滿 君 任志善 孫光吉 鄧小龍

（1.中兵勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，北京 100053；2.北京市市政工程設(shè)計(jì)研究總院有限公司，北京 100082；3.中國公路工程咨詢集團(tuán)有限公司，北京 100089）

0 引言

棄渣場是公路隧道工程中的重要附屬工程，渣體一般沿溝谷斜坡堆積，渣體物質(zhì)多為松散碎石土，具有孔隙率大、強(qiáng)度低等特點(diǎn)，在降雨、地震等不利工況下，若防護(hù)設(shè)置不當(dāng)，極有可能引起渣場邊坡失穩(wěn)，進(jìn)而對(duì)周邊環(huán)境造成嚴(yán)重影響。為此，前人在公路、礦山、水利、鐵路排土場邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)與治理方面開展了大量研究。程曉偉等[1]在對(duì)某高速公路滑坡成因分析的基礎(chǔ)上，提出了錨索抗滑樁、錨索框架（地梁）、坡面防護(hù)、疏排地表（下）水以及坡前反壓應(yīng)急預(yù)案等綜合治理措施，工程實(shí)例驗(yàn)證治理效果良好。邵麗霞等[2]依托十天高速漢中西段填方高邊坡病害治理工程，總結(jié)了填方高邊坡的病害類型及失穩(wěn)破壞模式。在前人研究基礎(chǔ)上，賀 鷹等[3]依托山西太原西山運(yùn)煤公路專線，系統(tǒng)探討了線路滑坡不良地質(zhì)評(píng)估工作的要點(diǎn)。在邊坡穩(wěn)定性分析方面，張其唯等[4]采用FLAC3D與剛體極限平衡法對(duì)比分析了某礦山排土場的穩(wěn)定性。柏 森[5]采用Geoslope與MIDAS-NX數(shù)值模擬分析評(píng)價(jià)了某采礦隧道出口棄渣場邊坡治理前后的穩(wěn)定性。曹啟增[6]運(yùn)用Geo-Studio數(shù)值模擬和極限平衡方法建立了隧道棄渣場邊坡降雨入滲數(shù)值模型。姜 游[7]利用滲流分析軟件Geo-seep和極限平衡分析軟件Geo-slope分析得出滲流計(jì)算工況下渣場邊坡的局部和整體的穩(wěn)定性。張秋月[8]采用Slide軟件對(duì)某鐵路隧道棄渣場邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行了分析。梁振寧等[9]基于強(qiáng)度折減方法運(yùn)用FLAC3D及理正軟件對(duì)成貴高鐵高山田隧道出口的1號(hào)棄渣場進(jìn)行了穩(wěn)定性分析。

前人在棄渣場邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)及治理措施方面積累了豐富的研究成果。但由于山區(qū)高速公路地形地質(zhì)條件復(fù)雜，棄渣一般會(huì)就近地堆置在低洼溝谷地帶[10]，致使勘察作業(yè)條件受限，進(jìn)而導(dǎo)致對(duì)棄渣場的勘察深度和精度往往不夠。此外，在穩(wěn)定性分析中，巖土體計(jì)算參數(shù)的選取往往依賴于經(jīng)驗(yàn)類比，具有一定的主觀隨意性[11]。因此，以現(xiàn)場工程實(shí)體所監(jiān)測(cè)到的、可反映系統(tǒng)實(shí)際力學(xué)行為的物理參量（如荷載、位移等）為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，通過一定的反演模型，來反向推演得到系統(tǒng)內(nèi)在力學(xué)參量（如本構(gòu)模型參數(shù)）的巖土工程反演分析方法在工程實(shí)踐中逐漸得到重視和應(yīng)用[12-13]?；诖苏J(rèn)識(shí)，本文針對(duì)公路建設(shè)項(xiàng)目的特點(diǎn)，以藏區(qū)高速公路某隧道棄渣場為例，結(jié)合現(xiàn)場監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，采用巖土工程反分析技術(shù)及GeoStudio數(shù)值模擬軟件對(duì)棄渣場邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行了分析，并評(píng)判了特殊工況下棄渣場邊坡失穩(wěn)形成堰塞湖的可能性，為公路建設(shè)項(xiàng)目中棄渣場的科學(xué)管理提供參考。

1 工程概況

棄渣場位于西藏某高速公路隧道1#斜井進(jìn)口西南側(cè)，堆渣體積約為1.4×105m3。渣場底部標(biāo)高為4500～4502 m，頂部標(biāo)高4530～4532 m，中部設(shè)有一寬度不等的平臺(tái)。渣堆臨空面一般堆高10～30 m，坡度11°～30°。棄渣場邊坡前緣地勢(shì)低洼，為“U”形溝谷，坡腳有一常年河流自東南向西北流經(jīng)場區(qū)，溝谷下游約100 m為農(nóng)業(yè)居民區(qū)。根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查，棄渣場坡體后緣局部出現(xiàn)橫向拉裂縫，由于渣場前緣鄰近河道與居民區(qū)，為保障居民生命財(cái)產(chǎn)安全，需對(duì)該棄渣場邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性評(píng)價(jià)，對(duì)邊坡失穩(wěn)引發(fā)堰塞湖次生災(zāi)害的可能性進(jìn)行評(píng)判，進(jìn)而采取邊坡防護(hù)治理措施。

2 工程地質(zhì)條件

研究區(qū)區(qū)域構(gòu)造位于岡底斯-念青唐古拉陸塊上，北側(cè)為怒江縫合帶，南側(cè)為雅魯藏布江縫合帶。區(qū)內(nèi)無大的褶皺構(gòu)造及斷裂構(gòu)造，但局部地段受區(qū)域構(gòu)造影響發(fā)育小型揉皺，巖體破碎，變質(zhì)巖廣泛發(fā)育。地形地貌屬構(gòu)造侵蝕切割中高山，海拔4500～4700 m，坡陡谷深，地形起伏高差大。植被發(fā)育一般，多為灌木草皮，局部基巖出露。月最大降雨量260 mm，最大日降雨量44 mm。

棄渣場所在斜坡及溪溝、河流岸坡表層覆蓋第四系殘坡積物（見圖1），主要為粉質(zhì)黏土、碎石土等風(fēng)化殘積及重力堆積，結(jié)構(gòu)松散，厚度0～5 m，下伏下白堊統(tǒng)炭質(zhì)板巖（見圖2）。

圖1 棄渣場邊坡覆蓋層

圖2 棄渣場邊坡局部出露板巖

3 棄渣場邊坡穩(wěn)定性分析

3.1 棄渣場邊坡現(xiàn)狀

為掌握邊坡變形動(dòng)態(tài)，共在棄渣場坡體上布設(shè)22個(gè)位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)（見表1、圖3）。從表1的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可以看出，表面最大相對(duì)位移出現(xiàn)在B9、C6監(jiān)測(cè)點(diǎn)，最大相對(duì)位移量分別為3.34 cm、3.32 cm，且兩監(jiān)測(cè)點(diǎn)均位于裂縫LF1-4附近。

表1 棄渣場坡體沉降監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

根據(jù)坡體表面相對(duì)位移等值云圖（見圖3），坡體位移主要發(fā)生在裂縫LF2-1下部，變形集中在坡體西北部、堆渣平臺(tái)上方的部位（圖3中紅色區(qū)域）?？沙醪脚卸ㄐ纬闪藴\層堆積層滑坡，滑動(dòng)方向?yàn)楸睎|向，該棄渣場不穩(wěn)定斜坡形成的主要原因?yàn)殚_挖坡腳、集中堆載、排水不暢。

圖3 棄渣場邊坡現(xiàn)狀示意圖

3.2 物理力學(xué)參數(shù)反演

工程地質(zhì)調(diào)查表明，該滑坡系發(fā)育在上覆第四系碎石土中的淺層滑坡，主滑方向約NE50°，后緣拉裂縫東西向延伸約60 m，坡體表層有草皮覆蓋。坡體下覆基巖為板巖。分析該滑坡所處的工程地質(zhì)條件及誘發(fā)因素，可初步判定該滑坡系坡腳開挖誘發(fā)的牽引式滑坡。

據(jù)此，可認(rèn)為滑坡在該坡體開挖坡腳后、未堆砌渣體前，處于欠穩(wěn)定狀態(tài)( 1.0

①建立該斜坡1-1’剖面在開挖坡腳后、未堆砌渣體前的工程地質(zhì)模型（見圖4）。

圖4 棄渣場邊坡1-1’工程地質(zhì)剖面圖（坡腳開挖后、棄渣堆砌前）

②以裂縫LF1-1為邊界條件，該裂縫距1-1’剖面起點(diǎn)（1點(diǎn)）約100 m（見圖5）。以圖5所示的剖面建立穩(wěn)定性計(jì)算模型。

圖5 1-1’剖面與LF1-1裂縫相對(duì)位置關(guān)系

③利用Geoslope巖土計(jì)算軟件，選用Morgenstern-Price極限平衡計(jì)算方法，調(diào)整巖土計(jì)算參數(shù)反演使得該剖面上的最不利滑動(dòng)面的后緣與裂縫LF1-1的位置基本對(duì)應(yīng)（見圖6），進(jìn)而確定相關(guān)物理力學(xué)參數(shù)（見表2）。

表2 棄渣場邊坡巖土物理力學(xué)參數(shù)推薦值

圖6 1-1’剖面穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果示意圖

圖6中紅色弧線表示安全系數(shù)介于1.0～1.05之間的滑面?？梢钥闯?，這些滑面的后緣基本上位于100 m左右的位置。因此，可將得到該分析結(jié)果所選用的物理力學(xué)參數(shù)作為棄渣場穩(wěn)定性分析所采用的參數(shù)（見表1）。需要注意的是，在該剖面的反演計(jì)算中未涉及棄渣體的物理力學(xué)參數(shù)。由于棄渣體的物質(zhì)組成為松散堆積的板巖巖塊，因此，其物理力學(xué)參數(shù)的選取參考了下覆完整基巖的參數(shù)值，并在一定程度上進(jìn)行了相應(yīng)的折減。

另外，電氣自動(dòng)化節(jié)能技術(shù)還在一定程度上保障了企業(yè)，家庭用電安全，降低了生產(chǎn)成本，如我們現(xiàn)在常見的變頻空調(diào)就是節(jié)能技術(shù)的應(yīng)用成果。

3.3 穩(wěn)定性評(píng)估

3.3.1 評(píng)價(jià)方法

棄渣場邊坡穩(wěn)定性的評(píng)價(jià)采用了目前應(yīng)用最廣泛的極限平衡法，針對(duì)本棄渣場的巖土成分以及潛在失穩(wěn)破壞的特點(diǎn)，借助了Geoslope巖土計(jì)算軟件中的Morgenstern-Price法進(jìn)行評(píng)估。計(jì)算工況考慮了正常運(yùn)用工況和非正常運(yùn)用工況，由于該棄渣場工程所在區(qū)域地震基本烈度為VI度，故非正常運(yùn)用工況僅考慮了暴雨工況。

根據(jù)《公路滑坡防治設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG/T 3334-2018)[14]規(guī)定，綜合考慮本項(xiàng)目的危害程度、公路等級(jí)、周邊環(huán)境及工程重要性，確定棄渣場邊坡防治工程等級(jí)為III級(jí)別。相應(yīng)地，棄渣場邊坡穩(wěn)定性安全系數(shù)控制標(biāo)準(zhǔn)為：正常運(yùn)用工況下為1.10；非正常運(yùn)用工況下為1.05。

根據(jù)工程地質(zhì)勘察，選取圖5典型的1-1’剖面建立工程地質(zhì)模型，如圖7所示。較上述巖土工程反分析所用的計(jì)算模型（見圖4、圖6）相比，該模型包括了坡腳下部的堆渣體（Q4ml）。

3.3.2 計(jì)算結(jié)果

穩(wěn)定性計(jì)算所采用的巖土物理力學(xué)參數(shù)為表1中所列。經(jīng)過對(duì)剖面的穩(wěn)定性計(jì)算，正常工況下邊坡穩(wěn)定最小安全系數(shù)為1.062（見圖8a），大于1.05，小于邊坡安全控制標(biāo)準(zhǔn)1.10，表明在自然條件下，現(xiàn)狀邊坡基本穩(wěn)定，這與目前現(xiàn)場工程地質(zhì)調(diào)查的結(jié)論基本一致。在非正常工況（暴雨工況）下，邊坡穩(wěn)定最小安全系數(shù)為0.940（見圖8b），小于1.0。圖8b給出了邊坡穩(wěn)定性系數(shù)小于1.0的所有滑面分布（紅色圓弧線條），最小穩(wěn)定系數(shù)0.964對(duì)應(yīng)的滑面出現(xiàn)在棄渣體中，表明棄渣體在暴雨工況下將會(huì)失穩(wěn)破壞。潛在滑體體積為286.19 m3/m，質(zhì)量為6296.1 kN/m；總下滑力2654.3 kN/m，總抗滑力2825.6 kN/m。

4 堰塞可能性分析

通常形成堰塞湖有四個(gè)基本條件，分別是上游河流匯集、原有水系堵塞、河谷堵塞后流水聚集并向四周漫溢、儲(chǔ)水量足夠大。

本項(xiàng)目棄渣場位于山坡坡體，部分棄渣占?jí)毫嗽泻橥ǖ?，根?jù)地形和地貌條件分類，屬于山坡型+溝谷型棄渣場。大氣降水經(jīng)山坡匯水和降雨入滲補(bǔ)給棄渣場，經(jīng)棄渣場內(nèi)部向低處流動(dòng)，由棄渣場坡腳處排泄。因此需要計(jì)算棄渣場上游溝谷及坡頂匯水及排泄情況，以判斷棄渣場排水系統(tǒng)的泄洪能力及上游匯水對(duì)棄渣場的影響（見圖9）。經(jīng)計(jì)算，該棄渣場范圍匯水面積為17.35 km2。坡面匯水面積為0.043 km2。目前截水溝沿棄渣場頂部設(shè)置，截流山體坡面匯水，水溝采用梯形水溝（側(cè)壁坡率1∶1），溝下底寬0.5 m，深0.3 m，經(jīng)計(jì)算排水流量為1.5 m3/s，能夠滿足截流山體坡面匯水的要求。坡面降雨將直接由截水溝沿坡體頂面排至兩側(cè)，不會(huì)直接沖刷坡面。

圖9 棄渣場上游區(qū)域匯水面積

目前棄渣場范圍形成堰塞湖的條件僅為上游有河流匯集。上游河谷內(nèi)表層均被草皮覆蓋，不存在易被沖刷裹挾的泥及塊石，故形成堰塞湖的物源只可能是棄渣場失穩(wěn)的巖土體。暴雨?duì)顟B(tài)下，棄渣體可能發(fā)生失穩(wěn)滑動(dòng)，滑動(dòng)的坡體體積為286.19 m3/m，構(gòu)成堰塞湖的物源。而完全堵塞溝谷預(yù)計(jì)方量為496 m3/m。因此，邊坡失穩(wěn)后的巖土體不會(huì)完全堵塞河道并儲(chǔ)蓄水體。此外，隧道開挖棄渣材料均為破碎板巖，粒徑平均，顆粒級(jí)配較差，在雨水沖刷下被裹挾至溝底甚至對(duì)面岸坡的可能性小。溝谷內(nèi)上游水流因水力坡度大，流速快，基本不可能被失穩(wěn)巖土體阻塞形成堰塞湖，而是直接通過板巖粒徑間的空隙向下游排泄。

綜合判斷，暴雨工況下若坡體發(fā)生滑動(dòng)，滑體物質(zhì)完全堵塞河道而形成堰塞湖的可能性較小。

5 結(jié)論

（1）該棄渣場不穩(wěn)定斜坡形成的主要原因?yàn)殚_挖坡腳、集中堆載棄渣、未及時(shí)施作排水設(shè)施。

（2）經(jīng)巖土工程反分析計(jì)算，棄渣天然重度為22 kN/m3、黏聚力為11 kPa、內(nèi)摩擦角為28.5°；棄渣飽和重度為22 kN/m3、飽和黏聚力為9.9 kPa、飽和內(nèi)摩擦角為25.6°；碎石土的天然重度為24 kN/m3、黏聚力為29 kPa、內(nèi)摩擦角為30°；碎石土飽和重度為25 kN/m3、飽和黏聚力為26 kPa、飽和內(nèi)摩擦角為27°。

（3）穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果表明該棄渣場邊坡在在正常工況下邊坡穩(wěn)定最小安全系數(shù)為1.062，處于基本穩(wěn)定狀態(tài)；棄渣體在非正常工況（暴雨工況）下邊坡穩(wěn)定最小安全系數(shù)為0.940，處于不穩(wěn)定狀態(tài)。

（4）暴雨工況下，若坡體發(fā)生滑動(dòng)，滑體物質(zhì)完全堵塞河道而形成堰塞湖的可能性較小。