周文洋

（中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，四川 成都 610031）

0 引言

隧道的施工過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量的棄碴，這些棄碴會(huì)堆放在方便的地方，以便進(jìn)一步使用。由于棄碴一直是隧道開挖面臨的一個(gè)重大問(wèn)題，因此需要研究棄碴場(chǎng)設(shè)計(jì)，以便在有限的空間內(nèi)堆放更多棄碴。，而棄碴堆放將會(huì)引起邊坡穩(wěn)定性問(wèn)題，目前最常用的計(jì)算方法是有限元法和極限平衡法[1-2]。曹蘭柱[3]、楊欽[4]利用數(shù)值差分軟件FLAC3D對(duì)排土場(chǎng)進(jìn)行模擬分析，并根據(jù)排土場(chǎng)的常見邊坡保護(hù)形式和滑坡機(jī)制，提出了一些有效的排土場(chǎng)滑坡處理方案和提高排土場(chǎng)邊坡穩(wěn)定性的措施。李真[5]用構(gòu)建的FLAC3D的FISH語(yǔ)言，根據(jù)邊坡堆疊順序模擬分析結(jié)果，在全面分析影響排土場(chǎng)邊坡穩(wěn)定性的基礎(chǔ)上，結(jié)合當(dāng)前排土場(chǎng)邊坡?lián)p傷情況，提出相應(yīng)的防治措施。SunGuanhua[6]利用FLAC3D計(jì)算出數(shù)值結(jié)果，通過(guò)與極限平衡法的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析比較后，提出了后續(xù)治理計(jì)劃。

該文將以烏蒙山一號(hào)隧道出口2#棄碴場(chǎng)為研究對(duì)象，運(yùn)用極限平衡法計(jì)算典型剖面的穩(wěn)定系數(shù)對(duì)棄碴場(chǎng)邊坡穩(wěn)定性做出初步評(píng)價(jià)。利用FLAC3D對(duì)棄碴場(chǎng)邊坡三維地質(zhì)體模型進(jìn)行模擬計(jì)算，進(jìn)一步分析應(yīng)力和應(yīng)變特性，預(yù)測(cè)潛在的滑動(dòng)體，在兼顧邊坡穩(wěn)定性的同時(shí)保證棄碴容量最大，提出堆置優(yōu)化的參數(shù)，該文的研究成果可為這種棄碴場(chǎng)穩(wěn)定計(jì)算和優(yōu)化堆放提供參考。

1 工程概況

烏蒙山一號(hào)隧道出口2#棄碴場(chǎng)位于貴州省畢節(jié)地區(qū)威寧縣龍場(chǎng)鎮(zhèn)，對(duì)應(yīng)鐵路里程為DK275+900～DK276+100，占地面積約3.42hm2，實(shí)際棄碴場(chǎng)量為80.77萬(wàn)m3，最大棄碴高度約81.7m，棄碴量和占地面積均與原設(shè)計(jì)相同。該棄碴場(chǎng)的棄碴來(lái)自于DK273+410～DK278+224.06段烏蒙山一號(hào)隧道 （DK272+741.5）和烏蒙山二號(hào)隧道（ DK282+219）開挖的棄方，棄碴成分主要為石渣，屬于灰?guī)r、泥灰?guī)r、砂巖、泥巖。

該棄碴場(chǎng)位于烏蒙山一號(hào)隧道出口觀音河下游深切河谷地帶，對(duì)應(yīng)鐵路里程為DK275+900～DK276+100，棄碴場(chǎng)原地形頂部標(biāo)高1832.0m，底部標(biāo)高1925.6m，高差93.6m。在棄碴場(chǎng)坡腳上方有高壓線路通過(guò)，高壓鐵塔位于左側(cè)山體頂部，距離渣場(chǎng)邊緣約80m。由于棄碴場(chǎng)位于河谷內(nèi)并占據(jù)了河道，因此在棄碴場(chǎng)前緣設(shè)置有泄水洞，通過(guò)該洞將觀音河水引排至下游。棄碴場(chǎng)影響區(qū)域周圍無(wú)居民、房屋、國(guó)家鐵路（公路）干線、其他重要建筑物、軍事光纜及輸油管道。周邊環(huán)境如下圖1所示。

圖1 棄碴場(chǎng)周邊環(huán)境示意圖

2 棄碴場(chǎng)破壞模式

根據(jù)土木地質(zhì)學(xué)的大量研究，在土木地質(zhì)學(xué)的滑坡中，按照滑坡滑移面的位置及其產(chǎn)生理由，可分為棄碴場(chǎng)內(nèi)部滑動(dòng)面的滑坡、沿基底接觸面的滑坡和沿地基軟弱層的滑坡三種類型。

2.1 棄碴場(chǎng)內(nèi)部滑動(dòng)

基巖層是穩(wěn)定的，由于基巖和土質(zhì)的性質(zhì)以及其他外部條件（外部荷載和降雨等）形成的滑坡，在不同斜坡高度的地方會(huì)露出不同的滑面。對(duì)有一定濕度的且含土量大的棄碴場(chǎng)，新堆棄碴場(chǎng)各臺(tái)階坡角都較陡。隨著棄碴場(chǎng)高度的增加，下部巖土?xí)徊粩鄩簩?shí)，并出現(xiàn)沉降，導(dǎo)致棄碴場(chǎng)內(nèi)部出現(xiàn)孔隙壓力，在不平衡和應(yīng)力集中區(qū)域，孔隙壓力降低了潛在滑動(dòng)面上的摩擦阻力減少，從而可能導(dǎo)致滑坡。較為常見的情況有：（1）圓弧破壞，即上部陡、中部緩、下部更平緩的穩(wěn)定邊坡，其邊坡角通常為25 °～32 °；（2）坐落-滑移式滑坡。棄碴場(chǎng)內(nèi)部的滑坡多數(shù)與物料的力學(xué)性質(zhì)有關(guān)，在排土場(chǎng)受到大氣降雨和地表水的浸潤(rùn)下，往往會(huì)嚴(yán)重影響棄碴場(chǎng)的穩(wěn)定狀態(tài)。

2.2 沿基底接觸面的滑動(dòng)

當(dāng)棄碴場(chǎng)與基底接觸面之間的抗剪強(qiáng)度小于棄碴場(chǎng)中材料的抗剪強(qiáng)度時(shí)，并且棄碴場(chǎng)邊坡坡度較陡，棄碴場(chǎng)會(huì)沿基底接觸面產(chǎn)生滑坡。例如在基底或初期丟棄的表土和風(fēng)化層上有一層腐殖土，堆放在棄碴場(chǎng)底部，這樣就形成了軟弱夾層。如果棄碴場(chǎng)突遇降雨或者地下水滲透，就會(huì)加速促進(jìn)滑坡的形成。該類滑坡的主要控制因素是基底表面的傾斜度及其與棄土之間的強(qiáng)度指標(biāo)。

2.3 沿地基軟弱層的滑動(dòng)

由于軟弱層包括在棄碴場(chǎng)中導(dǎo)致承載力較低，因此在松散棄土巖石負(fù)荷和雨水等作用下，棄土場(chǎng)沿著軟弱層極可能發(fā)生滑坡。在棄碴的早期階段，地下巖石和土壤開始被壓實(shí)。如果堆疊到一定的高度，則基底達(dá)到最大承載力，但它尚未達(dá)到其破壞的極限狀態(tài)。繼續(xù)堆疊時(shí)，軟弱層的力學(xué)性能明顯低于巖石的力學(xué)性能，通過(guò)棄碴場(chǎng)的壓力導(dǎo)致軟弱層隆起形成滑坡。主要包括沉降變形和坐落-滑移式滑坡兩種形式。沉降變形主要發(fā)生在沉降系數(shù)大的地區(qū)或者旱地。 棄碴場(chǎng)厚的區(qū)域比薄的區(qū)域下沉更多，導(dǎo)致下沉不均勻和許多斷開。這些裂縫在降雨時(shí)為棄碴場(chǎng)滲水創(chuàng)造便利條件，當(dāng)裂縫中儲(chǔ)水量增加就會(huì)導(dǎo)致山體滑坡。坐落—滑移式滑坡主要是由于地基中存在水、薄弱層和地基超載（或陡坡）等因素造成的滑坡。

3 棄碴場(chǎng)穩(wěn)定性分析

3.1 分析方案

根據(jù)棄碴場(chǎng)現(xiàn)狀，結(jié)合當(dāng)?shù)赝聊竟こ痰刭|(zhì)、水文條件，在分析棄土場(chǎng)穩(wěn)定性時(shí)，綜合考慮對(duì)周邊環(huán)境最不利、最顯著的影響，主要確定滑動(dòng)方向和棄土場(chǎng)滑坡對(duì)建筑物、鐵路、高速構(gòu)筑物等影響安全的情況，分析棄土場(chǎng)沿基座接觸面傾斜的穩(wěn)定性，自動(dòng)搜索危險(xiǎn)弧滑面的內(nèi)部穩(wěn)定性，以此評(píng)價(jià)棄渣場(chǎng)的穩(wěn)定性和安全性。

3.2 分析參數(shù)

該文選擇棄渣場(chǎng)最具代表性的剖面進(jìn)行穩(wěn)定性計(jì)算，根據(jù)試驗(yàn)成果、經(jīng)驗(yàn)方法等綜合因素確定了邊坡巖土層物理力學(xué)參數(shù)，詳見下表1。

表1 巖土體物理力學(xué)參數(shù)表

已知碴場(chǎng)等級(jí)為2級(jí)，又根據(jù)《水土保持工程設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB51018），當(dāng)采用瑞典圓弧法、改良圓弧法計(jì)算時(shí)，抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)、攔碴墻基底抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)、攔碴墻抗傾覆安全系數(shù)不應(yīng)小于《水土保持工程設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB51018）中要求的最小值。正常運(yùn)用工況指棄碴場(chǎng)在正常和持久的條件下運(yùn)用，棄碴場(chǎng)處在最終棄碴?duì)顟B(tài)時(shí)，碴體無(wú)滲流或穩(wěn)定滲流；非常運(yùn)用工況指棄碴場(chǎng)在正常工況下遭遇Ⅶ度以上（含Ⅶ度）地震。

因此根據(jù)上表可得本碴場(chǎng)正常運(yùn)用工況碴場(chǎng)抗滑穩(wěn)定系數(shù)為1.20，擋碴墻基底抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)為1.08，擋碴墻抗傾覆安全系數(shù)為1.50。 已知該碴場(chǎng)所處地區(qū)地震動(dòng)峰值加速度為0.05g，因此可不考慮地震影響，即可不進(jìn)行非常運(yùn)用工況計(jì)算。

3.3 計(jì)算成果及分析

以棄碴場(chǎng)AA剖面為基礎(chǔ)，利用Geo-Studio軟件對(duì)棄土場(chǎng)AA剖面建模，將各力學(xué)參數(shù)分配給相應(yīng)的土層，棄碴場(chǎng)的穩(wěn)定性采用軟件自帶的極限平衡計(jì)算方法進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算結(jié)果如表2～表4。

表2 碴場(chǎng)局部穩(wěn)定性分析結(jié)果一覽表

表3 碴場(chǎng)整體穩(wěn)定性分析結(jié)果一覽表

表4 復(fù)式滑面法整體穩(wěn)定分析結(jié)果一覽表

運(yùn)用極限平衡法計(jì)算得出，碴場(chǎng)局部穩(wěn)定系數(shù)為1.04，小于規(guī)范規(guī)定的1.20，安全儲(chǔ)備不足；整體穩(wěn)定系數(shù)為1.26，大于規(guī)范要求的1.20。采用復(fù)式滑面法計(jì)算得到整體穩(wěn)定系數(shù)為1.55，穩(wěn)定且大于1.20滿足規(guī)范要求。綜上，除暴雨工況下邊坡存在局部小型沖蝕外，碴場(chǎng)整體穩(wěn)定。

4 有限元分析

4.1 有限元模型

該文將有限差分軟件FLAC3D與強(qiáng)度折減方法相結(jié)合，對(duì)棄碴場(chǎng)當(dāng)前的穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)估。 建模順序是第一步在擋土拱壩后面50m處堆放， 每個(gè)臺(tái)階的寬度為60m，高度為15m， 傾斜比為1∶1.8 ， 如圖2所示，模型底部和左右x、y、z位移完全固定，前后僅在z方向固定。巖土材料采用符合莫爾-庫(kù)侖強(qiáng)度準(zhǔn)則的理想彈塑性本構(gòu)模型，流動(dòng)法則選擇關(guān)聯(lián)流動(dòng)規(guī)律。 選取四面體單元?jiǎng)澐志W(wǎng)格，以數(shù)值計(jì)算的不收斂性作為強(qiáng)度衰減計(jì)算的梯度邊坡不穩(wěn)定性依據(jù)。

圖2 有限元模型

4.2 有限元模擬計(jì)算

軟件計(jì)算表明，從圖3中的云圖看出，碴場(chǎng)的整體穩(wěn)定安全系數(shù)為1.72，高于規(guī)范要求的1.20，并且當(dāng)前碴場(chǎng)是穩(wěn)定的。 同時(shí)，結(jié)合剪應(yīng)變?cè)茍D可以看出，邊坡滑移面不再像以往那樣是單一的弧形或橢圓形，而是從坡的后端受到拉伸變形，然后從第一階的坡腳受剪形成的滑移面。 這是因?yàn)楫?dāng)邊坡不穩(wěn)定時(shí)，碴場(chǎng)的破壞模式不是土中單一的弧線斷裂，而是沿碴場(chǎng)與地基邊界的弧-直線組合破壞模型。

圖3 剪應(yīng)變?cè)茍D

4.3 碴場(chǎng)堆置參數(shù)優(yōu)化

根據(jù)計(jì)算，碴場(chǎng)場(chǎng)穩(wěn)定安全系數(shù)1.72遠(yuǎn)高于規(guī)范要求的1.20，為繼續(xù)堆載優(yōu)化留有空間。假設(shè)原設(shè)計(jì)每個(gè)臺(tái)階的高度和平臺(tái)的寬度不改變，該文優(yōu)化碴場(chǎng)邊坡后續(xù)堆疊臺(tái)階的坡度和曲率，在保證穩(wěn)定性的同時(shí)獲得最大的堆載能力，表5顯示了其他三種優(yōu)化方案，包括原始方案。圖 4 顯示了每個(gè)方案的 3D 數(shù)值模型。模型的初始條件、邊界條件、單元類型、配置模型和材料參數(shù)設(shè)置在同一個(gè)模型。 FLAC3D軟件內(nèi)嵌模型null可用于模擬碴場(chǎng)堆載過(guò)程的分層行為，計(jì)算結(jié)果見圖5。

圖4 各方案數(shù)值模型

圖5 各方案剪應(yīng)變?cè)茍D與穩(wěn)定性系數(shù)

表5 各優(yōu)化方案堆置參數(shù)對(duì)比

從剪切應(yīng)變?cè)茍D可以看出，邊坡坍塌時(shí)的滑移面形狀是圓弧和直線的復(fù)合滑移面。 同時(shí)，如果邊坡變得不穩(wěn)定時(shí)，滑坡體可以從第二臺(tái)階或第三臺(tái)階滑動(dòng)切斷滑動(dòng)面，這與上一節(jié)中描述的局部不穩(wěn)定性引起的坡體滑移是一致的。 計(jì)算結(jié)果表明，各方案的穩(wěn)定性系數(shù)均大于允許安全系數(shù)，方案3可以在最小化穩(wěn)定性優(yōu)化空間的同時(shí)，最大化堆載能力。經(jīng)過(guò)比較和選擇，方案3，即凸面2/3，梯度比1∶1.5，最終成為最優(yōu)堆載方案。

5 結(jié)論

該文將以烏蒙山一號(hào)隧道出口2#棄碴場(chǎng)為研究對(duì)象，運(yùn)用極限平衡法計(jì)算典型剖面的穩(wěn)定系數(shù)對(duì)烏蒙山一號(hào)隧道出口2#棄碴場(chǎng)邊坡穩(wěn)定性做出初步評(píng)價(jià)。利用FLAC3D 平臺(tái)對(duì)烏蒙山一號(hào)隧道出口2#棄碴場(chǎng)邊坡三維地質(zhì)體模型進(jìn)行模擬計(jì)算，進(jìn)一步研究其應(yīng)力應(yīng)變特征，預(yù)測(cè)潛在滑體，根據(jù)分析計(jì)算結(jié)果以及國(guó)家相關(guān)規(guī)范判斷該排土場(chǎng)穩(wěn)定性，在保證邊坡穩(wěn)定性的同時(shí)保證棄碴容量最大化，提出堆置優(yōu)化的參數(shù)，研究結(jié)論如下：1）運(yùn)用極限平衡法計(jì)算得出，碴場(chǎng)局部穩(wěn)定系數(shù)為1.04，小于規(guī)范規(guī)定的1.20，安全儲(chǔ)備不足；整體穩(wěn)定系數(shù)為1.26，大于規(guī)范要求的1.20。采用復(fù)式滑面法計(jì)算得到整體穩(wěn)定系數(shù)為1.55，穩(wěn)定且大于1.20滿足規(guī)范要求。綜上，除暴雨工況下邊坡存在局部小型沖蝕外，碴場(chǎng)整體穩(wěn)定。2）利用FLAC3D 平臺(tái)分析可知，碴場(chǎng)整體穩(wěn)定性系數(shù)為 1.72，大于規(guī)范要求的1.20，與極限平衡法計(jì)算結(jié)果相吻合，由此表明現(xiàn)狀碴場(chǎng)是穩(wěn)定的。3）通過(guò)優(yōu)化碴場(chǎng)堆置參數(shù)可得，當(dāng)棄碴場(chǎng)的凸度為 2/3，坡率為1∶1.5時(shí)，棄碴場(chǎng)的穩(wěn)定性和排土容量達(dá)到最大化。