張 朔，但路昭,尹小濤，楊曉泉，湯 華

(1.安徽理工大學(xué)土木建筑學(xué)院，安徽 淮南 232001； 2.大理大漾洱云高速公路有限公司，云南 大理 671000；3.中國科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所巖土力學(xué)與工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430071；4.云南省交通運(yùn)輸廳路網(wǎng)監(jiān)測與應(yīng)急指揮中心，云南 昆明 650000)

隨著國家“一帶一路”發(fā)展戰(zhàn)略的提出，我國山區(qū)交通基礎(chǔ)建設(shè)邁入了新一輪的蓬勃發(fā)展時(shí)期。山區(qū)交通工程建設(shè)過程中通常會(huì)產(chǎn)生土石方巨大的棄渣，由于此類棄渣顆粒松散程度不均、顆粒級配差、孔隙率高、欠固結(jié)[1-3]等特點(diǎn)導(dǎo)致其利用率較低，土石方調(diào)配困難，因此需要在交通工程沿線修建大量棄渣場來堆置這些棄渣。棄渣場作為交通工程建設(shè)的線外附屬工程，在設(shè)計(jì)、施工及管理等多方面往往缺乏重視[4-5]，導(dǎo)致棄渣場病害頻發(fā)，水土流失現(xiàn)象嚴(yán)重，對人民群眾生命財(cái)產(chǎn)及生態(tài)環(huán)境造成嚴(yán)重威脅和破壞。

當(dāng)前國內(nèi)外學(xué)者對山區(qū)交通工程棄渣場的研究主要集中在：(1)棄渣邊坡的動(dòng)靜力穩(wěn)定性評價(jià)[6-10]；(2)棄渣宏觀及微觀物理性質(zhì)研究[11-12]；(3)棄渣滑坡敏感性因素研究[13-14]。以上研究通常缺乏對山區(qū)交通工程棄渣場中長期跟蹤統(tǒng)計(jì)調(diào)查以及棄渣場常見病害和安全控制技術(shù)的系統(tǒng)研究。因此，為保證棄渣場中長期安全可控，有必要在管理單位的組織下，聯(lián)合設(shè)計(jì)、施工、科研等單位，開展大量且系統(tǒng)的現(xiàn)場調(diào)查評估工作。

鑒于此，以云南多條高速公路沿線數(shù)十個(gè)棄渣場多期次穩(wěn)定性調(diào)查評估工作為基礎(chǔ)，根據(jù)棄渣場主控要素歸納總結(jié)山區(qū)交通工程棄渣場常見病害類型，研究棄渣場演化特征及致害機(jī)理，針對性地提出綜合安全及控制方法，為類似山區(qū)交通工程棄渣場防災(zāi)減災(zāi)提供參考依據(jù)。

1 山區(qū)交通工程棄渣場常見病害分類

(1) 脫坡滑移

通過多階段現(xiàn)場調(diào)查評估發(fā)現(xiàn)，棄渣容易沿土巖分界面或基底軟弱下臥層發(fā)生擠出滑移變形，滑移通常呈疊坎狀，表現(xiàn)為坡頂下座和坡腳底鼓，容易造成坡體前緣欠穩(wěn)定。對于高邊坡來說，一般坡體中下部是阻滑段，中上部是下滑段，在極端降雨或外界擾動(dòng)條件下，坡腳不穩(wěn)極易造成上部坡體大面積失穩(wěn)下座，嚴(yán)重時(shí)會(huì)甚至?xí)l(fā)泥石流、大面積滑坡甚至古滑坡復(fù)活等地質(zhì)災(zāi)害。圖1所示為棄渣邊坡發(fā)生前緣底鼓，整體脫坡滑移的典型破壞形式。

(a)坡腳前緣底鼓變形 (b) 整體脫坡滑移圖1 整體滑移破壞形式

(2) 局部變形裂縫

棄渣邊坡坡頂、坡面以及臺階等位置出現(xiàn)局部變形裂縫是棄渣場運(yùn)營階段常見病害之一，裂縫的出現(xiàn)也是棄渣場局部失穩(wěn)、甚至整體欠穩(wěn)定的直觀表現(xiàn)。棄渣邊坡坡面淺層弧形貫通裂縫、臺階平臺及坡頂前緣弧形裂縫為常見的裂縫形式。在強(qiáng)降雨等外界因素干擾下，裂縫進(jìn)一步發(fā)展，逐漸造成坡面淺表層局部滑塌、坡面差異沉降及局部坡面脫坡等失穩(wěn)現(xiàn)象。如圖2所示為常見的局部變形破壞形式。

(a)臺階平臺裂縫 (b) 局部脫坡滑移圖2 局部變形破壞形式

(3) 附屬結(jié)構(gòu)失效

棄渣場附屬結(jié)構(gòu)是控制水土流失的重要保障手段，其病害形式主要表現(xiàn)為攔渣墻局部破裂、后背淤積嚴(yán)重，無法形成有效庫容，導(dǎo)致攔渣墻喪失攔截固體物質(zhì)及消能功能，部分?jǐn)r渣墻泄水孔堵塞、排水溝淤堵、破裂、斷頭及棄渣坡面缺失橫向截排水措施等是導(dǎo)致水土流失的主要原因。圖3為棄渣場常見附屬結(jié)構(gòu)病害形式。

(a)攔渣墻后背淤平、棄渣越頂 (b)排水溝淤堵、斷裂圖3 附屬結(jié)構(gòu)病害形式

(4) 坡面沖刷

棄渣場作為一種人工堆積體，其組成結(jié)構(gòu)松散、抗侵蝕能力差，新堆置的棄渣場在經(jīng)歷雨季后，棄渣坡面沖刷現(xiàn)象嚴(yán)重，大量棄渣被沖至下游，坡面初期出現(xiàn)多處溝蝕，后期逐漸發(fā)展成淺溝侵蝕和切溝侵蝕，嚴(yán)重時(shí)于坡面沖刷出數(shù)條大沖溝，造成大量水土流失。圖4為坡面沖刷跡象。

圖4 坡面沖刷

2 棄渣場運(yùn)行演化特征及致害機(jī)理

(1) 山區(qū)交通工程棄渣場運(yùn)行演化特征

棄渣場具有明顯的運(yùn)行演化特征：棄渣粒徑由棄渣場上部至下部、坡面至內(nèi)部逐漸增大，沿著坡高和坡面平行方向均呈現(xiàn)出一定的層位分布特征，粒徑大于300mm的大塊碎石、塊石主要集中在坡腳及底部，粒徑在40～300mm范圍內(nèi)的中塊及部分小塊主要集中在中部，粒徑小于40mm的小塊主要集中在棄渣場上部及坡面表層。隨著運(yùn)行時(shí)間的推移，細(xì)顆粒及中顆粒逐漸向棄渣場內(nèi)部及中下部沉降，填充至大塊空隙中，密度增大，滲透性降低，棄渣顆?？骨治g能力也逐漸提高，水土流失減少，棄渣場的局部及整體穩(wěn)定性有所提高。

圖5 棄渣運(yùn)行演化特征

(2) 山區(qū)交通工程棄渣場致害機(jī)理分析

1)基底存在軟弱地層及清表不徹底致害

現(xiàn)場調(diào)查發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)致棄渣發(fā)生沿土巖界面滑移災(zāi)變的主要原因是由于棄渣堆置前原狀土表層存在一定厚度的軟土或淤泥質(zhì)土等軟弱地層，棄渣前基底清表不徹底就直接將棄渣堆置在軟弱下臥層上，上覆棄渣重量超過軟弱下覆層極限承載力，因此發(fā)生沿接觸面滑移、坡腳底鼓以及側(cè)向擠出等蠕動(dòng)變形。

對某高速公路K2+500渣場進(jìn)行有限元計(jì)算模擬，采用Rockscience軟件系列中Phase2D模塊建立有限元模型，邊界條件采用底面固定約束，側(cè)面法向約束，地表面自由，單元類型為Triangles，共計(jì)2 248個(gè)單元，本構(gòu)模型為理想彈塑性模型，破壞準(zhǔn)則為摩爾-庫倫屈服準(zhǔn)則，計(jì)算模型見圖6，計(jì)算參數(shù)如表1所示。

圖6 棄渣邊坡有限元計(jì)算模型

表1 棄土場計(jì)算參數(shù)建議值表

在有限元計(jì)算模型的基礎(chǔ)上采用強(qiáng)度折減法求解自然狀態(tài)下的安全系數(shù)，通過數(shù)值計(jì)算方法揭示其災(zāi)變機(jī)制。計(jì)算云圖見圖7，計(jì)算結(jié)果見表2。

(a) 最大水平位移 (b)最大豎向位移

(c)總位移 (d) 最大剪應(yīng)變圖7 有限元計(jì)算云圖揭示下的災(zāi)變機(jī)制

表2 棄渣邊坡強(qiáng)度折減法計(jì)算結(jié)果

災(zāi)變機(jī)理： 從位移云圖中可以看出， 最大水平位移集中在坡腳位置， 約1.20m， 最大豎向位移主要表現(xiàn)為中上部下座約0.93m以及坡腳隆起約1.035m，總位移集中在坡體中下部，約2.03m，安全系數(shù)為1.10。從剪應(yīng)變云圖中可以看出，棄渣場發(fā)生變形破壞主要由基底軟弱下臥層控制的土巖分界面滑移變形，計(jì)算所得變形模式與規(guī)模同現(xiàn)場調(diào)查相吻合，也間接表明數(shù)值模擬中計(jì)算模型搭建及參數(shù)選取的適宜性，基于此的數(shù)值計(jì)算擴(kuò)展認(rèn)識可信。

2) 擋排措施失效及棄渣結(jié)構(gòu)特性致害

災(zāi)變機(jī)理：強(qiáng)降雨下棄渣受到地表水沖刷，大量細(xì)顆粒及部分粗顆粒隨地表水沖刷至下游，棄渣邊坡出現(xiàn)大量沖溝，造成植被、農(nóng)田沖毀，甚至堵塞道路及河道，污染水源，威脅橋樁安全。另外，在滲流作用下部分棄渣隨雨水下滲，導(dǎo)致坡頂及坡面一定深度內(nèi)細(xì)粒棄渣含量減少，顆粒分選明顯，坡頂及坡面生態(tài)能力下降。外界擾動(dòng)，不同類型棄渣差異沉降、未按規(guī)范設(shè)計(jì)施工等因素是誘發(fā)攔擋措施失效從而導(dǎo)致大量水土流失的主要原因。

3)選址、設(shè)計(jì)及外界激發(fā)因素的相互耦合致害

任何失穩(wěn)的發(fā)生都是邊界因素、初始因素及外界激發(fā)因素相互耦合的作用結(jié)果[15]。災(zāi)變機(jī)理：發(fā)生整體失穩(wěn)的棄渣場多設(shè)置在山梁一側(cè)的坡面上，三面臨空，受兩側(cè)自然約束不足，棄渣場整形坡率過陡，臺階平臺寬度不足、坡高過大等邊界因素影響。棄渣體本身強(qiáng)度較低，呈松散顆粒狀，在強(qiáng)降雨或地震等外界激發(fā)因素作用下，棄渣場出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象或不平衡推力，在不平衡力作用下，內(nèi)部應(yīng)力場發(fā)生變化，從而形成潛在滑動(dòng)面，坡面淺層渣體抗滑力不足以抵抗棄渣重力分量，棄渣失去平衡，在坡頂、坡面等部位形成弧形貫通裂縫，隨著裂縫的發(fā)展導(dǎo)致局部坍塌或棄渣平臺整體脫坡滑移。

3 棄渣場綜合安全及其控制技術(shù)

(1) 技術(shù)措施

1)基于棄渣天然休止角的保守坡率設(shè)計(jì)

在多階段的調(diào)查過程中取數(shù)棄渣擾動(dòng)樣進(jìn)行篩分實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，棄渣顆粒組成以碎石、中粗礫為主，占總顆粒50%以上，幾乎不含細(xì)粒組顆粒。針對此類以碎石土為主的棄渣場，其實(shí)際棄渣過程類似以自然堆積法進(jìn)行的大型天然休止角試驗(yàn)[16]。因此在坡度整形前進(jìn)行多階段天然休止角測量，統(tǒng)計(jì)極限坡度，根據(jù)所測天然休止角及安全系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)，反算得到設(shè)計(jì)坡率，圖8所示為無黏性棄渣計(jì)算示意圖，其中棄渣安全系數(shù)計(jì)算公式為

FS=tanФ1/tanФ2

(1)

其中：Fs為安全系數(shù)；Ф1為測量所得的天然休止角或內(nèi)摩擦角；Ф2為設(shè)計(jì)整形坡角。

圖8 無黏性棄渣邊坡計(jì)算示意圖

云南地區(qū)絕大多數(shù)棄渣場天然休止角在34°～39°之間，相應(yīng)的極限坡率在1∶1.20～1∶1.50之間，為保證整體安全系數(shù)達(dá)到1.20以上，設(shè)計(jì)坡率應(yīng)在1∶1.45～1∶1.80之間方可滿足要求。

2)基于棄渣邊坡寬臺階的優(yōu)化整形設(shè)計(jì)

山區(qū)交通工程棄渣場選址多數(shù)在山間峽谷中，受征地、經(jīng)濟(jì)等影響因素小，建議在棄渣場中部設(shè)置5～10m寬臺階。棄渣場中部設(shè)置寬臺階的意義在于使原本設(shè)計(jì)的常規(guī)臺階分隔成上、下兩個(gè)高度相對較低的次級邊坡，一方面可以有效的阻斷潛在滑裂面的形成，降低棄渣邊坡整體破壞風(fēng)險(xiǎn)，有助于棄渣邊坡自穩(wěn)能力的提高；另一方面，寬臺階的增加降低了綜合坡率，采用“坡率法+寬窄臺階相結(jié)合”的設(shè)計(jì)思路更有助于棄渣場安全穩(wěn)定性的提高。

3)基于棄渣合理堆置順序的優(yōu)化設(shè)計(jì)

優(yōu)化控制棄渣堆置。在堆置過程中應(yīng)有規(guī)劃地將大塊石埋置在棄渣場下部，有助于實(shí)現(xiàn)反壓護(hù)坡以及穩(wěn)固坡腳的作用，也利于雨水的及時(shí)排水。對于軟巖或棄渣物理性質(zhì)較弱的渣體應(yīng)與其他性質(zhì)理想的渣體進(jìn)行摻混后分層堆置預(yù)壓，對物理性質(zhì)差異較大的渣體，應(yīng)設(shè)計(jì)不同的堆渣順序，避免將軟弱或風(fēng)化嚴(yán)重的巖土體單獨(dú)堆置在棄渣場中下部，否則容易形成軟弱滑動(dòng)帶。

4)強(qiáng)化附屬結(jié)構(gòu)水保措施

增強(qiáng)截排水控制，保證攔砂壩有效庫容。對于坡面和頂面匯水面積較大的棄土場， 應(yīng)在寬臺階位置和坡面沖刷嚴(yán)重部位增設(shè)橫縱向截排水溝， 并接入兩側(cè)邊溝，實(shí)現(xiàn)坡面匯水控制， 坡面和周邊截排系統(tǒng)的加強(qiáng)是棄土邊坡局部穩(wěn)定和中長期穩(wěn)定的重要保障措施， 且簡單有效。 棄渣場堆置初期應(yīng)確保棄渣坡腳距攔渣墻留有5m以上距離， 對于淤積嚴(yán)重的攔渣墻， 攔渣墻背后淤平渣體應(yīng)及時(shí)下清2～3m，形成有效庫容，保障消能攔渣功能。

(2)管理措施

1)工可階段嚴(yán)格把控渣場選址

工可階段的選址，對場地是否存在潛在隱患等問題通常考慮不周，導(dǎo)致工可階段的選址絕大部分不能真正落實(shí)或應(yīng)用。因此，建議對于山區(qū)高速公路棄渣場的選址工作應(yīng)由設(shè)計(jì)、勘察、施工、管理以及政府職能部門等多方進(jìn)行立項(xiàng)討論，實(shí)地勘察，并對選址的科學(xué)合理性、棄渣規(guī)模以及后期變更的可能性進(jìn)行詳細(xì)論述后由設(shè)計(jì)方出具初步設(shè)計(jì)方案，進(jìn)行多方討論后綜合確定。

2)施工階段增強(qiáng)監(jiān)督指導(dǎo)

棄渣堆置過程中常出現(xiàn)實(shí)際棄渣量與設(shè)計(jì)方量懸殊過大、整形坡率過陡、堆置順序不合理形成軟弱夾層、隱蔽工程缺失等問題，這些均為棄渣場實(shí)際運(yùn)行埋下安全隱患。因此，施工階段現(xiàn)場管理人員應(yīng)熟知設(shè)計(jì)方案，定期指導(dǎo)現(xiàn)場一線工作人員施工，特別是施工過程中的清表處置、盲溝修建、附屬結(jié)構(gòu)設(shè)施、碾壓程度、坡率控制、堆渣順序、坡面防護(hù)工程等關(guān)鍵工程的監(jiān)督與指導(dǎo)。

3)中長期水保監(jiān)測及定期巡查

保證棄渣場中長期的安全穩(wěn)定是一項(xiàng)持續(xù)性工作，管理單位應(yīng)嚴(yán)格執(zhí)行經(jīng)有關(guān)單位批準(zhǔn)后的水保監(jiān)測方案，布置相應(yīng)水土流失監(jiān)測觀測站，管理人員定期巡視排查坡體狀態(tài)及水土流失情況，加強(qiáng)雨季監(jiān)測頻率及巡查力度，對檢查出現(xiàn)的問題及時(shí)治理，確保山區(qū)高速公路棄渣場長治久安。

4 結(jié)論

(1)山區(qū)交通工程棄渣場常見的病害根據(jù)主控要素主要為分為四大類：①脫坡滑移；②局部變形裂縫；③附屬結(jié)構(gòu)功能失效；④坡面沖刷。

(2)棄渣平均粒徑由棄渣場上部至下部、坡面至內(nèi)部逐漸增大，沿著坡高和坡面平行方向均呈現(xiàn)出一定的層位分布特征，大塊棄渣多集中在下部及坡腳位置，中塊及部分小塊主要集中在中部，小塊主要集中在上部及坡面表層。

(3)山區(qū)交通工程棄渣場病害的致害要素主要有：①基底存在軟弱地層及清表不徹底致害；②擋排措施失效及棄渣自身結(jié)構(gòu)特性致害；③選址、設(shè)計(jì)及外界激發(fā)因素的相互耦合致害。

(4)根據(jù)棄渣場常見病害、致害機(jī)理以及渣場演化特征，提出技術(shù)措施+管理措施的綜合安全控制措施，以確保能夠達(dá)到棄渣場中長期安全穩(wěn)定的控制目標(biāo)。