铁路沿线弃渣场边坡稳定性研究

王发玲，张 亮，程 莉，陈 凯

（中南勘察设计院集团有限公司，湖北 武汉 430071）

2019年新修建的蒙华铁路北起内蒙古浩勒报吉南站，南至江西吉安站，全长1813.5km。在山地区域修建铁路、公路等建筑的过程中通常会有大量的工程弃渣产生，受山区地形、运输距离、工程造价等条件的限制，施工时通常将此类弃渣堆置于铁路沿线周边的沟道内。现阶段，弃渣场在前期选址、设计时存在风险控制意识不够的问题，发生了许多弃渣场滑坡事件，深圳“12·20”特大滑坡事故、山西娄烦矿渣滑坡事故等弃渣场滑坡事故反映了弃渣场在选址、施工和运营安全的重要性。因此，需对人工弃渣场边坡的安全稳定性进行分析研究。

近年来，国内诸多学者对人工弃渣场边坡的稳定性进行了分析研究，并取得了一定的成果：段义字等[1]对煤矿弃渣场进行研究，进而提出了弃渣场水土流失防治对策及运行管理措施；刘建伟等[2]对采集的弃渣样品进行了相关的物理指标测定，并分析研究了弃渣场边坡稳定性；谭鹏[3]通过室内试验和现场试验，得到了典型弃渣体的物理力学参数，经数值分析后提出了分析弃土场稳定性的方法；王明慧等[4]通过研究得出在山脚和山沟修建弃渣场，其弃渣场的弃渣量更大、占地更少且弃渣最为方便；刘振旺等[5]通过对山区条件进行调查，分析了泥石流对弃渣场稳定性的影响。

综上，已有较多学者对弃渣的稳定性进行了分析研究，但大多数的研究选用的都是二维典型剖面模型，不能完全反映弃渣场边坡的整体稳定性。因此，文章以蒙华铁路沿线的桐木隧道出口弃渣场为例，在实地调研的基础上，对弃渣体进行取样分析其物理力学参数，并利用有限元软件Midas GTS NX对桐木隧道出口弃渣场边坡进行三维稳定性分析。根据有限元分析的结果，提出弃渣场边坡的防护措施及建议。

1 工程概况

桐木隧道出口弃渣场位于蒙华线DK1701+668线路左侧110m处山坳，占地面积约1.3hm2。弃渣场附近南侧最近约300m有洪源槽水，东南侧约3.3km为大丰水库。渣场设计堆渣量约10万m3，地势东北向高西南向低。弃渣场边坡前缘坡脚处为高约7m的混凝土挡墙，坡高42m，渣体分6级放坡，每级坡高6m，坡比1∶2.5，平台宽度3m（3级坡后设置30m宽平台），后缘与现状山坡相连。堆渣体纵向长度约144m，最大宽度约94m，堆渣体周边设置截水天沟、中部设置排水沟、底部设置排水盲管，以截排地表及地下水。弃渣厂区平面图如图1所示。

图1 弃渣场区平面图

2 场区工程地质条件

2.1 地形地貌

蒙华铁路桐木隧道出口弃渣场所在区域地貌单元属丘陵，即低山地貌，弃渣沟谷呈“V”字形，冲沟整体坡度上陡下缓，整体坡度约17°，高程约158～214m。山体表层为第四系残坡积土，其下为千枚岩。

2.2 气象水文

弃渣场位于亚热带温暖湿润气候区，具有四季分明、雨量充足、无霜期较长的特点。平均无霜期260d，全年平均气温为17.2℃。年平均降水量为1680.2mm，降水量季节分配很不均匀。弃渣区地下水类型主要为全强风化岩体中的孔隙水与基岩裂隙水。区内山体切割强烈，沟谷发育，总体上弃渣堆积区地形坡度较大，地下水径流路径较短，水量、水位受大气降水影响较大。弃渣冲沟周边山体基岩为千枚状板岩、粉砂质板岩等，岩体透水性较差，全、强风化后多呈泥状，富水性不算好，总体上区内地下水水量不丰，仅有少量的地下水赋存于有一定张开度的基岩裂隙之中。总体上地下水富水性较差，沟内无大的泉点出露，沟底仅季节性流水。该沟域水文地质条件简单，其地下水的补给排泄等径流活动，不会对弃渣堆积构成大的不利影响。

2.3 地质构造

场区处于九岭隆起和萍乐凹陷带的复合部分，构造体系以东西向、北东向（华夏系）、北北东向（新华夏系）为主。弃渣场所处区域断层构造发育，岩层节理裂隙发育。调查评估区段处于华南褶皱范围内的赣粤褶皱带，是较为稳定的弱震区，历史上没有破坏性地震记载。根据《中国地震动峰值加速度区划图》（GB 18306—2015），评估区的地震动峰值加速度为0.05g，地震反应特征周期为0.35s，地震基本烈度为6度区。

3 弃渣场稳定性分析

3.1 有限元强度折减法计算原理

有限元方法中的强度折减法是应用最为广泛的边坡稳定性分析方法，强度折减法的基本原理是将边坡的岩土体的黏聚力c、摩擦角φ同时除以折减系数F，得到一组新的材料参数c'、φ'，然后将得到的新的材料参数再进行试算，通过不断改变折减系数F，直至研究对象达到临界状态。此时得到的折减系数F即为边坡的安全系数F。强度折减过程中屈服面变化如图2所示。

图2 强度折减过程中屈服面变化

其分析方程如下：

3.2 有限元本构模型

Mohr-Coulomb模型是广泛应用于岩土材料的理论和实践中一种本构模型，可用公式表示：

材料的抗剪强度与作用在该平面上的法向应力有关，当作用在该平面上的法向应力和剪应力满足Mohr-Coulomb屈服表达式时，剪切破坏。

在应力空间中，Mohr-Coulomb准则是一个不等边六边形圆锥，式（2）可用如下的主应力形式表示：

代入式（3）得表示屈服面的屈服函数如下：

式中：σm为平均正应力，Pa；J2为第二偏应力不变量，Pa2；θσ为应力洛德角，无量纲。

屈服面是区分应力状态从弹性应变向塑性应变发展的一种状态。如果应力位于屈服面之内，则F＜0；如果正好位于屈服面之上，则F=0；如果F＞0，则表示应力位于屈服面之外。

3.3 岩土体物理参数选取

蒙华桐木隧道出口弃渣场弃渣来源主要为桐木隧道出口、洪源一号隧道及大丰一号隧道的弃渣，弃渣组成物质主要为千枚岩碎石、块石，如图3所示。

图3 弃渣体

弃渣和风化基岩的物理力学参数是通过实验室测试和现场调查采样确定的，其他材料的参数根据相关规程[6]和经验选取。弃渣场所采用的岩土物理力学参数如表1所示。

表1 岩土体物理力学参数

3.4 计算模型

基岩、基岩表层残积土、弃渣体及挡土墙均采用四面体实体单元，利用有限元软件Midas GTS NX建立三维山体模型。弃渣场边坡三维边坡如图4所示。

图4 三维计算模型

3.5 计算结果及分析

采用强度折减法计算得到桐木隧道出口弃渣场整体稳定性最小安全系数为1.94。按照强度折减法，计算得到的弃渣场应力场分布如图5所示。从图5可以看出，在重力方向上随着埋深的增大边坡内部应力场成层分布，其水平应力分层特性也较为明显。

采用强度折减法计算得到的弃渣场塑性区分布和位移变形如图6和图7所示。从图5和图6可以看出，弃渣场并没有形成大范围的圆弧型塑性破坏区，其变形区主要集中在弃渣的放坡区。

4 结论

文章对蒙华铁路桐木隧道出口弃渣场边坡采用现场调研、理论分析与数值模拟相结合的方法，对边坡的稳定性进行了三维数值分析，结果表明弃渣场边坡并未形成大范围的圆弧塑性破坏区，其变形主要集中在弃渣的放坡区，且边坡的稳定性满足要求。

防护措施建议如下：（1）弃渣堆积过程中应建立合理的堆填方案，加强弃渣堆填工作管理，保障弃渣堆积过程中的安全、有序。（2）应严格保证弃渣堆积过程中分层碾压施工、分级放坡、设置挡渣墙，弃渣场底部设置盲管排水、弃渣场上部设截水天沟、排水沟，最后对坡体表层进行绿化。（3）建立弃渣场管理、维护长效机制，落实弃渣场安全堆放措施。采取定期巡视与群测群防相结合的形式，监测弃渣场变形情况。在前期弃渣固结沉降变形较大时间内，可能有由于沉降变形过大导致截排水系统出现破坏的风险，应注意发现类似安全隐患及时报告、处置。特别是雨季时节，加强弃渣场安全稳定巡视监测。（4）科学有序地开展弃渣场地复耕复垦工作，充分利用土地资源。

图5 弃渣场应力分布

图6 弃渣场应变分布图

图7 弃渣场位移分布图