西南山區(qū)高速鐵路隧道棄渣場穩(wěn)定性分析

孫天煜

(中鐵第五勘察設(shè)計院集團有限公司，北京 102600)

新填筑的棄渣場經(jīng)常存在棄渣體成分混合、顆粒大小不均、欠壓實等問題。當(dāng)棄渣場地處起伏很大的溝谷時,如果發(fā)生暴雨等自然災(zāi)害天氣,就會導(dǎo)致棄渣場邊坡滑塌，出現(xiàn)泥石流等自然災(zāi)害,從而使渣場所在地區(qū)水土大量喪失,甚至還會對下游地區(qū)群眾的經(jīng)濟財產(chǎn)安全帶來重大危害。

目前針對渣場邊坡在降雨影響下的穩(wěn)定性研究，米海珍教授[1]通過比擬法，分析了降水持續(xù)時間和滲透深度之間的關(guān)系，滑坡的發(fā)現(xiàn)具有一定滯后性；潘思渝[2]認(rèn)為，影響邊坡穩(wěn)定性的主要原因是雨水滲透進土體使得其體積含水率變大，重度增加，邊坡穩(wěn)定系數(shù)下降幅度由降水時長決定；吳謙等[3]則發(fā)現(xiàn)在影響邊坡穩(wěn)定性的各技術(shù)參數(shù)中，內(nèi)摩擦角最為靈敏，土體黏聚力次之，棄渣重度敏感度最低，在暴雨工況下，渣場邊坡局部有16.8%概率會處于失穩(wěn)狀態(tài)；唐巖巖等[4]通過對比模型發(fā)現(xiàn)土體飽和滲流及物化耦合導(dǎo)致邊坡滑移失穩(wěn)的概率增大，滑移面主要經(jīng)蝕變帶出現(xiàn)。

本次研究對象為玉龍山隧道棄渣場，目前尚未堆填。本棄渣場周邊有村莊，屬敏感點。由于棄渣場所在地不能危害附近公共服務(wù)基礎(chǔ)設(shè)施、企業(yè)、農(nóng)村居民點等的安全[5-7]，針對本棄渣場存在因失穩(wěn)可能導(dǎo)致地質(zhì)災(zāi)害的風(fēng)險，有必要對本棄渣場的穩(wěn)定性進行分析。

1 工程概況

1.1 棄渣場基本概況

玉龍山隧道棄渣場位于四川省儀隴縣石佛鄉(xiāng)境內(nèi)，新建漢巴南鐵路D1K88+000右側(cè)2.53 km處沖溝內(nèi)。棄土場占地約19.9 hm2，棄渣量為138.01萬m3。棄渣體最大堆高約22 m，分為三級邊坡，邊坡坡率約1∶2.5，坡腳采用C25混凝土擋土墻防護，棄渣體前緣為村道，綜合判定棄渣場級別為3級。棄渣場周圍及棄渣體上均設(shè)有完備的防排水系統(tǒng)。渣場區(qū)地形如圖1所示。

1.2 地質(zhì)情況

工程地質(zhì)勘探結(jié)果揭示:場區(qū)范圍內(nèi)的上覆巖土層大部分為第四系全新統(tǒng)人工回填土、第四系全新統(tǒng)沖洪積粉質(zhì)黏土,殘坡積粉質(zhì)黏土、塊狀巖石,以及侏羅系上統(tǒng)蓬萊鎮(zhèn)組上段的粉砂石、砂石。場區(qū)范圍內(nèi)未見不良地質(zhì)現(xiàn)象和特殊巖石。

棄渣場工區(qū)的地下水大部分是基巖性裂隙水,局部則以孔隙潛水為主,基巖性裂隙水大部分賦存在節(jié)理裂縫帶內(nèi),巖體整體性較差,破碎但具有連通性,水力相互關(guān)聯(lián)緊密,可看作統(tǒng)一含水體;孔隙潛水賦存在粉砂巖等松散巖石中。二者對混凝土結(jié)構(gòu)及鋼筋無侵蝕性，對工程基本無影響。

2 數(shù)值模型建立

2.1 巖土體物理力學(xué)參數(shù)

依據(jù)擬建的玉龍山隧道棄渣場場地勘測與設(shè)計情況,該棄渣場的棄渣體主要為全風(fēng)化～強風(fēng)化頁巖。利用反演參數(shù)法、經(jīng)驗值等分析方法對工程地質(zhì)條件進行對比,綜合選擇棄渣材料參數(shù)指標(biāo)；基底下部的巖土地層物理力學(xué)參數(shù)值則根據(jù)對擬建棄渣場址的工程地質(zhì)勘查報告中的土工檢驗結(jié)果及相關(guān)工程經(jīng)驗綜合選擇。棄渣體與基底各巖土層所選取的各項參數(shù)如表1所示。

表1 棄渣場及基底地層物理力學(xué)指標(biāo)表

2.2 暴雨參數(shù)選取

在極端暴雨條件下，有一定比重的雨水受地形影響產(chǎn)生地表徑流，對該部分雨量應(yīng)不予考慮。對于降雨徑流量和滲流量的比例計算，一般根據(jù)經(jīng)驗法——利用地表徑流系數(shù)經(jīng)驗取值進行估算。結(jié)合該地區(qū)土質(zhì)滲透性，玉龍山隧道棄渣區(qū)的地表徑流系數(shù)經(jīng)驗取值為0.2，而土體滲透比率則為0.8。

依據(jù)當(dāng)?shù)貧庀筚Y料，降雨量取9.2 mm/h，假定持續(xù)降雨24 h，分析棄渣體自重和降雨滲透兩種狀態(tài)下的棄渣體邊坡穩(wěn)定性及暴雨結(jié)束后，在停止降雨后，進行歷時1 d,3 d,5 d的計算。

2.3 計算模型及邊界條件

本次數(shù)值計算采用Mohr-Coulomb模型。首先應(yīng)按照現(xiàn)場的地勘實測結(jié)果設(shè)定地下水位線，并以地下水位線為界，將上層的模型兩側(cè)界限按零流速考慮，下層的模型兩側(cè)界限按定值水頭處理，在模型底部設(shè)置不滲透的界限。坡面重力式擋土墻側(cè)設(shè)置為潛在滲流面。

3 工況與控制標(biāo)準(zhǔn)

3.1 計算工況

根據(jù)渣場地區(qū)的地質(zhì)條件和有關(guān)地勘報告綜合評價結(jié)果，棄渣場自身特征、暴雨影響等各項因素對棄渣場穩(wěn)定性將產(chǎn)生非常關(guān)鍵的影響，故選取正常工況(天然工況)和非正常工況(暴雨工況)進行棄渣場穩(wěn)定性分析。各計算工況如表2所示。

表2 計算工況

3.2 控制標(biāo)準(zhǔn)

棄渣場的穩(wěn)定性控制標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)根據(jù)棄渣場失穩(wěn)可能造成破壞后果的嚴(yán)重性、邊坡類型和坡高等因素進行安全等級劃分。擬建的玉龍山隧道棄渣場的級別為3級。參考相關(guān)規(guī)范，綜合確定該棄渣體在不同工況下安全系數(shù)控制標(biāo)準(zhǔn)，見表3。

表3 棄渣體穩(wěn)定安全系數(shù)Fst控制標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)GB 50330—2013建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范[8]，建筑物基坑邊坡的穩(wěn)定狀態(tài)分級為四個級別，如表4所示。

表4 邊坡穩(wěn)定性狀態(tài)劃分

4 計算結(jié)果分析

根據(jù)棄渣場的滑坡情況以及滑動機理分析結(jié)論[9]和現(xiàn)場調(diào)查情況,本次棄渣場穩(wěn)定性計算分析分為：

1)沿基底接觸表面下滑的總體穩(wěn)定性；2)沿棄渣體邊坡內(nèi)部潛在滑面滑動的局部穩(wěn)定性分析。本次棄渣場穩(wěn)定性計算運用極限平衡原理，根據(jù)自然狀態(tài)、降雨24 h和停雨后1 d～5 d的不同工況,分別選擇Ordinary,Bishop,Janbu和Morgenstern-Price四個計算公式進行檢算,得出渣場邊坡和棄渣體穩(wěn)定性系數(shù)，如圖2,圖3所示。

由圖2,圖3可得，Ⅱ-Ⅱ剖面采用4種不同的計算方法中，天然工況下棄渣場整體穩(wěn)定性和棄渣體局部穩(wěn)定性系數(shù)最小值分別為4.077和3.661；暴雨工況最小值均出現(xiàn)在降雨24 h后停雨5 d，為2.469和2.381。從天然狀態(tài)至降雨24 h后，渣場穩(wěn)定性系數(shù)均大幅下滑，因為在非正常工況條件下，考慮暴雨條件的滲流，當(dāng)降雨量達到暴雨強度等級時，坡面出現(xiàn)徑流現(xiàn)象，部分降雨流走，其余則滲透進土體，含水量增大，導(dǎo)致棄渣體邊坡內(nèi)孔隙水壓力增大，降雨入滲軟化了棄土的力學(xué)指標(biāo)。當(dāng)暴雨結(jié)束后，停雨1 d～5 d，雨水繼續(xù)向深層土體下滲，進一步軟化了邊坡棄渣的力學(xué)指標(biāo)，穩(wěn)定性系數(shù)進一步降低，但降低幅度相對較小。綜上所述，從天然狀態(tài)到停雨后第5天，計算所得棄渣場邊坡穩(wěn)定性系數(shù)均大于規(guī)范中允許的最小安全系數(shù)，綜合該區(qū)域雨季降水特性、渣場滲透特性及擋土墻基底承載力等因素，判定該棄渣場處于穩(wěn)定狀態(tài)，但不排除由于雨水沖刷引起的淺層溜塌的危險。為進一步檢驗棄渣場的整體穩(wěn)定性能否達到規(guī)定要求,除以上方式外,亦可使用傳遞系數(shù)法,假設(shè)潛在滑動面是棄渣體底面與土體接觸面,將棄渣體切割成若干條塊,剩余推動力從高程較高條塊向低點傳導(dǎo),在最低點處條塊的剩余推動力也剛好為零,則可認(rèn)為該棄渣場滿足極限平衡條件。Ⅱ-Ⅱ剖面條塊劃分如圖4所示。

計算剖面仍選擇Ⅱ-Ⅱ剖面，不考慮擋土墻提供的反力，即棄渣場邊坡前緣作臨空處理，對天然條件和暴雨條件下典型剖面采用不平衡推力傳遞系數(shù)法計算棄渣體整體穩(wěn)定性系數(shù)，結(jié)果如表5所示。

表5 不平衡推力傳遞系數(shù)法棄渣體整體穩(wěn)定性系數(shù)表

經(jīng)計算，天然和暴雨狀態(tài)下，Ⅱ-Ⅱ剖面中棄渣體沿基底滑移的穩(wěn)定性系數(shù)分別為2.71，2.02，邊坡穩(wěn)定性系數(shù)大于規(guī)范所規(guī)定值1.25。因此，上述工況條件下，棄渣場不會沿基底發(fā)生滑移破壞，棄渣場邊坡整體穩(wěn)定性較好。

5 結(jié)論

通過以極限平衡法為原理的GeoStudio進行數(shù)值計算，同時采用傳遞系數(shù)法確定玉龍山隧道棄渣場穩(wěn)定性系數(shù)，可以得到如下結(jié)論：1)隨著降雨的進行，降雨24 h后整體及局部穩(wěn)定性系數(shù)較天然狀態(tài)時均出現(xiàn)較大幅度下降。暴雨停止時，棄渣場穩(wěn)定性系數(shù)并非最小值，由此可見，滲流過程不會隨著降雨停止而結(jié)束，在降雨24 h后停雨5 d時，穩(wěn)定性系數(shù)達到最低值。2)在天然和暴雨等工況條件下,通過GeoStudio對擬建玉龍山隧道棄渣場選取的 Ⅱ-Ⅱ 典型斷面進行棄渣場邊坡穩(wěn)定性計算和最不利的滑動面搜索結(jié)果,棄渣場總體和棄渣體局部穩(wěn)定性系數(shù)最小值均符合規(guī)范中的邊坡安全系數(shù)控制范圍,通過傳遞系數(shù)法進一步證明了棄渣場總體穩(wěn)定性較好,沿棄渣體的邊坡基底接觸面以及軟弱土層產(chǎn)生整體滑動面的可能性也極小。