某公路棄渣場穩定性評估及處置建議研究

馬 晉

(山西省交通規劃勘察設計院 太原市 030012)

1 工程概況

高速公路某棄渣場面積約3.24×104m2,棄渣方量約20.0×104m3,棄渣場屬于溝道型,棄渣從原黃土沖溝的支溝溝頭起至支溝中段,下游距離某高速約500m,周邊無房屋建筑。于2018年初堆積結束,至今已近4年時間。現狀該棄渣場已采取“放緩邊坡+漿砌片石擋渣墻”護坡,坡體范圍內構筑有縱向截、排水系統。

2 評價方法

專業技術人員組成工作項目組,充分收集調查評估區已有環境、工程及地質資料,編制調查評估工作綱要,經審查合格后即開展野外地質災害調查等工作。調查中突出針對棄渣場已有支護結構及其變形情況等進行詳細調查,評估現狀棄渣場穩定性,并對棄渣場穩定性發展趨勢進行調查評估。在此基礎上,針對棄渣場的安全堆放提出合理的處置措施[1],技術路線圖見圖1。

圖1 技術路線圖

3 棄渣場項目區條件

3.1 氣象水文條件

項目區屬溫帶大陸性季風氣候,根據山西氣候區劃方案,屬晉北溫帶寒冷半干旱氣候區。春季雨雪少,風沙大,蒸發量大,經常出現干旱天氣;夏季雨量集中,間有大雨、暴雨、冰雹等;秋季雨水少,早晚涼爽,中午炎熱;冬季風多雪少,氣候寒冷。

項目區內年平均氣溫一般為7℃左右。7月份為最熱,平均氣溫為22.2℃,最高氣溫可達37.9℃。1月份最冷,平均氣溫為-10℃,極端最低氣溫-31.6℃。凍結期始于11月上旬,解凍期為3月中旬,最大凍土深度150cm。

項目區內年平均降水量384.7mm,最大年降水量588.2mm,最小年降水量213.6mm。

項目區內無霜期初始5月11日,終止9月25日,無霜期136d。

與項目有影響的主要河流屬黃河一級支流渾河的上游河段,經過的河流主要有蒼頭河及其支流二道河、三道河、石匣河。

3.2 地質環境條件

項目位于黃土覆蓋基巖中低山區,主要微地貌為黃土梁峁、黃土沖溝、基巖中緩坡、基巖沖溝,區內黃土大面積覆蓋,半坡地帶較厚;基巖主要在山頂出露,巖性多為奧陶系灰巖、白云質灰巖、泥質灰巖及石炭系中統本溪組砂泥巖,沖溝較發育,切割深度20～35m,多呈“V”字型,自然植被多為灌木。地下水位埋深較大。

該棄渣場原始地形為黃土沖溝的支溝。某高速公路以4×25m橋梁形式跨主溝而過,與主沖溝垂直相交。棄渣場范圍內設置縱橫向包括截水溝、急流槽、排水渠等排水系統。

評估區內出露地層為由馬蘭組(Q3)、離石組(Q2)黃土組成,厚度20～50m。Q3m馬蘭黃土廣泛分布于表層,黃土臺面沖蝕切割嚴重。項目未見濕陷性報告。

評估區范圍地震動峰值加速度為0.15g,反應譜特征周期0.4s,地震基本烈度為Ⅶ度,沿線工程構造物需按相應要求設防。

3.3 其他條件

調查評估區范圍內存在的不良地質作用主要為黃土邊坡坍塌。評估區人類活動主要為棄渣堆積,棄渣場周圍無其他構造物。棄渣堆積約4年前已完成,將坡地地形后緣基本填平,形成多級斜坡地形,極大的改變了該區地形地貌條件。評估區內破壞地質環境的人類活動程度為中度。

4 棄渣場穩定性分析

4.1 棄渣場現場情況分析

該棄渣場原始地形為黃土沖溝的支溝,如圖2所示。原溝底前緣地面縱坡較緩約為10%,溝頭后緣較陡。棄渣主要為路基、隧道開挖過程中的土方、石方。棄渣場長度約350m,寬115m,最大棄土高度約39m,棄方量約為20.0×104m3,下游500m為某高速互通和橋梁,危害程度為較輕,綜合評估為4級渣場。

圖2 棄渣場平面圖

棄渣場正面形成5級臺階狀,如圖3所示,每級坡面高約8～10m;除第三級平臺寬度75m,外臺階平臺寬度2～6m,邊坡坡率為1∶1.75～1∶2。第一級邊坡坡腳設有擋土墻。棄渣場邊坡防護工程主要為擋渣墻和坡頂植物防護。棄渣場排水設施為環棄渣場兩道排水渠,坡面較陡處設置急流槽引入原黃土溝,棄渣場從原溝頭填筑,并設置有排水溝,未見阻斷排水現象。

圖3 棄渣場剖面圖(單位:m)

4.2 棄渣場變形與監測情況

據調查,棄渣場投放運行后,有關方面采取了定期巡視與當地村鎮群測群防相結合的形式,對棄渣體及其擋渣墻、排水溝進行變形監測工作。近幾年來的變形監測未發現棄渣體有大的變形跡象。棄渣場除豎向固結沉降外,未見其他變形。棄渣場范圍內一級邊坡擋渣墻結構較為完善,未見明顯變形破壞、開裂等現象。棄渣場排水溝少量橫向出現的較細裂紋,觀察可見多達十余處的裂縫。調查評估,該棄渣場排水工程總體變形量輕微。主要病害為土石堵塞排水設施,導致排水不暢。

4.3 棄渣場穩定性計算

根據《水土保持工程設計規范》(GB 51018—2014)中的表5.7.4-2棄渣場抗滑穩定安全系數,采用瑞典圓弧法、改良圓弧法計算,4級棄渣場正常運營工況下,抗滑穩定安全系數規定值取1.15;非正常工況下,抗滑穩定安全系數規定值取1.05。

結合相關研究,棄渣場穩定性主要受到堆積物質的巖土性質和水文條件影響。根據規范及相關工程經驗,在天然狀態下稍密棄渣體正工況(基本組合):重度取19kN/m3,C=12kPa,φ=27°;在極端狀態(長期降雨)棄渣場渣體飽和狀態下飽和重度取21kN/m3,C=10.5kPa,φ=27°。通過計算,當棄渣場放坡坡率為1:1.5時,正產工況下,棄渣場安全系數為1.309>1.15,非正常工況地震情況下,棄渣場安全系數為1.178>1.05,持續降雨下,棄渣場安全系數為1.08>1.05,均滿足規范要求[2]。

該棄渣場分級坡高8～10m,放坡坡率 1∶1.75～1∶2,整體放坡坡度較緩,坡度角稍小于土體等效內摩擦角,利于坡體穩定,小范圍放坡坡度較大,不滿足穩定放坡坡率要求,較大坡度有可能會對渣體穩定性造成不利影響,存在變形破壞的可能性,結合棄渣場地質環境條件,該段邊坡變形破壞規模較小,危害區域僅限于棄渣場邊坡及棄渣場前緣一級邊坡較小范圍內,地質災害危險性低。

4.4 棄渣場穩定性分析

外部形態方面,棄渣場堆渣整體坡面坡度在19°～47°之間,第一至三級坡面較陡約47°。棄渣場坡頂局部坡肩松散,有少量裂縫,外觀形態較為穩定。堆渣體后緣無貫穿裂隙、前緣未見剪出裂縫,原地面未見隆起變形等不良現象,堆放整體穩定。

內在條件方面,棄渣場目前堆渣體堆放時間約為4年,下部土體自然沉降后固結,有利于其力學指標提升,提高自身穩定性能。

根據現狀調查,一級邊坡擋渣墻未出現明顯結構受損現象,預測在評估該段擋渣墻產生變形破壞的可能性小。現場擋墻前緣無重要建構筑物,地質災害危險性低。

項目所在區6～8月為每年雨季,雨季中降水量大,棄渣場范圍雨水也會增多,排水溝防洪排澇基本能滿足要求,但對于突發暴雨應對能力尚不足。棄渣場下游主溝某高速橋梁計洪水頻率為1/100,孔跨較大,滿足泄洪要求。

根據上述分析,預測該棄渣場后期固結沉降量將進一步減小,受渣體固結沉降影響的排水溝變形速率將趨緩,總體上有關縫隙寬度進一步增加的可能性逐步減少,排水溝存在裂縫有潛在危險,且滾落土石淤堵排水溝,雨季易造成溢流,沖刷坡面,降低坡面穩定性,故應封堵溝內縫隙,截斷地表水滲入渣體通道,可保證棄渣場在極端天氣下的水穩定性。

5 棄渣場安全堆放建議

(1)完善排水設施:排水溝應對突發暴雨特殊狀況不足,應適當增加排洪水設施,如坡頂增加支排水溝,迅速排除徑流,減少坡面滲入,減低墻背壓力。排水溝存在局部裂縫和溝底堵塞情況,建議定期對排水設施進行檢查、疏通,確保截、排水溝通暢,對發現的裂縫進行充填修補,避免地表水沿排水設施底部裂縫滲入渣體。

(2)棄渣場正面邊坡未采取綠化措施,可采取噴混植生植物防護措施,可以加固表面土體。

(3)應科學合理地進行棄渣場的綠化工作,禁止進行對棄渣場穩定性不利的工程行為,如在渣體上開挖魚塘、大水灌澆地、坡腳開挖、后緣堆積加載、新建構筑物等。

(4)合理進行棄渣場周邊場地利用規劃,新建構筑物應遠離棄渣場變形破壞可能影響范圍,棄渣場下方的1.5倍坡高約60m范圍內禁止興建民房、修筑公路等。

(5)建立健全棄渣場管理、維護長效機制,安排棄渣場安全巡查專員定期巡、排查,發現安全隱患及時報告、處置。

6 結論

該棄渣場已構筑排水系統、采用“分級放坡+擋渣墻”邊坡防護措施。現存排水工程有縱向排水設施,局部排水設施堵塞微。排水設施需及時維護,以保證棄渣場的穩定性。棄渣場所處位置地面縱坡約為10%,棄渣場沿坡底整體滑動可能性不大。通過計算,棄渣場在正常工況下,自身穩定性安全系數為1.309,滿足規范要求。棄渣場在飽水的非正常工況下,通過計算,安全穩定系數為1.08,滿足規范要求。但在持續雨水沖刷下,棄渣場坡腳擋渣墻凍融強度損失下局部有產生變形破壞的可能性,變形破壞形式主要表現為失穩、垮塌;渣體邊坡整體較高,有產生淺表層滑坡、垮塌的可能性。此類局部的變形失穩,若能及早發現、及早處置,其造成的破壞影響將不大且可控制,地質災害危險性也將減小。棄渣堆積運行期內,邊坡支護結構、排水系統若能有效發揮支擋、截排水作用,棄渣場的長期整體穩定性將有保障,發生整體滑坡變形破壞的可能性小,地質災害危險性小。

為保證棄渣場長期穩定,應建立棄渣場管理、維護長效機制,落實棄渣場安全堆放措施;采取定期巡視與群測群防相結合的形式,監測棄渣場變形和坡腳擋土墻完好情況,發現安全隱患及時報告、處置。特別是雨季時節,加強棄渣場安全穩定巡視監測。

該棄渣場的穩定性評估方法[3]與堆放建議可為同類大型棄渣場的設計與后期防災減災措施提供參考。