王 昱 ,閆 賓,曹 暢,柴建峰
(1.國網(wǎng)新源控股有限公司技術(shù)中心,北京市 100073;2.中國電力財(cái)務(wù)有限公司,北京市 100005)
大型土建工程會(huì)產(chǎn)生大量的棄渣,棄渣集中堆放形成棄渣體。棄渣場(chǎng)多選址在自然溝谷中或采石坑等低洼處,渣場(chǎng)周圍多有人類活動(dòng),棄渣場(chǎng)安全穩(wěn)定顯得尤為重要。充分必需的前期勘測(cè)工作、科學(xué)合理設(shè)計(jì)和渣場(chǎng)啟用期的有效管理,可大大減少棄渣隨意堆放等問題,同時(shí)也能減少工程建設(shè)后期對(duì)渣場(chǎng)的重新平整、修坡,避免渣場(chǎng)二次搬家等重復(fù)工作,減少后期運(yùn)行的潛在風(fēng)險(xiǎn),節(jié)省工程投資和管理運(yùn)行成本。
巖石碎塊、強(qiáng)全風(fēng)化層物質(zhì)多是棄渣體的主要組成成分,其間還會(huì)混有一定量的細(xì)顆粒物質(zhì)。總體上說,棄渣體的內(nèi)摩擦角較高,自穩(wěn)能力較高。若忽略地震和降雨等的影響,棄渣體在自身重力作用下會(huì)逐漸壓實(shí)固結(jié),自穩(wěn)能力會(huì)逐漸提高。但如渣體設(shè)計(jì)方案和施工措施不合理,且堆放時(shí)缺少碾壓,或者碾壓效果不好,在重力作用下棄渣體固結(jié)變形沉降,往往在后緣形成拉張裂縫。拉張裂縫成了地下水運(yùn)行和儲(chǔ)存的通道,動(dòng)、靜水壓力將降低棄渣體的穩(wěn)定。棄渣體破壞啟動(dòng),多為后緣渣體先滑動(dòng)失穩(wěn),推動(dòng)其前緣渣土體,最后形成整體滑動(dòng)破壞。當(dāng)不存在水流掏刷渣體坡腳時(shí),棄渣的破壞多為推移式[1]。
目前,棄渣體邊坡穩(wěn)定性計(jì)算采用最多的兩種方法是瑞典圓弧法和簡化Bishop法。兩種方法的計(jì)算值存在一定的差異,計(jì)算出的潛在滑裂面位置相近。計(jì)算時(shí)將棄渣體視為均勻體,不考慮棄渣體與原始地表面之間成為潛在軟弱滑動(dòng)面的可能,不考慮穩(wěn)定系數(shù)Fs隨著填渣方式和堆載高度不同而變化的情況。近年來,有學(xué)者研究得出棄渣體的穩(wěn)定系數(shù)受張拉裂縫內(nèi)內(nèi)摩擦角的影響較大,穩(wěn)定系數(shù)隨著內(nèi)摩擦角的增大而增大。內(nèi)摩擦角在5o~20o之間變化時(shí),坡體的穩(wěn)定系數(shù)跟內(nèi)摩擦角大致成直線變化[2]。這表明,在滑裂面的形狀未改變之前,坡體穩(wěn)定系數(shù)與張拉裂隙內(nèi)的內(nèi)摩擦角大致呈線性關(guān)系。
目前階段,勘測(cè)設(shè)計(jì)工作較少把注意力放到渣場(chǎng)的設(shè)計(jì)上。目前設(shè)計(jì)中,很少考慮渣體沿著其他潛在軟弱面滑動(dòng)的可能,多是用軟件搜索潛在滑動(dòng)面。對(duì)棄渣體進(jìn)行分析時(shí),均假定整個(gè)滑面同時(shí)處于臨界失穩(wěn)狀體,棄渣體c、φ取值不夠嚴(yán)謹(jǐn)。同時(shí),對(duì)棄渣體后期變形和渣場(chǎng)的后期運(yùn)行管理關(guān)注較少。
本文先結(jié)合工作中接觸的棄渣場(chǎng),探討目前勘測(cè)設(shè)計(jì)存在的問題,對(duì)一些關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)的選取做了對(duì)比。然后淺析 “深圳12·20渣場(chǎng)失穩(wěn)事故”的教訓(xùn)和慘痛經(jīng)驗(yàn),分析了變形體的破壞機(jī)理。最后,總結(jié)歸納了棄渣體前期勘測(cè)設(shè)計(jì)中應(yīng)該著重關(guān)注的幾個(gè)方面,為土建工程渣場(chǎng)設(shè)計(jì)計(jì)算提供一定參考。
現(xiàn)行《水利水電工程水土保持技術(shù)規(guī)范》(SL 575—2012)中10.5.4條,雖對(duì)渣體穩(wěn)定分析計(jì)算提出了明確的要求和技術(shù)方法,但從接觸的多個(gè)工程渣場(chǎng)設(shè)計(jì)資料來看,多有以下特點(diǎn):
(1)工程渣場(chǎng)設(shè)計(jì)時(shí)多將渣體視為均勻體,棄渣體與原始地表面之間的接觸面有發(fā)展成軟弱滑動(dòng)面的可能性,這種可能性在實(shí)際設(shè)計(jì)中往往不會(huì)考慮到,特別是天然溝谷較陡的山谷型渣場(chǎng)更容易發(fā)生這種情況。對(duì)溝谷地表的處理措施不適當(dāng)時(shí),就會(huì)存在泥化、泥碳化甚至局部形成囊狀氣體富集等風(fēng)險(xiǎn)。
(2)棄渣體c、φ取值差別較大。7個(gè)抽水蓄能電站渣場(chǎng)的c、φ取值見表1和圖1。棄渣體多為土石混合體,不同項(xiàng)目差別如此明顯,值得商榷。
表1 強(qiáng)度參數(shù)(c、φ)一覽表Table 1 The list of strength parameters (c、φ)
(3)目前的棄渣體穩(wěn)定性計(jì)算時(shí),多未考慮穩(wěn)定系數(shù)FS的動(dòng)態(tài)變化,即隨著填渣方式和堆載高度的變化,F(xiàn)S也隨之變化。
(4)重視前期精細(xì)化勘察設(shè)計(jì),加強(qiáng)棄渣場(chǎng)和土石方工程在時(shí)間和空間的匹配。如渣場(chǎng)啟用前,應(yīng)確保渣場(chǎng)對(duì)外的連接道路已經(jīng)完工、渣場(chǎng)地表植被腐殖土等軟弱覆蓋層已經(jīng)清除等,渣場(chǎng)規(guī)劃和設(shè)計(jì)貫穿棄渣場(chǎng)的全壽命期。
圖1 強(qiáng)度參數(shù)(c、φ)統(tǒng)計(jì)散點(diǎn)圖Figure 1 The statistical scatter plot of strength parameter (c、φ)
(5)后續(xù)工程處理措施經(jīng)常和按規(guī)范要求計(jì)算得出的代表性斷面結(jié)果不匹配,即設(shè)計(jì)文件多對(duì)原始地表進(jìn)行工程措施處理,而對(duì)穩(wěn)定性計(jì)算搜索中潛在滑動(dòng)面的關(guān)注較少。計(jì)算程序搜索得出來的滑動(dòng)破壞面多集中于坡體淺部,滑動(dòng)破壞造成的范圍一般不會(huì)很大。
把項(xiàng)目F地形地貌條件作為模擬計(jì)算的基礎(chǔ),依次代入表1中7個(gè)抽水蓄能電站渣場(chǎng)設(shè)計(jì)中采用的c、φ取值來探討上述問題。項(xiàng)目F棄渣堆積高度在100m左右,棄渣體的坡角為28°,棄渣場(chǎng)所在溝谷折算坡度約8.5°,具有15%的縱坡。設(shè)置0.5m厚的軟弱帶在渣體和原始地表之間,軟弱帶的設(shè)置是反映棄渣體沿著原有地表變形破壞這一潛在風(fēng)險(xiǎn),軟弱帶的強(qiáng)度參數(shù)為c=10kPa、φ=10°。
分別采用數(shù)值分析的“強(qiáng)度折減法”和理正巖土軟件中的“瑞典圓弧法”對(duì)棄渣體進(jìn)行穩(wěn)定計(jì)算,計(jì)算時(shí)不考慮原始地表弱化現(xiàn)象,同時(shí)將棄渣體視為均質(zhì)體,不考慮地震和地下水作用,滑面是程序自動(dòng)搜索得出[3]。綜上條件進(jìn)行計(jì)算,得出了圖2~圖4的計(jì)算結(jié)果。由圖2可以看出,在不考慮坡面弱化的情況下,瑞典條分法和強(qiáng)度折減法所計(jì)算得出的FS值比較接近。考慮坡面弱化時(shí),計(jì)算得出FS值就會(huì)有所下降。內(nèi)摩擦角和內(nèi)聚力均較高的B和D項(xiàng)目的FS值較大,該計(jì)算結(jié)果符合常規(guī)設(shè)計(jì)計(jì)算經(jīng)驗(yàn)。對(duì)比圖3和圖4,可見不同c、φ值計(jì)算出來滑面位置差別很大,滑面位置的不同對(duì)確定棄渣體的工程治理方案有著較大的影響。
圖2 FS在不同計(jì)算方法下的對(duì)比關(guān)系曲線Figure 2 FS according to different analytical methods
圖3 棄渣體按均質(zhì)考慮時(shí)的滑面形態(tài)和FS(a)A 渣場(chǎng)(FS=0.95); (b)B 渣場(chǎng)(FS=1.56);(c)C 渣場(chǎng)(FS=0.89); (d)D 渣場(chǎng)(FS=1.51);(e)E 渣場(chǎng)(FS=1.22); (f)F 渣場(chǎng)(FS=1.24)Figure 3 Stability coefficients and sliding planes according to different c and φ
圖5所示的FS和滑面形態(tài)為是在考慮在棄渣體和原始地表之間存有軟弱帶/層時(shí),采用強(qiáng)度折減法獲得的。對(duì)比圖2不難發(fā)現(xiàn):如果不重視或者不考慮棄渣體的潛在軟弱夾層成為滑面的可能性,而是不加區(qū)別和考慮的照搬規(guī)范相關(guān)條款,是欠安全的,對(duì)后續(xù)工程處理措施的選取也會(huì)有一定的影響。
以下通過分析“深圳12·20渣場(chǎng)事故”,探討棄渣體失穩(wěn)破壞的一些特征。該山頂處有廢棄的采石場(chǎng),其本身的形狀就是凹陷的,棄渣場(chǎng)就是利用凹陷處形成的。從自然條件方面來說,利用該凹陷形成的棄渣場(chǎng)的封閉條件比較好。如果前期勘測(cè)設(shè)計(jì)工作較完善,后期運(yùn)營管理得當(dāng),這確實(shí)是一個(gè)較好的棄渣場(chǎng)選址。
圖4 棄渣體按均質(zhì)考慮時(shí)的滑面形態(tài)和FS(a)A 渣場(chǎng)(FS=0.90); (b)B 渣場(chǎng)(FS=1.47);(c)C 渣場(chǎng)(FS=0.83); (d)D 渣場(chǎng)(FS=1.37);(e)E 渣場(chǎng)(FS=1.17); (f)F 渣場(chǎng)(FS=1.21)Figure 4 Stability coefficients and sliding planes according to different c and φ
圖5 考慮原始地表弱化時(shí)的滑面形態(tài)和FS(a)A 渣場(chǎng)(FS=0.76); (b)B 渣場(chǎng)(FS=0.92);(c)C 渣場(chǎng)(FS=0.74); (d)D 渣場(chǎng)(FS=0.89);(e)E 渣場(chǎng)(FS=0.90); (f)F 渣場(chǎng)(FS=0.88)Figure 5 Stability coefficients and sliding planes according to different c and φ regarding argillization and saprofication between the abandoned dreg and the natural gully
就在2015年12月20日這一天,該棄渣場(chǎng)發(fā)生了失穩(wěn)滑坡,涉及15家公司的22棟廠房在事故中被掩埋。受滑坡影響,事故現(xiàn)場(chǎng)共安全撤離約900人。截至12月26日,75人在滑坡事故發(fā)生后失聯(lián),事故共造成7人死亡。事故調(diào)查組的結(jié)論:建設(shè)者和經(jīng)營者均沒有在該棄渣場(chǎng)修建完善可靠的導(dǎo)排水系統(tǒng),在渣場(chǎng)底部大量積水沒有得到有效清除之前就開始堆填建筑渣土,加之在棄渣場(chǎng)周邊泉水和天降雨水的不斷加入,棄渣體內(nèi)部的含水量不斷升高,最后達(dá)到過飽和的狀態(tài),這就造成棄渣體底部和原始地面之間形成軟弱滑動(dòng)層;另外,棄渣場(chǎng)還存在嚴(yán)重的超高超量加載渣土的現(xiàn)象,大量渣土在自身重力作用下沿南高北低的山勢(shì)滑動(dòng),破壞力巨大的高勢(shì)能滑坡體在這種情況下就隨之形成了,加之事發(fā)時(shí)沒有采取合適的應(yīng)急處理措施,最后造成重大人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失是不可避免的。
事故發(fā)生前后的圖片資料整理如下:圖6為采石坑未填渣前衛(wèi)星圖片[4];圖7為事故全景圖[5];圖8為后緣拉裂縫照片[5];圖9為滑動(dòng)主軸剖面示意圖[5];圖10為“泥墊托筏效應(yīng)” 機(jī)理示意圖[6]。
圖6 渣場(chǎng)未啟用前衛(wèi)星圖Figure 6 Pre operation satellite map of slag field
通過分析,不難發(fā)現(xiàn):
(1)本事故棄渣體最高和最低處相差僅50m左右,且坡體較平緩,棄渣體未滑動(dòng)前,前緣坡度約30°,且已經(jīng)完成相應(yīng)的工程處理措施。但在重力豎向固結(jié)變形作用和橫向潛在滑動(dòng)方向的拉張作用下,仍發(fā)生毀滅性的推移式破壞。變形開始于后緣拉裂,拉裂縫進(jìn)水,在動(dòng)靜水壓力作用下,后緣滑動(dòng)先啟動(dòng),推動(dòng)其前渣體,沿內(nèi)部軟弱面滑動(dòng)。由此可見,即使在封閉條件較好、凹陷的采石坑內(nèi)堆放棄渣,只要在凹陷存在相對(duì)低的出口,棄渣體依然存在沿凹陷較低的出口處失穩(wěn)破壞的風(fēng)險(xiǎn)。
圖7 滑坡體全貌照片F(xiàn)igure 7 A full picture of a landslide
圖8 后緣拉張裂縫照片F(xiàn)igure 8 The picture of a crack in the back edge
(2)失穩(wěn)破壞與水作用緊密,尤其是大量積水未排就開始棄渣,加之深圳降雨量較大,不僅可致使棄渣體飽和強(qiáng)度降低,而且由于棄渣成分復(fù)雜,在浸泡等作用下淤泥化;甚至有機(jī)質(zhì)腐爛可能形成囊狀高壓氣壓帶[6],在底部或者渣土內(nèi)部形成多個(gè)軟弱滑動(dòng)層帶。
(3)棄渣體滑動(dòng)一旦啟動(dòng),呈現(xiàn)出超常的高速流動(dòng)性,棄渣體會(huì)向下游高速運(yùn)動(dòng),整體呈現(xiàn)流動(dòng)性。同時(shí),處于流動(dòng)狀態(tài)的棄渣體具有氣墊效應(yīng),當(dāng)遇到障礙物阻礙其流動(dòng)時(shí),棄渣體就會(huì)呈現(xiàn)出像流體一樣特性繞過障礙物繼續(xù)向前運(yùn)動(dòng),造成的破壞面積和危害較大。
(4)渣體后緣變形發(fā)生后,前緣的工程治理效果不顯著,雖然該棄渣場(chǎng)前緣已完成了部分馬道和排水工程措施,但效果不明顯。
棄渣體破壞后的殘留滑面非常平緩,和一般巖土計(jì)算軟件搜索出的潛在滑動(dòng)面差別很大。發(fā)生滑動(dòng)的破壞面極其平緩,角度僅有4°左右[3],補(bǔ)勘鉆孔資料和事故后調(diào)查都證明了這一點(diǎn),這也和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查相互吻合(見圖8)。地下水抬升對(duì)棄渣體穩(wěn)定性影響較大,雖然該棄渣場(chǎng)堆積坡度較為平緩,其穩(wěn)定性也隨著地下水位的抬高而大大降低。文獻(xiàn)[6]曾對(duì)上述類型的破壞模式進(jìn)行過分析,稱之為“泥墊托筏效應(yīng)”,即在承壓浮托、泥化地基、臨空滑移和堆載堆擠等綜合作用下形成“人造滑坡”。棄渣體底部和原始地面之間受地下水位上升的影響,接觸處易形成潛在滑動(dòng)面。
圖9 縱剖面示意圖(a)原始縱剖面和地形;(b)滑動(dòng)破壞后的地質(zhì)縱剖面和地形Figure 9 The schematic diagram of longitudinal section
圖10 “泥墊托筏效應(yīng)” 機(jī)理示意圖(a)2014前的采石坑及積水位; (b)持續(xù)進(jìn)行中的填方體及殘存水面;(c)填方體中地下水位持續(xù)上升; (d)填方區(qū)地下泥化面處于臨界點(diǎn);(e)滑坡后的地形景觀及地下水位Figure10 A schematic diagram of the mechanism of“ mud cushion rafting effect”
這就提醒我們,在實(shí)際工程中應(yīng)關(guān)注:
(1)對(duì)于軟件自動(dòng)搜索出來的潛在滑動(dòng)面和穩(wěn)定系數(shù)要加以甄別。
(2)棄渣體的強(qiáng)度參數(shù)和滑面的強(qiáng)度參數(shù)要合理確定。目前棄渣場(chǎng)設(shè)計(jì)計(jì)算中,多以棄渣體的c、φ值作為輸入條件,利用軟件搜索出潛在滑動(dòng)面,棄渣體沿著其他潛在軟弱面滑動(dòng)的可能性很少考慮。
(3)現(xiàn)有棄渣體穩(wěn)定分析時(shí),均假定整個(gè)滑面同時(shí)處于臨界失穩(wěn)狀體,然而事實(shí)并非如此,變形破壞有兩類:一是整個(gè)棄渣體破壞沿著軟弱面發(fā)生變形而破壞,二是棄渣體后緣先拉裂變形,沿著下滑力最大,抗滑力最小的軟弱面運(yùn)動(dòng),推動(dòng)前緣棄渣體,而前緣棄渣體沿著軟弱滑面發(fā)生剪切破壞,或者以軟弱面和棄渣體交替發(fā)生變形破壞[5],目前規(guī)范推薦的“極限平衡法”往往缺少上述考慮。
(1)就計(jì)算分析而言,無論是極限平衡法還是三維有限元等數(shù)值模擬方法,棄渣體的物理力學(xué)參數(shù)直接決定著潛在滑動(dòng)面位置和穩(wěn)定性系數(shù),建議重視前期測(cè)繪和地質(zhì)勘察工作,棄渣場(chǎng)勘察可按《巖土工程勘察規(guī)范》(GB 50021)“4.5 廢棄物處理工程”相關(guān)要求布置足量的勘察工作量和開展相應(yīng)的工程地質(zhì)評(píng)價(jià)工作。目前,不少棄渣場(chǎng)對(duì)勘測(cè)工作重視不夠。建議根據(jù)地質(zhì)宏觀判斷、現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量數(shù)據(jù)、工程類比、實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)等,綜合考慮各方面因素,謹(jǐn)慎確定棄渣體的各項(xiàng)物理力學(xué)參數(shù)。
(2)棄渣由于物源來源復(fù)雜,堆積時(shí)間長,經(jīng)歷不同的季節(jié),致使渣體本身的水文地質(zhì)與工程地質(zhì)條件復(fù)雜,其變形機(jī)理和滑坡啟動(dòng)破壞方式更加復(fù)雜。棄渣體穩(wěn)定性分析,應(yīng)考慮棄渣體沿著原有自然坡面等其他潛在軟弱面發(fā)生變形破壞的可能。而非僅通過計(jì)算軟件來確定滑動(dòng)面。
(3)在堆渣前,確保清除原地表的植被,剝離粘性土等相對(duì)軟弱土,消除長期荷載和物理化學(xué)作用下,原植被層的碳化泥化,在棄渣體和原地表之間形成潛在軟弱滑動(dòng)帶/層的潛在風(fēng)險(xiǎn)[7]。
(4)做好棄渣場(chǎng)底部排水和周邊截水設(shè)施,并考慮棄渣體后續(xù)固結(jié)變形對(duì)截排水設(shè)施的影響。
當(dāng)利用現(xiàn)有采石場(chǎng)或礦坑凹陷處設(shè)置棄渣時(shí),即使棄渣場(chǎng)的封閉條件好且棄渣堆積坡度緩,但如果缺少合理有效的導(dǎo)排水系統(tǒng),或者導(dǎo)排水系統(tǒng)后期運(yùn)行維護(hù)不善,棄渣體就會(huì)在長期浸泡等作用下致使其自身強(qiáng)度弱化,抗滑能力降低[8]。同時(shí),棄渣體底部和原始地面之前也較易形成潛在滑動(dòng)面,最終也可能造成大規(guī)模的失穩(wěn)破壞。