高速公路弃渣场安全稳定性评价探讨

高速公路弃渣场安全稳定性评价探讨

焦永平1   ,王淼2

（1陕西地质工程有限公司  陕西 西安  710054

2陕西煤业化工技术研究院有限责任公司  陕西 西安  710100）

摘  要：弃渣场稳定性分析评价暂没有完整成熟的方法及评价标准，本文通过对新建铁路宝鸡至兰州客运专线（陕西段）BLZQ-1标石鼓山隧道一号斜井弃渣场进行工程地质详细调查，参考多种行业评价规范，分析验算评价弃渣场的稳定性，在此基础上分析评价弃渣失稳引发泥石流灾害的可能性，对弃渣场进行安全度分类，并提出相应的防治措施。

关键词：弃渣场；地质灾害； 稳定性评价

1 石鼓山隧道一号斜井弃渣场地质环境条件

1.1气象水文

（1）宝鸡市多年平均降水量847mm，最大降水量1149mm（1981年），最小降水量502mm。最大暴雨日总降雨量达169.7mm，暴雨（≥25mm）年出现日数为21.8天，连阴雨（≥16天）平均每年出现3.3-3.8次，且连阴雨总是与暴雨相继出现，每年多集中在夏秋季。

（2）水文：张家沟河：属于渭河一级支流。发源于渭河南岸，流经石鼓镇张家沟村后注入渭河，具长年流水。流域面积9.5km2，总长9.5km，河道平均比降78.95‰，上游河道狭窄；中下游河道逐渐变宽。堆渣处为渐变宽处。

1.2地形地貌

张家沟沟谷上宽180-200米，底宽30-60米左右，具少许长年流水，由南向北流过，沟床宽2-3米，沟床位于张家沟沟底左侧，低于沟底平面2-3米，距挡墙前沿约60米。

弃渣场位于张家沟右侧支沟，沟长400米，沟谷呈V形谷。沟谷上游宽100m，沟底宽约15-30m，两侧坡体较缓25-30°。弃渣场海拔一般655-660m，沟口海拔640m。汇水面积

1.3地层岩性

区内出露第四系地层有全新统人工堆积物（Q4ml）、全新统冲洪积层（Q4al+pl）和全新统黄土及新近系。

（1）全新统冲洪积层（Q4al+pl）：为粘性土，深灰色，湿，结构松散，出露于张家沟表面一级阶地。

（2）全新统坡积物（Q4dl）：为粘性土，灰白色，稍湿-湿，结构松散，分布于无名沟内斜坡及沟内。

（3）全新统人工堆积物（Q4ml）：分布于现无名沟沟内，属堆积渣体，褐黄色、灰黄色，黄土质填土，土质较均匀，局部含姜石、砂砾，稍密，饱和，软塑。

渣体主要由粉质粘土加开挖隧道第三系粘土岩土块、半成岩的砂砾岩块构成，粒径约0.2-0.5m，土质占80-85%。

（4）全新统风积黄土（Q3eol）：黄土为褐黄色、古土壤为褐红色，密实，湿，软塑-硬塑，分布于张家沟两侧塬面，厚度12-15米，一般具湿陷性。

（5）新近系（N2）:暗灰红色，在无名沟谷口沿张家沟右岸陡坡可见第三系粘土岩砂砾岩或粘土岩出露，半固结，胶结紧密。

图1 石鼓山隧道一号斜井弃渣场地质图

2石鼓山隧道一号斜井弃渣场施工质量评述

2.1渣体及挡墙施工质量评述

石鼓山隧道一号斜井弃渣场位于石鼓山隧道1#斜井右侧150m处，沿张家沟右岸无名支沟堆积，本弃渣场属沟谷型弃渣场，弃渣场东西宽约280m，南北长约400m，整体坡向315°，堆积物平面呈长条形，弃渣全沟堆积直至沟口，弃渣总高度约53m，渣体坡面为四级台坎状，所形成的边坡坡面平整，单级坡面坡度约30°，坡高4-6m。渣堆第一级台阶坡面采用浆砌片石护坡，第二、三级边坡坡面采用拱形骨架防护边坡，四级边坡采用自然植物防护。渣体表面未见塌陷坑、裂缝，渣体边坡坡面未见滑塌、明显的裂缝等变形现象，固土护坡效果明显，渣体边坡感观稳定。渣体表面已进行复垦及绿化，植物生长已三年，长势良好。

弃渣场斜坡表面平整，弃渣场平台地形坡度 2°-3°。渣体主要由粉质粘土加开挖隧道第三系粘土岩土块、半成岩的砂砾岩块构成，粒径约0.2-0.5m，堆积坡角25°～30°，平层及前沿进行了分级碾压；植被覆盖率约80％-90％，弃渣表面排水沟完备。

渣堆坡脚采用C20浆砌片石拦渣坝防护，挡墙外露高度7-9m，最大顶部宽4.0m；挡墙身尺寸以直线渐变过渡。后又加了混拦渣坝，混拦渣坝基础C30混凝土钢轨桩长4.0m，钢轨为24kg/m，桩经为1.2m×1.2m，基础埋深3.0m，外露埋入拦渣坝1.0m，拦渣坝墙高4～10m，挡墙尺寸满足设计要求。挡墙表面未见开裂裂缝、渗水、鼓胀突出、坡脚掏空等变形现象，挡墙表面光滑平整。挡墙沿张陈路一侧于墙脚修建有排水渠，总体认为挡墙质量符合设计要求，挡墙稳定性好。

拦挡墙基开挖揭露情况：原地表以下0～4.0m为含漂砾石的半固结粘土岩，密实。

渣体于2014年至2017年间堆积，2014年完成了第一层浆砌片石挡墙，之后又在第一层挡墙外修建完成了第二层混凝土拦渣墙， 2017年至2020年渣体自然密实，总体讲挡墙质量合格稳定。

2.2排水沟质量评述

弃渣场于每级边坡坡脚设置有排水渠，排水渠断面为梯形，排水渠尺寸0.5*0.5*0.5（底宽*顶宽*高），壁厚0.3m。坡脚排水渠汇入两边排水渠，排水渠断面为梯形，排水渠尺寸1.5*2.5*0.5（底宽*顶宽*高），壁厚0.3m。最后汇入渣体前缘拦渣坝底部的排水渠中。截排水渠目前质量良好，尺寸满足设计要求。

3、弃渣场稳定性分析评价

3.1弃渣场稳定性定性定性分析

本弃渣场阶梯形边坡高度符合设计要求，单级边坡高度无超高现象，符合设计要求；弃渣场挡墙施工满足设计要求，而且弃渣场在堆积前进行了表面清基，清理了表层表土，留存的第四系中更新统粉质粘土，较密实；而且堆积的最陡单级边坡坡度为综合坡比30°左右，小于渣体的自然休止角（35°左右），坡高一般小于10米，综合坡度略小于30°，而且堆积土体经过简易碾压，拦渣墙共二层基础嵌入稳定的含漂砾石的半固结粘土岩，墙体稳定性好。故初步分析认为弃渣场目前处于稳定状态。

3.2弃渣场稳定性验算评价

（1）弃渣场级别划分

本弃渣场总体积16.5万方，边坡高度53米，根据《水土保持工程设计规范》（GB51018-2014）5.7.1条规定，该渣场等级为4级。考虑到弃渣场下游约20m处，在渣场闭库后修建有废品回收站，现将本弃渣场的等级提高到3级。

(2)稳定性分析判定标准

参见《水土保持工程设计规范》（GB51018-2014）5.7.4条规定， 按3级安全系数考虑，则本弃渣场正常运用时基底抗滑稳定安全系数为1.25，非常使用时为1.10；土质地基挡渣墙正常运用时抗倾覆安全系数为1.45，非常使用时为1.35。

抗倾覆稳定性计算和墙体强度验算按《水工挡土墙设计规范》（SL379-2007）的规定进行。

（3）稳定性计算参数选取

本次对弃渣场进行了工程地质勘察，稳定性验算所需的岩土物理力学参数主要根据土工试验结果选取，混凝土相关参数结合相似项目经验值，采用工程经验类比法，查阅工程地质手册综合考虑之后进行确定，见表1。

表1  边坡稳定性验算参数选取表

（4）计算工况

参照滑坡治理工程设计规范的要求，选取正常条件、暴雨条件这二种工况，通过计算得到弃渣场典型剖面稳定系数。

自然工况：只考虑自重，无水位影响。

久雨饱和工况：饱和堆渣厚度按坝顶部以下3m考虑，实际上渣体内不形成自由水面，故无动水压力。

（5）稳定性验算

本弃渣场地基土在第四系粉质粘土表面，已经清基；挡墙地基在第四系密实含砾、漂石粉质粘土上；堆积边坡失稳时的剪出口推测大致在弃渣场最低一层边坡的坡脚处。

对边坡土体进行条块划分进行稳定性验算。验算过程中对边坡土体进行条块划分时主要考虑主滑方向地质剖面上地形形状将剖面划为若干个条块；在划分条块时，充分考虑滑体地面起伏情况，再进一步细分条块，以准确计算条块体积；根据上述方法，采用《理正岩土》软件计算其稳定系数。

1. 典型剖面选择

根据平面图，选取剖面C-C进行计算，采用AutoCAD软件截取剖面图。

图2石鼓山隧道一号斜井弃渣场C-C计算剖面图

2.3弃渣场边坡稳定性分析

弃渣场边坡定量分析根据工程经验，土质边坡失稳破坏模型表现为圆弧滑动。采用规范推荐的简化Bishop法对弃土场边坡的整体稳定性进行分析计算。按简化Bishop法，稳定性系数Fs计算公式如下：

式中：

F₅——稳定系数;

bᵢ——第i个土条宽度(m);

 ——第i个土条底滑面的倾角(°)；

Ci、φi——第i个土条滑弧所在土层的粘聚力(kPa)和内摩擦角(°)；

mai——系数,按上式计算;

Wi—— 第i个土条重力(kN);

 第i个土条垂直方向外力(kN)。

采采用理正岩土程序自动搜索最危险断面，，，，得到安全稳定系数，剖面在不同工况下的最小稳定系数及稳定性评价结果详见表2 “边坡稳定性计算成果及评价表”。

表2  边坡稳定性计算成果及评价表

根据上述表2-1评价标准及计算结果，按边坡标准判别，该弃土（渣）场边坡正常工况条件下安全稳定系数=1.253＞1.25，该弃土（渣）场边坡稳定；该弃土（渣）场边坡暴雨工况条件下安全稳定系数=1.105＞1.10，该弃土（渣）场边坡稳定。

③弃渣场挡墙稳定性分析

（a）抗滑稳定性验算采用的公式为：

式中：

 为抗滑稳定系数；

f为滑裂面上的摩擦系数；

∑N为作用于计算截面以上墙(墙)体全部荷载(含扬压力)对滑裂面的法向分值(kN);

∑P为作用于计算截面以上墙(墙)体全部荷载(含扬压力)对滑裂面的切向分值(kN).

(b)抗倾覆验算采用的公式为：

式中：

k₀为抗倾覆安全系数；

 为抗倾力矩的总和(kN·m)；

 为倾覆力矩的总和(kN·m)；

（c）地基承载力公式：

σmin≥0

其中：  

式中：

 为最大地基应力    ( kPa);

σmin)为最小地基应力(kPa);

∑N 为垂直力的总和(kN)；

B为墙(墙)底宽度(m)；

c₀为偏心距；

[σ]为地基容许承载力。

该弃渣场挡渣墙基底为含漂砾石的半固结粘土岩，基底摩擦系数取0.45，基底承载力不小于250kPa。结合拦渣墙形状、基地斜率对拦渣墙按水利行业的重力式挡土墙进行稳定性验算。

表3拦砟墙稳定性验算结果表

（7）计算结果与分析评价

①抗滑移稳定性验算:挡砟墙基底正常工况抗滑稳定安全系数2.191>1.25、1.05，暴雨工况抗滑稳定安全系数2.072>1.10，挡砟墙抗滑满足三级渣场挡墙稳定性要求。

②抗倾覆稳定性验算:挡砟墙墙正常工况抗倾覆安全系数10.803>1.45，暴雨工况抗倾覆安全系数8.901>1.35，挡砟墙满足三级渣场抗倾覆满足要求。

3.石鼓山隧道一号斜井弃渣场引发泥石流的可能性分析

弃渣堆积在无名沟内，堆积长度约400m。堆积总体积16.5万方，边坡高度53米。

弃渣场位于无名支沟，沟长400米，沟谷呈V形谷。沟谷上游100m，沟底宽约15-30m，两侧坡体较缓25-30°。沟谷比降，沟谷汇水面积，强降雨时动力相对条件较差。

本区降雨量大，在特大暴雨条件下有产生泥石流的地形及物源条件，但防护工程安全稳定性好，堆渣引发泥石流的可能性小；渣堆挡墙前缘是张陈路，路宽约4m，路的西侧是废品回收站人员小于10人，多为钢结构工棚，故地质灾害危害程度小，引发地质灾害的危险性小。

根据《地质灾害危险性评估规范》中泥石流发育程度量化评分表及评判等级标准，评估区泥石流发育程度得分76分，发育等级为弱发育。

4.石鼓山隧道一号斜井弃渣场安全评价

按《金属非金属矿山排土场安全生产规则》（AQ2005－2005）10.4条当满足以下3条时，弃渣场安全度属正常。

a、弃渣场基础较好或不良地基经过有效处理的；

 b、弃渣场各项参数符合设计要求，剩余推力法安全系数大于1.15，生产正常的；
  c、排水沟及泥石流拦挡设施符合设计要求。

本弃渣场完全符合上述3条要求，故属正常安全运行弃渣场。

5 建议

（1）弃渣场区域后期不得增加弃渣（土）、建（构）筑物等永久荷载或可变荷载，确保弃渣场安全稳定。

参考文献：

［1］《水土保持工程设计规范》（GB51018-2014）［S］北京：中国计划出版社2014

［2］《水工挡土墙设计规范》（SL379-2007）中国水利水电出版社2007

［3］《混凝土结构设计规范》（GB50010-2010）［S］.北京：中国建筑工业出版社,2010

［4］ 《泥石流灾害治理工程勘查规范》（DZ/T0220-2006）［S］.北京：中国标准出版社,2006

作者简介：焦永平，女，35岁，工程师，水工环地质专业，从事地质灾害危险性评估、勘查设计及施工和岩土工程勘察、设计及施工等工作.