某铁路弃渣场滑坡成因分析及整治方案研究

张秋月

(中国铁路设计集团有限公司,天津 300308)

山区铁路建设项目中,隧道与路堑等工程会产生大量的弃渣。 加强弃渣场的设计与施工,对避免产生次生灾害,减少水土流失具有重要意义[14]。 已有许多学者对此进行了相关研究:李元昌等对铁路弃渣场的综合设计进行了相应研究[57];王光辉[8]等采用理论分析与数值仿真相结合的研究方法,分析了弃渣场在降雨入渗条件下的边坡稳定性,认为随着降雨的持续,入渗影响深度增加,渣场边坡稳定性将逐渐降低[89];江冰通过稳定性计算,提出了后缘削方减载与前缘填土反压相结合的治理措施[1011];陈仕阔等[12]通过计算边坡剩余下滑推力,给出了加固方案和综合治理措施;潘一茜等[13]通过现场勘查、试验,提出了“前缘抗滑支挡+排水沟”的综合治理措施。

以下对某高速铁路工程隧道弃渣场滑坡的成因进行分析,并对整治方案进行研究设计。

1 弃渣场概况

1.1 工程地质和水文地质条件

该弃渣场位于低山区,地势起伏较大,地表主要为水稻田,下游紧邻一条宽约4 ～8 m 的河流,边缘与施工便道相邻。

弃渣场范围内主要地层情况为:

(1)淤泥(⑧11):黄褐色,褐灰色,流塑,层厚约0.9 ～2 m,其层底为滑动面。

(2)黏土(⑧22):黄褐色,灰褐色,软塑,局部硬塑。 呈层状分布于表层,层厚约1.5 ～2.4 m。

(3)黏土(⑧23):黄褐色,软塑,呈层状分布于表层,层厚约2.6 m。

(4)黏土(⑧24):黄褐色,灰褐色,硬塑,局部软塑,含碎石,呈层状分布,层厚约0.7 ～4.2 m。

(5)黏土(⑧25):褐灰色,硬塑,含碎石,呈层状分布,层厚约3.4 m。

(6)黏土(②23):灰褐色,软塑,局部硬塑,含约30%的碎石,仅在河流边缘分布,层厚约1.5 m。

(7)黏土(②24):黄褐色,硬塑,含约35%的碎石,局部夹粉质黏土薄层,仅在河流边缘分布,层厚约2.65 m。

(8)细砂(②64):褐灰色,密实,饱和,含约15%的碎石,仅在河流边缘分布,层厚约0.9 m。

(9)块石土(②164):青灰色,密实,饱和,局部潮湿,成分以安山岩为主,一般块径10 ～30 cm,最大50 cm,充填约3%的土,仅在河流边缘分布,层厚约2.45 m。

(10)泥岩(○1711):褐灰色,全风化,岩芯呈土柱状,呈层状分布,揭露层厚3.5 ～11.7 m。

1.2 弃渣场设计概况

隧道弃渣场位于铁路左侧约300 m,弃渣量为10.45×104m3(实方)。 原设计中采用分层碾压密实方案,边坡每6 m 进行分级,坡率为1 ∶2,每级边坡间设置10 m 宽平台。 渣场顶部设2%的横向排水坡并设置M10 浆砌片石排水沟,排水沟纵向坡度不小于2%。渣场边缘设置M10 浆砌片石水沟以截渣场外地表水。渣场底设置碎石盲沟,渣场坡脚设挡渣墙。

1.3 弃渣场滑移情况

弃渣场所在地区降雨集中且频繁,降雨量较大,导致地下水位普遍上升,地表黏土普遍饱水。 陆续堆载弃渣后,发现弃渣场下游征地界外侧至进场便道约24 亩范围发生滑移,滑坡体最长处约150 m(见图1),补勘地质纵断面见图2。 最大裂缝宽约60 cm,深约1.5 m。 滑层为软塑状黏土,滑移扰动后呈淤泥状。 发生滑移后,施工单位对原设计弃渣场边界桩进行位移观测,通过58 d 的观测,边界桩最大位移为17.545 m,平均滑移速率为0.29 m/d,最大滑移速 率为0.76 m/d,且滑移仍在持续。

图2 弃渣场补勘纵断面(横向∶纵向=1 ∶2.5)

2 弃渣场滑移原因分析

根据现场调查和补勘情况,认为弃渣场滑移的原因为:

(1)在连续集中降雨后,弃渣由不饱和状态变为充水饱和,引起附加荷载增大,物理力学指标降低。

(2)场地内未施作渣场底部盲沟、渣场周边截排水系统,导致雨水无法及时排出。

(3)弃渣未平摊,而是自上而下集中堆载,形成最高约为12 m 的松散堆积体,在沟头形成了较大的附加荷载。

当集中弃渣产生的附加荷载超过原始土体所能承受的临界压力时,堆渣体下伏土体产生剪切破坏并滑出,形成地面鼓包、开裂,因下滑力有限且上覆土层较厚,此时的滑动主要表现为蠕滑(即图3 中的滑动面1、2、3)。 当雨水沿鼓包裂缝渗入土中,滑移体(堆渣和滑动土体)前缘土体受雨水浸泡,物理力学指标大大降低,在滑移体推力及雨水浸泡软化的共同作用下,土体发生新的剪切破坏,形成新的剪切破裂面。 经过多次蠕滑,最终贯通形成一个连续的软弱滑动面,即图3 中的滑动面4。

3 整治方案研究

3.1 渗沟降水

图3 滑移过程示意

为有效降低地下水位,设计了渗沟降水方案:沿滑移底面下方1 m 处,顺弃渣场纵坡自上而下间隔20 m施作排水渗沟,以缓解降雨引起的水位升高对渣体的影响。 为了验证方案的可行性,对地下水位降低至滑移面以下的工况进行稳定性分析。

基于滑移后地面线及补勘弃渣场地质纵断面,利用RocScience 公司开发的Slide 软件进行建模,选用摩根斯顿-普赖斯法[14]对弃渣场进行稳定性分析。

改进的摩根斯顿-普赖斯法典型条块见图4,计算原理及方法如下:

图4 摩根斯顿-普赖斯法典型条块

式中 u——作用于条块底面的单位孔隙压力/(kN/m);

dx——土条宽度/m;

dW——土条重量/kN;

q——坡顶外部的垂直荷载/(kN/m);

Me——水平地震惯性力对土条底部中点的力矩/(kN·m);

dQ、dV——土条的水平和垂直地震惯性力/kN;

α——条块底面与水平面的夹角/(°);

β——土条侧面的合力与水平方向的夹角/(°);

he——水平地震惯性力到土条底面中点的垂直距离/m。

弃渣场各土层物理力学指标如表1 所示。

表1 弃渣场各土层物理力学指标

续表1

土体饱水状态下稳定性计算见图5,施作渗沟后,地下水位降至滑移面以下1 m,土体稳定性计算见图6。

图5 土体饱水状态下稳定性计算结果

图6 渗沟降水状态下稳定性计算结果

由图5、图6 可知,弃渣场整体稳定性安全系数由0.890 提高至1.163,但仍不满足安全系数1.20 的要求[14],故仅采用渗沟降水的方案不能满足整治需要,还需要结合其他方案进行治理。

3.2 抗滑桩支挡

利用摩根斯顿-普赖斯法,对各段滑坡推力按一般工况和地震工况分别进行计算,一般工况下安全系数K 取1.20,地震工况下安全系数K 取1.05。 弃渣场所处区域地震动峰值加速度Ag=0.278g,地震工况下水平地震力的计算公式为

式中 FihE——第i 条土块质心处的水平地震力/kN;

η——水平地震力作用修正系数,取值0.25;

Ag——地震动峰值加速度/(m/s2);

mi——第i 条土块的质量/kg。

计算发现,由于地震动峰值加速度较高,地震工况下滑坡推力远大于一般工况,故采用地震工况进行抗滑桩的设计。 该弃渣场滑坡范围大,且滑移层底面埋深较大,物理力学指标低,下滑力较大,若采用单排抗滑桩,需要的桩身尺寸过大,且存在发生越顶破坏的可能[16]。 通过对不同桩位所需抗滑桩的尺寸进行试算,最终确定了三排抗滑桩的方案:桩径1 m、桩间距1.2 m,桩顶通长设置冠梁(冠梁为方形,边长1.2 m),抗滑桩桩长及桩位见图7。

抗滑桩检算时,锚固段中黏土部分水平方向土质地基系数取2 000 kPa/m2,全风化泥岩水平方向土质地基系数取6 000 kPa/m2,计算时认为上一排桩承担其上方所有土条的剩余滑坡推力,下排抗滑桩仅承担与上排桩之间土条的剩余滑坡推力。

三排桩桩位的剩余滑坡推力及内力计算结果见表2。 计算结果表明,三排抗滑桩方案可以较好地分段抵抗滑坡体的下滑推力,遏制滑坡体继续向下方蠕滑。施作抗滑桩的同时,应完善防排水系统,加强位移监测,防止施工过程中天然土层条件继续恶化。

图7 钻孔灌注桩布置纵断面(单位:m)

表2 桩位滑坡推力及内力统计

4 结论

(1)弃渣场应及时施作地表、地下排水设施,并严格控制弃渣的堆积高度。

(2)地下排水设施可有效减少地下水对弃渣场浅表土层的影响,有利于提高弃渣场的整体稳定性。

(3)应根据滑坡范围大小及下滑力的大小合理选择抗滑桩的排数及位置,同时应完善防排水系统,加强位移监测。