小尖山隧道棄碴場穩定性分析

何 重 陽

(中鐵第四勘察設計院集團有限公司，湖北 武漢 430063)

鐵路隧道棄碴場棄碴方量大，堆高較高，一旦失穩，會造成嚴重的后果。依據水利部《關于印發〈水利部水土保持設施驗收技術評估工作要點〉的通知》(水保監便字[2016]第20號)、《關于進一步規范生產建設項目水土保持設施驗收程序的函》(水保監便字[2015]第15號)等文件要求，需要對鐵路沿線堆土量超過50萬m3或者最大堆土高度超過20 m重點棄碴場進行穩定性評估。

雷東[1]結合庫區移民城市巴東縣城黃家大溝擬建棄碴堆積體工程實例，采用不平衡推力法，對回填后堆積體進行穩定性評價；彭鍇[2]運用GeoStudio軟件，分析了降雨下滲對非飽和土邊坡的穩定性影響，指出安全穩定系數降低可達28%；曹小祥[3]運用GeoStudio軟件，通過極限平衡法計算分析了山區棄碴場的臺階高度對穩定性的影響。但是現有的穩定性分析，未能對鐵路棄碴場的穩定性進行系統分析。因此，結合已有的地質資料[4]、中鐵第四勘察設計院集團有限公司地路處業建成果[5]和相關規范[6,7]，本文對新建合福鐵路小尖山隧道棄碴場進行場址穩定性分析、棄碴體整體及局部穩定性分析，全面對棄碴場穩定性作出評價。

1 工程概況

1.1 地理位置與交通

小尖山隧道棄碴場地處安徽省黃山市休寧縣五城鎮境內。場區內有鄉道和施工便道相通，交通較便利。評估區屬于山間谷地區，自然地勢起伏，自然坡度為30°～40°，植被較發育，以松林、竹林和灌木叢為主。棄碴體堆放于山間溝谷內，如圖1所示。

1.2 工程地質勘察

通過收集附近工點資料、野外地質調繪、地形測量、航拍和現場勘探等手段，進行工程地質勘察。

現場機動鉆孔取芯結果表明，棄碴體主要為碎塊石，成分為強～弱風化粉砂質千枚巖，以及少量粉質黏土，棄碴體整體呈松散～稍密狀態。

結合附近工點資料及工程經驗，棄碴體與地層物理力學指標見表1。

表1 小尖山隧道進口棄碴場及基底地層物理力學指標表

2 穩定性評估

2.1 場址穩定性分析

經分析比較，選取剖面A—A′和B—B′兩個典型剖面進行計算，剖面布置示意圖如圖2所示。

采用極限平衡條分法理論，運用Geo-Studio軟件的SLOPE/W模塊和SEEP/W模塊，使用包括瑞典圓弧(Ordinary)法、畢肖普(Bishop)法和摩根斯坦—普賴斯(Morgenstern-Price)法等對棄碴體的穩定現狀進行計算分析。

1)天然工況。

采用Geo-Studio的SLOPE/W模塊搜索圓弧滑面，計算天然工況下棄碴場A—A′和B—B′剖面的穩定性。A—A′剖面天然工況下采用Ordinary法、Bishop法和Morgenstern-Price法計算得到的棄碴場場址斜坡穩定性系數分別為6.765，6.592，6.069，B—B′剖面計算結果分別為3.531，3.735，3.423，均為穩定狀態。

2)暴雨工況。

查閱《中國暴雨統計參數圖集》(中華人民共和國水利部組織編制，2006年版)，由“中國百年一遇點雨量格網圖”得到本棄碴場所在地區的百年一遇雨量值。采用Geo-Studio的SEEP/W模塊，在棄碴場場址斜坡表面設置降雨邊界條件，計算得到棄碴場暴雨工況下的滲流場分布，進一步采用Geo-Studio中的SLOPE/W模塊計算棄碴場場址斜坡穩定性，搜索A—A′和B—B′剖面的最危險滑動圓弧。在暴雨工況下(1 h，6 h，24 h，72 h)三種方法計算得到A—A′剖面場址斜坡穩定性系數為2.416～2.719，B—B′剖面場址斜坡穩定性系數為1.186～1.524，均為穩定狀態。

2.2 棄碴體整體穩定性分析

采用傳遞系數法通過設定特定的穩定性系數計算剩余推力來確定兩種狀態下的整體穩定性系數。設定棄碴場基底接觸面為潛在滑動面，不考慮地下水，計算棄碴體每一條塊的剩余推力。當最后一塊條塊的剩余推力恰好為0時，則認為棄碴體達到整體極限平衡狀態，即表明該邊坡的穩定性系數大小為Fs。

經計算，天然工況和暴雨工況下A—A′剖面棄碴體整體穩定性系數分別為4.3,3.54，B—B′剖面為2.27,1.83。根據GB 50330—2013建筑邊坡工程技術規范5.3.2條規定，可以判定整體穩定。

2.3 棄碴體局部穩定性分析

采用極限平衡條分法理論，運用Geo-Studio軟件的SLOPE/W模塊和SEEP/W模塊，使用包括瑞典圓弧(Ordinary)法、畢肖普(Bishop)法和摩根斯坦—普賴斯(Morgenstern-Price)法等對棄碴體的穩定現狀進行計算分析，根據GB 51018—2014水土保持工程設計規范5.7.4條進行穩定狀態判定。

1)天然工況。

采用Geo-Studio的SLOPE/W模塊搜索圓弧滑面，計算天然工況下棄碴場A—A′和B—B′剖面的穩定性。A—A′剖面天然工況下采用Ordinary法、Bishop法、Morgenstern-Price法計算得到的棄碴體邊坡穩定性系數分別為1.403，1.476，1.412，B—B′剖面計算結果分別為1.381，1.475，1.406，均為穩定狀態。

表2 暴雨工況棄碴體邊坡穩定性計算結果表(瑞典圓弧法)

表3 暴雨工況棄碴體邊坡穩定性計

2)暴雨工況。

采用Geo-Studio的SEEP/W模塊，依據暴雨工況設計入滲雨量強度表選取降雨入滲強度，在棄碴體邊坡頂部及斜坡表面設置降雨邊界條件，計算得到棄碴場暴雨工況下的滲流場分布，進一步采用Geo-Studio中的SLOPE/W模塊計算棄碴場邊坡穩定性，搜索A—A′和B—B′剖面的最危險滑動圓弧。在暴雨工況下三種方法計算得到棄碴體邊坡穩定性系數結果及所處狀態如表2,表3所示。

3 結論及建議

3.1 結論

1)棄碴場場址安全穩定性：小尖山隧道棄碴場位置屬山間谷地區，Geo-Studio巖土工程仿真軟件分析結果表明棄碴場場址斜坡穩定性較好。

2)棄碴體整體穩定性：現場調查表明，棄碴場未見明顯整體滑移痕跡。理論分析表明，天然工況下，小尖山隧道棄碴場各剖面整體穩定性系數為2.27～4.30；暴雨工況下，棄碴場各剖面整體穩定性系數為1.83～3.54。綜合表明，小尖山隧道棄碴場整體穩定性較好，棄碴體沿基底接觸面發生整體滑移的可能性較小。

3)棄碴體邊坡局部穩定性：現場調查表明，棄碴場前緣邊坡最大堆高約53 m，分為三級邊坡，一級邊坡高約20 m，邊坡坡率約1∶1，坡面未設置防護措施，局部存在小型溜坍。理論分析表明，天然工況下，小尖山隧道棄碴場各剖面邊坡穩定性系數為1.381～1.476，屬于穩定狀態；暴雨工況下各剖面邊坡穩定性系數為1.048～1.196，在長時間暴雨條件下屬于欠穩定狀態。綜合表明，棄碴體在暴雨工況下，可能沿棄碴體內部潛在滑面發生滑移失穩。

3.2 建議

建議降低棄碴場一級邊坡高度，按相關規范要求設置各級邊坡高度，放緩邊坡坡率。坡面采用合理防護措施，減少地表水沖刷和下滲，防止水土流失病害。