西南山区高速铁路隧道弃渣场稳定性分析

孙天煜

(中铁第五勘察设计院集团有限公司，北京 102600)

新填筑的弃渣场经常存在弃渣体成分混合、颗粒大小不均、欠压实等问题。当弃渣场地处起伏很大的沟谷时,如果发生暴雨等自然灾害天气,就会导致弃渣场边坡滑塌，出现泥石流等自然灾害,从而使渣场所在地区水土大量丧失,甚至还会对下游地区群众的经济财产安全带来重大危害。

目前针对渣场边坡在降雨影响下的稳定性研究，米海珍教授[1]通过比拟法，分析了降水持续时间和渗透深度之间的关系，滑坡的发现具有一定滞后性；潘思渝[2]认为，影响边坡稳定性的主要原因是雨水渗透进土体使得其体积含水率变大，重度增加，边坡稳定系数下降幅度由降水时长决定；吴谦等[3]则发现在影响边坡稳定性的各技术参数中，内摩擦角最为灵敏，土体黏聚力次之，弃渣重度敏感度最低，在暴雨工况下，渣场边坡局部有16.8%概率会处于失稳状态；唐岩岩等[4]通过对比模型发现土体饱和渗流及物化耦合导致边坡滑移失稳的概率增大，滑移面主要经蚀变带出现。

本次研究对象为玉龙山隧道弃渣场，目前尚未堆填。本弃渣场周边有村庄，属敏感点。由于弃渣场所在地不能危害附近公共服务基础设施、企业、农村居民点等的安全[5-7]，针对本弃渣场存在因失稳可能导致地质灾害的风险，有必要对本弃渣场的稳定性进行分析。

1 工程概况

1.1 弃渣场基本概况

玉龙山隧道弃渣场位于四川省仪陇县石佛乡境内，新建汉巴南铁路D1K88+000右侧2.53 km处冲沟内。弃土场占地约19.9 hm2，弃渣量为138.01万m3。弃渣体最大堆高约22 m，分为三级边坡，边坡坡率约1∶2.5，坡脚采用C25混凝土挡土墙防护，弃渣体前缘为村道，综合判定弃渣场级别为3级。弃渣场周围及弃渣体上均设有完备的防排水系统。渣场区地形如图1所示。

1.2 地质情况

工程地质勘探结果揭示:场区范围内的上覆岩土层大部分为第四系全新统人工回填土、第四系全新统冲洪积粉质黏土,残坡积粉质黏土、块状岩石,以及侏罗系上统蓬莱镇组上段的粉砂石、砂石。场区范围内未见不良地质现象和特殊岩石。

弃渣场工区的地下水大部分是基岩性裂隙水,局部则以孔隙潜水为主,基岩性裂隙水大部分赋存在节理裂缝带内,岩体整体性较差,破碎但具有连通性,水力相互关联紧密,可看作统一含水体;孔隙潜水赋存在粉砂岩等松散岩石中。二者对混凝土结构及钢筋无侵蚀性，对工程基本无影响。

2 数值模型建立

2.1 岩土体物理力学参数

依据拟建的玉龙山隧道弃渣场场地勘测与设计情况,该弃渣场的弃渣体主要为全风化～强风化页岩。利用反演参数法、经验值等分析方法对工程地质条件进行对比,综合选择弃渣材料参数指标；基底下部的岩土地层物理力学参数值则根据对拟建弃渣场址的工程地质勘查报告中的土工检验结果及相关工程经验综合选择。弃渣体与基底各岩土层所选取的各项参数如表1所示。

表1 弃渣场及基底地层物理力学指标表

2.2 暴雨参数选取

在极端暴雨条件下，有一定比重的雨水受地形影响产生地表径流，对该部分雨量应不予考虑。对于降雨径流量和渗流量的比例计算，一般根据经验法——利用地表径流系数经验取值进行估算。结合该地区土质渗透性，玉龙山隧道弃渣区的地表径流系数经验取值为0.2，而土体渗透比率则为0.8。

依据当地气象资料，降雨量取9.2 mm/h，假定持续降雨24 h，分析弃渣体自重和降雨渗透两种状态下的弃渣体边坡稳定性及暴雨结束后，在停止降雨后，进行历时1 d,3 d,5 d的计算。

2.3 计算模型及边界条件

本次数值计算采用Mohr-Coulomb模型。首先应按照现场的地勘实测结果设定地下水位线，并以地下水位线为界，将上层的模型两侧界限按零流速考虑，下层的模型两侧界限按定值水头处理，在模型底部设置不渗透的界限。坡面重力式挡土墙侧设置为潜在渗流面。

3 工况与控制标准

3.1 计算工况

根据渣场地区的地质条件和有关地勘报告综合评价结果，弃渣场自身特征、暴雨影响等各项因素对弃渣场稳定性将产生非常关键的影响，故选取正常工况(天然工况)和非正常工况(暴雨工况)进行弃渣场稳定性分析。各计算工况如表2所示。

表2 计算工况

3.2 控制标准

弃渣场的稳定性控制标准应根据弃渣场失稳可能造成破坏后果的严重性、边坡类型和坡高等因素进行安全等级划分。拟建的玉龙山隧道弃渣场的级别为3级。参考相关规范，综合确定该弃渣体在不同工况下安全系数控制标准，见表3。

表3 弃渣体稳定安全系数Fst控制标准

根据GB 50330—2013建筑边坡工程技术规范[8]，建筑物基坑边坡的稳定状态分级为四个级别，如表4所示。

表4 边坡稳定性状态划分

4 计算结果分析

根据弃渣场的滑坡情况以及滑动机理分析结论[9]和现场调查情况,本次弃渣场稳定性计算分析分为：

1)沿基底接触表面下滑的总体稳定性；2)沿弃渣体边坡内部潜在滑面滑动的局部稳定性分析。本次弃渣场稳定性计算运用极限平衡原理，根据自然状态、降雨24 h和停雨后1 d～5 d的不同工况,分别选择Ordinary,Bishop,Janbu和Morgenstern-Price四个计算公式进行检算,得出渣场边坡和弃渣体稳定性系数，如图2,图3所示。

由图2,图3可得，Ⅱ-Ⅱ剖面采用4种不同的计算方法中，天然工况下弃渣场整体稳定性和弃渣体局部稳定性系数最小值分别为4.077和3.661；暴雨工况最小值均出现在降雨24 h后停雨5 d，为2.469和2.381。从天然状态至降雨24 h后，渣场稳定性系数均大幅下滑，因为在非正常工况条件下，考虑暴雨条件的渗流，当降雨量达到暴雨强度等级时，坡面出现径流现象，部分降雨流走，其余则渗透进土体，含水量增大，导致弃渣体边坡内孔隙水压力增大，降雨入渗软化了弃土的力学指标。当暴雨结束后，停雨1 d～5 d，雨水继续向深层土体下渗，进一步软化了边坡弃渣的力学指标，稳定性系数进一步降低，但降低幅度相对较小。综上所述，从天然状态到停雨后第5天，计算所得弃渣场边坡稳定性系数均大于规范中允许的最小安全系数，综合该区域雨季降水特性、渣场渗透特性及挡土墙基底承载力等因素，判定该弃渣场处于稳定状态，但不排除由于雨水冲刷引起的浅层溜塌的危险。为进一步检验弃渣场的整体稳定性能否达到规定要求,除以上方式外,亦可使用传递系数法,假设潜在滑动面是弃渣体底面与土体接触面,将弃渣体切割成若干条块,剩余推动力从高程较高条块向低点传导,在最低点处条块的剩余推动力也刚好为零,则可认为该弃渣场满足极限平衡条件。Ⅱ-Ⅱ剖面条块划分如图4所示。

计算剖面仍选择Ⅱ-Ⅱ剖面，不考虑挡土墙提供的反力，即弃渣场边坡前缘作临空处理，对天然条件和暴雨条件下典型剖面采用不平衡推力传递系数法计算弃渣体整体稳定性系数，结果如表5所示。

表5 不平衡推力传递系数法弃渣体整体稳定性系数表

经计算，天然和暴雨状态下，Ⅱ-Ⅱ剖面中弃渣体沿基底滑移的稳定性系数分别为2.71，2.02，边坡稳定性系数大于规范所规定值1.25。因此，上述工况条件下，弃渣场不会沿基底发生滑移破坏，弃渣场边坡整体稳定性较好。

5 结论

通过以极限平衡法为原理的GeoStudio进行数值计算，同时采用传递系数法确定玉龙山隧道弃渣场稳定性系数，可以得到如下结论：1)随着降雨的进行，降雨24 h后整体及局部稳定性系数较天然状态时均出现较大幅度下降。暴雨停止时，弃渣场稳定性系数并非最小值，由此可见，渗流过程不会随着降雨停止而结束，在降雨24 h后停雨5 d时，稳定性系数达到最低值。2)在天然和暴雨等工况条件下,通过GeoStudio对拟建玉龙山隧道弃渣场选取的 Ⅱ-Ⅱ 典型断面进行弃渣场边坡稳定性计算和最不利的滑动面搜索结果,弃渣场总体和弃渣体局部稳定性系数最小值均符合规范中的边坡安全系数控制范围,通过传递系数法进一步证明了弃渣场总体稳定性较好,沿弃渣体的边坡基底接触面以及软弱土层产生整体滑动面的可能性也极小。