蔣 翰

(西南交通大學(xué)地球科學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，四川成都 611756)

隨著我國(guó)現(xiàn)代交通的不斷發(fā)展，交通基礎(chǔ)設(shè)施中的隧道工程數(shù)量也不斷增多，與之伴隨的棄碴場(chǎng)數(shù)量也不斷增加。棄渣場(chǎng)的安全問(wèn)題越來(lái)越受到關(guān)注，不穩(wěn)定的棄碴場(chǎng)會(huì)影響鐵路的正常運(yùn)營(yíng)，威脅人民群眾的生命安全。因此需要對(duì)棄碴場(chǎng)進(jìn)行穩(wěn)定性評(píng)價(jià)，并及時(shí)對(duì)不穩(wěn)定的棄碴場(chǎng)進(jìn)行治理并采取防護(hù)措施。

棄碴場(chǎng)邊坡不同于一般的邊坡，為松散巖體和土體堆集而成。其穩(wěn)定性受控于棄碴場(chǎng)方量、坡度、堆高、棄碴體自身物理力學(xué)性質(zhì)等，也受控于降雨、地震等外界因素，其中降雨入滲是邊坡失穩(wěn)的重要誘因。許多學(xué)者對(duì)不同滲流情況下的邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行了大量分析[1-5]。

本文以某鐵路沿線一棄碴場(chǎng)作為研究對(duì)象，依托于Geo-Studio軟件，采用非飽和滲流理論分析不同工況下的滲流場(chǎng)，隨后分析不同工況下的邊坡的穩(wěn)定性。

1 工程概況

本文研究的棄碴場(chǎng)屬某鐵路沿線附屬工程，棄渣場(chǎng)堆積方量約為20.19×104m3，最大堆高為30 m，屬于坡地型棄碴場(chǎng)。

棄碴場(chǎng)所在區(qū)域?yàn)榈蜕角鹆甑孛玻０螢?00～400 m之間，植被茂密。區(qū)域分布的地層由上往下為人工填碴(Q4ml)，第四系全新統(tǒng)坡洪積(Q4dl+pl)粉質(zhì)黏土、白堊系(K-Edh)泥質(zhì)砂巖和元古界(Pt)片巖。其中人工棄碴主要成分多為強(qiáng)～弱風(fēng)化砂巖、片巖碎石塊夾粉質(zhì)黏土。研究區(qū)屬于亞熱帶季風(fēng)氣候，年降雨量在800～1000 mm之間。區(qū)內(nèi)地表水較發(fā)育，地下水以基巖裂隙水為主，主要接受大氣降水補(bǔ)給。

2 棄碴場(chǎng)滲流分析

2.1 模型概況

本文研究的棄碴場(chǎng)主要組成有人工填碴，第四系全新統(tǒng)坡洪積粉質(zhì)黏土、白堊系泥質(zhì)砂巖和元古界片巖，各地層物理力學(xué)指標(biāo)見(jiàn)表1；并根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，采用Geo-Studio軟件對(duì)棄碴場(chǎng)進(jìn)行建模，計(jì)算模型如圖1所示。

表1 棄碴場(chǎng)物理力學(xué)指標(biāo)

圖1 棄碴場(chǎng)計(jì)算模型

2.2 邊界條件

模型的邊界條件考慮如下：①將棄碴場(chǎng)表面均作為接受大氣降水補(bǔ)給的邊界，作為流量邊界；②棄碴場(chǎng)左側(cè)及底部按照零通量邊界處理；③棄碴場(chǎng)右側(cè)邊坡按照排泄邊界處理。

2.3 降雨情況

給區(qū)域邊界條件進(jìn)行賦值后本文考慮棄碴場(chǎng)在不同持續(xù)暴雨工況下(1 h、6 h、24 h、72 h)的穩(wěn)定性，暴雨強(qiáng)度值參考《中國(guó)暴雨統(tǒng)計(jì)參數(shù)圖集》，隨后根據(jù)雨水的入滲強(qiáng)度選取相應(yīng)的入滲系數(shù)來(lái)對(duì)入滲雨量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。不同工況下的入滲雨量強(qiáng)度值見(jiàn)表2。

表2 暴雨工況設(shè)計(jì)入滲雨量強(qiáng)度

2.4 滲流計(jì)算結(jié)果

將設(shè)計(jì)參數(shù)輸入值Geo-Studio軟件的SEEP/W模塊，模擬結(jié)果見(jiàn)圖2。在降雨的起始階段，隨著降雨的入滲表層棄碴中的孔隙水壓力逐漸增大，但由于棄碴的滲透系數(shù)大于暴雨強(qiáng)度，所以在棄碴體淺表層并未出現(xiàn)暫時(shí)飽和區(qū)。在入滲過(guò)程匯總水分主要是以向下運(yùn)移位置，并未出現(xiàn)滲流，隨著降雨時(shí)間的增強(qiáng)，滲流場(chǎng)逐漸發(fā)生變化。圖2(a)為只考慮地下水情況下的穩(wěn)態(tài)滲流場(chǎng)，隨著降雨時(shí)間的增長(zhǎng)(圖2)，逐漸在棄碴場(chǎng)右上方形成較大面積的低孔隙壓力區(qū)，表明棄碴體在降雨入滲的作用下整體結(jié)構(gòu)逐漸發(fā)生下沉，但受控于坡腳擋墻的支護(hù)作用，使得大量棄碴體向坡體內(nèi)部運(yùn)移，并未產(chǎn)生向坡腳方向運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì)，表明了擋土墻對(duì)于整個(gè)棄碴場(chǎng)的支護(hù)作用效果明顯。

(a)穩(wěn)態(tài)滲流孔壓分布

(b)暴雨1h孔壓分布

(c)暴雨6h孔壓分布

(d)暴雨24h孔壓分布

(e)暴雨72h孔壓分布圖2 滲流計(jì)算結(jié)果

3 棄碴場(chǎng)穩(wěn)定性分析

前文考慮棄碴場(chǎng)在不同工況下的滲流場(chǎng)的狀態(tài)，下文將在此基礎(chǔ)上計(jì)算棄碴場(chǎng)邊坡的穩(wěn)定性。

3.1 整體穩(wěn)定性分析

采用傳遞系數(shù)法通過(guò)設(shè)定特定的穩(wěn)定性系數(shù)計(jì)算剩余推力來(lái)確定兩種狀態(tài)下的整體穩(wěn)定性系數(shù)。整體穩(wěn)定性系數(shù)計(jì)算結(jié)果列于表3，根據(jù)GB50330-2013《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》，天然狀況下和暴雨工況下棄碴場(chǎng)均處于穩(wěn)定狀態(tài)。

表3 傳遞系數(shù)法棄碴體穩(wěn)定性系數(shù)

3.2 局部穩(wěn)定性分析

在滲流計(jì)算的基礎(chǔ)上，本文運(yùn)用Geo-Studio軟件的SEEP/W模塊和SLOPE/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(lài)斯(Morgenstern-Price)法等三種方法對(duì)棄碴體進(jìn)行局部穩(wěn)定性分析，并搜索剖面的最危險(xiǎn)滑動(dòng)圓弧。計(jì)算結(jié)果列于表4，結(jié)果表明，在持續(xù)暴雨情況下，邊坡均處于穩(wěn)定狀態(tài)；且在持續(xù)降雨強(qiáng)度不斷增加的情況下，棄碴場(chǎng)的穩(wěn)定性系數(shù)并未出現(xiàn)較大的減小，這與棄碴場(chǎng)邊坡坡腳處存在擋墻有關(guān)。

表4 暴雨工況棄碴體邊坡穩(wěn)定性結(jié)果

4 結(jié)論

(1)滲流場(chǎng)分析結(jié)果表明，隨著暴雨時(shí)長(zhǎng)增長(zhǎng)，邊坡坡頂位置逐漸形成低滲透壓區(qū)域。

(2)穩(wěn)定性評(píng)估表明，該棄碴場(chǎng)邊坡及其整體均處于穩(wěn)定狀態(tài)。

(3)為避免棄碴體失穩(wěn)造成危害，可適當(dāng)降低棄碴場(chǎng)一級(jí)邊坡高度，放緩邊坡坡率；并在棄碴場(chǎng)前緣坡體設(shè)置框格護(hù)坡，并采取植物措施防止水土流失。