深厚矿渣堆积体稳定性对公路选线影响研究

厉成武，臧立超

(四川省交通勘察设计研究院有限公司，四川 成都 610017)

1 概述

大型建设工程和矿山开采形成的尾矿及弃渣堆积体，在受暴雨、地震等外动力条件影响时，易形成滑坡、泥石流等地质灾害，灾害一旦发生，将造成生命财产的重大损失，并导致严重的环境破坏。针对堆积体边坡的成灾机理及其防治措施，很多学者做了大量的研究工作，胡世起对高边坡复合堆积体稳定性评价及基础处理做了研究[1]，周志超对石灰石矿露天开采的土石混排尾矿高边坡的稳定性进行了预测和评价[2]，乔兰等分析了细粒含量对尾矿工程性质影响[3]。

本文研究的矿渣堆积区于20 世纪70 年代～90 年代开采堆积，轴向长度约510 m，宽约150 m ～240 m，面积约9．8 ×104m2，根据钻探、物探成果结合现场访问，其堆积最厚处约88．5 m，坡脚最浅处约25．1 m，平均厚度约53．8 m，堆积体总方量约5．6 ×106m3。堆积体前缘为村庄及农田，有乡村道路通过。该矿渣堆积体组成成分复杂，颗粒大小不一，粒径以20 cm ～100 cm 为主，大者粒径可达2 m ～3 m，坡体局部存在架空现象。矿渣堆积体堆积年代久，弃渣时随意堆积，基本属于边采边弃。该堆积体堆填厚度大，且堆积松散，对拟建公路J 线桩号JK64 +940 ～JK65 +230 段有较大影响，直接制约该段路线方案及线型。因此查明该堆积体稳定性及预测其发展趋势是非常必要的。

2 研究区概况

2．1 地形地貌条件

该矿渣堆积区地貌上属构造剥蚀中山地貌，微地貌主要为斜坡地貌。地势总体东高西低，后缘高程约2 005 m，前缘高程约1 825 m，高差约180 m。堆积体整体坡向约260°。堆积区边坡形态整体呈不规则宽扇形状，地形纵向上整体呈缓- 陡- 缓交替，堆积区顶部较缓坡度约3° ～8°，后缘因开挖局部呈凹陷状。中上部坡度约30° ～40°，最陡处约45° ～50°，中下部坡度有所变缓，坡度约10° ～25°，坡脚处较为平缓，坡度约2° ～10°，坡体前缘平缓地带为房屋及农田。坡面植被以杂草、灌木为主。

2．2 地层岩性

根据地表工程地质测绘及钻探、物探成果，堆积区范围内表层为第四系全新统人工填土(Qme4 ) 、冲 洪 积() 含砾粉质黏土，第四系晚更新统冲积() 粉质黏土，下伏基岩为下远古界前震旦系会理群天宝山组(Pt1tn) 千枚岩、板岩、灰岩。

1) 第四系全新统人工填土(Qme4 ) (矿渣堆积) : 该层可分为5 层:a．0 m ～18．5 m:物质成分主要为砾石、碎石充填粉质黏土，紫褐色，松散～稍密，砾石、碎石分布不均，砾石质量分数10% ～15%，粒径0．2 cm ～2 cm，碎石质量分数10%，粒径2 cm ～5 cm。b．18．5 m ～28．2 m:物质成分以碎石、块石充填黏性土为主，灰白～灰褐色，碎石质量分数60% ～65%，粒径2 cm ～15 cm，块石质量分数20% ～25%，粒径20 cm ～25 cm。c．28．2 m ～32．2 m:物质成分以粉质黏土夹碎石为主，为后期开挖坡面的残积物堆积。碎石质量分数15% ～20%，粒径2 cm ～8 cm，其余为粉质黏土，粉质黏土硬塑，以粉黏粒为主。d．32．2 m ～58．5 m:物质成分以碎石、块石充填黏性土为主，为采矿后矿渣堆积块、碎石土，颜色呈灰白～灰褐色，碎石质量分数50% ～55%，粒径2 cm ～18 cm，块石质量分数30% ～35%，粒径20 cm ～30 cm。e． 58． 5 m ～88．5 m:物质成分以粉质黏土夹碎石为主，为开矿之前清理场地及揭表物质，主要成分为残积物，碎石质量分数10% ～15%，粒径2 cm ～5 cm，粉质黏土硬塑，以粉黏粒为主。

2) 第四系全新统冲洪积(Qal+pl4 ) :主要为含砾粉质黏土，灰褐色，稍湿，物质成分以粉质黏土充填圆砾为主，粉质黏土可塑，圆砾质量分数 10% ～15%，粒径0．2 cm ～2 cm，浑圆状。

3) 第四系晚更新统冲积(Qal

3) : 主要为粉质黏土，黄褐色，物质成分以粉质黏土为主，偶夹砾石，粉质黏土硬塑，以粉黏粒为主。

4) 会理群天宝山组(Pt1tn) :

a．千枚岩: 灰黑色，千枚状构造，泥质结构，岩质较软，矿物成分以黏土矿物为主，含绢云母及铁质、碳质矿物。遇水易软化，主要发育两组结构面，裂面平直光滑，具绢丝光泽。b．板岩:灰色为主，板状构造，变余结构，以黏土矿物为主，板面上具少量绢云母矿物，微显绢丝光泽;岩质较坚硬，主要发育两组结构面，裂面平直光滑。c．灰岩:灰色为主，中～厚层状构造，晶粒结构，矿物成分以黏土矿物及石英为主，石英质量分数15% ～20%，岩质较坚硬。

2．3 区域地质构造

工程区在大地构造单元上地处扬子准地台(Ⅰ级)西缘康滇地轴(Ⅱ级) 中段，北江舟-米市断陷(Ⅲ级) 之江舟断凹(Ⅳ级) 。在具体构造部位上，工程区位于川滇南北向构造带中部。堆积体位于马鞍山向斜南东翼，距离工程区最近的断裂为益门断裂带，距离约2．5 km，益门断裂带，属于安宁河断裂南延部分。

工程区未见活动性断裂直接通过，主要受外围地震波及影响。根据GB 18306—2015 中国地震动参数区划图工程区基本地震动峰值加速度0．10g，区内基本地震动反应谱特征周期为0．45 s。对应的地震基本烈度为7 度。

2．4 水文地质条件

1) 地表水。堆积区内的地表水系主要为堆积区坡体前缘水田、农田灌溉水，其水位高程及流量主要受大气降水和山坡地表水的控制和影响，补给源主要为大气降水和山坡地表水，排泄于低洼处，受季节控制影响较明显。

2) 地下水。堆积区地下水类型主要为第四系松散层孔隙潜水和基岩裂隙水。第四系松散层孔隙潜水主要接受大气降水及地表农田灌溉水补给，主要赋存于坡脚地势较低处第四系覆盖层中。根据钻孔揭露，堆积体中无地下水出露，仅坡体左侧靠山处有基岩泉水出露，其水流量甚小，主要靠大气降水补给。

3) 水腐蚀性评价。根据地表水水质分析结果，地表水为低矿化度HC-Ca2+-Mg2+型水，pH=7．25，属中性水，根据JTG C20—2011 公路工程地质勘察规范附录K《水和土的腐蚀性评价》，堆积区场地环境类型为Ⅱ类，地表水对混凝土具微腐蚀性，对混凝土结构中的钢筋具微腐蚀性。

3 堆积体变形特征及成因分析

3．1 变形特征

根据现场调查，该堆积体无明显整体变形破坏迹象，坡体后缘及两侧均未见明显长大裂隙，坡体前缘也无明显推挤、鼓出等变形迹象。堆积体变形特征以坡面局部垮塌及浅表层溜滑为主。局部垮塌及溜滑集中分布于堆积体中上部地形相对较陡处。该坡段浅表层松散物质在重力作用下，向临空方向缓慢蠕滑变形，在沿坡体陡缓交界处形成多处张拉裂缝，最长裂缝长约50 m，宽约2 cm ～10 cm，局部较陡处在暴雨冲刷下发生垮塌。堆积体右侧坡表发育一小冲沟，沟宽1 m ～4 m，沟深1 m ～3 m，冲沟两侧及后缘垮塌明显，沟内可见粒径约3 m 的大块石，冲积物堆积于坡脚平台处。

3．2 成因分析

该堆积体无明显整体变形迹象，以坡体中上部局部垮塌、溜滑为主。堆积体中上部地形相对较陡，坡度约30° ～40°，最陡处45° ～50°，前缘临空条件较好，坡表松散物质在重力及雨水冲刷作用下，易向临空方向发生蠕滑变形，在持续降雨条件下，坡体松散物质在饱水情况下，其垮塌、溜滑规模将有增大的趋势，其前缘物质垮塌失稳后，后部松散物质失去支撑，有进一步滑塌失稳的可能，表现出牵引式破坏的特征。堆积体坡面发育的冲沟，主要由于其堆积松散，在雨水冲刷下形成，冲沟两侧及后缘松散物质临空条件较好，易发生失稳垮塌，失稳物质进入沟道，在冲沟及坡表流水携带下于坡脚平台处堆积。

4 堆积体稳定性评价

4．1 堆积体稳定性定性分析

该矿渣堆积体后缘及两侧未见张拉裂缝，且坡体前缘也无推挤、鼓出等变形迹象，堆积体无明显整体变形破坏特征;堆积体地形上整体呈缓-陡-缓交替，仅坡体中上部坡度较陡处发育有长约50 m 的裂缝，主要由于其所处坡段坡度较陡，表层土体蠕滑变形形成，并伴有小规模溜滑、垮塌现象。该堆积体目前以浅表层牵引式滑塌破坏为主，且有发生进一步变形破坏的可能。综上所述，该矿渣堆积体整体较稳定，局部欠稳定。

4．2 堆积体稳定性定量计算

4．2．1计算参数的选取

该堆积体物质成分复杂，分布不均。本次在进行堆积体稳定性计算时，以第③层(28．2 m ～32．2 m) 含碎石粉质黏土为整体计算可能滑面考虑。黏聚力c根据试验结果及类似工程确定，内摩擦角根据堆积区斜坡稳定坡脚(26° ～30°) 进行确定，综合得出该堆积体含碎石粉质黏土参数建议值: 天然重度γ=18kN/m3，天然黏聚力c=25 kPa，天然内摩擦角φ=28°;饱和重γ=19 kN/m3，饱和黏聚力c=23 kPa，饱和内摩擦角φ=26°。

4．2．2整体稳定性计算

堆积体整体滑动推测滑面为折线型，稳定系数计算采用传递系数法[4]计算，其计算公式如下:

剩余下滑力计算公式:

Ti=FsWisinαi+ψiTi-1-Wicosαitanφi-ciLi。

传递系数计算公式:

ψi=cos(αi-1-αi)-sin(αi-1-αi) tanφi。

其中，Ti，Ti-1分别为第i和第i-1 滑块剩余下滑力，kN/m;Fs为稳定安全系数;Wi为第i滑块的自重力，kN/m;αi，αi-1分别为第i和第i-1 滑块对应滑面的倾角，(°) ;ψi为传递系数;φi为第i滑块滑面内摩擦角，(°) ;ci为第i滑块滑面岩土黏聚力，kPa;Li为第i滑块滑面长度，m。

选取典型地质剖面，简化成计算剖面简图。按可能潜在滑面，将堆积体划分成6 个条块，分别计算其在天然工况、暴雨及地震工况下稳定性系数。堆积体条块划分示意图见图1。

图1 堆积体条块划分示意图

根据上述公式、计算参数及滑块划分，计算得到堆积体在天然工况、暴雨工况、地震工况的整体稳定性结果见表1。

表1 堆积体整体稳定性计算表

4．2．3局部稳定性计算

根据现场调查结合定量计算分析，堆积体整体稳定性较好，坡体中部坡度较陡，且坡体已见长大拉裂缝发育，在暴雨、地震等不利工况下，可能存在局部失稳下滑。对局部稳定性定量计算采用自动搜索的方法，分别搜索堆积体在天然、暴雨、地震工况下的最不利滑动面计算堆积体稳定性。

局部稳定性搜索计算简图见图2。

图2 Ⅰ-Ⅰ′断面自动搜索计算简图

局部稳定性搜索计算的结果见表2。

表2 堆积体局部稳定性计算表

4．2．4堆积体稳定性评价

稳定性计算结果表明: 计算结果与现场调绘定性评价结果一致。堆积体整体在天然、暴雨及地震工况下均处于稳定状态，局部在天然工况下处于基本稳定状态，在暴雨及地震工况下处于欠稳定状态。由于堆积体中部坡度较大，且以牵引式破坏为主，有发生较大规模失稳的可能。

5 堆积体稳定性对路线影响评价

1) 采用路基方案通过该堆积体前缘。拟建J 线路线从堆积体下部平台处通过，该堆积体对路线影响范围JK64 +940 ～JK65 +230。根据现场调查结合定量计算:该堆积体整体较稳定，但堆积体中部坡度较大，且堆积松散，以牵引式破坏为主，有发生较大规模滑塌失稳的可能，加之其堆积厚度大，治理难度较大。根据钻孔堆SZK1 揭露，平台内侧的覆盖层厚度约25．2 m，下部为灰岩，有设置抗滑桩的条件。若采取明线路基方案，可考虑在该孔位断面处设置桩板墙，同时对堆积体进行清坡处理。若采取以堆积体中下部较缓处坡面坡度(约20°) 为清坡界线，对该堆积体进行清方处理，其清理方量约为1．3 ×106m3。该方案存在处置费用高，环保、安全等方面有较大隐患，削方弃渣场地选择困难等问题。2) 采用隧道绕避该堆积体。堆积体位于拟建沙坝隧道K65 +400 ～K65 +640 段右侧，该堆积体对拟建沙坝隧道无影响，若采用隧道方案对该堆积体进行绕避，其工程造价相对较高。综合考虑安全、环保、经济、绿色等因素，建议采用隧道方案绕避该堆积体。

6 结语

1) 该矿渣堆积体为一深厚巨型堆积体，堆积总方量约5．6 ×106m3。2) 根据现场调查结合定量计算，堆积体整体在天然、暴雨及地震工况下均处于稳定状态，局部在天然工况下处于基本稳定状态，在暴雨及地震工况下处于欠稳定状态。由于堆积体中部坡度较大，且以牵引式破坏为主，有发生较大规模失稳的可能。3) 路线方案存在路基、隧道两种选择，综合考虑安全、环保、经济、绿色等因素，建议采用隧道方案绕避该堆积体。