肖普條分法、普通條分法、摩根斯坦—普萊斯法和不平衡推力傳遞法。

2.3.2數值分析方法：考慮了土質應力應變關系，克服了極限平衡方法完全不考慮土體本身的應力應變關系缺點，為邊坡穩定分析提供了較為正確的方法。主要分為以下幾種方法：有限單元法、有限強度折減法、自適應有限元法、離散單元法、拉格朗日法、界面元法等。

3. K20+080右400棄土場特征參數

3.1棄土場概況

K20+080右400棄土場位于望東長江公路大橋北岸連接線高速公路標段K20+080處。棄土場底部面積4.78×10⁴m2，頂面積0.48×10⁴m2，棄土高度約為22m，棄土26×10⁴m3。棄土場東側底部臨近望東長江公路大橋北岸連接線高速公路路堤，棄土場對現有高速公路無影響，西側為農田及水塘，坡腳距最近居民點約280m，對居民點無影響；棄土場坡腳及斜坡中部建有截、排水溝，排水通暢；棄土場已進行充分的綠化施工，綠化植物主要為人工種植馬尾松及播撒草籽等，自然生長有桑樹、楊樹、薔薇及雜草等，植被覆蓋良好（圖1）。

踏勘現場后，K20+080右400棄土場整體無深長裂縫，無橫向貫通裂縫；在棄土場坡頂未觀察到明顯的裂縫，坡頂面較為平坦，坡腳沒有明顯的隆起，整體棄土場邊坡處于相對穩定的狀態。邊坡上已充分綠化，減少了雨水等對坡面的侵蝕和沖刷。

3.2計算參數選取

經過現場踏勘，K20+080右400棄土場主要成分除坡面塊石外，以粉質黏土為主，一般黏性土采用φ110mm對開式厚壁取土器靜壓法采取原狀土樣。軟土采用薄壁取土器、以快速靜壓法采取原狀土樣；粉砂、粉土采用內置環刀式取砂器以錘擊法采取。每次采取原狀樣前均進行了清孔，使孔內干凈，孔底殘留虛土厚度小于取土器上端廢土段長度。

樣品采集后隨即保鮮膜保存，以防水份散失，并采取了防震、防凍措施，及時送實驗室測試，送樣途中使用了專門的送樣箱，防止了樣品擾動，保證了原狀土樣的試驗質量。對現場土質取樣后，對土體進行基本物性參數試驗。

從統計結果可以看出：各土層的物理性指標變異系數絕大多數小于0.1、力學強度指標變異系數絕大多數小于0.3，表明土體分層合理，巖土參數的可靠性和適用性能滿足工程設計、施工要求。

該工程安全等級參照一級進行控制，綜合考慮有關規范的相關規定，棄土場安全系數最后按照以下方式確定：（1）自重（天然狀態）為1.25；（2）自重+暴雨（飽水狀態）為1.15。

3.3傳遞系數法計算

理正巖土軟件在計算邊坡穩定性的過程中采用是傳遞系數法，因此將采用理正巖土軟件進行穩定性安全系數的精確計算。理正巖土邊坡穩定性分析采用瑞典條分法、簡化Bishop法、JanBu法進行圓弧破裂面穩定計算，采用摩根斯頓—普賴斯法、簡化Bishop法、簡化JanBu法進行折線破裂面穩定計算，可以自動搜索最危險的滑動面，輸出安全系數彩色云圖；可完成直線破裂面穩定計算；計算直線、圓弧組合滑動面的剩余下滑力；考慮水浮力、滲透壓力、地震力、任意方向的附加力。因此對于不確定均質邊坡最危險滑裂面的現場情況，可以采用理正軟件進行傳遞系數法的安全性計算，獲得精確的安全系數。

3.4數值模擬分析

3.4.1數值模型建立

本文采用大型通用有限元計算軟件PLAXIS 2D進行計算，在進行PLAXIS 2D二維邊坡穩定性分析過程中，需要作出如下的假定：需進行地應力平衡，不考慮其影響；按照平面應變問題進行二維模型處理，只考慮自重應力對邊坡的作用；為提高計算效率，采用二維簡化模型進行邊坡的模擬；從勘察資料的剖面圖中可見，不同斷面各巖層面、風化界面相近，在小范圍內可近似認為各巖層面、風化界面的傾向與坡面傾向相同。

3.4.2數值模擬計算結果

天然狀態下，K20+080右400棄土場安全性系數為1.78，棄土場滑移面如下圖所示；暴雨狀態下，K20+080右400棄土場安全性系數為1.52，棄土場滑移面如圖2所示：

分析：K20+080右400棄土場整體穩定性較好，基本不會發生整體的滑動。天然狀態下，最危險局部穩定性系數為1.78。暴雨狀態下，最危險局部穩定性下降為1.52。

4.1傳遞系數法計算局部安全系數結果分析

現場踏勘后取典型危險坡面進行傳遞系數法計算分析，分析結果顯示，在天然狀態下較陡典型坡面的穩定性系數為1.83，大于一級規定1.25，因此整體邊坡處于現狀穩定狀態。在暴雨狀態下較陡典型坡面的穩定性系數為1.62，大于一級規定1.15，因此整體邊坡處于現狀穩定狀態。

4.2有限單元法計算局部安全系數結果分析

現場踏勘后取典型危險坡面進行有限單元法數值模擬計算分析，分析結果顯示，在天然狀態下較陡典型坡面的穩定性系數為1.78，大于一級規定，因此整體邊坡處于現狀穩定狀態。在暴雨狀態下較陡典型坡面的穩定性系數為1.52，大于一級規定，因此整體邊坡處于現狀穩定狀態。

5.結論

本次棄土場穩定性評估報告，根據法律法規、標準規范、技術文件和棄土場現場實際情況，綜合現場踏勘情況、傳遞系數法和有限元數值模擬法對K20+080右400棄土場進行了現狀整體穩定性評估和局部穩定性評估。本次堆土場穩定性評估工作所處的地貌單元為低山丘陵區，場地內工程地質條件一般、水文地質條件簡單。堆土場穩定性評估結論如下：K20+080右400棄土場現場踏勘后取典型危險坡面進行傳遞系數法計算分析，分析結果顯示，在天然狀態下較陡典型坡面的穩定性系數為1.83，大于一級規定1.25，在暴雨狀態下較陡典型坡面的穩定性系數為1.62，大于一級規定1.15，因此整體邊坡處于現狀穩定狀態。現場踏勘后取典型危險坡面進行有限單元法數值模擬計算分析，分析結果顯示，在天然狀態下較陡典型坡面的穩定性系數為1.78，大于一級規定1.2，在暴雨狀態下較陡典型坡面的穩定性系數為1.52，大于一級規定1.15，因此整體邊坡處于現狀穩定狀態。

參考文獻：

[1]李德強.地質災害危險性評估在福建某高速公路工程中的應用[J].福建建材， 2018（07）： 10-11.

[2]劉慧，吳繼紅，等；地質災害危險性評估在某工程建設中的應用[J].上海地質， 2001（04）： 34-37.