袁旭凱 許萬忠 嚴鐵軍 胡明欣
昆明理工大學國土資源工程學院
摘 要：西南山區工程地質條件複雜，山區高速公路高填方棄土場的滑坡失穩時有發生，這一問題已嚴重阻礙高速公路的建設。該文以西南山區某高速公路高填方棄土場為研究對象，通過資料分析和現場踏勘，分析棄土場可能發生的破壞模式，結合棄土場建設方案及防護工程設計，定性評價棄土場場地的安全性；再通過定量計算，全面系統地對棄土場場址穩定性、棄土場局部和整體穩定性、棄土場支擋結構的穩定性進行安全評估，并對截排水系統進行驗算，可為其他高速公路高填方棄土場的穩定性評估提供重要的類比資料以及技術參考。
關鍵詞：高速公路;棄土場;高填方邊坡;穩定性分析;
基金：國家自然科學基金資助項目(編号：41562016);
随着中國經濟建設的快速發展，基礎設施建設不斷向西南山區擴充。 在高速公路建設過程中有大量的深挖邊坡和長隧道，開挖量和隧道渣量大。由于受交通的限制，運輸距離長。挖填方難以平衡，便會産生大量永久棄方，必然要設定棄土場來處置棄土[1,2]。而高速公路棄土場設計規模大，在特殊工況下會發生地質災害，影響工程建設的順利進行。
目前針對高速公路高填方棄土場的穩定性研究不多，沈明祥等[2]通過現場調查和計算分析評估了貴州省六盤水至威甯高速公路棄土場穩定性；抗興培等[3]從飽和非飽和理論出發分析了強降雨條件下棄土場邊坡穩定性變化曆程；李研[4]對高速公路棄土場的處置方案進行了研究；蔣成海[5]指出高速公路棄土場存在的問題并提出了相應的處置措施；韓信等[6]對棄土場位置選擇以及設計原則進行了研究。以上文獻從現場調查、飽和非飽和理論、風險評價、處置方案設計等方面研究了高速公路棄土場的相關問題，但缺乏全面系統的穩定性評估。是以，有必要結合具體工程執行個體對高速公路高填方棄土場進行系統的評價，了解其各工況各階段的穩定性，預防地質災害的發生。
該文以西南山區某高速公路高填方棄土場為研究對象，根據現場實地走訪調查，分析棄土場可能發生的破壞模式；并結合場地工前工後，從定性定量的角度全面系統地對棄土場場址穩定性、棄土場局部和整體穩定性、棄土場支擋結構的穩定性等方面進行安全評估。為其他類似工程棄土場設定提供分析設計經驗。
1 棄土場工程概況
1.1 周邊情況
該高速公路棄土場位于雲貴高原山區，地形連續，地表根據山勢起伏較大。處于構造剝蝕中山斜坡地貌區，地表覆寫薄層第四系殘坡積土，岩性以黏性土為主，多呈硬塑狀，局部混少量強風化砂岩碎石。下伏地層為紫紅色泥岩、砂岩，固結程度低，抗風化能力弱。距棄土場上遊200 m處有一戶居民。
研究區屬低緯度高原季風氣候區域，受滇西北高原和橫斷山脈高山峽谷地形的影響，區域内一年幹濕季分明，氣候空間立體變化明顯，應考慮強降雨對棄土場穩定性的影響。
研究區地震活動頻繁，地質構造複雜，總體上屬于地震活動強烈區域。該區地震震中一般位于構造體系複合部位，地震活動具有明顯的周期性變化，近期地震運動頻繁，穩定性評估時應考慮地震的影響。
1.2 設計概況
棄土場設計棄土石方量約50.28萬m3,占地面積40 446 m2。棄土場設定兩個台階，台階标高分别為2 905 m、2 880 m, 平台寬度20 m, 坡比為1∶2,棄土場設計堆放剖面如圖1所示。在棄土場周圍設定截排水溝，排水溝斷面為矩形，一側溝寬1.5 m, 深1.5 m, 另一側溝寬1 m, 深1 m, 排水溝為混凝土澆築。棄土場下遊支擋結構為重力式擋牆，高8 m。
圖1 棄土場剖面圖(機關：m) 下載下傳原圖
1.3 棄土來源及棄土場級别
棄土場堆積材料主要為公路棄渣。填築區溝谷縱坡平緩，填料整體品質較好，嚴格按施工方案進行分級填築、壓實并合理控制邊坡分級填築高度、坡率，堆放的棄土按照設計标準進行了分層壓實，壓實度不低于85%。
根據GB 51018—2014《水土保持工程設計規範》,棄土場級别應根據堆土量、堆土最大高度以及棄土場失事後對主體工程或環境造成危害程度确定[7],具體标準如表1所示。
表1 棄土場級别 導出到EXCEL
| 渣場 級别 | 堆渣量V/ (104 m3) | 最大堆渣高度 H/m | 渣場失事對主體 工程或環境造成 的危害程度 |
| 1 | 2 000≥V≥1 000 | 200≥H≥150 | 嚴重 |
| 2 | 1 000>V≥500 | 150>H≥100 | 較嚴重 |
| 3 | 500>V≥100 | 100>H≥60 | 不嚴重 |
| 4 | 100>V≥50 | 60>H≥20 | 較輕 |
| 5 | V<50 | H<20 | 無危害 |
經對比分析，棄土場場地條件一般，設計堆置高度33 m, 棄土容積為50.28萬m3,棄土場上遊200 m有一戶居民，棄土體失穩，對上遊有一定影響。故此棄土場級别屬3級。常用工況下該棄土場允許的最小安全系數為1.25;非常用工況下該棄土場允許的最小安全系數為1.10。
2 棄土場基本破壞模式
根據張倬元等[8]對棄土場進行的研究，整理總結并通過現場工程地質勘查分析，在棄土場滑坡中，按滑動面位置及其滑動産生的原因，可以将棄土場的滑坡分為以下4類：沿棄土場内部滑動面的滑坡，沿基底接觸面的滑坡、沿地基軟弱層的滑坡和沿棄土場表層局部坍塌與錯動。
2.1 棄土場内部滑動
當棄土場基底岩層比較穩固，由于棄土自身實體力學性質較差，或在外界條件的影響下，此時在棄土内部發生剪切破壞，但滑體未剪穿下部滑床基底岩土體，剪出口常出現在棄土坡面靠近坡腳處的位置。對于含土量較高并具有一定濕度的棄土場，随棄土場内棄土高度增加，會發生壓實和沉降，由于棄土場内部孔隙壓力的不平衡，導緻出現應力集中區，孔隙壓力的存在也會降低潛在滑移面上的摩擦阻力，進而導緻滑坡的發生。
發生在棄土場内部的滑坡，大多數與棄土的實體力學性質有關，在棄土場受到大氣降雨、地表水的浸潤或者地震動的影響時，往往會嚴重惡化棄土場的穩定狀态。是以對棄土場進行安全評估時要驗算多種工況下的局部穩定性。
2.2 沿基底接觸面的滑動
當棄土場的基底傾角較陡，棄土與基底接觸面之間的抗剪強度小于棄土物料本身的抗剪強度時，便會發生沿基底接觸面的滑動。如果基底上部存在風化層或腐殖土層，這一層土堆積在棄土下部會形成軟弱夾層，遇到雨水的浸潤或者地震的搖振，便會促進滑坡的形成。這類滑坡的主要控制因素是基底表面與棄土之間的實體力學強度名額以及基底表面本身的傾角。是以要結合棄土和基底岩土體的土工試驗資料，驗算棄土場多種工況下的整體穩定性。
2.3 沿地基軟弱層滑動
當棄土場地基含有軟弱層時，由于承載力較低，在棄土場散體岩土體荷載或雨水等因素作用下易産生沿軟弱地基的滑坡。這類破壞主要表現為沉降變形和坐落-滑移式滑坡(圖4)。
圖4 棄土場沿地基軟弱層滑坡 下載下傳原圖
沉降變形主要發生在較陡的地基上且具有較大沉降系數的幹旱地區。較厚的部分比較薄的部分具有更大的沉降，進而導緻沉降不均産生許多拉裂縫。縫隙中的裂縫為降雨和滲水創造了便利的條件。當縫隙中的水存儲量增加時，可能會導緻滑坡。
坐落-滑移式滑坡主要是由于棄土場之下的地基内因水和軟弱層的存在及過載等因素而導緻的地基滑坡。在棄土場堆填過程中，棄土堆填高度的不斷增加，基底土層持力層厚度也随着棄土的荷載加大而不斷加深，當棄土堆填到一定高度時，棄土載荷達到軟弱基底的承載極限，基底連續性好的、強度低的軟弱帶，被擠壓産生塑性流動，沿下部基底剪切隆起，同時在軟弱帶上方棄土層内形成拉伸應力，加上棄土松散物料屬于非均質岩體，在自身重力作用下棄土沿基底軟弱層切入，引起棄土場坐落-滑移式滑坡。是以，這類滑坡危害較大，對棄土場進行穩定性評估時，要全面驗算場址穩定性、邊坡局部和整體穩定性、支擋結構穩定性。
2.4 棄土場表層的坍塌與錯動
當棄土場局部堆積坡度過大，在上部進行繼續堆積時就有可能打破局部的應力平衡，導緻坡體錯動形成新的平衡穩定狀态。此種破壞常發生在棄土表層，是一種局部小規模滑坡(圖5)。
圖5 棄土場表層局部坍塌破壞 下載下傳原圖
3 棄土場穩定性分析
3.1 棄土場穩定性定性評估
經現場調查，研究區内及周圍未發現不良地質災害體，現狀場地危害小。根據棄土場場址的地質環境條件、建設規模、結構特點等在建設中和營運後可能造成風險的影響因子，定性綜合判定該棄土場場地危險性小。
3.2 棄土場場址穩定性評估
3.2.1 計算模型建立
此次棄土場場址穩定性計算将原始地形剖面進行了地質概化，建立穩定性計算模型。采用GeoStudio軟體的Slope/W子產品進行計算分析(圖6)。
圖6 場址穩定性計算模型 下載下傳原圖
3.2.2 參數選取及工況設定
通過室内土工試驗以及相關工程類比分析，綜合對比，選取棄土場基底岩土體實體力學參數(表2)。場址穩定性驗算設定3種工況：天然工況、暴雨工況、地震工況。
表2 棄土場各土層實體力學參數 導出到EXCEL
| 材料 名稱 | 重度/(kN·m-3) | 黏聚力c/kPa | 内摩擦角φ/(°) | |||
| 天然 | 飽和 | 天然 | 飽和 | 天然 | 飽和 | |
| 填土 | 20.0 | 20.5 | 12.0 | 10.0 | 26.0 | 24.0 |
| 粉質 黏土 | 19.6 | 20.7 | 25.1 | 23.4 | 14.3 | 11.6 |
| 泥岩 | 24.5 | 25.6 | 1 200.0 | 1 080.0 | 43.1 | 39.8 |
| 擋土牆 | 25.0 | - | - |
3.2.3 計算結果分析
棄土場場址穩定性計算結果見表3。
由表3可知：棄土場場址邊坡在自然工況下安全系數為3.33,大于标準安全系數1.25;暴雨工況下安全系數為2.91,地震工況下安全系數為2.72,均大于标準安全系數1.10,滿足規範的穩定性要求，故原始邊坡穩定。
表3 棄土場場址穩定性計算結果 導出到EXCEL
| 工況 | 安全系數 |
| 天然工況 | 3.33 |
| 暴雨工況 | 2.91 |
| 地震工況 | 2.72 |
3.3 棄土場邊坡局部和整體穩定性評估
3.3.1 計算模型建立
根據棄土場設定概況以及場地工程地質條件将剖面圖進行地質概化(圖7)。采用GeoStudio軟體的Slope/W子產品進行計算分析。
圖7 邊坡局部及整體穩定性計算模型 下載下傳原圖
3.3.2 參數選取及工況設定
結合土工試驗，以及相關工程資料，考慮降雨環境下填土力學參數大大降低，各土層實體力學參數見表2,其中擋土牆在軟體中設定為高強度材料，排除從擋土牆範圍内剪出的可能性。
3.3.3 計算結果分析
棄土場局部和整體穩定性計算結果見表4。
表4 棄土場局部和整體穩定性計算結果 導出到EXCEL
| 工況 | 安全系數 | |
| 局部穩定性 | 整體穩定性 | |
| 天然工況 | 1.97 | 1.91 |
| 暴雨工況 | 1.73 | 1.70 |
| 地震工況 | 1.68 | 1.65 |
由表4可知：棄土場邊坡局部穩定性和整體穩定性在3種工況下，穩定性系數呈有規律下降，大于标準安全系數，滿足規範的穩定性要求，故棄土場邊坡局部和整體穩定。
3.4 棄土場支擋結構物穩定性評估
該棄土場支擋結構為重力式擋土牆，此次穩定性驗算利用理正岩土軟體的擋土牆子產品進行驗算。
3.4.1 支擋結構模型建立
擋土牆穩定性計算模型見圖8。
圖8 擋土牆穩定性計算模型(機關：cm) 下載下傳原圖
3.4.2 支擋結構計算結果分析
經過軟體計算各工況穩定性，該擋土牆的滑動穩定性驗算、基礎強度驗算、台頂截面強度驗算、抗傾覆穩定性驗算、整體穩定驗算等均滿足GB 51018—2014《水土保持工程設計規範》要求，故該擋土牆滿足棄土場設計的穩定性要求。
3.5 棄土場截排水系統驗算
通過現場調查發現在棄土場外圍修築了地表截排水溝，根據場區彙水條件，對截排水溝過水能力進行驗算。
根據中國公路科學研究所提出的小彙水面積流量計算公式：
QP=ϕSPF (1)
式中：QP為設計頻率地表水彙流量(m3/s);ϕ為徑流系數，取 0.2;SP為設計降雨強度(mm/h);F為彙水面積(km2)。
根據衛星影像測得場區彙水面積約為0.86 km2。
在中國氣象網查得，該地區20年一遇最大小時降雨量為 61.6 mm/h, 由此求得棄土場流域内最大彙水流量為10.6 m3/s。
根據GB 50014—2006《室外排水設計規範》,排水溝的設計流量為[9]:
Q排=AV=1nAR23⋅i12 (2)R=Ax (3)Q排=AV=1nAR23⋅i12 (2)R=Ax (3)
式中：Q排為排水溝設計最大流量；A為排水溝過水斷面面積(m2);V為流速；n為粗糙系數；R為水力半徑(m);i為水力梯度(明渠排水等于排水溝溝底的縱坡度);x為濕周(m)。
根據先期設計資料及現場調查，排水溝斷面為矩形，一側溝寬1.5 m, 深1.5 m, 另一側溝寬1 m, 深1 m, 排水溝為混凝土澆築，根據GB 50014—2006《室外排水設計規範》,n=0.014。考慮安全超高0.2 m, A1=1.95 m2,A2=0.8 m2,x1=4.5 m, x2=3 m, R1=0.43 m, R2=0.26 m, i=0.03(排水溝順地表布設),将上述資料代入式(2)、(3),得到：
Q排1=10 m3/s
Q排2=5 m3/s
由上述計算結果可知：棄土場區地表彙水流量Q=10.6 m3/s, 小于排水溝的最大設計過水流量Q排=15 m3/s, 目前排水溝過流斷面滿足要求。
4 結論及建議
4.1 結論
(1) 根據定性分析可知，棄土場場地危險性評估結果為危險性小；該棄土場建設用地的适宜性為基本适宜，棄土場建設方案及主體防護工程設計合理，綜合判定該棄土場建設安全性評估結果為安全。
(2) 通過定量計算，棄土場邊坡在所有工況下，場址穩定性、局部穩定性和整體穩定性均滿足規範要求，在天然工況下的安全系數均大于1.25;暴雨工況和地震工況下的安全系數均大于1.10,棄土場處于穩定狀态。
(3) 泥石流攔擋設施及截排水溝符合設計要求，能滿足該棄土場日常運作的穩定性需求。
4.2 建議
(1) 定期對棄土場邊坡、支擋結構以及截排水系統進行檢查和監測，發現變形、裂縫或位移應及時彙報相關部門，并加密監測頻次，及時采取工程加強措施。
(2) 棄土場應采取必要的綠化措施，減小坡面水土流失。
參考文獻
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[5] 蔣成海，彭立，李宏泉，等.高速公路建設棄土場存在的問題及處治措施探讨[J].公路工程，2011,36(3):47-50.
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[8] 張倬元，王士天，王蘭生，等.工程地質分析原理[M].北京：地質出版社，1994.
[9] 上海市政工程設計研究總院(集團)有限公司.室外排水設計規範：GB 50014—2006[S].北京：中國計劃出版社，2014.
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