王余鵬
(福建林業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院,福建 南平 353000)
露天棄碴場(chǎng)邊坡穩(wěn)定性關(guān)系到施工人員和設(shè)備的安全,以及工程是否能順利進(jìn)行,這一直是建筑技術(shù)人員重視的問(wèn)題。影響棄碴場(chǎng)穩(wěn)定性的因素較多且復(fù)雜,例如邊坡位移、傾斜角、地震波、空隙水壓、連續(xù)降水等,需要系統(tǒng)全面地研究分析各影響因素特點(diǎn),來(lái)判定露天棄碴場(chǎng)失穩(wěn)的時(shí)間、可能發(fā)生的區(qū)域位置及失穩(wěn)破壞的規(guī)模。
目前,棄碴場(chǎng)穩(wěn)定性的研究方法主要有LECFAHP極限平衡法、強(qiáng)度折減法、有限元滑移線場(chǎng)法、邊坡強(qiáng)度形態(tài)優(yōu)化折減法等[1,3-4,7]。但大多數(shù)是以單一的邊坡穩(wěn)定性數(shù)值模擬或是以工程實(shí)例模型試驗(yàn)仿真。目前研究雖然取得了一定成果,但考慮降雨和地震兩項(xiàng)因素對(duì)棄碴場(chǎng)穩(wěn)定性影響的相關(guān)研究較少。在極限平衡法、強(qiáng)度折減法等理論發(fā)展的同時(shí),數(shù)值有限元模擬為解決棄碴場(chǎng)穩(wěn)定性提供了一種近似解。夏冬等概述了白礪灘煤礦飽水砂質(zhì)泥巖弱層長(zhǎng)期強(qiáng)度計(jì)算與邊坡穩(wěn)定性的特點(diǎn)[8],劉燕燕等描述了土質(zhì)邊坡失穩(wěn)破壞的雙安全系數(shù)穩(wěn)定性分析方法[9],黃潤(rùn)秋、張妙枝、龍哲、言志信等提出了無(wú)黏性土斜坡的傾倒變形特點(diǎn)[15,19,21-22]。除有限元數(shù)值模擬外,各種節(jié)理巖體強(qiáng)度及變形參數(shù)模型試驗(yàn)應(yīng)用也比較廣泛。張程遠(yuǎn)、劉杰、姜光成、於汝山等對(duì)邊坡破壞的沖擊荷載作用及地震波速度跨尺度轉(zhuǎn)換進(jìn)行量化和修正[10-13];吳昊、趙華、李世俊、寇昊等采用離心模型試驗(yàn)?zāi)M了邊坡在地震條件下的反應(yīng)以及反傾邊坡傾倒變形演化過(guò)程[16-18,20];王蘭民、陳金昌、張澤林等以地震和降雨耦合作用下邊坡為例進(jìn)行滑坡加速度深度放大效應(yīng)及震后變形模式研究,反演了邊坡在地震和降雨耦合作用下的動(dòng)力響應(yīng)[23-25]。本文以暴雨或連續(xù)降雨+地震工況下的白鶴山隧道棄碴場(chǎng)為研究案例,利用MⅠDAS軟件進(jìn)行穩(wěn)定性分析及數(shù)值模擬,分析多工況下邊坡的等效應(yīng)變、塑性應(yīng)變、Y方向位移及主應(yīng)力分布的發(fā)展趨勢(shì),判定邊坡的穩(wěn)定狀態(tài),為露天棄碴場(chǎng)邊坡工程提供減災(zāi)與避災(zāi)的科學(xué)依據(jù)。
(1)巖土性質(zhì)。巖土類型、礦物組成、巖土強(qiáng)度及結(jié)構(gòu)是影響邊坡裂隙場(chǎng)穩(wěn)定的重要因素。致密堅(jiān)硬、礦物質(zhì)穩(wěn)定、強(qiáng)度較高的巖土構(gòu)成的邊坡較為穩(wěn)定。
(2)邊坡結(jié)構(gòu)。邊坡受結(jié)構(gòu)面影響導(dǎo)致巖體開裂,降低了巖體的整體完整性,使邊坡沿著結(jié)構(gòu)面組合邊界的邊緣產(chǎn)生剪切位移、裂縫、畸形等而造成邊坡的崩塌、滑坡、泥石流等災(zāi)害。
(3)水文地質(zhì)條件。暴雨或連續(xù)降雨增加了坡體結(jié)構(gòu)面下滑位移;同時(shí)暴雨對(duì)邊坡形成面狀、溝狀的侵蝕,使邊坡失去原有側(cè)向及底部的支撐,并使軟夾層和結(jié)構(gòu)水平面抗剪強(qiáng)度降低,導(dǎo)致縫隙水壓增大,從而減小滑動(dòng)面上的有效荷載,造成邊坡的失穩(wěn)。
(4)地震作用。地震作用導(dǎo)致邊坡崩塌,主要是產(chǎn)生水平方向附加力的加速度,當(dāng)?shù)卣鹚椒较虻母郊恿Τ迺r(shí),將導(dǎo)致結(jié)構(gòu)面抗滑力降低,結(jié)構(gòu)層之間的下滑力增大,繼而造成邊坡失穩(wěn)。
九江—景德鎮(zhèn)—衢州鐵路起自九江站,經(jīng)銅九鐵路從湖口站引出,在景德鎮(zhèn)市與皖贛鐵路交叉,再向東經(jīng)婺源縣并與合??瓦\(yùn)專線交叉,繼續(xù)向東經(jīng)德興市,進(jìn)入浙江開化縣、常山縣,止于衢州市,長(zhǎng)343 km,共設(shè)15 個(gè)車站。白鶴山三號(hào)隧道出口、丙龍山隧道棄碴場(chǎng)位于浙江省開化縣楊林鎮(zhèn)中莊自然村北側(cè)。白鶴山隧道棄碴場(chǎng)為白鶴山三號(hào)隧道出口和丙龍山隧道共用的棄碴場(chǎng)。原設(shè)計(jì)的棄碴場(chǎng)位于線路DK227+200右側(cè)40 m左右的山谷內(nèi),后堆放場(chǎng)地改做新杭新景高速公路,棄碴場(chǎng)向西北側(cè)偏移,形成近東西向排列的棄碴場(chǎng),如圖1所示。
圖1 棄碴場(chǎng)衛(wèi)星影像
(1)氣象。屬北亞熱帶季風(fēng)氣候,陰濕寡照,雨量集中在春夏季。根據(jù)1958年以來(lái)的降水量統(tǒng)計(jì),平均年降水量1 805 mm,一年中降水集中期是4—6 月的梅汛期,根據(jù)短歷時(shí)暴雨圖冊(cè),工程區(qū)最大降水量為 45 mm·h-1。
(2)水文。工程區(qū)位于山體斜坡中下部,地表水體不發(fā)育。在中莊自然村有一條溪溝。溝寬7~9 m,水深0.3~0.5 m,溝底沖刷較強(qiáng)烈。水量隨季節(jié)變化明顯,一般雨季、洪水期水量較大,旱季水量小,水流常年不息。
(3)棄碴場(chǎng)地形地貌。工程區(qū)位于浙江省開化縣楊林鎮(zhèn)中莊自然村境內(nèi),屬于浙西低山丘陵,最高點(diǎn)為白鶴山山頂,高程約為364 m,最低點(diǎn)在南部溝溪內(nèi),高程約為115 m,當(dāng)?shù)厍治g基準(zhǔn)面標(biāo)高107 m。棄碴場(chǎng)庫(kù)區(qū)主要位于山體斜坡中下部,地面高程范圍140~180 m(紅線范圍內(nèi)),地形坡度8~25°,地形坡度較平緩。工程區(qū)匯水面積約86 000 m2。
白鶴山隧道棄碴場(chǎng)位于溝谷邊,棄碴場(chǎng)側(cè)緣距離杭新景高速公路路肩43 m,距離東南側(cè)上莊村313 m。
(1)棄碴場(chǎng)巖土參數(shù)?,F(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)丙龍山隧道進(jìn)口棄碴場(chǎng)總占地面積12 000 m2,堆方厚度5~19.65 m,總土方量 11.77 萬(wàn) m3?,F(xiàn)場(chǎng)勘查后,共布設(shè)5 條剖面,線距25 m,線長(zhǎng)300 m。碴體均為碎石塊,一般塊徑5~8 cm,大塊徑30~50 cm。
(2)防排水及綠化措施。目前,棄碴場(chǎng)表面多已自然復(fù)綠,綠化效果較差。棄碴場(chǎng)邊緣設(shè)置有排水溝,并進(jìn)行了水泥硬化。另外,碴體頂部平臺(tái)東北側(cè)分布一南北走向排水溝與坡頂平臺(tái)相連,排水溝長(zhǎng)約25 m,寬約55 cm,深約70 cm。棄碴場(chǎng)表面與平臺(tái)間未設(shè)置截水溝。
(3)支擋及防護(hù)措施。棄碴場(chǎng)坡腳擋墻位于南側(cè)溝口附近,地形坡度5~10°,地面高程約150 m。擋墻為漿砌塊石重力式擋墻,高約3.8 m,頂寬約2.5 m,平面上呈條帶狀,搜集資料顯示擋墻以中等風(fēng)化砂巖作為持力層,墻體設(shè)置有泄水孔,呈梅花形分布。調(diào)查未發(fā)現(xiàn)擋墻有明顯變形跡象,現(xiàn)狀基本穩(wěn)定。
(4)棄碴場(chǎng)級(jí)別。參照文獻(xiàn)[6],棄碴場(chǎng)級(jí)別根據(jù)堆碴量、最大高度及棄碴場(chǎng)失穩(wěn)后損失或危害程度確定,如表1所示。
本工程屬附屬工程,棄碴場(chǎng)堆碴量28.137 萬(wàn)m3,最大堆碴高度18.5 m。但是棄碴場(chǎng)側(cè)緣距離杭新景高速公路隔離柵欄最近處僅5 m,坡腳距離上莊村313 m。棄碴體一旦失穩(wěn),可能對(duì)杭新景高速公路和周圍村莊產(chǎn)生嚴(yán)重危害,因此,綜合判定棄碴場(chǎng)的級(jí)別為1級(jí)。
采用比值定義法計(jì)算邊坡中結(jié)構(gòu)面上的抗滑能力與滑動(dòng)能力的比值,如式(1)所示:
表1 棄碴場(chǎng)級(jí)別
式中,R為坡體結(jié)構(gòu)面上的抗滑力,S為坡體結(jié)構(gòu)面上的滑動(dòng)力。
采用應(yīng)力水平法計(jì)算坡體結(jié)構(gòu)面剪切應(yīng)力的穩(wěn)定系數(shù),當(dāng)坡體結(jié)構(gòu)面某點(diǎn)的有效主應(yīng)力差為以此點(diǎn)作有效主應(yīng)力差的莫爾圓,并保持圓心位置不變,作與之相切的直徑為的破壞應(yīng)力圓,則整個(gè)坡體結(jié)構(gòu)面的穩(wěn)定系數(shù)如式(2)所示:
采用剪應(yīng)力法計(jì)算坡體結(jié)構(gòu)面的穩(wěn)定系數(shù),如式(3)所示:
采用應(yīng)力水平加權(quán)強(qiáng)度法計(jì)算坡體結(jié)構(gòu)面的穩(wěn)定系數(shù),如式(4)所示:
棄碴場(chǎng)邊坡穩(wěn)定性分析的方法有多種,本文對(duì)棄碴場(chǎng)邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)采用MⅠDAS軟件進(jìn)行數(shù)值分析計(jì)算。參照文獻(xiàn)[5],棄碴場(chǎng)安全系數(shù)驗(yàn)算按照表2中的4 種工況進(jìn)行。
(1)工況Ⅰ
正常工況時(shí),僅考慮自重及正常地下水位。在進(jìn)行棄碴場(chǎng)穩(wěn)定性分析時(shí)首先需要解決研究對(duì)象問(wèn)題,根據(jù)陳祖煜[26]的研究,當(dāng)將浸水土體作為研究對(duì)象時(shí),水和土骨架之間的力是系統(tǒng)內(nèi)力,包括浮力以及滲透力,在計(jì)算過(guò)程中都不用考慮,土體的水上部位取天然容重,水下部位取飽和容重,滑動(dòng)體邊界還要受到坡外水的壓力,對(duì)這部分力,又可通過(guò)處理方法,將坡外水位以下的土體重量減去同體積水的重量。
表2 安全系數(shù)
(2)工況Ⅱ
考慮到當(dāng)暴雨或連續(xù)降雨強(qiáng)度大于地表面吸納降雨的能力時(shí),地表面的邊界處于飽和狀態(tài),因而采用MⅠDAS GTS中降雨分析的流量—水頭轉(zhuǎn)換功能(面流量>滲流系數(shù)時(shí),總水頭=位置水頭),將暴雨或連續(xù)降雨工況的流量邊界(降雨吸納邊界)自動(dòng)轉(zhuǎn)換為水位條件。其降雨面流量>滲流系數(shù)的邊界強(qiáng)度設(shè)置為211.7 mm·d-1(根據(jù)開化縣氣象資料,當(dāng)?shù)?00 年一遇的降雨強(qiáng)度為211.7 mm·d-1),持續(xù)時(shí)間為1天。
(3)工況Ⅲ
棄碴場(chǎng)受到地震慣性作用后,棄碴場(chǎng)邊坡整體下滑力加大從而導(dǎo)致棄碴場(chǎng)失穩(wěn)。如表2所示,判定本工況下棄碴場(chǎng)安全等級(jí)為一級(jí),進(jìn)而將地震計(jì)算烈度提高一度,水平地震系數(shù)按照地震烈度Ⅵ度取值。數(shù)值分析中采用美國(guó)圣費(fèi)爾南多(San Fernando)的地震波作為輸入波,其輸入波數(shù)值見圖2,水平峰值加速度取值0.3g,豎向峰值加速度為水平方向的2/3倍,計(jì)算時(shí)長(zhǎng)取10 s,動(dòng)力計(jì)算的時(shí)間步長(zhǎng)取0.01 s。
圖2 San Fernando輸入波加速度時(shí)程曲線
(4)工況Ⅳ
參照文獻(xiàn)[2],暴雨工況對(duì)應(yīng)的降雨強(qiáng)度對(duì)1、2級(jí)棄碴場(chǎng)不應(yīng)小于50 年一遇,對(duì)3、4、5級(jí)棄碴場(chǎng)不應(yīng)小于20 年一遇,分析此時(shí)棄碴場(chǎng)能否維持自穩(wěn),采用MⅠDAS GTS瞬態(tài)水位下土體容重、黏聚力、內(nèi)摩擦角等指標(biāo)的有效值,并結(jié)合位于地震Ⅵ度烈度區(qū)的浙江省開化縣地質(zhì)調(diào)查數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)值分析。
為了減少邊界取值對(duì)MⅠDAS計(jì)算精度的影響,選擇露天棄碴場(chǎng)坡腳左側(cè)邊界距離為斜面高度的1.5 倍,坡面頂點(diǎn)至右側(cè)的距離為斜面高度的2.5倍。網(wǎng)格劃分單元為六面體實(shí)體單元,露天棄碴場(chǎng)的底部設(shè)置全約束,將邊坡的四周邊界設(shè)置為方向約束[3],如圖 3所示。
圖3 棄碴場(chǎng)有限元模型
4.2.1 計(jì)算參數(shù)
邊坡的碴體局部地段目前已被壓實(shí),碴體頂部為壓實(shí)平整的場(chǎng)地,碴體已堆放時(shí)間較長(zhǎng),根據(jù)當(dāng)?shù)毓こ炭辈旖?jīng)驗(yàn),結(jié)合同類型棄碴場(chǎng)情況的MⅠDAS數(shù)值分析,各參數(shù)見表3。
4.2.2 數(shù)值結(jié)果分析
通過(guò)MⅠDAS GTS分析棄碴場(chǎng)的主應(yīng)力分布(第一、第三主應(yīng)力)、等效應(yīng)變、塑性應(yīng)變、Y方向位移等數(shù)值,如圖4所示。
表3 棄碴場(chǎng)穩(wěn)定性計(jì)算參數(shù)
圖4 4種工況下數(shù)值結(jié)果對(duì)比
依據(jù)文獻(xiàn)[5]要求,結(jié)合邊坡設(shè)計(jì)工程經(jīng)驗(yàn),本邊坡評(píng)估計(jì)算的工況及穩(wěn)定性安全系數(shù)如表5所示。綜合考慮地層條件和邊坡地形,在地層條件較差、地形上存在較大變異之處,擬定最底層的跛腳區(qū)域作為典型剖面,如圖3所示,計(jì)算得到棄碴場(chǎng)安全系數(shù),如表5所示。
表5 棄碴場(chǎng)安全系數(shù)
(1)正常工況
正常工況下,潛在破壞區(qū)域主要集中在棄碴場(chǎng)南部坡度較陡的位置,可能出現(xiàn)的破壞模式是南部較陡邊坡頂部崩塌、底部剪出。
(2)暴雨或連續(xù)降雨工況
暴雨或連續(xù)降雨工況下,邊坡上部的土體在暴雨作用下逐漸發(fā)生水平位移,隨著降雨量的增大位移逐漸增大,但位移量未達(dá)到破壞狀態(tài);其潛在破壞區(qū)域主要集中在棄碴場(chǎng)南部坡度較陡處,可能出現(xiàn)的破壞模式是南部較陡邊坡頂部崩塌、底部剪出。通過(guò)數(shù)值分析可知,暴雨或連續(xù)降雨作用工況下的邊坡整體安全系數(shù)為1.712 5,安全儲(chǔ)備充足,邊坡處于穩(wěn)定安全狀態(tài)。
(3)地震工況
在地震工況下,隨地震時(shí)間增加,棄碴場(chǎng)南部較陡位置的水平及Y方向位移變化增大。由于棄碴屬于散體結(jié)構(gòu),且棄碴場(chǎng)底部更是坐落在素填土層,如果棄碴場(chǎng)的坡面和坡底同時(shí)受到剪應(yīng)力和拉應(yīng)力作用,南部較陡位置底部的一級(jí)邊坡必將出現(xiàn)較大的裂縫。如表6所示,其Y方向最大位移8.579 cm。另外根據(jù)分析(表5),該工況的邊坡整體安全系數(shù)為1.120 3,僅比規(guī)范1.10的安全系數(shù)高出0.020 3,目前處于穩(wěn)定安全狀態(tài),但需加強(qiáng)監(jiān)測(cè)。
表6 地震作用下棄碴場(chǎng)Y方向最大位移
(4)暴雨或連續(xù)降雨+地震工況
在暴雨或連續(xù)降雨+地震的作用下,棄碴場(chǎng)水平位移隨著地震時(shí)間增加在迅速擴(kuò)大,尤其是棄碴場(chǎng)的素填土層。在地震及暴雨作用前,邊坡無(wú)塑性區(qū),隨地震作用,塑性區(qū)沿棄碴場(chǎng)素填土底面逐漸形成貫通區(qū);當(dāng)輸入San Fernando的地震波3 s后,棄碴場(chǎng)塑性貫通區(qū)形成;在10 s時(shí),棄碴場(chǎng)一級(jí)邊坡的Y方向最大位移為19.240 cm,如表6所示,即邊坡出現(xiàn)開裂變形。由數(shù)值模擬結(jié)果推斷,在地震發(fā)生10 s后,棄碴場(chǎng)素填土全部為塑性區(qū),此時(shí)安全系數(shù)為1.055 2。雖然滿足規(guī)范1.05的安全系數(shù),但棄碴場(chǎng)局部坡頂位置的沉降及坡腳位置的塑性應(yīng)變變形較大。為消除此種條件下邊坡失穩(wěn)坍塌的隱患,需提前在棄碴場(chǎng)邊緣外設(shè)置截水溝,截流坡面匯水,消除坡面積水現(xiàn)象,并對(duì)頂部平臺(tái)進(jìn)行覆土綠化,種植綠化樹進(jìn)行固土,確保棄碴場(chǎng)的穩(wěn)定性。
(1)根據(jù)文獻(xiàn)[6],白鶴山隧道棄碴場(chǎng)級(jí)別為1級(jí)。正常工況下,棄碴場(chǎng)穩(wěn)定性系數(shù)為2.110 9,大于規(guī)范要求的最小安全系數(shù)1.45,穩(wěn)定性達(dá)到穩(wěn)定級(jí)別,判定為穩(wěn)定性良好。同時(shí)棄碴場(chǎng)在暴雨或連續(xù)降雨作用工況、地震作用工況下可以滿足文獻(xiàn)[5]的安全系數(shù)控制要求。
(2)通過(guò)棄碴場(chǎng)支護(hù)使用情況建立了空間3D模型,充分考慮復(fù)雜水文地質(zhì)的空間影響,計(jì)算了正常工況、暴雨或連續(xù)降雨工況、地震工況及暴雨或連續(xù)降雨+地震工況對(duì)棄碴場(chǎng)的作用。模型分析表明,暴雨或連續(xù)降雨+地震的工況對(duì)棄碴場(chǎng)穩(wěn)定性評(píng)價(jià)影響明顯。尤其是南部較陡位置底部的一級(jí)邊坡出現(xiàn)19.240 cm的Y方向位移。該工況下邊坡整體安全系數(shù)為1.055 2,僅比規(guī)范1.05的安全系數(shù)高出0.005 2,需對(duì)南部較陡位置采取加固措施。
(3)暴雨或者地震等綜合因素致使棄碴場(chǎng)的坡頂沉降及坡腳的塑性變形較大,為防止棄碴場(chǎng)失穩(wěn),采用“排水工程+掛網(wǎng)噴錨+抗滑樁”的策略。一方面,可在棄碴場(chǎng)最上級(jí)邊坡鋪筑干砌片石進(jìn)行坡面雨水的排引,防止雨水入滲,由此防止坡頂位置沉降擴(kuò)大,保證最上級(jí)邊坡的坡面穩(wěn)定。另一方面,棄碴場(chǎng)坡體沒有任何支護(hù)措施,容易產(chǎn)生蠕滑錯(cuò)動(dòng),建議對(duì)棄碴場(chǎng)強(qiáng)夯補(bǔ)強(qiáng)后進(jìn)行掛網(wǎng)噴錨,并適當(dāng)加入錨桿錨索。同時(shí)為降低坡腳位置的坡體推力,建議在最下級(jí)邊坡坡腳設(shè)置一排抗滑樁進(jìn)行防護(hù),并加強(qiáng)地下水位和裂縫監(jiān)測(cè)工作。