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      西南山區(qū)高速公路高填方棄土場(chǎng)破壞模式分析及穩(wěn)定性研究

      2022-11-08 02:13:00袁旭凱許萬(wàn)忠嚴(yán)鐵軍胡明欣
      中外公路 2022年5期
      關(guān)鍵詞:土場(chǎng)場(chǎng)址排水溝

      袁旭凱, 許萬(wàn)忠, 嚴(yán)鐵軍, 胡明欣

      (昆明理工大學(xué) 國(guó)土資源工程學(xué)院, 云南 昆明 650093)

      隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)建設(shè)的快速發(fā)展,基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)不斷向西南山區(qū)擴(kuò)展。 在高速公路建設(shè)過(guò)程中有大量的深挖邊坡和長(zhǎng)隧道,開(kāi)挖量和隧道渣量大。由于受交通的限制,運(yùn)輸距離長(zhǎng)。挖填方難以平衡,便會(huì)產(chǎn)生大量永久棄方,必然要設(shè)置棄土場(chǎng)來(lái)處置棄土[1-2]。而高速公路棄土場(chǎng)設(shè)計(jì)規(guī)模大,在特殊工況下會(huì)發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害,影響工程建設(shè)的順利進(jìn)行。

      目前針對(duì)高速公路高填方棄土場(chǎng)的穩(wěn)定性研究不多,沈明祥等[2]通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查和計(jì)算分析評(píng)估了貴州省六盤(pán)水至威寧高速公路棄土場(chǎng)穩(wěn)定性;抗興培等[3]從飽和非飽和理論出發(fā)分析了強(qiáng)降雨條件下棄土場(chǎng)邊坡穩(wěn)定性變化歷程;李研[4]對(duì)高速公路棄土場(chǎng)的處置方案進(jìn)行了研究;蔣成海[5]指出高速公路棄土場(chǎng)存在的問(wèn)題并提出了相應(yīng)的處置措施;韓信等[6]對(duì)棄土場(chǎng)位置選擇以及設(shè)計(jì)原則進(jìn)行了研究。以上文獻(xiàn)從現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查、飽和非飽和理論、風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)、處置方案設(shè)計(jì)等方面研究了高速公路棄土場(chǎng)的相關(guān)問(wèn)題,但缺乏全面系統(tǒng)的穩(wěn)定性評(píng)估。因此,有必要結(jié)合具體工程實(shí)例對(duì)高速公路高填方棄土場(chǎng)進(jìn)行系統(tǒng)的評(píng)價(jià),了解其各工況各階段的穩(wěn)定性,預(yù)防地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生。

      該文以西南山區(qū)某高速公路高填方棄土場(chǎng)為研究對(duì)象,根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)地走訪調(diào)查,分析棄土場(chǎng)可能發(fā)生的破壞模式;并結(jié)合場(chǎng)地工前工后,從定性定量的角度全面系統(tǒng)地對(duì)棄土場(chǎng)場(chǎng)址穩(wěn)定性、棄土場(chǎng)局部和整體穩(wěn)定性、棄土場(chǎng)支擋結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性等方面進(jìn)行安全評(píng)估。為其他類似工程棄土場(chǎng)設(shè)置提供分析設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)。

      1 棄土場(chǎng)工程概況

      1.1 周邊情況

      該高速公路棄土場(chǎng)位于云貴高原山區(qū),地形連續(xù),地表根據(jù)山勢(shì)起伏較大。處于構(gòu)造剝蝕中山斜坡地貌區(qū),地表覆蓋薄層第四系殘坡積土,巖性以黏性土為主,多呈硬塑狀,局部混少量強(qiáng)風(fēng)化砂巖碎石。下伏地層為紫紅色泥巖、砂巖,固結(jié)程度低,抗風(fēng)化能力弱。距棄土場(chǎng)上游200 m處有一戶居民。

      研究區(qū)屬低緯度高原季風(fēng)氣候區(qū)域,受滇西北高原和橫斷山脈高山峽谷地形的影響,區(qū)域內(nèi)一年干濕季分明,氣候空間立體變化明顯,應(yīng)考慮強(qiáng)降雨對(duì)棄土場(chǎng)穩(wěn)定性的影響。

      研究區(qū)地震活動(dòng)頻繁,地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜,總體上屬于地震活動(dòng)強(qiáng)烈區(qū)域。該區(qū)地震震中一般位于構(gòu)造體系復(fù)合部位,地震活動(dòng)具有明顯的周期性變化,近期地震運(yùn)動(dòng)頻繁,穩(wěn)定性評(píng)估時(shí)應(yīng)考慮地震的影響。

      1.2 設(shè)計(jì)概況

      棄土場(chǎng)設(shè)計(jì)棄土石方量約50.28萬(wàn)m3,占地面積40 446 m2。棄土場(chǎng)設(shè)置兩個(gè)臺(tái)階,臺(tái)階標(biāo)高分別為2 905 m、2 880 m,平臺(tái)寬度20 m,坡比為1∶2,棄土場(chǎng)設(shè)計(jì)堆放剖面如圖1所示。在棄土場(chǎng)周?chē)O(shè)置截排水溝,排水溝斷面為矩形,一側(cè)溝寬1.5 m,深1.5 m,另一側(cè)溝寬1 m,深1 m,排水溝為混凝土澆筑。棄土場(chǎng)下游支擋結(jié)構(gòu)為重力式擋墻,高8 m。

      圖1 棄土場(chǎng)剖面圖(單位:m)

      1.3 棄土來(lái)源及棄土場(chǎng)級(jí)別

      棄土場(chǎng)堆積材料主要為公路棄渣。填筑區(qū)溝谷縱坡平緩,填料整體質(zhì)量較好,嚴(yán)格按施工方案進(jìn)行分級(jí)填筑、壓實(shí)并合理控制邊坡分級(jí)填筑高度、坡率,堆放的棄土按照設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了分層壓實(shí),壓實(shí)度不低于85%。

      根據(jù)GB 51018—2014《水土保持工程設(shè)計(jì)規(guī)范》,棄土場(chǎng)級(jí)別應(yīng)根據(jù)堆土量、堆土最大高度以及棄土場(chǎng)失事后對(duì)主體工程或環(huán)境造成危害程度確定[7],具體標(biāo)準(zhǔn)如表1所示。

      表1 棄土場(chǎng)級(jí)別

      經(jīng)對(duì)比分析,棄土場(chǎng)場(chǎng)地條件一般,設(shè)計(jì)堆置高度33 m,棄土容積為50.28萬(wàn)m3,棄土場(chǎng)上游200 m有一戶居民,棄土體失穩(wěn),對(duì)上游有一定影響。故此棄土場(chǎng)級(jí)別屬3級(jí)。常用工況下該棄土場(chǎng)允許的最小安全系數(shù)為1.25;非常用工況下該棄土場(chǎng)允許的最小安全系數(shù)為1.10。

      2 棄土場(chǎng)基本破壞模式

      根據(jù)張倬元等[8]對(duì)棄土場(chǎng)進(jìn)行的研究,整理總結(jié)并通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)工程地質(zhì)勘查分析,在棄土場(chǎng)滑坡中,按滑動(dòng)面位置及其滑動(dòng)產(chǎn)生的原因,可以將棄土場(chǎng)的滑坡分為以下4類:沿棄土場(chǎng)內(nèi)部滑動(dòng)面的滑坡,沿基底接觸面的滑坡、沿地基軟弱層的滑坡和沿棄土場(chǎng)表層局部坍塌與錯(cuò)動(dòng)。

      2.1 棄土場(chǎng)內(nèi)部滑動(dòng)

      當(dāng)棄土場(chǎng)基底巖層比較穩(wěn)固,由于棄土自身物理力學(xué)性質(zhì)較差,或在外界條件的影響下,此時(shí)在棄土內(nèi)部發(fā)生剪切破壞,但滑體未剪穿下部滑床基底巖土體,剪出口常出現(xiàn)在棄土坡面靠近坡腳處的位置(圖2)。對(duì)于含土量較高并具有一定濕度的棄土場(chǎng),隨棄土場(chǎng)內(nèi)棄土高度增加,會(huì)發(fā)生壓實(shí)和沉降,由于棄土場(chǎng)內(nèi)部孔隙壓力的不平衡,導(dǎo)致出現(xiàn)應(yīng)力集中區(qū),孔隙壓力的存在也會(huì)降低潛在滑移面上的摩擦阻力,進(jìn)而導(dǎo)致滑坡的發(fā)生。

      圖2 棄土場(chǎng)內(nèi)部滑坡

      發(fā)生在棄土場(chǎng)內(nèi)部的滑坡,大多數(shù)與棄土的物理力學(xué)性質(zhì)有關(guān),在棄土場(chǎng)受到大氣降雨、地表水的浸潤(rùn)或者地震動(dòng)的影響時(shí),往往會(huì)嚴(yán)重惡化棄土場(chǎng)的穩(wěn)定狀態(tài)。因此對(duì)棄土場(chǎng)進(jìn)行安全評(píng)估時(shí)要驗(yàn)算多種工況下的局部穩(wěn)定性。

      2.2 沿基底接觸面的滑動(dòng)

      當(dāng)棄土場(chǎng)的基底傾角較陡,棄土與基底接觸面之間的抗剪強(qiáng)度小于棄土物料本身的抗剪強(qiáng)度時(shí),便會(huì)發(fā)生沿基底接觸面的滑動(dòng)(圖3)。如果基底上部存在風(fēng)化層或腐殖土層,這一層土堆積在棄土下部會(huì)形成軟弱夾層,遇到雨水的浸潤(rùn)或者地震的搖振,便會(huì)促進(jìn)滑坡的形成。這類滑坡的主要控制因素是基底表面與棄土之間的物理力學(xué)強(qiáng)度指標(biāo)以及基底表面本身的傾

      圖3 棄土場(chǎng)沿基礎(chǔ)底面滑坡

      角。因此要結(jié)合棄土和基底巖土體的土工試驗(yàn)數(shù)據(jù),驗(yàn)算棄土場(chǎng)多種工況下的整體穩(wěn)定性。

      2.3 沿地基軟弱層滑動(dòng)

      當(dāng)棄土場(chǎng)地基含有軟弱層時(shí),由于承載力較低,在棄土場(chǎng)散體巖土體荷載或雨水等因素作用下易產(chǎn)生沿軟弱地基的滑坡。這類破壞主要表現(xiàn)為沉降變形和坐落-滑移式滑坡(圖4)。

      圖4 棄土場(chǎng)沿地基軟弱層滑坡

      沉降變形主要發(fā)生在較陡的地基上且具有較大沉降系數(shù)的干旱地區(qū)。較厚的部分比較薄的部分具有更大的沉降,從而導(dǎo)致沉降不均產(chǎn)生許多拉裂縫??p隙中的裂縫為降雨和滲水創(chuàng)造了便利的條件。當(dāng)縫隙中的水存儲(chǔ)量增加時(shí),可能會(huì)導(dǎo)致滑坡。

      坐落-滑移式滑坡主要是由于棄土場(chǎng)之下的地基內(nèi)因水和軟弱層的存在及過(guò)載等因素而導(dǎo)致的地基滑坡。在棄土場(chǎng)堆填過(guò)程中,棄土堆填高度的不斷增加,基底土層持力層厚度也隨著棄土的荷載加大而不斷加深,當(dāng)棄土堆填到一定高度時(shí),棄土載荷達(dá)到軟弱基底的承載極限,基底連續(xù)性好的、強(qiáng)度低的軟弱帶,被擠壓產(chǎn)生塑性流動(dòng),沿下部基底剪切隆起,同時(shí)在軟弱帶上方棄土層內(nèi)形成拉伸應(yīng)力,加上棄土松散物料屬于非均質(zhì)巖體,在自身重力作用下棄土沿基底軟弱層切入,引起棄土場(chǎng)坐落-滑移式滑坡。因此,這類滑坡危害較大,對(duì)棄土場(chǎng)進(jìn)行穩(wěn)定性評(píng)估時(shí),要全面驗(yàn)算場(chǎng)址穩(wěn)定性、邊坡局部和整體穩(wěn)定性、支擋結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。

      2.4 棄土場(chǎng)表層的坍塌與錯(cuò)動(dòng)

      當(dāng)棄土場(chǎng)局部堆積坡度過(guò)大,在上部進(jìn)行繼續(xù)堆積時(shí)就有可能打破局部的應(yīng)力平衡,導(dǎo)致坡體錯(cuò)動(dòng)形成新的平衡穩(wěn)定狀態(tài)。此種破壞常發(fā)生在棄土表層,是一種局部小規(guī)?;?圖5)。

      圖5 棄土場(chǎng)表層局部坍塌破壞

      3 棄土場(chǎng)穩(wěn)定性分析

      3.1 棄土場(chǎng)穩(wěn)定性定性評(píng)估

      經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查,研究區(qū)內(nèi)及周?chē)窗l(fā)現(xiàn)不良地質(zhì)災(zāi)害體,現(xiàn)狀場(chǎng)地危害小。根據(jù)棄土場(chǎng)場(chǎng)址的地質(zhì)環(huán)境條件、建設(shè)規(guī)模、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)等在建設(shè)中和運(yùn)營(yíng)后可能造成風(fēng)險(xiǎn)的影響因子,定性綜合判定該棄土場(chǎng)場(chǎng)地危險(xiǎn)性小。

      3.2 棄土場(chǎng)場(chǎng)址穩(wěn)定性評(píng)估

      3.2.1 計(jì)算模型建立

      此次棄土場(chǎng)場(chǎng)址穩(wěn)定性計(jì)算將原始地形剖面進(jìn)行了地質(zhì)概化,建立穩(wěn)定性計(jì)算模型。采用GeoStudio軟件的Slope/W模塊進(jìn)行計(jì)算分析(圖6)。

      圖6 場(chǎng)址穩(wěn)定性計(jì)算模型

      3.2.2 參數(shù)選取及工況設(shè)置

      通過(guò)室內(nèi)土工試驗(yàn)以及相關(guān)工程類比分析,綜合對(duì)比,選取棄土場(chǎng)基底巖土體物理力學(xué)參數(shù)(表2)。場(chǎng)址穩(wěn)定性驗(yàn)算設(shè)置3種工況:天然工況、暴雨工況、地震工況。

      表2 棄土場(chǎng)各土層物理力學(xué)參數(shù)

      3.2.3 計(jì)算結(jié)果分析

      棄土場(chǎng)場(chǎng)址穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。

      由表3可知:棄土場(chǎng)場(chǎng)址邊坡在自然工況下安全系數(shù)為3.33,大于標(biāo)準(zhǔn)安全系數(shù)1.25;暴雨工況下安全系數(shù)為2.91,地震工況下安全系數(shù)為2.72,均大于標(biāo)準(zhǔn)安全系數(shù)1.10,滿足規(guī)范的穩(wěn)定性要求,故原始邊坡穩(wěn)定。

      表3 棄土場(chǎng)場(chǎng)址穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果

      3.3 棄土場(chǎng)邊坡局部和整體穩(wěn)定性評(píng)估

      3.3.1 計(jì)算模型建立

      根據(jù)棄土場(chǎng)設(shè)置概況以及場(chǎng)地工程地質(zhì)條件將剖面圖進(jìn)行地質(zhì)概化(圖7)。采用GeoStudio軟件的Slope/W模塊進(jìn)行計(jì)算分析。

      圖7 邊坡局部及整體穩(wěn)定性計(jì)算模型

      3.3.2 參數(shù)選取及工況設(shè)置

      結(jié)合土工試驗(yàn),以及相關(guān)工程資料,考慮降雨環(huán)境下填土力學(xué)參數(shù)大大降低,各土層物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表2,其中擋土墻在軟件中設(shè)置為高強(qiáng)度材料,排除從擋土墻范圍內(nèi)剪出的可能性。

      3.3.3 計(jì)算結(jié)果分析

      棄土場(chǎng)局部和整體穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表4。

      表4 棄土場(chǎng)局部和整體穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果

      由表4可知:棄土場(chǎng)邊坡局部穩(wěn)定性和整體穩(wěn)定性在3種工況下,穩(wěn)定性系數(shù)呈有規(guī)律下降,大于標(biāo)準(zhǔn)安全系數(shù),滿足規(guī)范的穩(wěn)定性要求,故棄土場(chǎng)邊坡局部和整體穩(wěn)定。

      3.4 棄土場(chǎng)支擋結(jié)構(gòu)物穩(wěn)定性評(píng)估

      該棄土場(chǎng)支擋結(jié)構(gòu)為重力式擋土墻,此次穩(wěn)定性驗(yàn)算利用理正巖土軟件的擋土墻模塊進(jìn)行驗(yàn)算。

      3.4.1 支擋結(jié)構(gòu)模型建立

      擋土墻穩(wěn)定性計(jì)算模型見(jiàn)圖8。

      圖8 擋土墻穩(wěn)定性計(jì)算模型(單位:cm)

      3.4.2 支擋結(jié)構(gòu)計(jì)算結(jié)果分析

      經(jīng)過(guò)軟件計(jì)算各工況穩(wěn)定性,該擋土墻的滑動(dòng)穩(wěn)定性驗(yàn)算、基礎(chǔ)強(qiáng)度驗(yàn)算、臺(tái)頂截面強(qiáng)度驗(yàn)算、抗傾覆穩(wěn)定性驗(yàn)算、整體穩(wěn)定驗(yàn)算等均滿足GB 51018—2014《水土保持工程設(shè)計(jì)規(guī)范》要求,故該擋土墻滿足棄土場(chǎng)設(shè)計(jì)的穩(wěn)定性要求。

      3.5 棄土場(chǎng)截排水系統(tǒng)驗(yàn)算

      通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)在棄土場(chǎng)外圍修筑了地表截排水溝,根據(jù)場(chǎng)區(qū)匯水條件,對(duì)截排水溝過(guò)水能力進(jìn)行驗(yàn)算。

      根據(jù)中國(guó)公路科學(xué)研究所提出的小匯水面積流量計(jì)算公式:

      QP=φSPF

      (1)

      式中:QP為設(shè)計(jì)頻率地表水匯流量(m3/s);φ為徑流系數(shù),取 0.2;SP為設(shè)計(jì)降雨強(qiáng)度(mm/h);F為匯水面積(km2)。

      根據(jù)衛(wèi)星影像測(cè)得場(chǎng)區(qū)匯水面積約為0.86 km2。

      在中國(guó)氣象網(wǎng)查得,該地區(qū)20年一遇最大小時(shí)降雨量為 61.6 mm/h,由此求得棄土場(chǎng)流域內(nèi)最大匯水流量為10.6 m3/s。

      根據(jù)GB 50014—2006《室外排水設(shè)計(jì)規(guī)范》,排水溝的設(shè)計(jì)流量為[9]:

      (2)

      (3)

      式中:Q排為排水溝設(shè)計(jì)最大流量;A為排水溝過(guò)水?dāng)嗝婷娣e(m2);V為流速;n為粗糙系數(shù);R為水力半徑(m);i為水力梯度(明渠排水等于排水溝溝底的縱坡度);x為濕周(m)。

      根據(jù)先期設(shè)計(jì)資料及現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查,排水溝斷面為矩形,一側(cè)溝寬1.5 m,深1.5 m,另一側(cè)溝寬1 m,深1 m,排水溝為混凝土澆筑,根據(jù)GB 50014—2006《室外排水設(shè)計(jì)規(guī)范》,n=0.014??紤]安全超高0.2 m,A1=1.95 m2,A2=0.8 m2,x1=4.5 m,x2=3 m,R1=0.43 m,R2=0.26 m,i=0.03(排水溝順地表布設(shè)),將上述數(shù)據(jù)代入式(2)、(3),得到:

      Q排1=10 m3/s

      Q排2=5 m3/s

      由上述計(jì)算結(jié)果可知:棄土場(chǎng)區(qū)地表匯水流量Q=10.6 m3/s,小于排水溝的最大設(shè)計(jì)過(guò)水流量Q排=15 m3/s,當(dāng)前排水溝過(guò)流斷面滿足要求。

      4 結(jié)論及建議

      4.1 結(jié)論

      (1) 根據(jù)定性分析可知,棄土場(chǎng)場(chǎng)地危險(xiǎn)性評(píng)估結(jié)果為危險(xiǎn)性??;該棄土場(chǎng)建設(shè)用地的適宜性為基本適宜,棄土場(chǎng)建設(shè)方案及主體防護(hù)工程設(shè)計(jì)合理,綜合判定該棄土場(chǎng)建設(shè)安全性評(píng)估結(jié)果為安全。

      (2) 通過(guò)定量計(jì)算,棄土場(chǎng)邊坡在所有工況下,場(chǎng)址穩(wěn)定性、局部穩(wěn)定性和整體穩(wěn)定性均滿足規(guī)范要求,在天然工況下的安全系數(shù)均大于1.25;暴雨工況和地震工況下的安全系數(shù)均大于1.10,棄土場(chǎng)處于穩(wěn)定狀態(tài)。

      (3) 泥石流攔擋設(shè)施及截排水溝符合設(shè)計(jì)要求,能滿足該棄土場(chǎng)日常運(yùn)行的穩(wěn)定性需求。

      4.2 建議

      (1) 定期對(duì)棄土場(chǎng)邊坡、支擋結(jié)構(gòu)以及截排水系統(tǒng)進(jìn)行檢查和監(jiān)測(cè),發(fā)現(xiàn)變形、裂縫或位移應(yīng)及時(shí)匯報(bào)相關(guān)部門(mén),并加密監(jiān)測(cè)頻次,及時(shí)采取工程加固措施。

      (2) 棄土場(chǎng)應(yīng)采取必要的綠化措施,減小坡面水土流失。

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