山區(qū)高速公路棄土場穩(wěn)定性分析

文/謝振安

1 前言

山區(qū)高速公路隧道和路基深挖方比例大，因填挖不平衡引起棄土石方量多，且受地形、征地限制及運距等因素影響，棄土場大多堆砌于山間溝谷中，容易產(chǎn)生較高的棄土堆筑高度。雖在設(shè)計階段會對棄土場選址及防護(hù)做簡單設(shè)計，但因方案變更等因素，實際堆筑情況會有較大變化，原設(shè)計防護(hù)措施不一定能滿足實際穩(wěn)定性要求，容易形成水土流失、崩塌、滑坡等災(zāi)害，更嚴(yán)重的還有可能引發(fā)泥石流等重大災(zāi)害。為了保證已堆筑棄土場安全穩(wěn)定，需對棄土場現(xiàn)狀做針對性的穩(wěn)定性分析。本文以廣東省仁新高速K220+650 左側(cè)棄土場為例，介紹已建棄土場穩(wěn)定性分析思路及方法。

2 工程概況

仁新高速公路K220+650 左側(cè)棄土場所處區(qū)域地質(zhì)背景簡單，地震基本烈度屬Ⅵ度區(qū)。評估區(qū)處于低山、丘陵地貌，地形地勢起伏較大，山坡自然坡度25°～40°。另外，棄土場約17.66 萬m3棄渣，渣頂標(biāo)高225.95m，渣底標(biāo)高136.18m，最大高度89.77m。棄土場樁號范圍：K220+425～K220+800，基本沿著高速公路線路走向。棄土場現(xiàn)狀草木發(fā)育良好，位于封閉山谷，對周圍居民生產(chǎn)生活影響較小。棄土場所處山間溝谷內(nèi)水量較少，地下水對場地工程施工影響較小；另外，評估區(qū)屬中緯度亞熱帶季風(fēng)性濕潤氣候，夏長冬短，多年平均降雨量1400～2400mm，故氣象水文條件對棄土場穩(wěn)定影響程度較大，需考慮暴雨工況穩(wěn)定情況[1]。

3 坡體現(xiàn)狀調(diào)查

坡面未見淺層滑塌，但受地表水沖刷影響，部分坡面出現(xiàn)沖溝，對邊整體穩(wěn)定無影響，但長期沖刷易引起淺層滑塌。坡腳局部位置可見水土流失現(xiàn)象，形成坑洼地，坑深0.5～1m 左右，長期積水下滲對坡體穩(wěn)定不利。坡面未見堆載體整體滑動或淺層滑塌，暫時處于穩(wěn)定狀態(tài)；但考慮該棄土場棄土方量大，棄土高度高，強風(fēng)化砂巖含量較高，遇水易軟化、強度降低，存在一定安全隱患，因此需通過計算分析確定。

4 現(xiàn)狀測量及勘察

對棄土場現(xiàn)狀進(jìn)行測量，得出1∶500 平面地形圖，測量各棄土場的坡形坡率及堆載范圍，根據(jù)現(xiàn)狀地形圖并結(jié)合堆載前地形圖布置2 個勘察鉆孔一個勘察斷面（見圖1）。

地質(zhì)鉆探揭露上覆堆載體主要由第四系素填土（粘性土、碎石）、粉質(zhì)粘土、坡殘積粉質(zhì)粘土組成；基底主要由石炭系砂巖、炭質(zhì)砂巖及其風(fēng)化層組成。

5 穩(wěn)定性計算分析評價

根據(jù)堆載體所在地形溝谷走向及填土厚度等，初步選取地質(zhì)橫斷面5-5（見圖1）作為主斷面進(jìn)行計算分析。考慮堆載體變形主要有三種可能，分別是堆載體與原地面接觸面變形、堆載體自身變形和坡面淺層變形，以下圍繞三種變形情況進(jìn)行穩(wěn)定性分析計算[2]。

圖1 棄土場測量平面圖（含勘察斷面）

5.1 計算并選定參數(shù)

5.1.1 確定棄土與原始地面交界力學(xué)參數(shù)

棄土與原始地面交界位置較為薄弱，棄土透水性強在交界位置極易富集地下水，所以潛在最危險滑面最有可能發(fā)生在棄土與原地面交界位置，因此宜采用折線形滑動法進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性分析。棄土與原地面交界處滑面參數(shù)較難確定，通過Φk=arctan(tanΦ+c/γH)求得綜合內(nèi)摩擦角，滑面內(nèi)聚力根據(jù)經(jīng)驗取10kPa，摩擦角取現(xiàn)狀地形及原狀地形自然休止角，通過上述公式計算得棄土綜合內(nèi)摩擦角約為36°，取安全儲備系數(shù)1.25，最終綜合取值28.5°。

5.1.2 確定棄土（碎石土）力學(xué)參數(shù)

碎石土由填石和填土組成，參數(shù)較難確定，勘察推薦人工填石重度取18kN/m3，內(nèi)聚力取0kPa，內(nèi)摩擦角30°～40°，結(jié)合重型動力觸探試驗結(jié)果，最終確定碎石土內(nèi)聚力取0KPa，內(nèi)摩擦角取38°。

5.1.3 確定巖土層力學(xué)參數(shù)

結(jié)合勘察資料及軟件計算等資料，最終確定各層巖土力學(xué)參數(shù)取值如下表1：

表1 邊坡驗算選用力學(xué)參數(shù)表

5.2 邊坡穩(wěn)定計算

根據(jù)《水土保持工程設(shè)計規(guī)范》，棄土場級別應(yīng)根據(jù)堆渣量、堆渣最大高度以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。K220+650 左側(cè)棄土場約17.66 萬m3棄渣，最大高度89.77m，棄土場級別判定為3 級。正常工況下穩(wěn)定性性安全系數(shù)不應(yīng)小于1.25，非正常工況下穩(wěn)定性性安全系數(shù)不應(yīng)小于1.1。本邊坡采用理政巖土軟件的邊坡穩(wěn)定性分析系統(tǒng)進(jìn)行驗算。

針對三種變形方式，選取堆土體與原地面接觸面為棄土場邊坡最危險性斷面，并分別考慮天然工況和暴雨工況，采用擴大自下滑力進(jìn)行分析計算；考慮堆土體自身穩(wěn)定性采用圓弧滑動自動搜索不利滑面計算（圖2），并分別考慮天然工況及暴雨工況，計算得穩(wěn)定性分析結(jié)果如表2 所示：

圖2 穩(wěn)定性分析計算模型圖

表2 棄土場穩(wěn)定性分析結(jié)果一覽表

6 防護(hù)建議

針對該棄土場，建議加強棄土場邊坡日常病害巡查；布設(shè)監(jiān)測點，定期監(jiān)測邊坡變形位移情況；對坡頂平臺及坡面局部地段（植被生長不良）進(jìn)行植草防護(hù)或硬化處理，防止地表水沖刷，增強邊坡穩(wěn)定性。現(xiàn)場調(diào)查，平臺均已硬化但無排水溝，建議增設(shè)平臺排水溝，修復(fù)棄土場的邊坡排水設(shè)施，急流槽堵塞或破損處應(yīng)及時疏通并修復(fù)，同時急流槽與棄土場場頂排水溝相連。棄土場坡腳以上局部薄弱區(qū)處于欠穩(wěn)定狀態(tài)，建議采用注漿加固等措施處理，以保證邊坡局部穩(wěn)定性[3]。

7 結(jié)語

棄土場穩(wěn)定性分析可以采用現(xiàn)場踏勘調(diào)查、地形測量及補充勘察全面了解棄土場現(xiàn)狀情況，然后采用極限平衡法等方法對邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性分析。棄土場邊坡的變形類型和破壞模式包括坡面淺層變形、堆載體與原地面接觸面滑動變形以及堆載體自身失穩(wěn)變形。棄土場穩(wěn)定性分析應(yīng)結(jié)合勘察測量資料確定堆載體各層驗算力學(xué)參數(shù)，并根據(jù)不同工況，計算邊坡穩(wěn)定性安全系數(shù)，最終確定不同破壞形式邊坡穩(wěn)定狀態(tài)，并根據(jù)分析結(jié)果，提出防治建議。