西南山区高速公路弃渣场影响区域分区研究

刘维娟 宁文鹏 秦雨樵

(云南省交通规划设计研究院有限公司1) 昆明 650041) (湖北工业大学土木建筑与环境学院2) 武汉 430068) (中国科学院武汉岩土力学研究所3) 武汉 430071)

0 引 言

弃渣场的失稳风险分析和潜在威胁损失预估已成为评价弃渣场的关键核心问题.弃渣场失稳风险评价主要分为稳定性评估和地灾风险评估两部分.弃渣场作为一种人工土石混合体,其结构松散,压实度不高,因此通常采用有限差分法[1]、边界元法、离散元法[2-3]等非连续数值计算方法对已有的极限平衡方法[4-5]或有限元方法[6-7]进行补充.除了数值计算方法外,陶志刚等[8-9]采用模型试验研究了堆载、降雨等不利条件下弃渣场的稳定性变化规律.针对地灾风险评估,特别是弃渣场潜在影响范围方面,肖玮等[10]运用物质点法对实体弃渣场进行了多因素、多水平的数值模拟,并结合后基于极限平衡法,提出一种弃渣场危险性系数的评价方法.仲康等[11]结合区域水土流失特点,对大型水电站弃土场进行了水土保持分析.蒋文鹏等[12]基于地面调查和监测相结合,评估弃渣场潜在失稳风险对周边既有养殖场、铁路桥墩和民居环境的安全影响.可以发现目前针对弃渣场潜在失稳影响范围的分析集中在定性分析上,而判断弃渣场是否会对下游构建物产生威胁存在较大的模糊性.

文中提出了一种基于弃渣场物质运移距离的综合分区方法,将整个弃渣场下游影响区域划分为直接影响区、轻微影响区、轻微影响区,分别采用理论推导法、落石分析法和经验公式法进行定量分析.并对一典型弃渣场的实例分析,验证了该方法的准确性和可靠性.

1 潜在区域分区方法

1.1 分区定义

通过综合多个典型弃渣场地质灾害失稳风险的研究经验,拦渣墙被推覆后发生整体崩塌滑移是对下游构筑物威胁性最大的失稳模式,这种极端情况将导致下游构筑物受到冲击甚至掩埋,还会诱导产生泥石流等自然灾害.当弃渣粒径较大时,如果从渣场顶部发生滚落,会危及下游人员和建筑物安全.特别当弃渣场的拦渣墙后侧的沉淀池淤积满后,落石会越过拦渣墙直接冲击下游构筑物.同时,发生强降雨后水土流失会污染下游河流、农田和林地.

根据上述分析,可将弃渣场依照其危险性分区:①直接影响区 考虑最不利因素下拦渣墙完全失效,后缘弃渣体发生垮塌后的最大运动距离,在此范围内不允许存在任何永久性或临时性构筑物;②轻微影响区 在极端降雨条件下坡顶最大粒径的弃渣发生滚落的距离,在此范围内不允许存在任何有人居住的永久性或临时性构筑物;③轻微影响区 坡顶处较小颗粒在降雨影响下可能产生的最大或者最远运动距离,在此范围内不允许存在永久构筑物.

1.2 直接影响区的确定

假设拦渣墙突然失效,墙体后部的松散体会向前崩塌,最终形成堆体的角度应该与自然休止角相等.计算墙体后部的主动土压力,一旦拦渣墙失效,后部的岩土体获得瞬时的加速度,做平抛运动,其最大的运动距离即为拦渣墙倒塌后渣体的运动距离,见图1.

图1 拦渣墙垮塌影响范围计算模型示意图

计算拦渣墙处的主动土压力,设拦渣墙的总体高度为H.对于松散土,其不同深度h处的主动土压力为

Pa=Kaγh

(1)

(2)

假设拦渣墙突然失效,则拦渣后不同深度土体的瞬间加速度为

ah=Kag

(3)

av=g

(4)

如果拦渣墙下部的地面存在α的坡度,则以地面作为横向参考系,瞬间加速度为

(5)

(6)

弃渣将做抛物线运动,做抛物线运动的时间为

(7)

抛物线的水平距离为

(8)

到达地面后的水平速度为

(9)

当颗粒到达地面后,做匀减速运动为

(10)

(11)

总距离为

D=D1+D2

(12)

1.3 轻微影响区的确定

大量弃土场工程现场调研结果指出,如果渣体来自围岩情况较好的隧洞,其最大粒径通常能达到15～30 cm,并且坡表难以进行大面积绿化,在出现不均匀沉降、局部垮塌后受到降雨等因素的驱动,会发生坍塌、滚落.采用Rocscience公司推出的Rocfall陡峻边坡落石统计分析软件,考虑粒径5～30 cm范围内坡顶落石的滚动距离,坡面参数分别取裸露碎石堆和植被覆盖的碎石堆,见表1.

表1 坡面参数统计表

坡面的摩擦系数为

测定项目包括植物的生长生理指标(生物量、株高、根长、根系活力)和超氧化物歧化酶指标。植物生物量的测定采用电子天平；株高、根长的测定采用卷尺；根系活力的测定采用紫外分光光度计[7]；SOD的测定采用氮蓝四唑(NBT)法[8]。

(13)

要计算落石的滚动终点位置,还需要估算起始点处的初始速度,一般认为驱动落石向下运移的主要驱动力来自于降水,因此假设初始速度等于弃渣场潜在的洪峰流速.将上述参数代入Rocfall软件中,得到的落石最大滚动终点位置就是弃渣场轻微影响区域.

1.4 潜在影响区的确定

弃渣场滑坡滑落体滚动距离采用能量方程法计算.弃渣场滑坡伴随势能转化为动能、动能转化为热能的过程,滑动距离受到弃渣场岩土性质、岩土粒径分布、湿度、所处位置、基底倾角、地基承载力等因素的影响,具体公式为

mghD=mv2/2+mghDx

(14)

式中:m为滑落体质量,kg;g为重力加速度,9.8 m/s2;hD为滑落高度,m;v为滑落体到达坡脚速度,m/s;x为滚过时动能损失系数,一般取0.35.

L=v2/(2εg)

(15)

式中:L为滑落体运动距离,m;ε为运动摩擦系数,一般取0.50.

此外弃渣场破坏后的滑动距离受滑动路径(纵向坡率、横向几何形状、障碍物)、滑动路径覆盖层物理力学参数、弃渣场散体物料物理力学参数、弃渣场规模的影响,综合这些影响,工程类比得出滑动距离的标准化公式为[13]

L=H/(0.845tanθr-0.043)

(16)

θr=[α+(45°-φ/2)]/2

(17)

式中:HD为最大垂直滑落距离;α为地形坡度,(°);φ为弃渣场散体内摩擦角,(°).

2 工程案例

2.1 工程概况

弃渣场位于云南某高速公路旁,弃渣堆放于中低山地貌单元沟谷处,属于沟道型弃渣场,弃渣场设计堆渣方量为30万m3,实际堆渣方量为17万m3现已经停止弃渣,该弃渣场占地19 667 m2,沿两条相交的沟谷堆填,呈“Y”字形状,纵向最大长度约350 m,弃渣场安全防护距离应≥2.0Hm(H为堆渣高度),防护距离小于规范值,若弃渣场失稳后对弃渣场下游建(构)筑物影响较大,渣场下游已修筑抗滑桩作为防护措施,见图2.该弃渣场评估等级为3级.

图2 弃渣场全景无人机和现场调查照片

现状渣场共分为6台,放坡坡度为12°～27°,平台宽度3.5～22.0 m,场地下方修筑有桩板墙,抗滑桩截面尺寸2.0 m×3.0 m,可见最大高度5.2 m,板厚0.5 m,混凝土结构,设置有泄水孔,现状局部已堵塞,周围修筑有排水沟,截面尺寸2.0 m×1.8 m～4.0 m×2.0 m不等,现状排水状况良好,局部地段渣体滑落淤积.各排水沟相互连通,自渣场上游接通至挡渣墙(桩板墙结构),水体向下游排泄.

2.2 定性分析

该弃渣场2016年12月开始弃渣,2019年3月结束弃渣并完成整形,2019年8月遭遇特大暴雨,右侧渠道和坡面部分损毁,2021年4月,在原设计基础上(下游桩板墙固脚,设置两条边沟,由于排水不足,暴雨造成右侧损毁严重),重新复核了渠道排水性能,并变更增加到四条排水沟,在上游增加设了1道拦渣墙.弃渣场占地19 667 m2,沿两条相交的沟谷堆填,呈“Y”字形,最大纵向长度为350 m,弃渣来源主要为隧道碎石.由于隧道中围岩完整性差,弃渣的最大粒径不超过30 cm.

整个弃土场可以分为上下两个小弃土区域,上部渣场堆渣量8.6万m3,下部渣场堆渣量8.9万m3.上部弃土场后缘接受上游支沟汇水,经过两条导流槽引入弃渣场外,右侧上部接受上部支沟汇水,在沟口设置有一道拦渣墙,拦渣强下部通过纵向引水沟将水向下排出弃渣场外.上下两个弃土区域之间存在一块平台,宽度为45 m.弃渣场下部附近为一沙场,目前仍在作业中.由于弃渣场弃方体量小,且其坡面方向并不正对沙场,弃渣场也已经建立较为完善的纵向排水系统,在极端条件下即使发生部分弃渣的滑移,对沙场的影响也较小.弃渣场下游为华丽高速公路主线桥梁,距离为147 m.在弃渣场坡脚,设置有一道桩板墙,能较大程度提高整体的边坡稳定性,整个渣土场发生大滑移的可能性不大,对于下方桥墩的影响较小.

2.3 定量分析

1) 直接影响区的确定 根据现场多次调查期间测量的弃渣场天然休止角、现场扰动样天然休止角试验和室内剪切试验,综合确定了弃渣场的强度参数和天然休止角,结果见表2.

表2 弃渣强度参数统计表

将土体的天然休止角代入2.2中提出的方法进行计算,对于上方弃渣场,整体坡角为20°、第一级坡角为27°,均小于天然休止角,所以不会发生整体的垮塌滑移,因此上方弃渣场的直接影响区为0 m.下方弃渣场拦渣墙高度为4 m,如果拦渣墙失效,弃渣垮塌的最大运动距离为4.2 m;如果在降雨工况下发生垮塌,最大运动距离达到4.6 m.

2) 轻微影响区的确定 图3为弃渣场落石分析结果.

图3 弃渣场落石分析结果(单位:m)

根据相关水文资料,该弃渣场最高流速达到10.23 m/s.由于弃渣的最大粒径不超过30 cm,则最大的弃渣重量按照325 kg计算.将这些参数代入Rocfall软件中进行计算得到不同条件下落石的最大运动距离,见表3.

表3 弃渣场轻微影响区范围计算统计表

由表3可知:弃渣滚落发生在第一级坡坡顶的影响范围要大于发生在坡顶的影响范围.其中上方弃渣场第一级坡坡顶如果发生落石滚落现象,最大影响距离为34.04 m;发生在坡顶则最大影响范围为19.11 m.如果坡表进行了绿化处理,从坡顶滚落的渣体将停在第一级坡坡顶,不会对下方构筑物产生威胁.而如果弃渣从第一级坡坡顶滚落,绿化后的影响范围相较裸露地表的影响范围减小约10%～40%.由于上方弃渣场的最大影响距离小于上下弃渣场之间的平台宽度,因此上方的渣体对整个弃渣场下游的构建物无显著影响.在下方弃渣场中,对下游构筑物影响最大的落石滚落现象发生在降雨工况下的坡顶,影响范围达到42.68 m,而绿化后,最大影响范围缩小了12%～13%.

3) 潜在影响区的确定 将相关参数带入式(15)后发现,对于上部弃土区域,滑落体达到坡脚时最大速度约为19.75 m/s,滑落体最大运动距离为36.80 m,小于中部平台的宽度45 m,不会对下部沙场和桥墩产生威胁.对于下部弃土区域,滑落体达到坡脚时最大速度约为18.97 m/s,滑落体最大运动距离为33.96 m,小于桩板墙距离距桥墩距离147 m,不会对下部沙场和桥墩产生威胁.

再将参数代入式(16)～式(17)得出:从上部弃渣区域坡顶起算运动距离108.32 m,而从上部坡顶至中部平台的距离为159 m,未超过上部平台范围;从下部弃渣区域坡顶起算运动距离84.63 m,而从下部坡顶至桩板墙距离未114.03 m,未超过桩板墙范围,结果显示滑动体只能在弃渣场内部运动;从下部坡顶至桥墩的距离为261.03 m,对桥墩没有威胁.

4) 弃渣场影响范围确定 图4为弃渣场影响区域分区示意图,从上述计算可以得到,上方弃渣场的直接影响区范围为0 m,轻微影响区域范围为34.04 m,潜在影响区域范围为36.80 m,均未超过中部平台的宽度45 m,不会对下部沙场和桥墩产生威胁;下方弃渣场的直接影响区范围为4.6 m,轻微影响区域范围为42.68 m,潜在影响区域范围为33.96 m,可能会对下方沙场产生危险,建议将其尽快搬迁.

图4 弃渣场影响区域分区示意图

3 结 论

1) 当拦渣墙突然失效后,墙体后部的松散体向前崩塌,并最终形成坡角等于自然休止角的锥体,此时渣体对弃渣场下游的危害性最大.

2) 从采用Rocfall软件计算结果表明对弃渣场表面进行绿化处理能显著降低落石滚落距离.

3) 通过弃渣场地质灾害实例分析,验证了本文提出方法的有效性和可靠性.