康志鵬,葛玉強,黎以良,陳宇,海大鵬
(中建隧道建設(shè)有限公司,重慶 401300)
康志鵬,葛玉強,黎以良,等.復(fù)雜條件城市山嶺隧道渣場自然環(huán)境特點及整治對策研究[J].重慶建筑,2019(7):51-55.
目前,隨著經(jīng)濟社會發(fā)展的需要,國家不斷加大對基礎(chǔ)設(shè)施的投入,我國的公路隧道建設(shè)快速發(fā)展。雖然近幾年我國公路隧道發(fā)展迅猛,但在各類公路工程的建設(shè)當中產(chǎn)生了許多環(huán)境問題,其中比較突出的就是公路隧道棄渣場的問題。公路工程由于隧道開挖產(chǎn)生了大量棄渣,這些沿線隧道渣料堆放在地勢低洼處,隨著棄渣的不斷累積,形成大規(guī)模的棄渣場。由于棄渣自然堆放,形成不規(guī)則形的平臺和松散堆積邊坡。這些邊坡在風、雨等不利條件下極易發(fā)生各類滑坡等地質(zhì)災(zāi)害和嚴重的水土流失,對當?shù)氐淖匀画h(huán)境產(chǎn)生不利影響,甚至嚴重威脅到臨近公路工程的安全運行。
不同類型的邊坡穩(wěn)定性問題,一直是國內(nèi)的一個研究熱點,目前已有許多學者對其進行了研究。陳國慶[1]等針對強度折減法只能得到單一不變的安全系數(shù)的缺點,為實現(xiàn)對邊坡從破壞到失穩(wěn)整個過程的分析,提出結(jié)合動態(tài)和整體強度折減法來評價邊坡的穩(wěn)定性的方法;朱大勇[2]等從邊坡的坡面形態(tài)方面對其穩(wěn)定性進行分析,通過大量邊坡失穩(wěn)的現(xiàn)場資料,并結(jié)合模型試驗,分別得到凸坡和凹坡的穩(wěn)定性;張江偉[3]等對地震作用下各類邊坡破壞的參數(shù)進行統(tǒng)計分析,并對各類模型理論和試驗分析進行介紹,分析了它們的特點和適用性;吳振君[4]等針對邊坡穩(wěn)定性因素敏感性,提出一種基于可靠度分析的新方法——可靠度分析方法;高玉峰[5]等回顧了土質(zhì)邊坡穩(wěn)定性分析的三種主要方法,針對它們存在的問題進行研究,并指出了未來的發(fā)展方向;王旭春[6]等利用極限平衡理論對露天礦邊坡的穩(wěn)定性進行分析,并研究了主要巖體參數(shù)對其穩(wěn)定性影響的敏感性;阮航[7]等針對影響公路邊坡穩(wěn)定性信息的隨機性、模糊性和不完整性,提出了一種改進模糊評價方法,該模型將模擬的結(jié)果與邊坡實際情況進行對比,表明該模型具有很好的一致性;唐朝輝[8]等討論了填土邊坡的不確定性,針對影響填土邊坡穩(wěn)定性的各類變量,建立了邊坡穩(wěn)定性影響的可靠度分析流程,系統(tǒng)地建立了一種填土邊坡穩(wěn)定性的可靠度分析方法;丁麗宏[9]提出了基于改進的灰關(guān)聯(lián)和層次分析法相結(jié)合的邊坡穩(wěn)定性分析方法,該方法克服了傳統(tǒng)方法的缺點,并有效提高了精度。
邊坡的穩(wěn)定性研究雖然已取得眾多成果,但在城市山嶺隧道棄渣場坡體穩(wěn)定性研究方面還不夠系統(tǒng)。龍洲灣隧道棄渣堆積在溝谷地帶,形成了不規(guī)則形的平臺,棄渣場土層結(jié)構(gòu)松散,在降雨等不利條件下有可能發(fā)生滑坡等地質(zhì)災(zāi)害,對當?shù)氐淖匀画h(huán)境產(chǎn)生不利影響,威脅到當?shù)鼐用竦纳敭a(chǎn)安全,因此必須對龍洲灣隧道棄渣場各個邊坡的穩(wěn)定性進行分析與評估,針對不穩(wěn)定的渣場邊坡提出有效的治理措施。
線路區(qū)位于四川盆地東部平行嶺谷區(qū),背斜成山,向斜成谷,山高谷深,嶺谷相間。地形由窄條狀山脈和丘陵谷地組成。山脈兩側(cè)地勢陡峻,多形成陡坡和峻坡,山脊高程 400~500m。山脈之間寬闊的丘陵谷地相對低緩,丘頂高程 200~300m。地貌格局與區(qū)域構(gòu)造線相吻合,沿 NNE方向展布,且向斜成丘陵,背斜成山,呈隔擋式構(gòu)造。
(1) 氣象
工程區(qū)屬中亞熱帶季風氣候區(qū),主要特點是空氣濕潤,春早夏長、冬暖多霧、秋雨連綿,降雨充沛,分配不均,年無霜期349d左右。
表1 Ⅰ-Ⅰ剖面穩(wěn)定性計算(天然工況)
表2 Ⅰ-Ⅰ剖面穩(wěn)定性計算(暴雨工況)
根據(jù)巴南區(qū)氣象局提供的資料顯示,當?shù)貧鉁兀憾嗄昶骄鶜鉁貫?17.8℃,月平均氣溫最高 32.8℃(8月),最低 6.3℃(12月)。日極端最高氣溫為 42.5℃(2006年 8月 26日),最低-1.8℃(1975 年 12月 15日)。
降雨量:區(qū)內(nèi)以降雨為主,雪、冰雹少見,年最大降雨量1502.4mm(1982年),年最小降雨量為 819.20mm(1969 年),多年平均降雨量為 1141.8mm,降雨多集中在 4—9月,其降雨量最高達867.8mm,占年降雨量的76%。
(2) 水文
銅鑼山脈的地表水系屬長江水系,區(qū)內(nèi)高差較大,地形坡度大,地表季節(jié)性沖溝谷發(fā)育,地表徑流條件較良好,選址區(qū)及影響范圍內(nèi)無大的地表河流,隧道進口有龍眼睛水庫,另外小水溝、溪溝、魚塘較多,地表水較發(fā)育。
巖性有灰?guī)r、白云巖、巖溶角礫巖、泥巖、砂巖、頁巖等。
擬建場地具有低山的“一山二槽三嶺”的高位巖溶槽谷地貌,可溶巖形成了較多的地下溶洞和暗河等;在嶺脊附近出露碎屑巖、侏羅系紅層含水巖組,因此水文地質(zhì)條件復(fù)雜。
區(qū)域歷史上地震活動較弱,地震震級低,強震活動弱,屬地殼相對穩(wěn)定區(qū)塊。區(qū)域范圍內(nèi)無斷裂、破碎帶通過,構(gòu)造穩(wěn)定。場地無滑坡、泥石流、液化、震陷等地震穩(wěn)定性問題。工程區(qū)不良地質(zhì)現(xiàn)象主要表現(xiàn)為巖溶及巖溶塌陷、煤窯采空區(qū)。
棄渣場按設(shè)計堆渣后將形成兩個高填方邊坡,如圖1所示:
Ⅰ—Ⅰ剖面折線滑動法穩(wěn)定性計算如圖2所示,天然工況Ⅰ—Ⅰ剖面穩(wěn)定性計算如表1所示,暴雨工況Ⅰ—Ⅰ剖面穩(wěn)定性計算如表2所示。
Ⅱ—Ⅱ剖面折線滑動法穩(wěn)定性計算如圖3所示,天然工況Ⅱ—Ⅱ剖面穩(wěn)定性計算如表3所示,暴雨工況Ⅱ—Ⅱ剖面穩(wěn)定性計算如表4所示。
經(jīng)計算棄渣體Ⅰ—Ⅰ邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)天然工況為1.19,小于安全系數(shù)1.2,暴雨工況為1.19,大于安全系數(shù)1.1。Ⅰ—Ⅰ邊坡處于不穩(wěn)定狀態(tài),需要進行處理。Ⅱ—Ⅱ邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)天然工況為1.31,大于安全系數(shù)1.2,暴雨工況為1.31,大于安全系數(shù)1.1,所以Ⅱ—Ⅱ邊坡暫時處于穩(wěn)定狀態(tài),不需要進行處理。
表3 Ⅱ-Ⅱ剖面穩(wěn)定性計算(天然工況)
表4 Ⅱ-Ⅱ剖面穩(wěn)定性計算(暴雨工況)
通過上面分析,棄渣體Ⅰ—Ⅰ邊坡在天然工況下的穩(wěn)定性系數(shù)小于安全系數(shù),通過設(shè)置攔渣壩來使其滿足要求。下面根據(jù)棄渣體的剩余下滑力對Ⅰ—Ⅰ剖面攔渣壩穩(wěn)定性進行計算分析。墻體及地層參數(shù)如表5所示。
表5 墻體及地層參數(shù)
圖1 棄渣場堆渣后形成的兩個高填方邊坡
圖2 Ⅰ—Ⅰ剖面折線滑動法穩(wěn)定性計算示意圖
圖3 Ⅱ—Ⅱ剖面折線滑動法穩(wěn)定性計算示意圖
墻身所受滑坡推力:Ea=345.000; Ex=345.000;Ey=0.000kN;作用點距離墻底高度=8.368m;墻身截面積=85.395m2;重量=1964.080kN。
(1)滑動穩(wěn)定性驗算
采用傾斜基底增強抗滑動穩(wěn)定性,計算過程如下:
基底傾斜角度=5.71°;Wn=1954.333kN;En=34.329kN;Wt=195.433kN;Et=343.288kN;滑移力=147.855kN;抗滑力=795.465kN。
滑移驗算滿足:Kc=5.380>1.350。
地基土層水平向:滑移力=345.000kN;抗滑力=1066.306kN。
地基土層水平向:滑移驗算滿足Kc2=3.091>1.350。
(2)傾覆穩(wěn)定性驗算
相對于墻趾點,墻身重力的力臂Zw=6.749m;
相對于墻趾點,Ey的力臂Zx=9.500m;
相對于墻趾點,Ex的力臂Zy=7.000m。
驗算擋土墻繞墻趾的傾覆穩(wěn)定性:
傾覆力矩=2415.000kN·m;抗傾覆力矩=13256.434 kN·m。
傾覆驗算滿足:K0=5.489>1.500。
(3)地基應(yīng)力及偏心距驗算
基礎(chǔ)為天然基礎(chǔ),驗算墻底偏心距及壓應(yīng)力:
作用于基礎(chǔ)底的總豎向力=1988.661kN;總彎距=10841.434kN·m;基礎(chǔ)底面寬度B=13.752m;偏心距e=1.425m;基礎(chǔ)底面合力作用點距離基礎(chǔ)趾點的距離Zn=5.452m。
基底壓應(yīng)力:趾部=234.481kPa;踵部=54.727kPa。
作用于基底的合力偏心距驗算滿足:e=1.425≤0.250x13.752=3.438m。
地基承載力驗算滿足:最大壓應(yīng)力=234.481≤500.000kPa。
通過滑坡推力作用情況下對攔渣壩進行相關(guān)驗算,計算結(jié)果滿足要求,故Ⅰ—Ⅰ剖面處攔渣壩穩(wěn)定。
(1)為防止棄渣場上游積水流入坡體,在棄渣場坡體坡頂設(shè)置一道截水溝,并在坡體兩側(cè)設(shè)置多道截水溝截流兩側(cè)坡面向中間匯水。
(2)截水溝溝寬60cm,高60cm,采用M10砂漿MU30片石砌成。溝槽底部做成三道臺階并鋪設(shè)鋼筋,采用直徑Φ8的HPB300鋼筋,以增加截水溝的強度和穩(wěn)定性,延長使用壽命。截水溝的排水坡度不得緩于1%,以加強排水,防止積水漫入坡體。
(3)棄渣場坡體底部平行安裝3根直徑Φ1000mm鋼筋混凝土排水花管,花管環(huán)向設(shè)置5道Φ15滲水孔,外包無紡布(≥400g/m2),安裝時打孔側(cè)朝上,無孔部分埋設(shè)水泥砂漿保護層上(并位于地面下,施工中先挖槽)。
(4)棄渣場頂鋪設(shè)50cm厚黏土隔水層,減少雨水浸入棄渣體。
(5)棄渣場頂向外作3%的排水坡,以利排水。
(6)堆渣邊坡坡腳平臺處設(shè)置平臺截水溝連接至兩側(cè)截水溝,方便邊坡排水。
(1)國內(nèi)對邊坡的穩(wěn)定性進行了大量研究,但在城市山嶺隧道棄渣場坡體穩(wěn)定性研究方面還不夠系統(tǒng)。龍洲灣隧道棄渣堆積在溝谷地帶,在降雨等不利條件下有可能發(fā)生滑坡等地質(zhì)災(zāi)害,對當?shù)氐淖匀画h(huán)境產(chǎn)生不利影響,威脅到當?shù)鼐用竦纳敭a(chǎn)安全。
(2)棄渣場按設(shè)計堆渣后將形成兩個高填方邊坡,經(jīng)本文計算Ⅰ—Ⅰ邊坡處于不穩(wěn)定狀態(tài),需要進行處理,Ⅱ—Ⅱ邊坡暫時處于穩(wěn)定狀態(tài),不需要進行處理。
(3)通過滑坡推力作用情況下對攔渣壩進行受力,計算結(jié)果滿足要求,故Ⅰ—Ⅰ剖面處攔渣壩穩(wěn)定。
(4)加強棄渣場邊坡穩(wěn)定性的措施主要從兩方面入手:一是要在渣場邊坡的頂部及側(cè)面設(shè)置截水溝,并在坡面鋪設(shè)隔水層,以防止降水流入坡體,對邊坡穩(wěn)定性產(chǎn)生不利影響;二是要在邊坡坡底處設(shè)置多根排水管,加強坡體排水,并保護坡腳,增強邊坡的穩(wěn)定性。