李 薇，王 瑩，尹小濤

(1.云南交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，云南 昆明 650000；2.中國(guó)科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所巖土力學(xué)與工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430071)

0 引言

山區(qū)高速公路建設(shè)橋隧比相對(duì)較高，土石方平衡困難較大，棄土場(chǎng)往往選擇在道路附近的山溝，多數(shù)為邊幫棄土，對(duì)原有的自然環(huán)境影響較大，棄土帶來(lái)的中長(zhǎng)期環(huán)境安全需慎重對(duì)待[1]。

山區(qū)高速公路的棄土，在實(shí)際工程中大多直接排放堆積，不經(jīng)過(guò)分層壓實(shí)，往往導(dǎo)致結(jié)構(gòu)疏松、級(jí)配不良、固結(jié)程度不高，相較于一般填筑工程的質(zhì)量要差很多[2-3]。病害多主要表現(xiàn)為：①棄土自身特點(diǎn)帶來(lái)的工后沉降變形較大，且呈現(xiàn)分區(qū)特征，經(jīng)常造成較大范圍的差異沉降裂縫[4-6]；②表層相對(duì)深部土層密實(shí)程度要小，若局部坡率控制不好(往往大于天然休止角)，則會(huì)產(chǎn)生局部坡面淺表不穩(wěn)現(xiàn)象；③整體穩(wěn)定性或沿棄土與自然地面滑移變形問(wèn)題，往往是選址和未嚴(yán)格按施工組織設(shè)計(jì)要求清表造成的，在不良土層做清除處理時(shí)，斜坡地形的表土清除后需整理成臺(tái)階形[7-10]；④棄渣場(chǎng)的中長(zhǎng)期安全，需要嚴(yán)格的系統(tǒng)支撐，譬如完備、暢通的渠道系統(tǒng)及長(zhǎng)期有效的攔砂壩[11-15]，坡面穩(wěn)定等多方面的安全保障，絕不是一勞永逸的事情，需對(duì)每個(gè)棄渣場(chǎng)建立安全管理檔案，定期巡視修復(fù)和評(píng)估。

本文以大永高速公路大理東k2+500棄渣場(chǎng)為例，建立現(xiàn)狀地形、不同處治措施地形和最終整治地形的極限平衡有限元數(shù)值模型，揭示棄渣邊坡的變形破壞機(jī)制和安全性演化過(guò)程，以期為類(lèi)似工程提供借鑒。

1 工程概況

1.1 大理東k2+500棄渣場(chǎng)的歷史和現(xiàn)狀調(diào)查

k2+500棄渣場(chǎng)處于山間溝谷，邊坡為斜坡，底部為緩坡，邊坡為淤泥或淤泥質(zhì)土，厚1～2m。底部上部為殘坡積硬塑黏土，厚3～4m；下部為圓礫、卵石等。場(chǎng)地內(nèi)匯水面積約為場(chǎng)址面積的3倍，地表徑流量大，無(wú)穩(wěn)定的地下水溢出，水文地質(zhì)條件較簡(jiǎn)單。根據(jù)GB 18306—2015《中國(guó)地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖》[16]，測(cè)區(qū)地震動(dòng)峰值加速度為0.20g，地震動(dòng)反應(yīng)譜特征周期為0.40s，與之對(duì)應(yīng)的地震基本烈度為Ⅷ度。k2+500棄渣場(chǎng)初始地形如圖1所示。

圖1 k2+500棄土場(chǎng)初始地形

棄土先從圖1右后側(cè)邊幫逐步滿(mǎn)填，往下游攔砂壩方面推進(jìn)。目前該棄渣場(chǎng)棄土高度約24m，棄方量約146萬(wàn)m3，坡腳設(shè)置2道攔砂壩，坡高8m，長(zhǎng)分別為156.5，132.1m。該棄渣場(chǎng)設(shè)置排水溝，0.6m×0.6m排水溝420m長(zhǎng)，3m×2m排水溝1 121m長(zhǎng)。堆放棄土前，棄渣場(chǎng)沿原溝槽設(shè)置1.5m×1m盲溝長(zhǎng)1 010m。根據(jù)GB 51018—2014《水土保持工程設(shè)計(jì)規(guī)范》[17]中關(guān)于棄土量、棄土高度及棄渣場(chǎng)失事后對(duì)主體工程或環(huán)境造成的危害程度確定棄渣場(chǎng)級(jí)別的有關(guān)規(guī)定，該棄渣場(chǎng)為3級(jí)棄渣場(chǎng)。地面調(diào)查測(cè)得的棄渣天然休止角約37°，渠道、攔砂壩和坡面坡頂狀態(tài)如圖2所示。

圖2 渠道、攔砂壩和坡面坡頂狀態(tài)

1)既有環(huán)向渠道，局部渠道開(kāi)裂、淤堵、破損，建議修補(bǔ)破損渠道；由于坡頂面積較大，建議增補(bǔ)完善橫縱集水溝渠，接入環(huán)向渠道系統(tǒng)。

2)攔砂壩外觀(guān)完好，基底穩(wěn)定，墻背淤積輕微，當(dāng)前坡腳距離攔砂壩約30m，現(xiàn)狀穩(wěn)定。但調(diào)查發(fā)現(xiàn)前緣棄土未清除表層淤泥質(zhì)土，造成表土底鼓，側(cè)向擠出滑移對(duì)攔砂壩可能造成潛在威脅。

3)臨近攔砂壩前緣棄渣邊坡，坡頂有多條弧形貫通裂縫，坡腳表層淤泥質(zhì)土底鼓明顯，且坡面沖刷嚴(yán)重，前緣坡體處于欠穩(wěn)定狀態(tài)。

1.2 巖土體工程特性

利用多次現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查測(cè)得的棄渣天然休止角、現(xiàn)場(chǎng)灌砂試驗(yàn)和顆分試驗(yàn)、室內(nèi)剪切強(qiáng)度試驗(yàn)和數(shù)值反分析，綜合確定了該棄渣場(chǎng)巖土體計(jì)算參數(shù)建議值，如表1所示。

1.3 存在的工程問(wèn)題

由于大理東棄渣場(chǎng)是溝谷滿(mǎn)填，所以對(duì)兩側(cè)自然邊坡的穩(wěn)定沒(méi)有影響，目前主要問(wèn)題在于坡體前緣的不穩(wěn)定，在極端降雨下可能失穩(wěn)，甚至?xí){下游攔砂壩的安全；或產(chǎn)生泥石流，越過(guò)兩道攔砂壩威脅下游住戶(hù)。因此，需對(duì)其變形機(jī)制和穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)估，并提出優(yōu)化處置措施。

表1 大理東k2+500棄渣場(chǎng)計(jì)算參數(shù)建議值

2 計(jì)算工況和計(jì)算方案設(shè)計(jì)

根據(jù)《水土保持工程設(shè)計(jì)規(guī)范》[17]和JTG D30—2015《公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》[18]綜合確定棄渣邊坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)，棄渣場(chǎng)級(jí)別為3級(jí)，計(jì)算方法采用Bishop法，正常工況(采用自然參數(shù))、降雨工況(采用飽水參數(shù))、地震工況(采用自然參數(shù)，考慮地震荷載)下邊坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)分別為1.25，1.10，1.10。

針對(duì)現(xiàn)狀地形，在Phase 2D軟件建立有限元模型，利用強(qiáng)度折減法，揭示棄渣邊坡滑動(dòng)變形機(jī)制；針對(duì)現(xiàn)狀地形、不同加固處置地形和最終整治地形，利用Slide軟件，設(shè)計(jì)不同極限平衡法計(jì)算工況，評(píng)估其穩(wěn)定性，為優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考。

3 大理東k2+500棄渣場(chǎng)變形破壞機(jī)制

3.1 棄渣邊坡失穩(wěn)機(jī)制

根據(jù)現(xiàn)狀地形調(diào)查邊坡地質(zhì)資料，建立Phase 2D有限元數(shù)值模型，如圖3所示。模型兩側(cè)采用法向約束，底面全約束。

圖3 大理東k2+500棄渣邊坡有限元數(shù)值模型

在數(shù)值模型的基礎(chǔ)上，對(duì)3個(gè)設(shè)計(jì)工況分別進(jìn)行強(qiáng)度折減法數(shù)值計(jì)算，以正常工況為例，說(shuō)明其變形破壞機(jī)制，正常工況下大理東k2+500現(xiàn)狀棄渣邊坡變形如圖4所示。

圖4 正常工況下大理東k2+500現(xiàn)狀棄渣邊坡變形云圖

底部厚度不大的表層淤泥質(zhì)土層是坡體沿臨空方向側(cè)向擠出滑移的主要原因，即淤泥質(zhì)土層承載力有限，上覆棄土質(zhì)量超過(guò)其極限承載能力，則發(fā)生側(cè)向擠出滑移。由圖4b可知，坡頂部下沉約0.6m，前緣坡腳上隆約0.7m，這些變形破壞現(xiàn)象在圖2現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查照片中清晰可見(jiàn)；圖4a，4c，4d也說(shuō)明了類(lèi)似的變形運(yùn)動(dòng)特征，最大水平位移約1.3m，坡頂弧形裂縫的范圍與計(jì)算得到的變形破壞模式相吻合，多數(shù)距離邊緣約10m。

現(xiàn)狀棄渣邊坡強(qiáng)度折減法計(jì)算得到的變形和穩(wěn)定性系數(shù)結(jié)果如表2所示。

表2 k2+500現(xiàn)狀棄渣邊坡強(qiáng)度折減法計(jì)算結(jié)果

由表2可知，正常工況下棄渣邊坡處于基本穩(wěn)定狀態(tài)，降雨工況下棄渣邊坡處于欠穩(wěn)定狀態(tài)，地震工況下棄渣邊坡失穩(wěn)，各工況棄渣邊坡均不滿(mǎn)足工程穩(wěn)定性要求，需采取加固措施。目前坡腳距攔渣墻約20m，隨著繼續(xù)填筑推進(jìn)，若還不清底，則后期會(huì)威脅攔渣墻安全。

3.2 棄渣場(chǎng)穩(wěn)定性評(píng)估

在棄渣邊坡變形破壞機(jī)制的基礎(chǔ)上，針對(duì)坡腳清底+反壓加固措施，邊坡和最終整形邊坡采用Slide軟件Bishop法自動(dòng)搜索對(duì)最不利滑動(dòng)面和最小穩(wěn)定性系數(shù)進(jìn)行計(jì)算分析，結(jié)果如表3所示。

表3 棄渣邊坡極限平衡法穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果

由表3可知，現(xiàn)狀地形下，極限平衡法和強(qiáng)度折減法計(jì)算結(jié)果接近；加固措施工況揭示的優(yōu)化結(jié)果為坡腳清底寬度≥10m且反壓高度≥8.0m，整形坡率為1∶2.0；整形坡率按1∶2.0考慮，計(jì)算結(jié)果也滿(mǎn)足各工況工程穩(wěn)定性要求。上述計(jì)算結(jié)果可作為大理?xiàng)壴鼒?chǎng)邊坡治理的依據(jù)。

3.3 山區(qū)高速公路棄渣場(chǎng)穩(wěn)定性評(píng)估建議

工程棄土過(guò)程類(lèi)似于一個(gè)大型天然休止角現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，且為動(dòng)態(tài)過(guò)程，實(shí)際棄土的堆積過(guò)程具有明顯的分帶特征；隨著填高的增加，也會(huì)有堆載預(yù)壓固結(jié)作用；隨著時(shí)間的推移和經(jīng)歷雨季，也會(huì)實(shí)現(xiàn)自然固結(jié)。這些時(shí)間因素均會(huì)不同程度改善棄渣邊坡整體和局部穩(wěn)定性，所以利用天然休止角建議整形坡率和評(píng)估棄渣邊坡穩(wěn)定性是一種相對(duì)保守的評(píng)估方法和控制指標(biāo)。

大理東棄渣場(chǎng)施工期測(cè)得的天然休止角為30°～34°，隨著時(shí)間的推進(jìn)和固結(jié)程度的提高，實(shí)際上這個(gè)角度是提高的，假設(shè)按1∶2.0坡率整形，按k=tgα/tgβ計(jì)算安全系數(shù)(α為天然休止角或摩擦角，β為整形坡角)，可簡(jiǎn)單估算整形棄渣邊坡穩(wěn)定性，求得的安全系數(shù)為1.15～1.35，可見(jiàn)該方法可用于正常條件下的棄土邊坡穩(wěn)定性初評(píng)。

大理東棄渣場(chǎng)的災(zāi)變機(jī)制主要是表層不良土層未做徹底清除造成沿淤泥質(zhì)土的側(cè)向擠出變形破壞。由此可見(jiàn)，一般棄渣場(chǎng)的初始清表和沿自然地面的臺(tái)階整形，對(duì)于其整體穩(wěn)定至關(guān)重要，這些均為隱蔽工程，后期整治困難。隱蔽工程嚴(yán)格規(guī)范作業(yè)是棄渣場(chǎng)整體安全的基礎(chǔ)環(huán)節(jié)，后期依據(jù)天然休止角的坡面整形是關(guān)鍵。這2個(gè)環(huán)節(jié)做好后，一般情況下棄渣邊坡整體安全風(fēng)險(xiǎn)可控。

4 結(jié)語(yǔ)

1)大理東棄渣場(chǎng)的變形破壞主要是底部淤泥質(zhì)土不良地層控制的，沿淤泥質(zhì)土的側(cè)向擠出破壞是棄土邊坡失穩(wěn)的主要因素，坡頂?shù)幕⌒瘟芽p、下沉變形和坡腳的隆起破壞均證明了這一點(diǎn)。

2)大理東棄渣場(chǎng)在坡腳清除寬度≥10m，按1∶2.0坡率，反壓高度≥8m的條件下棄土邊坡各工況均滿(mǎn)足工程穩(wěn)定性要求；整治坡率1∶2.0條件下的棄土邊坡也滿(mǎn)足工程穩(wěn)定性要求。

3)山區(qū)棄渣邊坡的穩(wěn)定主要受初始清表和地面臺(tái)階整形等隱蔽條件和后期坡面整形坡度小于天然休止角等綜合控制，前者一旦出現(xiàn)問(wèn)題會(huì)增大整治難度，后者尚可采取補(bǔ)救措施。

4)綜上，山區(qū)高速公路棄渣場(chǎng)安全風(fēng)險(xiǎn)的控制要結(jié)合交通工程棄土過(guò)程階段性進(jìn)行，不能一勞永逸，需定期評(píng)估，建立棄渣場(chǎng)的環(huán)境安全風(fēng)險(xiǎn)管控檔案制度。