贡多顶横洞弃渣场边坡及挡墙稳定性分析

赵泽亚，陈泽昊

(1.中国铁道科学研究院 研究生部，北京 100081；2.中国铁道科学研究院集团有限公司 节能环保劳卫研究所，北京 100081)

1 概述

铁路建设项目隧道工程会产生大量弃渣，弃渣往往由质地松散的碎石、土体等物质组成，具有孔隙率大、强度低、非饱和等特点。一旦渣场失事滑塌，有可能对公众生命财产安全造成巨大威胁。罗雷等[1]用简单的物理模型和数学推算，运用平衡思想对四川盆地东南部公路建设项目弃渣场边坡及挡墙进行稳定性分析；刘浩等[2]对宜巴高速公路沿线典型弃渣场坡体内摩擦角、粘聚力、渣体容重、坡高、坡率和堆积位置下伏基岩倾角等影响弃渣场坡体稳定性的因素进行敏感性分析，得出各因素对边坡稳定性影响的敏感性大小；吴谦等[3]、毛雪松等[4]利用蒙特卡特算法原理对低山丘陵地貌弃渣场边坡进行了稳定性分析，考虑内部因素对弃渣场稳定性的影响，对松散土质弃渣场进行渗流条件分析并利用GeoStudio软件对弃渣场不同降雨量情况下边坡稳定性进行了分析；柏森[5]针对某隧道出口弃渣场存在的安全隐患，采用Geo-slope 岩土软件计算了弃渣场稳定性，提出了保证稳定性的措施，并通过MIDAS-NX数值模拟对治理后的渣场进行评价。

目前，关于铁路建设项目弃渣场边坡及挡墙稳定性分析的相关研究较少。为此，针对铁路建设项目的特点，结合拉萨至林芝铁路(以下简称“拉林铁路”)工程实际对铁路弃渣场进行安全稳定性分析，为铁路建设项目中弃渣场的科学管理提供依据。

拉林铁路位于青藏高原东南部，线路长、环境复杂，属于冈底斯山与喜马拉雅山之间的藏南谷地，山高谷深，气候极端恶劣。沿线生态类型及景观独特，生态环境原始、脆弱、敏感。贡多顶隧道位于拉林铁路林芝段，进口里程DK312+674，出口里程DK326+264，全长13 590 m。贡多顶隧道斜井、横洞弃渣场位于里程DK321+000右侧1 600 m处凹地，原设计占地8.15 hm2，渣场容量为40.66万m3(实方)，其中斜井弃渣16.85万m3(实方)，横洞弃渣23.81万m3(实方)。根据工程情况，只有横洞弃渣堆弃于此处，实际渣场征地面积为3.30 hm2，弃渣量23.81万m3(实方)。

2 弃渣场工程地质条件分析

2.1 地区地层岩性

2.1.1 渣场弃渣成分

英云闪长岩(K1γδ0)：隧道主要弃渣，颜色为灰色、深灰色，岩性以细中粒角闪黑云花岗岩为主。矿物成分中石英呈粒状及粒状聚晶体，裂纹较发育，常含有较多的尘状包裹物。强风化，较破碎，呈块状、碎块状。

2.1.2 人工填土成分

按照管理要求，弃渣场弃渣后应附土30 cm。附土主要为细沙，颜色为黄褐色、灰黄色，稍密、颗粒较为均匀，较为潮湿。

2.1.3 渣场地层成分

地层成分主要为碎石土，颜色为黄褐、灰褐色，密实、潮湿。碎石组成矿物成分以石英砂岩、花岗岩、花岗片麻岩为主，粒径60～150 mm，最大可见200 mm，约占总质量的60%～65%，局部地段夹直径为1～2 m的漂石，最大直径为3 m，空隙以砂石、细角砾充填，地层厚度大于30 m，属Ⅲ级硬土。

根据设计单位地勘资料及工程地质手册，各部分土(渣)体物理参数如表1所示。

表1 土体物理学参数

2.2 水文地质特征

2.2.1 地表水

测区地表水主要为沟水，雨季及冰雪融化季节沟中有流水，枯水季节沟中无水。

2.2.2 地下水

按地下水赋存条件，地下水分为2种类型，即第四系孔隙潜水和基岩裂隙水。

(1)第四系松散孔隙水。第四系孔隙水主要赋存于卵石土、漂石土、砂土中，其透水性强、渗透系数大，地下水丰富。补给水主要为大气降水及地表水。

(2)基岩裂隙水。基岩孔裂隙水主要分布于花岗岩、闪长岩中，其水量大小主要受岩层分布面积及孔裂隙率大小控制。总体上看，由于受到雅鲁蔵布江河谷深切作用，本区地下水埋深大。主要接受大气降水入渗补给，雅鲁藏布江是区域内最低排泄基准面，地下水接受大气降水入添补给后，通过地下径流后排向雅鲁藏布江河谷。

2.3 地震动参数

该地区地震动峰值加速度为0.15g，地震动反应谱特征周期值为0.65 s，地震烈度为7级。

2.4 气象资料

该区域属高原温带半干旱季风气候区，空气稀薄、气压低、氧气少；辐射强烈、日照充足、气候干燥；年温差小，日温差大，降水集中，多夜雨；气候类型复杂、变化大等。根据当地气象局提供的统计资料：年平均气温8.4℃，极端最高气温28.8℃，极端最低气温-15.8℃，最热月平均气温15.9℃，最冷月平均气温-0.1℃。降雨量年分布不均衡，雨季多集中在5至10月，当年9月至次年4月为早季，年平均降雨量702.3 mm，年最大降雨量891.9 mm。风向多与河谷走向一致，10月下旬至次年5月为干风季节，年平均风速1.6 m/s，最大风速19.8 m/s，主导风向为NE；年平均相对湿度72%；年平均无霜期163 d；最大季节冻土深度10 cm。

3 弃渣场工程稳定性分析

3.1 边坡稳定性分析

3.1.1 渣场级别确定

根据《水土保持工程设计规范》(GB 51018—2014)中5.7.1内容规定[6]，弃渣场级别应根据堆渣量、最大堆渣高度，以及弃渣场失事后对工程或环境造成的危害程度确定，弃渣场级别规定如表2所示。

表2 弃渣场级别

贡多顶横洞弃渣场最大堆渣高度50 m，堆渣量23.81万m3。弃渣场下方15 m左右有施工便道。根据《建筑边坡工程技术规范》(GB 50330—2013)中3.2.3部分规定[7]，边坡滑塌区范围可按下式计算。

L=H/tanθ

式中：H为边坡高度；θ可取(β+φ)/2，其中β为坡面与水平面的夹角，φ为土体的内摩擦角，计算所得θ值约为33°。

在渣场剖面图中，以施工便道距离渣场最近点为原点，以tan33°(约为0.65)为斜率做直线如图1所示，则渣场边坡在直线上方的部分滑塌区域可以触及便道位置，在直线下方部分反之。

图1 可能滑塌至便道坡面位置与实际渣场剖面图关系图

由图1可以看出，如果渣场发生滑塌，滑塌区域不会覆盖便道。虽然工人、村民、过路人有在渣场附近活动的可能，但是活动可能性较小，评判渣场失事对环境、工程危害的程度为不严重。根据渣场等级评判就高不就低原则，综合评判渣场等级为3级。

3.1.2 边坡稳定性计算

3.1.2.1 边坡稳定性计算方法

极限平衡法是目前边坡工程稳定性评价方法中最完善的评价方法，其原理是当坡面破坏时，土体强度也随之下降，达到一定程度时土体内部会产生圆弧滑裂面，并依据此滑裂面对边坡进行稳定性分析。比较成熟的计算方法有瑞典圆弧法、简化毕肖普法等。

(1)瑞典圆弧法。瑞典圆弧法是应用最早的一种方法，此方法假设滑裂面为圆弧面，把土体分条，并忽略土条间的相互作用力来计算边坡稳定性系数，计算公式为

式中：Fs为边坡稳定性安全系数；c为土体粘聚力；Wi为第i条土条的重力；li为第i条土条沿滑动面的长度；φi为土体内摩擦角；θi为第i条土条受到的法向力Ni与竖直方向的夹角。

(2)简化毕肖普法。简化毕肖普法是在瑞典圆弧法的基础上考虑土条间的作用力、忽略土条间的切向力，满足整体力矩和各条块的垂直方向力平衡，而水平方向不满足力平衡的一种计算方法，计算公式为

由于模型原因，瑞典圆弧法计算结果略微偏大10%～20%，而简化毕肖普法计算结果偏小2%～7%。

3.1.2.2 边坡稳定性计算依据

采用瑞典圆弧法和简化毕肖普法计算边坡稳定性如表3所示。根据《水土保持工程设计规范》及参考《建筑边坡工程技术规范》规定，采用2种方法计算边坡稳定性时，边坡抗滑稳定安全系数不应小于表3规定限值。

表3 边坡稳定性规定限值

3.1.2.3 边坡稳定性计算结果

根据现场情况，选取4个典型断面，弃渣场地形及断面如图4、图5所示。

图4 弃渣场地形图

图5 各断面剖面图

理正岩土软件是工程设计中的常用综合软件，包含边坡稳定性分析、挡土墙设计、抗滑桩设计等子软件，可以根据断面图和土体物理特性参数进行多种情况下边坡及挡墙的稳定性分析计算，为工程项目提供参考。利用理正岩土软件对4个断面分别使用瑞典圆弧法和简化毕肖普法计算正常工况和地震工况下边坡抗滑稳定安全系数，计算结果如表4所示。

表4 边坡抗滑安全稳定系数计算结果

从计算结果可以看出，贡多顶横洞弃渣场各个断面在正常工况和地震工况下抗滑稳定安全系数均大于标准《水土保持工程设计规范》及《建筑边坡工程技术规范》规定3级渣场限值(瑞典圆弧法计算抗滑稳定安全系数限值正常运用工况为1.20，非正常运用工况为1.05；简化毕肖普法计算抗滑稳定安全系数限值正常运用工况为1.25，非正常运用工况为1.10)，该渣场边坡目前处于稳定状态。

3.2 挡墙稳定性分析

贡多顶横洞弃渣场采用重力式挡土墙，设计适用于地震动峰值加速度不大于0.2g，沟谷无水或水量较小地段，渣料岩性内摩擦角40°≥φ≥35°，重度22 kN/m3≥γ≥20 kN/m3，墙内有排水口，墙面材料较为粗糙。挡土墙墙身高4 m，埋深1 m，墙顶宽0.6 m，面坡、背坡坡比均为1∶0.3，墙趾台阶长度为0.5 m，高为1 m。挡土墙尺寸如图6所示。

图6 贡多顶隧道渣场挡墙尺寸图

根据《水土保持工程设计规范》5.7.2部分规定，弃渣场拦挡工程应按照弃渣场级别根据表5确定。

表5 弃渣场拦挡工程建筑级别

由此，确定挡墙工程为4级，挡墙基底抗滑稳定安全系数及抗倾覆安全系数由表6确定。

表6 挡墙基底抗滑稳定安全系数及抗倾覆安全系数限值

用理正岩土软件分别对各个断面进行滑移验算和倾覆验算，得到各个断面的抗滑稳定安全系数和抗倾覆安全系数，计算结果如表7所示。

表7 挡墙安全稳定系数计算结果

从计算结果可以看出，各个断面的抗滑稳定安全系数及抗倾覆安全系数均高于标准《水土保持工程设计规范》(GB 51018—2014)4级挡墙规定限值(抗滑稳定安全系数限值为1.20，抗倾覆安全系数限值为1.4)，弃渣场挡墙现阶段处于稳定状态。

4 结论

贡多顶横洞弃渣场附近暂时未发现不良地质作用现象，渣场本身也未曾出现滑坡事件。基于施工单位按设计要求规范管理弃渣场、弃渣场边坡环境不再恶化的情况下进行计算，计算结果表明，各个剖面计算沿坡体方向内部安全稳定系数在天然工况下均大于1.20(瑞典圆弧法计算)或1.25(简化毕肖普法计算)，地震工况下均大于1.05(瑞典圆弧法计算)或1.10(简化毕肖普法计算)；挡墙抗滑安全系数计算结果均大于1.20，抗倾覆安全系数均大于1.4，所有计算结果均满足标准《水土保持工程设计规范》(GB 51018—2014)和标准《建筑边坡工程技术规范》(GB 50330—2013)规定限值，表明该渣场边坡及挡墙都处于稳定状态。

实际工程中弃渣场管理不严格、不规范的情况时有出现，会对弃渣场的稳定性造成影响。因此，弃渣场管理过程中应按要求对弃渣场进行分级削坡、压实，保持弃渣场挡墙排水口及排水沟的正常工作。目前，该弃渣场弃渣工作已经基本结束，生态恢复工作正在开展，工作人员会频繁出入弃渣场，建议加强工作人员的培训，提高安全意识、加强管理，并在滑塌可能影响区域设置明显标识，禁止无关人员进入。