李 薇，楊 華，尹小濤，張 朔,4

(1.云南交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，云南 昆明 650000；2.中交鐵道(武漢)建設(shè)科技有限公司，湖北 武漢 430056；3.中國科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所 巖土力學(xué)與工程國家重點試驗室，湖北 武漢 430071；4.安徽理工大學(xué) 土木建筑學(xué)院，安徽 淮南 232001)

0 引言

隨著“長江經(jīng)濟帶”和“一帶一路”倡議等國家政策的頒布實施，我國西南地區(qū)高速公路和鐵路項目建設(shè)逐漸增多。由于我國西南地區(qū)屬于山地高原地形，江河縱橫，地跨6大水系，這一獨特的自然地形地貌特點決定了山區(qū)高速公路建設(shè)以橋隧為主。因此，在山區(qū)高速公路建設(shè)過程中產(chǎn)生土石方量巨大的棄渣。這些棄渣因其顆粒級配差、欠固結(jié)、非飽和等因素導(dǎo)致再利用率極低[1-5]，若這些棄渣隨意堆置或處置、防護不當，則會對生態(tài)環(huán)境造成極大破壞，導(dǎo)致水土流失，嚴重時極易形成滑坡、泥石流等安全問題，直接威脅高速公路沿線生產(chǎn)、生活安全。因此，在高速公路沿線需要建設(shè)大量的棄渣場來堆置這些棄渣。

目前，國內(nèi)外學(xué)者對山區(qū)高速公路棄渣場的研究較少，蔣成海等[6]指出了山區(qū)高速公路棄渣場建設(shè)在技術(shù)及管理兩方面存在的問題，并針對存在的問題，分別從規(guī)劃設(shè)計階段、工程實施階段和運營管理階段提出了建議。張家銘等[7]考慮多種影響棄渣邊坡安全穩(wěn)定的因素，基于改進的正交設(shè)計方法對其設(shè)計和防護提供指導(dǎo)。吳謙等[8]對某一棄渣場穩(wěn)定性可靠度進行研究，發(fā)現(xiàn)邊坡穩(wěn)定系數(shù)對棄渣內(nèi)摩擦角的變異最為敏感。劉建偉等[9]采集棄渣場不同坡位的棄渣樣品，對多項物理指標進行測定，研究影響棄渣場穩(wěn)定性的主要因素。劉浩等[10]結(jié)合典型棄渣場工程實例，通過正交試驗設(shè)計和方差分析理論對棄渣場滑坡影響因素敏感性進行了分析。王光輝等[11]基于棄渣邊坡地質(zhì)模型利用數(shù)值計算方法分析了該棄渣場在降雨條件下的邊坡穩(wěn)定性。張朔等[12]歸納總結(jié)了山區(qū)高速公路棄渣場常見病害，并對其致害機理和相應(yīng)的安全控制技術(shù)進行了深入探討。從目前的研究現(xiàn)狀來看，研究主要集中于影響棄渣場安全穩(wěn)定因素的研判，且目前的棄渣場安全評估工作相對靜態(tài)，忽視了棄渣體從堆積到穩(wěn)定是一個動態(tài)過程，缺乏對其系統(tǒng)的綜合安全控制技術(shù)研究。

1 當前山區(qū)高速公路棄渣場存在的問題及挑戰(zhàn)

1.1 山區(qū)高速公路棄渣場存在的問題

(1)山區(qū)高速公路棄渣場設(shè)計施工管理等無章可循，作為高速公路建設(shè)的線外附屬工程，在各個方面得不到重視[13]。當前相關(guān)工作主要參考其他行業(yè)排土場規(guī)范或水土保持類相關(guān)規(guī)范[14-15]，不能真正反映棄渣自身特點和山區(qū)棄渣場既有特征。

(2)工可階段選址存在潛在隱患，由于山區(qū)高速公路沿線場地極為有限，前期選址過于理想化，缺乏系統(tǒng)可操作性的完備考慮，導(dǎo)致某些棄渣場地自然穩(wěn)定性存在潛在隱患[16]。

(3)棄渣本身性質(zhì)較差，顆粒級配不良，分選性差，孔隙率高，結(jié)構(gòu)松散，欠固結(jié)，施工過程中通常不進行嚴格壓實處理，需要較長時間固結(jié)穩(wěn)定，由此造成一定范圍內(nèi)的工后不均勻沉降。

(4)棄渣過程缺乏嚴格管控，存在過多安全隱患，譬如棄渣方量超標、場地清表不到位、棄渣臨空面過多、邊坡坡率過陡、邊坡臺階寬度不足等問題。

(5)當前棄渣場穩(wěn)定性評估多為一次性的終了評估，資料相對靜止，缺乏多階段定性調(diào)查，棄渣邊坡屬于人工松散堆積體，常見的破壞形式與傳統(tǒng)的土質(zhì)或巖質(zhì)邊坡不同，僅憑定性或定量手段以傳統(tǒng)邊坡穩(wěn)定性評價的方式進行評估，往往導(dǎo)致結(jié)果失真。

1.2 山區(qū)高速公路棄渣場面臨的挑戰(zhàn)

(1)近期密集的法律法規(guī)的頒布實施。當前我國環(huán)保法規(guī)日趨嚴格，為了約束相關(guān)單位保護當?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境，相關(guān)部委在強制規(guī)定生產(chǎn)建設(shè)單位編制水土保持方案的基礎(chǔ)上，相繼下達的《生產(chǎn)建設(shè)項目水土保持監(jiān)督管理辦法》(辦水保函[2019]172號)、《生產(chǎn)建設(shè)項目水土保持承諾制管理的通知》(辦水保[2020]160號)等文件均明確指出應(yīng)當將棄渣場作為水土保持的重中之重，并細化棄渣堆置階段的各單位主體責(zé)任。由此帶來的改變，對原有穩(wěn)定性評價內(nèi)容和方法提出挑戰(zhàn)。因此，如何準確、規(guī)范、合理地進行山區(qū)高速公路棄渣場綜合安全評估值工作值得思考。

(2)近期安全事故頻發(fā)。深圳光明新區(qū)紅坳棄渣場失穩(wěn)事故，其主要原因是棄渣超載造成的地基承載失穩(wěn)，事故帶來的警示是不能沒有論證地擅自增容擴容。云南云臨高速某棄渣場的失穩(wěn)問題，主要原因在于下臥層造成的地基失穩(wěn)，那么這些事故提出的挑戰(zhàn)是現(xiàn)有的選址方法是不完善的，目前工可調(diào)查的范圍，多數(shù)局限于在google圖上作業(yè)，包括現(xiàn)場看一下、圈一下，這樣選址對于多數(shù)是可以的，可是出問題的往往是特殊案例，帶來的危害也是巨大的。這些安全事故說明依托既有規(guī)范，如果是狹隘的理解評估是遠遠不夠的，如果沿用傳統(tǒng)的方式方法那么這類安全問題可能還會產(chǎn)生。

(3)棄渣場評估流程逐漸嚴格化、科學(xué)化、合理化，相關(guān)單位需要正視棄渣場工作，針對山區(qū)高速公路建設(shè)和運營過程中棄渣場可能出現(xiàn)的安全問題和環(huán)境問題，開展相應(yīng)的科學(xué)研究工作，摒棄以往的一次性終了驗收性評估，通過定性與定量相結(jié)合的評估方式進行多階段跟蹤評估，提出安全經(jīng)濟且適用于山區(qū)高速公路棄渣場的綜合安全控制技術(shù)。

因此，本研究在總結(jié)當前山區(qū)高速公路棄渣場存在的諸多問題和挑戰(zhàn)的基礎(chǔ)上，依托實際工程，利用前期、中期和整形后不同階段的現(xiàn)場踏勘、多期測繪等技術(shù)資料，進行定性評價，采用地面調(diào)查方式，利用工程地質(zhì)評價方法，重點解決不良地質(zhì)和地基承載帶來的整體失穩(wěn)風(fēng)險；定量評價，采用極限平衡法建模計算方式，利用不同工況棄渣邊坡安全系數(shù)標準，判斷棄渣邊坡是否滿足工程穩(wěn)定性要求，把控棄渣邊坡的安全風(fēng)險。定性和定量相結(jié)合的棄渣場穩(wěn)定性綜合評估方法可以為山區(qū)類似棄渣場工程穩(wěn)定性評價和安全控制提供借鑒。

2 山區(qū)交通工程棄渣場綜合評估方法

首先山區(qū)棄渣工程的實施具有階段特征，不同階段面臨不同的安全挑戰(zhàn)，規(guī)劃設(shè)計階段主要是定性方法；實施階段主要是定量方法，兩者共同組成了完整的符合實際的棄渣場穩(wěn)定性專題評估。

2.1 定性評估

定性評估，采用方法主要是地面調(diào)查，適用于初期規(guī)劃階段，采用工程地質(zhì)評價方法，主要解決不良地質(zhì)和地基承載安全帶來的棄渣場整體失穩(wěn)安全風(fēng)險，控制指標主要是規(guī)劃堆高造成的堆載不能超過地基承載力。

2.2 定量評估

定量評估，采用方法主要是規(guī)范規(guī)定的極限平衡方法，適用于整形后階段，采用數(shù)值建模計算的方式，主要解決棄渣邊坡是否滿足工程穩(wěn)定性要求帶來的安全風(fēng)險，控制指標主要是自然、降雨、地震工況棄渣邊坡是否滿足規(guī)范規(guī)定安全系數(shù)標準。

定性和定量相結(jié)合有助于解決棄渣場的穩(wěn)定性，符合實際工程的評估流程，做到風(fēng)險的過程把控。

3 工程實例

3.1 工程概況

該棄渣場位于大永高速公路主線K2+500的山間溝谷，邊坡為斜坡，底部為緩坡，邊坡為淤泥或淤泥質(zhì)土，厚約1～2 m。該棄土場棄土高度最高約24 m，占地26.6×104m2，設(shè)計棄方量達146.0×104m3。

該棄土場恢復(fù)后分2級，第1級高10 m，坡比1∶1.7；第2級高10 m，坡比1∶1.7。坡腳設(shè)置兩道攔砂壩，坡高8 m，長分別為156.5 m和132.1 m。該棄土場設(shè)置排水溝，0.6 m×0.6 m排水溝420 m，3 m×2 m排水溝1 121 m。棄土場在堆放棄前方，沿原溝槽設(shè)置1.5 m×1 m的盲溝1 010 m。3級棄渣場，如圖1所示。

圖1 不同時期K2+500棄渣場照片F(xiàn)ig.1 Photos of K2+ 500 spoil ground in different periods

K2+500棄渣場整體1級填筑，坡體兩側(cè)設(shè)置排水溝，坡角約為40°，臨近攔砂壩一側(cè)底部可見明顯底鼓，側(cè)向擠出效應(yīng)顯著，前緣邊坡處于欠穩(wěn)定狀態(tài)，飽和狀態(tài)下存在局部穩(wěn)定性問題。坡前設(shè)置攔渣墻，往下約30 m位置有一橫跨輸水渡槽，溝口右側(cè)山坡頂部有一戶人家。平面地形見圖2。

圖2 K2+500棄渣場平面Fig.2 Plane of K2 + 500 spoil ground

3.2 基于地面調(diào)查的定性評估

3.2.1 地面調(diào)查

根據(jù)規(guī)范要求，需要調(diào)查并評估攔渣墻和渠道等主體結(jié)構(gòu)的外觀、功能；坡面穩(wěn)定狀態(tài)。從現(xiàn)場調(diào)查和施工單位提供的基槽照片來看，攔渣墻直接坐落在基巖上，結(jié)構(gòu)外觀完好，背側(cè)容量充足，攔渣墻當前狀態(tài)穩(wěn)定。棄渣場攔渣墻現(xiàn)狀如圖3所示。

圖3 K2+500棄渣場攔渣墻現(xiàn)狀Fig.3 Current situation of slag retaining wall in K2+500 spoil ground

已設(shè)置邊溝，既有截排水措施整體結(jié)構(gòu)完好，調(diào)查期間發(fā)現(xiàn)局部開裂破損現(xiàn)象，建議及時修補，防止坡面匯水通過裂縫進入坡體，如圖4所示。

圖4 部分截排水溝淤塞、破損Fig.4 Blockage and damage of part of drainage ditch

現(xiàn)場調(diào)查發(fā)現(xiàn)，該棄渣場采用1級坡堆積整形。調(diào)查期間發(fā)現(xiàn)坡體前緣有側(cè)向擠出變形滑坡跡象，坡腳淤泥質(zhì)土層隆起，前緣坡頂發(fā)現(xiàn)多條弧形裂縫，見圖5。從以上調(diào)查情況來看，棄渣邊坡目前處于欠穩(wěn)定狀態(tài)。

圖5 K2+500棄渣場坡面調(diào)查Fig.5 Investigating slope surface of K2+500 spoil ground

3.2.2 調(diào)查評估

(1)定性評價

當前坡腳不穩(wěn)定，局部有脫坡跡象，底部隆起嚴重，推移底部淤泥質(zhì)土平移約10 m左右，有多條弧形底鼓裂縫，目測淤泥質(zhì)土層厚度不大，前緣邊坡存在失穩(wěn)風(fēng)險，且靠近攔渣墻，繼續(xù)堆積則可能威脅攔渣墻的整體安全。

(2)潛在問題分析及處治措施建議

根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查、棄渣場設(shè)計文件和堆填現(xiàn)狀的綜合分析，認為形成前緣坡體滑移的原因是：①初始選擇場地的時候未發(fā)現(xiàn)表層淤泥質(zhì)土層，或者這部分不良土體是清表后堆積期間外運堆積造成，這些都是過程管理不到位造成的；②表層1 m左右淤泥質(zhì)土的側(cè)向擠出效應(yīng)是造成前緣邊坡失穩(wěn)的主要因素；③建議在前緣10 m范圍清底至自然較好土層，利用棄渣壓實形成一個壓腳平臺，在保證前緣坡體安全的基礎(chǔ)上，也可以保障前緣坡體不會威脅到攔渣墻。

3.3 基于建模計算的定量評估

根據(jù)勘察報告、水土保持文件、規(guī)范經(jīng)驗取值、現(xiàn)場試驗和數(shù)值反分析[17]，綜合確定了K2+500棄渣場計算參數(shù)，統(tǒng)計列于表1。

表1 K2+500棄渣場現(xiàn)場試驗結(jié)果及計算參數(shù)Tab.1 Field test result and calculation parameters of K2+500 spoil ground

根據(jù)《中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖》(GB18306—2015)[18]，測區(qū)地震動峰值加速度為 0.20g，地震動反應(yīng)譜特征周期 0.40 s，地震基本烈度為Ⅷ度。根據(jù)設(shè)計提供的計算剖面，在slide軟件平臺建立其計算模型，采用自動搜索滑面的Bishop法計算穩(wěn)定性系數(shù)，最不利滑面見圖6，不同工況穩(wěn)定性系數(shù)統(tǒng)計列于表2。

圖6 K2+500棄渣邊坡的最不利滑面Fig.8 Worst sliding surface of K2+500 spoil slope

表2 K2+500棄土場邊坡穩(wěn)定性系數(shù)Tab.2 Stability coefficients of K2+500 spoil ground

由表2和圖6可知，K2+500棄渣邊坡，現(xiàn)狀地形，正常工況穩(wěn)定性系數(shù)1.09，小于1.25，不滿足工程穩(wěn)定性要求；非正常工況Ⅰ穩(wěn)定性系數(shù)1.02，小于1.10，不滿足工程穩(wěn)定性要求；非正常工況Ⅱ穩(wěn)定性系數(shù)0.80，小于1.10，不滿足工程穩(wěn)定性要求。在坡腳清除淤泥質(zhì)土層后，按1∶2.0坡率設(shè)置8 m 高10 m寬反壓平臺后，棄土邊坡正常工況1.635，大于1.25，滿足工程穩(wěn)定性要求；非正常工況Ⅰ1.477，大于1.10，滿足工程穩(wěn)定性要求；非正常工況Ⅱ1.126，大于1.10，滿足工程穩(wěn)定性要求。因此，K2+500棄土場邊坡，現(xiàn)狀地形下，均不滿足工程穩(wěn)定性要求；表層淤泥質(zhì)土層需要做清除處理，清除寬度不小于10 m，整形坡率按1∶2.0考慮，坡高8 m反壓措施下，整治地形下，均滿足工程穩(wěn)定性要求。

4 現(xiàn)行規(guī)范作法和本研究方法對比分析

(1)現(xiàn)行規(guī)范做法下的評估效能分析

行業(yè)現(xiàn)在普遍的做法是在完成棄渣邊坡的整形后，委托有資質(zhì)的單位對棄渣場進行穩(wěn)定性專題評估。對于前期和過程的評估沒有做強制要求。

普遍做法是在現(xiàn)場調(diào)查的基礎(chǔ)上，評估攔渣墻、渠道系統(tǒng)是否滿足要求；在現(xiàn)場試驗或室內(nèi)試驗或經(jīng)驗取值的基礎(chǔ)上，建模計算分析，完成棄渣邊坡的穩(wěn)定性評價。驗算棄渣邊坡是否存在沿渣體內(nèi)部、棄渣和原地面接觸部位、沿自然地層不利位置產(chǎn)生滑移風(fēng)險。這些是當前評估的重點。

靜態(tài)評估，忽視了過程管控，對于帶病上崗和后期劣化的控制效果幾乎為0。國家近期密集出臺了很多管理文件，無外乎強調(diào)主體責(zé)任，已經(jīng)有多階段全鏈條評估的趨勢。

(2)本研究綜合評估方法的效能分析

定性和定量相結(jié)合的綜合評估方法是單位該領(lǐng)域有效工作經(jīng)驗的總結(jié)，實踐證明是行之有效的，將安全控制目標前移分解到工作的各環(huán)節(jié)，主要包括以下環(huán)節(jié)：①場地階段解決選好地址，避免或者管控不良地質(zhì)、特殊土體帶來的不利影響，控制整體失穩(wěn)風(fēng)險。②堆積過程的全程管控和規(guī)劃堆積，避免不良渣土堆積在底部和表面，盡可能好的土體包裹不好的土體。③整形后棄渣邊坡穩(wěn)定性評價，控制坡率，保障棄渣邊坡整體穩(wěn)定。④主體結(jié)構(gòu)效能的定期管養(yǎng)，保證控水攔渣，保證棄渣場的中長期安全，棄渣工程本身是多環(huán)節(jié)動態(tài)過程，那么評估就要體現(xiàn)這些特點，否則脫離實際，則管控效果就會大打折扣。

5 結(jié)論

在總結(jié)當前山區(qū)高速公路棄渣工程穩(wěn)定性專題評估存在問題的基礎(chǔ)上，根據(jù)作者對該領(lǐng)域的長期跟蹤服務(wù)，提出了定性和定量相結(jié)合的綜合評估方法，明確了兩者的工作內(nèi)容、方法和目標，利用工程實例檢驗了方法的科學(xué)性和合理性。

定性評估，采用多階段地面調(diào)查方法，適用于初期規(guī)劃階段，采用工程地質(zhì)評價方法，主要解決不良地質(zhì)和地基承載安全帶來的棄渣場整體失穩(wěn)安全風(fēng)險，控制指標主要是規(guī)劃堆高造成的堆載不能超過地基承載力，解決帶病上崗風(fēng)險。

定量評估，采用建模計算方法，適用于整形后階段，采用極限平衡法，主要解決棄渣邊坡是否滿足工程穩(wěn)定性要求帶來的安全風(fēng)險，控制指標主要是自然、降雨、地震工況棄渣邊坡是否滿足規(guī)范規(guī)定安全系數(shù)標準，解決棄渣邊坡是否存在沿渣體內(nèi)部、棄渣和原地面接觸部位、沿自然地層不利位置產(chǎn)生的滑移風(fēng)險。

定性和定量相結(jié)合有助于解決棄渣場的穩(wěn)定性，符合實際工程的評估流程，做到風(fēng)險的過程把控，更符合山區(qū)棄渣工程的實際特點。