西南山區(qū)高速公路棄渣場影響區(qū)域分區(qū)研究

劉維娟 寧文鵬 秦雨樵

(云南省交通規(guī)劃設(shè)計研究院有限公司1) 昆明 650041) (湖北工業(yè)大學(xué)土木建筑與環(huán)境學(xué)院2) 武漢 430068) (中國科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所3) 武漢 430071)

0 引 言

棄渣場的失穩(wěn)風(fēng)險分析和潛在威脅損失預(yù)估已成為評價棄渣場的關(guān)鍵核心問題.棄渣場失穩(wěn)風(fēng)險評價主要分為穩(wěn)定性評估和地災(zāi)風(fēng)險評估兩部分.棄渣場作為一種人工土石混合體,其結(jié)構(gòu)松散,壓實(shí)度不高,因此通常采用有限差分法[1]、邊界元法、離散元法[2-3]等非連續(xù)數(shù)值計算方法對已有的極限平衡方法[4-5]或有限元方法[6-7]進(jìn)行補(bǔ)充.除了數(shù)值計算方法外,陶志剛等[8-9]采用模型試驗(yàn)研究了堆載、降雨等不利條件下棄渣場的穩(wěn)定性變化規(guī)律.針對地災(zāi)風(fēng)險評估,特別是棄渣場潛在影響范圍方面,肖瑋等[10]運(yùn)用物質(zhì)點(diǎn)法對實(shí)體棄渣場進(jìn)行了多因素、多水平的數(shù)值模擬,并結(jié)合后基于極限平衡法,提出一種棄渣場危險性系數(shù)的評價方法.仲康等[11]結(jié)合區(qū)域水土流失特點(diǎn),對大型水電站棄土場進(jìn)行了水土保持分析.蔣文鵬等[12]基于地面調(diào)查和監(jiān)測相結(jié)合,評估棄渣場潛在失穩(wěn)風(fēng)險對周邊既有養(yǎng)殖場、鐵路橋墩和民居環(huán)境的安全影響.可以發(fā)現(xiàn)目前針對棄渣場潛在失穩(wěn)影響范圍的分析集中在定性分析上,而判斷棄渣場是否會對下游構(gòu)建物產(chǎn)生威脅存在較大的模糊性.

文中提出了一種基于棄渣場物質(zhì)運(yùn)移距離的綜合分區(qū)方法,將整個棄渣場下游影響區(qū)域劃分為直接影響區(qū)、輕微影響區(qū)、輕微影響區(qū),分別采用理論推導(dǎo)法、落石分析法和經(jīng)驗(yàn)公式法進(jìn)行定量分析.并對一典型棄渣場的實(shí)例分析,驗(yàn)證了該方法的準(zhǔn)確性和可靠性.

1 潛在區(qū)域分區(qū)方法

1.1 分區(qū)定義

通過綜合多個典型棄渣場地質(zhì)災(zāi)害失穩(wěn)風(fēng)險的研究經(jīng)驗(yàn),攔渣墻被推覆后發(fā)生整體崩塌滑移是對下游構(gòu)筑物威脅性最大的失穩(wěn)模式,這種極端情況將導(dǎo)致下游構(gòu)筑物受到?jīng)_擊甚至掩埋,還會誘導(dǎo)產(chǎn)生泥石流等自然災(zāi)害.當(dāng)棄渣粒徑較大時,如果從渣場頂部發(fā)生滾落,會危及下游人員和建筑物安全.特別當(dāng)棄渣場的攔渣墻后側(cè)的沉淀池淤積滿后,落石會越過攔渣墻直接沖擊下游構(gòu)筑物.同時,發(fā)生強(qiáng)降雨后水土流失會污染下游河流、農(nóng)田和林地.

根據(jù)上述分析,可將棄渣場依照其危險性分區(qū):①直接影響區(qū) 考慮最不利因素下攔渣墻完全失效,后緣棄渣體發(fā)生垮塌后的最大運(yùn)動距離,在此范圍內(nèi)不允許存在任何永久性或臨時性構(gòu)筑物;②輕微影響區(qū) 在極端降雨條件下坡頂最大粒徑的棄渣發(fā)生滾落的距離,在此范圍內(nèi)不允許存在任何有人居住的永久性或臨時性構(gòu)筑物;③輕微影響區(qū) 坡頂處較小顆粒在降雨影響下可能產(chǎn)生的最大或者最遠(yuǎn)運(yùn)動距離,在此范圍內(nèi)不允許存在永久構(gòu)筑物.

1.2 直接影響區(qū)的確定

假設(shè)攔渣墻突然失效,墻體后部的松散體會向前崩塌,最終形成堆體的角度應(yīng)該與自然休止角相等.計算墻體后部的主動土壓力,一旦攔渣墻失效,后部的巖土體獲得瞬時的加速度,做平拋運(yùn)動,其最大的運(yùn)動距離即為攔渣墻倒塌后渣體的運(yùn)動距離,見圖1.

圖1 攔渣墻垮塌影響范圍計算模型示意圖

計算攔渣墻處的主動土壓力,設(shè)攔渣墻的總體高度為H.對于松散土,其不同深度h處的主動土壓力為

Pa=Kaγh

(1)

(2)

假設(shè)攔渣墻突然失效,則攔渣后不同深度土體的瞬間加速度為

ah=Kag

(3)

av=g

(4)

如果攔渣墻下部的地面存在α的坡度,則以地面作為橫向參考系,瞬間加速度為

(5)

(6)

棄渣將做拋物線運(yùn)動,做拋物線運(yùn)動的時間為

(7)

拋物線的水平距離為

(8)

到達(dá)地面后的水平速度為

(9)

當(dāng)顆粒到達(dá)地面后,做勻減速運(yùn)動為

(10)

(11)

總距離為

D=D1+D2

(12)

1.3 輕微影響區(qū)的確定

大量棄土場工程現(xiàn)場調(diào)研結(jié)果指出,如果渣體來自圍巖情況較好的隧洞,其最大粒徑通常能達(dá)到15～30 cm,并且坡表難以進(jìn)行大面積綠化,在出現(xiàn)不均勻沉降、局部垮塌后受到降雨等因素的驅(qū)動,會發(fā)生坍塌、滾落.采用Rocscience公司推出的Rocfall陡峻邊坡落石統(tǒng)計分析軟件,考慮粒徑5～30 cm范圍內(nèi)坡頂落石的滾動距離,坡面參數(shù)分別取裸露碎石堆和植被覆蓋的碎石堆,見表1.

表1 坡面參數(shù)統(tǒng)計表

坡面的摩擦系數(shù)為

測定項(xiàng)目包括植物的生長生理指標(biāo)(生物量、株高、根長、根系活力)和超氧化物歧化酶指標(biāo)。植物生物量的測定采用電子天平；株高、根長的測定采用卷尺；根系活力的測定采用紫外分光光度計[7]；SOD的測定采用氮藍(lán)四唑(NBT)法[8]。

(13)

要計算落石的滾動終點(diǎn)位置,還需要估算起始點(diǎn)處的初始速度,一般認(rèn)為驅(qū)動落石向下運(yùn)移的主要驅(qū)動力來自于降水,因此假設(shè)初始速度等于棄渣場潛在的洪峰流速.將上述參數(shù)代入Rocfall軟件中,得到的落石最大滾動終點(diǎn)位置就是棄渣場輕微影響區(qū)域.

1.4 潛在影響區(qū)的確定

棄渣場滑坡滑落體滾動距離采用能量方程法計算.棄渣場滑坡伴隨勢能轉(zhuǎn)化為動能、動能轉(zhuǎn)化為熱能的過程,滑動距離受到棄渣場巖土性質(zhì)、巖土粒徑分布、濕度、所處位置、基底傾角、地基承載力等因素的影響,具體公式為

mghD=mv2/2+mghDx

(14)

式中:m為滑落體質(zhì)量,kg;g為重力加速度,9.8 m/s2;hD為滑落高度,m;v為滑落體到達(dá)坡腳速度,m/s;x為滾過時動能損失系數(shù),一般取0.35.

L=v2/(2εg)

(15)

式中:L為滑落體運(yùn)動距離,m;ε為運(yùn)動摩擦系數(shù),一般取0.50.

此外棄渣場破壞后的滑動距離受滑動路徑(縱向坡率、橫向幾何形狀、障礙物)、滑動路徑覆蓋層物理力學(xué)參數(shù)、棄渣場散體物料物理力學(xué)參數(shù)、棄渣場規(guī)模的影響,綜合這些影響,工程類比得出滑動距離的標(biāo)準(zhǔn)化公式為[13]

L=H/(0.845tanθr-0.043)

(16)

θr=[α+(45°-φ/2)]/2

(17)

式中:HD為最大垂直滑落距離;α為地形坡度,(°);φ為棄渣場散體內(nèi)摩擦角,(°).

2 工程案例

2.1 工程概況

棄渣場位于云南某高速公路旁,棄渣堆放于中低山地貌單元溝谷處,屬于溝道型棄渣場,棄渣場設(shè)計堆渣方量為30萬m3,實(shí)際堆渣方量為17萬m3現(xiàn)已經(jīng)停止棄渣,該棄渣場占地19 667 m2,沿兩條相交的溝谷堆填,呈“Y”字形狀,縱向最大長度約350 m,棄渣場安全防護(hù)距離應(yīng)≥2.0Hm(H為堆渣高度),防護(hù)距離小于規(guī)范值,若棄渣場失穩(wěn)后對棄渣場下游建(構(gòu))筑物影響較大,渣場下游已修筑抗滑樁作為防護(hù)措施,見圖2.該棄渣場評估等級為3級.

圖2 棄渣場全景無人機(jī)和現(xiàn)場調(diào)查照片

現(xiàn)狀渣場共分為6臺,放坡坡度為12°～27°,平臺寬度3.5～22.0 m,場地下方修筑有樁板墻,抗滑樁截面尺寸2.0 m×3.0 m,可見最大高度5.2 m,板厚0.5 m,混凝土結(jié)構(gòu),設(shè)置有泄水孔,現(xiàn)狀局部已堵塞,周圍修筑有排水溝,截面尺寸2.0 m×1.8 m～4.0 m×2.0 m不等,現(xiàn)狀排水狀況良好,局部地段渣體滑落淤積.各排水溝相互連通,自渣場上游接通至擋渣墻(樁板墻結(jié)構(gòu)),水體向下游排泄.

2.2 定性分析

該棄渣場2016年12月開始棄渣,2019年3月結(jié)束棄渣并完成整形,2019年8月遭遇特大暴雨,右側(cè)渠道和坡面部分損毀,2021年4月,在原設(shè)計基礎(chǔ)上(下游樁板墻固腳,設(shè)置兩條邊溝,由于排水不足,暴雨造成右側(cè)損毀嚴(yán)重),重新復(fù)核了渠道排水性能,并變更增加到四條排水溝,在上游增加設(shè)了1道攔渣墻.棄渣場占地19 667 m2,沿兩條相交的溝谷堆填,呈“Y”字形,最大縱向長度為350 m,棄渣來源主要為隧道碎石.由于隧道中圍巖完整性差,棄渣的最大粒徑不超過30 cm.

整個棄土場可以分為上下兩個小棄土區(qū)域,上部渣場堆渣量8.6萬m3,下部渣場堆渣量8.9萬m3.上部棄土場后緣接受上游支溝匯水,經(jīng)過兩條導(dǎo)流槽引入棄渣場外,右側(cè)上部接受上部支溝匯水,在溝口設(shè)置有一道攔渣墻,攔渣強(qiáng)下部通過縱向引水溝將水向下排出棄渣場外.上下兩個棄土區(qū)域之間存在一塊平臺,寬度為45 m.棄渣場下部附近為一沙場,目前仍在作業(yè)中.由于棄渣場棄方體量小,且其坡面方向并不正對沙場,棄渣場也已經(jīng)建立較為完善的縱向排水系統(tǒng),在極端條件下即使發(fā)生部分棄渣的滑移,對沙場的影響也較小.棄渣場下游為華麗高速公路主線橋梁,距離為147 m.在棄渣場坡腳,設(shè)置有一道樁板墻,能較大程度提高整體的邊坡穩(wěn)定性,整個渣土場發(fā)生大滑移的可能性不大,對于下方橋墩的影響較小.

2.3 定量分析

1) 直接影響區(qū)的確定 根據(jù)現(xiàn)場多次調(diào)查期間測量的棄渣場天然休止角、現(xiàn)場擾動樣天然休止角試驗(yàn)和室內(nèi)剪切試驗(yàn),綜合確定了棄渣場的強(qiáng)度參數(shù)和天然休止角,結(jié)果見表2.

表2 棄渣強(qiáng)度參數(shù)統(tǒng)計表

將土體的天然休止角代入2.2中提出的方法進(jìn)行計算,對于上方棄渣場,整體坡角為20°、第一級坡角為27°,均小于天然休止角,所以不會發(fā)生整體的垮塌滑移,因此上方棄渣場的直接影響區(qū)為0 m.下方棄渣場攔渣墻高度為4 m,如果攔渣墻失效,棄渣垮塌的最大運(yùn)動距離為4.2 m;如果在降雨工況下發(fā)生垮塌,最大運(yùn)動距離達(dá)到4.6 m.

2) 輕微影響區(qū)的確定 圖3為棄渣場落石分析結(jié)果.

圖3 棄渣場落石分析結(jié)果(單位:m)

根據(jù)相關(guān)水文資料,該棄渣場最高流速達(dá)到10.23 m/s.由于棄渣的最大粒徑不超過30 cm,則最大的棄渣重量按照325 kg計算.將這些參數(shù)代入Rocfall軟件中進(jìn)行計算得到不同條件下落石的最大運(yùn)動距離,見表3.

表3 棄渣場輕微影響區(qū)范圍計算統(tǒng)計表

由表3可知:棄渣滾落發(fā)生在第一級坡坡頂?shù)挠绊懛秶笥诎l(fā)生在坡頂?shù)挠绊懛秶?其中上方棄渣場第一級坡坡頂如果發(fā)生落石滾落現(xiàn)象,最大影響距離為34.04 m;發(fā)生在坡頂則最大影響范圍為19.11 m.如果坡表進(jìn)行了綠化處理,從坡頂滾落的渣體將停在第一級坡坡頂,不會對下方構(gòu)筑物產(chǎn)生威脅.而如果棄渣從第一級坡坡頂滾落,綠化后的影響范圍相較裸露地表的影響范圍減小約10%～40%.由于上方棄渣場的最大影響距離小于上下棄渣場之間的平臺寬度,因此上方的渣體對整個棄渣場下游的構(gòu)建物無顯著影響.在下方棄渣場中,對下游構(gòu)筑物影響最大的落石滾落現(xiàn)象發(fā)生在降雨工況下的坡頂,影響范圍達(dá)到42.68 m,而綠化后,最大影響范圍縮小了12%～13%.

3) 潛在影響區(qū)的確定 將相關(guān)參數(shù)帶入式(15)后發(fā)現(xiàn),對于上部棄土區(qū)域,滑落體達(dá)到坡腳時最大速度約為19.75 m/s,滑落體最大運(yùn)動距離為36.80 m,小于中部平臺的寬度45 m,不會對下部沙場和橋墩產(chǎn)生威脅.對于下部棄土區(qū)域,滑落體達(dá)到坡腳時最大速度約為18.97 m/s,滑落體最大運(yùn)動距離為33.96 m,小于樁板墻距離距橋墩距離147 m,不會對下部沙場和橋墩產(chǎn)生威脅.

再將參數(shù)代入式(16)～式(17)得出:從上部棄渣區(qū)域坡頂起算運(yùn)動距離108.32 m,而從上部坡頂至中部平臺的距離為159 m,未超過上部平臺范圍;從下部棄渣區(qū)域坡頂起算運(yùn)動距離84.63 m,而從下部坡頂至樁板墻距離未114.03 m,未超過樁板墻范圍,結(jié)果顯示滑動體只能在棄渣場內(nèi)部運(yùn)動;從下部坡頂至橋墩的距離為261.03 m,對橋墩沒有威脅.

4) 棄渣場影響范圍確定 圖4為棄渣場影響區(qū)域分區(qū)示意圖,從上述計算可以得到,上方棄渣場的直接影響區(qū)范圍為0 m,輕微影響區(qū)域范圍為34.04 m,潛在影響區(qū)域范圍為36.80 m,均未超過中部平臺的寬度45 m,不會對下部沙場和橋墩產(chǎn)生威脅;下方棄渣場的直接影響區(qū)范圍為4.6 m,輕微影響區(qū)域范圍為42.68 m,潛在影響區(qū)域范圍為33.96 m,可能會對下方沙場產(chǎn)生危險,建議將其盡快搬遷.

圖4 棄渣場影響區(qū)域分區(qū)示意圖

3 結(jié) 論

1) 當(dāng)攔渣墻突然失效后,墻體后部的松散體向前崩塌,并最終形成坡角等于自然休止角的錐體,此時渣體對棄渣場下游的危害性最大.

2) 從采用Rocfall軟件計算結(jié)果表明對棄渣場表面進(jìn)行綠化處理能顯著降低落石滾落距離.

3) 通過棄渣場地質(zhì)災(zāi)害實(shí)例分析,驗(yàn)證了本文提出方法的有效性和可靠性.