赫镇公路1号弃渣场稳定性评价及处治

赫镇公路1号弃渣场稳定性评价及处治

安正明

身份证号：520102197903175832 贵州交通建设集团有限公司  贵州贵阳  550018

摘要：赫镇高速公路地质情况复杂，地质构造、地层岩因、地貌因素影响较大，区域碳酸盐类岩层分布较广，地下水多以管道不均匀分布，对弃渣场的安全稳定性评价也不方便界定。

关键词：弃渣场   安全场稳定评价   处治

一、历史原因及概述

1、历史原因：弃渣场前期征地没有地方水保部门参加，地质构造、地层岩因、地貌因素、地下水情况不明朗。

2、镇雄（滇黔界）至赫章高速公路第一合同段（K3+790右侧300m）、1#弃土场弃土场位于赫章县境内，地理坐标为：东经104°48′41″，北纬27°19′30″，本次评价弃土场为施工单位修建镇雄（滇黔界）至赫章高速公路期间废弃土堆积而成占地面积约30亩，废弃土方量约20万m3，最大堆砌高度约为30m。

二、气象、水文地质条件

气象：镇雄县境，大部属暖温带季风气候，少数河谷地区属北亚热带气候，年平均气温11.3℃，日照1341小时，无霜期218.6天，年平均降水量914.6毫米，全县每年降水量33.65亿立方米，地下水储量10.38亿立方米，水能理论蕴藏量26万千瓦，实际可开发量22万千瓦，现已开发3.69万千瓦。赫章县境，属暖温带季风湿润气候区，年均气温13.3℃，极端最高37.1℃，极端最低-10.1℃。降水量在793.1～984.5mm 之间，年均降水851.6mm，年平均日照时数1380.7小时，年无霜期平均247天，年平均相对湿度79%。历年最大风速28.0m/s，平均风速2.1m/s。灾害气候主要为干旱、倒春寒、冰雹、凝冻等。工程沿线基本风压 0.30kN/m2（1/50）、0.35kN/m2（1/100）；基本雪压0.25kN/m2（1/50）、0.30kN/m2（1/100）。

水文地质：大气降水是地下水补给的主要来源；其补给受地质构造、地层岩性、地貌等因素的影响。由于该区域碳酸盐类岩层分布较广，地下水多以管道状不均匀分布，主要富集于褶皱较开阔的地段。地下水类型主要为碳酸盐岩岩溶水，其次为基岩裂隙水，局部为松散堆积层孔隙水。二叠系下统茅口组中厚层至块状石灰岩；下统栖霞组中厚层石灰岩夹白云质灰岩；三叠系永宁镇组及关岭组泥灰岩、灰岩。由于碳酸盐类与地下水长期作用，岩溶强烈发育。岩溶水根据岩性及所处构造部位的不同，而具不同的赋存特征，地下水具管流型岩溶水文地质特征；在向斜轴部，应力集中，易产生层面裂隙，地下水由两翼向核部汇流或顺走向运动，岩溶洼地、漏斗、落水洞往往沿轴线或顺走向成串珠状分布；在向斜核部构成汇流型水文地质特征。背斜轴部张性裂隙发育，沿背斜轴部发育岩溶洼地、漏斗、岩溶干谷。在背斜核部构成散流型水文地质特征。基岩裂隙水：含水岩组有二叠系上统长兴组泥岩、页岩、砂岩；龙潭组泥岩、页岩、砂质页岩，夹砂岩、粉砂岩、炭质页岩及煤层；峨嵋山玄武岩组斑状玄武岩、拉斑玄武岩；三叠系下统飞仙关组砂质泥岩，岩石裂隙较发育，基岩裂隙水的补给、径流、排泄条件主要受地形、地貌的控制，其补给来源主要是大气降水通过地表风化渗透，沿岩层面间裂隙或构造裂隙补给，向地势较低的部位汇流，以泉的形式排泄。松散堆积层孔隙水：零星出露于河谷阶地、岩溶洼地及坡麓冲积、坡残层中，受大气降水影响较大。

三、项目特点、难点

项目沿线区域属侵蚀、溶蚀、剥蚀地貌类型，地下水动态受大气降水影响明显，地下水天然露头的水化学类型简单。

根据《公路工程地质勘察规范》（JTGC20-2011）中附录K.0.2确定场地地下水和土对建筑材料的腐蚀性。依据表K.0.3，湿润区强透水层中的地下水对混凝土镇雄（滇黔界）至赫章高速公路施工图设计阶段工程地质勘察，设计单位中交基础设施养护集团有限公司将结构的腐蚀性按Ⅱ类环境类型评价，土对混凝土结构的腐蚀性按Ⅲ类环境类型评价。

根据《公路工程地质勘察规范》（JTGC20-2011），附录K.0.2确定场地地表水对混凝土结构具微腐蚀性，对钢筋混凝土结构中的钢筋长期浸水时具微腐蚀性，干湿交替时具微腐蚀性。场地地下水除K16+600所取地下水样对混凝土结构具弱腐蚀性，对钢筋混凝土结构中的钢筋长期浸水时具弱腐蚀性，干湿交替时具弱腐蚀性。其余所取地下水样对混凝土结构均具微腐蚀性，对钢筋混凝土结构中的钢筋长期浸水时具微腐蚀性，干湿交替时具微腐蚀性。场地土对混凝土结构具微腐蚀性，对钢筋混凝土结构中的钢筋具微腐蚀性。

综上所述，该弃土场虽具有特殊性，难点也较为突出，但危害较轻处理方法可以常规设计。

四、弃渣场评定方法选定

根据以上一、二、三的综合原因分析，该弃渣场的安全稳定性评定只能简便选用“圆弧法”，以下是“圆弧法”的基本评定办法概述。

对于均质的以有及没有断裂面的岩坡，在一定条件下可看作平面问题，用圆弧法进行稳定分析。圆弧法是最简单的分析方法之一。

在用圆弧法进行分析时，首先假定滑动面为一圆弧，把滑动岩体看作为刚体，求滑动面上的滑动力及抗滑力，再求这两个力对滑动圆心的力矩。滑动力矩和抗滑力矩之比，即为该岩坡的稳定安全系数：

如果，则沿着这个计算滑动面是稳定的；如果，则是不稳定的；

如果，则说明这个计算滑动面处于极限平衡状态。

由于假定计算滑动面上的各点覆盖岩石重量各不相同，因此，由岩石重量引 起在滑动面上各点的法向压力也不同。抗滑力中的摩擦力与法向应力的大小有关， 所以应当计算出假定滑动面上各点的法向应力。为此可以把滑弧内的岩石分条， 用条分法进行分析（见下图）。

图 圆弧滑动条分法示意图

如图 ，把滑体分为 n 条，其中第 i 条传给滑动面上的重力为，它可以分解为二个力：一是垂直于圆弧的法向力 ，另一是切于圆弧的切向力。

法向力通过圆心，其本身对岩坡滑动不起作用。但是可使岩条滑动面上产生摩擦力（为该弧所在的岩体的内摩擦角） ,其作用方向与岩体滑动方向相反，故对岩坡起着抗滑作用。此外，滑动面上的粘聚力也是起抗滑作用的，所以第 i 条岩条滑弧上的抗滑力为：

因此第 i 条产生的抗滑力矩为：

式中：为第i 条滑弧所在岩层的凝聚系数；为第i 条滑弧所在岩层的内摩擦角；

为第i 条岩条的滑弧长度。

同样，对每一岩条进行类似分析，可以得到总的抗滑力矩为：

式中：n 为分条数目。

而滑动面上总的滑动力矩为：

代入安全系数公式，得到假定滑动面上的安全系数为

由于圆心和滑动面是任意假定的，因此要假定多个圆心和相应的滑动面作类似的分析，进行试算，从中找到最小的安全系数，即为真正的安全系数，其对应的圆心和滑动面即为最危险的圆心和滑动面。

五、处治计算工况与稳定性安全系数确定

1）计算工况

根据《水土保持工程设计规范》（GB 51018-2014）有关规定， 弃土场抗滑稳定性计算应分为正常运用工况和非常运用工况。具体如下：

（1）正常运用工况：弃土场在正常和持久的条件下运用，弃土场处在最终状态时，土体无渗流或稳定渗流；

（2）非常运用工况：弃土场在正常工况下遭遇VII度以上（含VII 度）地震。多雨地区的弃土场还应核算连续降雨期边坡的抗滑稳定， 其安全系数按非常运用工况采用。

综合以上，公路弃土场边坡抗滑稳定性应考虑两种工况：（1） 正常运用工况；（2）非正常运用工况I，弃土边坡处于暴雨状态；

2）稳定性安全系数确定

根据《水土保持工程设计规范》（GB 51018-2014）有关规定， 公路弃土场一般小于50万m3，弃土高度小于60m，对主体工程或环境造成的危害程度较轻，属于4、5级弃弃土场。

特别指出，根据《公路路基设计规范》（JTGD30-2015）相关规定，当设计基本地震动峰值加速度大于或等于0.20g地区的高速公路、一级公路弃土场，弃土高度超过20m时，非常运用工况II要求验算其抗震稳定性，可采用静力法进行抗震稳定性验算。

2） 挡土墙稳定性验算

弃土场挡土墙均为重力式挡土墙，宜采用库仑土压力理论计算其稳定性，即认为墙背填料内会出现一通过墙踵的破裂面，假设此破裂面为一平面，与竖向方向的夹角θ为破裂角，见图1-1-1。

图1-1-1 土楔破裂计算简图

破裂面上的土楔，视为刚性土体，根据力平衡条件，土楔在自重G、墙背反作用力Ea和破裂面反作用力R的作用下维持静力平衡，由于土楔与墙背及土体间具有摩擦力，故Ea与墙背法线成δ角、R与破裂面法线成φ角，并均偏向阻止土楔滑动的一侧。

通过墙踵，假定若干个破裂面，其中使主动土压力最大的那个破裂面即为最危险破裂面。根据这一条件，求得破裂面的位置和主动土压力值。假设土压力沿墙高呈分段线性分布，其形状与坡面线叠加超载后的形状相似，作用点位置位于此分布图形的重心。当墙后土坡为一直线时，土压力呈线性分布，作用于墙高下三分点处。重力式挡土墙稳定性计算主要考虑滑动稳定性、抗倾覆稳定性、基底承载力三个方面，其计算方法如下。

1、滑动稳定性验算方法

对于水平基底的重力式挡土墙，其基底的滑动稳定系数Kc为：

对于倾斜基底的挡土墙，不仅要验算沿基底的抗滑稳定性，同时还要验算地基土沿墙踵平面的抗剪稳定性，其计算见图见图2-2-7 和图2-2-8，计算过程如下：

沿斜基底面滑动安全系数：

式中：

Kc——沿基底的滑动稳定安全系数，一般情况下Kc =1.30；

f——挡土墙墙底摩擦系数；

α——挡土墙背坡面与竖向的夹角；

η——挡土墙背坡面与填土之间的内摩擦角； δ ——挡土墙倾斜基底面与水平面的夹角； W ——挡土墙的自重重力；

WN——挡土墙重力在倾斜基底法线方向的分量；

WT——挡土墙重力在倾斜基底切线方向的分量；

E——挡土墙承受的土压力；

EN——墙背土压力在倾斜基底法线方向的分量；

ET——墙背土压力在倾斜基底切线方向的分量。

图1-1-2水平基底抗滑稳定性计算简图

图1-1-3 倾斜基底抗滑稳定性计算简图

地基土抗剪稳定性验算：

式中：f4——倾斜基底与地基土之间的摩擦系数；

B4——倾斜基底下三角形土楔体的宽度；

h4——倾斜基底下三角形土楔体的高度；

γ——倾斜基底下三角形土楔体的容重；

2、倾覆稳定性验算方法

对于重力式挡土墙，主要计算绕墙趾点的抗倾覆稳定，计算简图见图 2-2-1，计算公式如下：

式中：ZX ——挡土墙墙背土压力在竖直方向的分力与墙趾点的水平距离；

Zy ——挡土墙墙背土压力在水平方向的分力与墙趾点的竖向距离；

Zw ——挡土墙的自重重力的重心与墙趾点的水平距离；

图2-2-1 抗倾覆稳定性计算简图

3、挡土墙地基承载力验算方法

对于挡土墙采用天然地基时，应对基底应力和偏心距进行验算， 其计算见图见图2-2-2，计算方法如下：

偏心距：

式中：

e——挡土墙底截面的偏心距；

B——挡土墙底面宽度；

Mall——作用于挡土墙上全部荷载对墙趾点的弯矩；

Wall——作用于挡土墙上全部竖向荷载；

Zn——地基反力的合力作用点与墙趾点的距离距离；

图2-2-2地基应力和偏心距计算简图

地基承载力验算，依据偏心距大小，分两种情况： 当e ≤ � 6 时，当e > � 6 时，

式中：

�1.2——分别为挡土墙最大、最小的地基应力；

o ——挡土墙允许的地基承载力；

����——地基应力重分布后，最大的地基压应力；

��——地基反力的合力作用点到挡土墙地基反力最大点的距离；当挡土墙采用倾斜基底面时，根据《公路工程设计技术册》，其偏心距和地基承载力验算方法同上，只是基础底宽取斜面宽度进行验算，见图2-2-3。

图2-2-3倾斜基底偏心距及地基承载力计算简图

3） 截排水系统水文分析

弃土场在降雨条件下其特性会发生不可逆的变化，因此，需要对场地内洪峰流量进行分析，同时测算现有排水设施的排水能力情况。

1、洪峰流量分析

根据《水土保持工程设计规范》（GB 51018-2014），弃土场永久性截排水措施的排水设计标准采用 3 年一遇～5 年一遇 5min～10min 短历时设计暴雨。弃土场排水沟参照《公路排水设计规范》(JTG/T D33-2012)，采用小流域面积设计流量公式计算：

Q =16.67���,��

其中：Q为设计径流量；(m3/s)；按公路所在地区的60min 转换系数c60查表确定。

2、排水沟水力计算

排水沟泄水能力按下式进行计算：

其中：v为沟内平均流速，A 为过水断面面积(内截面面积)(m2)。沟内平均流速 v按下式计算。

1   2   1

v = � �3�2

其中：n为沟壁的粗糙系数；R 为水力半径；I 为水力坡度。根据弃土场周边截排水沟及实际汇水面积，由公式2计算得到弃土场范围内的洪峰流量，与弃土场内截排水沟的排泄能力进行比较， 判断弃土场范围内的截排水系统能满足排洪要求。

六、结论

弃土场的稳定性与施工地形和地质、水文条件复杂程度、从业人员的素质、弃土场施工与设计的差异、以及监管部门对现场施工管理等因素密切相关，后期风险主要来源为暴雨工况下可能出现崩塌、滑坡、泥石流等地质灾害。山区高速公路施工中，弃土场处理是一个至关重要的工作内容，随着国家对生态环境的日益重视，对弃土场的选址及防护都提出了较为严格的要求，以保证弃土场的工程安全及环境安全，合理选址、科学分类，并根据弃土场选址情况做好相应的防护措施，是山区公路项目弃土场安全及项目安全的基础。

七、参考文献

【1】《公路工程地质勘察规范》（JTGC20-2011）

【2】 袁佳慧.山区高速公路建设弃土场设计原则及稳定性分析【J】公路桥梁施工与管理，2018,12

【3】张坤.如何维持山区高速公路建设弃土场设计稳定性【J】岩土工程，2017,12