山区交通工程弃渣场常见病害及安全控制研究

2021-01-29但路昭尹小涛杨晓泉

安徽理工大学学报（自然科学版） 2020年5期

张朔，但路昭,尹小涛，杨晓泉，汤华

(1.安徽理工大学土木建筑学院，安徽淮南 232001； 2.大理大漾洱云高速公路有限公司，云南大理 671000；3.中国科学院武汉岩土力学研究所岩土力学与工程国家重点实验室，湖北武汉 430071；4.云南省交通运输厅路网监测与应急指挥中心，云南昆明 650000)

随着国家“一带一路”发展战略的提出，我国山区交通基础建设迈入了新一轮的蓬勃发展时期。山区交通工程建设过程中通常会产生土石方巨大的弃渣，由于此类弃渣颗粒松散程度不均、颗粒级配差、孔隙率高、欠固结[1-3]等特点导致其利用率较低，土石方调配困难，因此需要在交通工程沿线修建大量弃渣场来堆置这些弃渣。弃渣场作为交通工程建设的线外附属工程，在设计、施工及管理等多方面往往缺乏重视[4-5]，导致弃渣场病害频发，水土流失现象严重，对人民群众生命财产及生态环境造成严重威胁和破坏。

当前国内外学者对山区交通工程弃渣场的研究主要集中在：(1)弃渣边坡的动静力稳定性评价[6-10]；(2)弃渣宏观及微观物理性质研究[11-12]；(3)弃渣滑坡敏感性因素研究[13-14]。以上研究通常缺乏对山区交通工程弃渣场中长期跟踪统计调查以及弃渣场常见病害和安全控制技术的系统研究。因此，为保证弃渣场中长期安全可控，有必要在管理单位的组织下，联合设计、施工、科研等单位，开展大量且系统的现场调查评估工作。

鉴于此，以云南多条高速公路沿线数十个弃渣场多期次稳定性调查评估工作为基础，根据弃渣场主控要素归纳总结山区交通工程弃渣场常见病害类型，研究弃渣场演化特征及致害机理，针对性地提出综合安全及控制方法，为类似山区交通工程弃渣场防灾减灾提供参考依据。

1 山区交通工程弃渣场常见病害分类

(1) 脱坡滑移

通过多阶段现场调查评估发现，弃渣容易沿土岩分界面或基底软弱下卧层发生挤出滑移变形，滑移通常呈叠坎状，表现为坡顶下座和坡脚底鼓，容易造成坡体前缘欠稳定。对于高边坡来说，一般坡体中下部是阻滑段，中上部是下滑段，在极端降雨或外界扰动条件下，坡脚不稳极易造成上部坡体大面积失稳下座，严重时会甚至会引发泥石流、大面积滑坡甚至古滑坡复活等地质灾害。图1所示为弃渣边坡发生前缘底鼓，整体脱坡滑移的典型破坏形式。

(a)坡脚前缘底鼓变形 (b) 整体脱坡滑移图1 整体滑移破坏形式

(2) 局部变形裂缝

弃渣边坡坡顶、坡面以及台阶等位置出现局部变形裂缝是弃渣场运营阶段常见病害之一，裂缝的出现也是弃渣场局部失稳、甚至整体欠稳定的直观表现。弃渣边坡坡面浅层弧形贯通裂缝、台阶平台及坡顶前缘弧形裂缝为常见的裂缝形式。在强降雨等外界因素干扰下，裂缝进一步发展，逐渐造成坡面浅表层局部滑塌、坡面差异沉降及局部坡面脱坡等失稳现象。如图2所示为常见的局部变形破坏形式。

(a)台阶平台裂缝 (b) 局部脱坡滑移图2 局部变形破坏形式

(3) 附属结构失效

弃渣场附属结构是控制水土流失的重要保障手段，其病害形式主要表现为拦渣墙局部破裂、后背淤积严重，无法形成有效库容，导致拦渣墙丧失拦截固体物质及消能功能，部分拦渣墙泄水孔堵塞、排水沟淤堵、破裂、断头及弃渣坡面缺失横向截排水措施等是导致水土流失的主要原因。图3为弃渣场常见附属结构病害形式。

(a)拦渣墙后背淤平、弃渣越顶 (b)排水沟淤堵、断裂图3 附属结构病害形式

(4) 坡面冲刷

弃渣场作为一种人工堆积体，其组成结构松散、抗侵蚀能力差，新堆置的弃渣场在经历雨季后，弃渣坡面冲刷现象严重，大量弃渣被冲至下游，坡面初期出现多处沟蚀，后期逐渐发展成浅沟侵蚀和切沟侵蚀，严重时于坡面冲刷出数条大冲沟，造成大量水土流失。图4为坡面冲刷迹象。

图4 坡面冲刷

2 弃渣场运行演化特征及致害机理

(1) 山区交通工程弃渣场运行演化特征

弃渣场具有明显的运行演化特征：弃渣粒径由弃渣场上部至下部、坡面至内部逐渐增大，沿着坡高和坡面平行方向均呈现出一定的层位分布特征，粒径大于300mm的大块碎石、块石主要集中在坡脚及底部，粒径在40～300mm范围内的中块及部分小块主要集中在中部，粒径小于40mm的小块主要集中在弃渣场上部及坡面表层。随着运行时间的推移，细颗粒及中颗粒逐渐向弃渣场内部及中下部沉降，填充至大块空隙中，密度增大，渗透性降低，弃渣颗粒抗侵蚀能力也逐渐提高，水土流失减少，弃渣场的局部及整体稳定性有所提高。

图5 弃渣运行演化特征

(2) 山区交通工程弃渣场致害机理分析

1)基底存在软弱地层及清表不彻底致害

现场调查发现，导致弃渣发生沿土岩界面滑移灾变的主要原因是由于弃渣堆置前原状土表层存在一定厚度的软土或淤泥质土等软弱地层，弃渣前基底清表不彻底就直接将弃渣堆置在软弱下卧层上，上覆弃渣重量超过软弱下覆层极限承载力，因此发生沿接触面滑移、坡脚底鼓以及侧向挤出等蠕动变形。

对某高速公路K2+500渣场进行有限元计算模拟，采用Rockscience软件系列中Phase2D模块建立有限元模型，边界条件采用底面固定约束，侧面法向约束，地表面自由，单元类型为Triangles，共计2 248个单元，本构模型为理想弹塑性模型，破坏准则为摩尔-库伦屈服准则，计算模型见图6，计算参数如表1所示。

图6 弃渣边坡有限元计算模型

表1 弃土场计算参数建议值表

在有限元计算模型的基础上采用强度折减法求解自然状态下的安全系数，通过数值计算方法揭示其灾变机制。计算云图见图7，计算结果见表2。

(a) 最大水平位移 (b)最大竖向位移

(c)总位移 (d) 最大剪应变图7 有限元计算云图揭示下的灾变机制

表2 弃渣边坡强度折减法计算结果

灾变机理：从位移云图中可以看出，最大水平位移集中在坡脚位置，约1.20m，最大竖向位移主要表现为中上部下座约0.93m以及坡脚隆起约1.035m，总位移集中在坡体中下部，约2.03m，安全系数为1.10。从剪应变云图中可以看出，弃渣场发生变形破坏主要由基底软弱下卧层控制的土岩分界面滑移变形，计算所得变形模式与规模同现场调查相吻合，也间接表明数值模拟中计算模型搭建及参数选取的适宜性，基于此的数值计算扩展认识可信。

2) 挡排措施失效及弃渣结构特性致害

灾变机理：强降雨下弃渣受到地表水冲刷，大量细颗粒及部分粗颗粒随地表水冲刷至下游，弃渣边坡出现大量冲沟，造成植被、农田冲毁，甚至堵塞道路及河道，污染水源，威胁桥桩安全。另外，在渗流作用下部分弃渣随雨水下渗，导致坡顶及坡面一定深度内细粒弃渣含量减少，颗粒分选明显，坡顶及坡面生态能力下降。外界扰动，不同类型弃渣差异沉降、未按规范设计施工等因素是诱发拦挡措施失效从而导致大量水土流失的主要原因。

3)选址、设计及外界激发因素的相互耦合致害

任何失稳的发生都是边界因素、初始因素及外界激发因素相互耦合的作用结果[15]。灾变机理：发生整体失稳的弃渣场多设置在山梁一侧的坡面上，三面临空，受两侧自然约束不足，弃渣场整形坡率过陡，台阶平台宽度不足、坡高过大等边界因素影响。弃渣体本身强度较低，呈松散颗粒状，在强降雨或地震等外界激发因素作用下，弃渣场出现应力集中现象或不平衡推力，在不平衡力作用下，内部应力场发生变化，从而形成潜在滑动面，坡面浅层渣体抗滑力不足以抵抗弃渣重力分量，弃渣失去平衡，在坡顶、坡面等部位形成弧形贯通裂缝，随着裂缝的发展导致局部坍塌或弃渣平台整体脱坡滑移。

3 弃渣场综合安全及其控制技术

(1) 技术措施

1)基于弃渣天然休止角的保守坡率设计

在多阶段的调查过程中取数弃渣扰动样进行筛分实验发现，弃渣颗粒组成以碎石、中粗砾为主，占总颗粒50%以上，几乎不含细粒组颗粒。针对此类以碎石土为主的弃渣场，其实际弃渣过程类似以自然堆积法进行的大型天然休止角试验[16]。因此在坡度整形前进行多阶段天然休止角测量，统计极限坡度，根据所测天然休止角及安全系数标准，反算得到设计坡率，图8所示为无黏性弃渣计算示意图，其中弃渣安全系数计算公式为

FS=tanФ1/tanФ2

(1)

其中：Fs为安全系数；Ф1为测量所得的天然休止角或内摩擦角；Ф2为设计整形坡角。

图8 无黏性弃渣边坡计算示意图

云南地区绝大多数弃渣场天然休止角在34°～39°之间，相应的极限坡率在1∶1.20～1∶1.50之间，为保证整体安全系数达到1.20以上，设计坡率应在1∶1.45～1∶1.80之间方可满足要求。

2)基于弃渣边坡宽台阶的优化整形设计

山区交通工程弃渣场选址多数在山间峡谷中，受征地、经济等影响因素小，建议在弃渣场中部设置5～10m宽台阶。弃渣场中部设置宽台阶的意义在于使原本设计的常规台阶分隔成上、下两个高度相对较低的次级边坡，一方面可以有效的阻断潜在滑裂面的形成，降低弃渣边坡整体破坏风险，有助于弃渣边坡自稳能力的提高；另一方面，宽台阶的增加降低了综合坡率，采用“坡率法+宽窄台阶相结合”的设计思路更有助于弃渣场安全稳定性的提高。

3)基于弃渣合理堆置顺序的优化设计

优化控制弃渣堆置。在堆置过程中应有规划地将大块石埋置在弃渣场下部，有助于实现反压护坡以及稳固坡脚的作用，也利于雨水的及时排水。对于软岩或弃渣物理性质较弱的渣体应与其他性质理想的渣体进行掺混后分层堆置预压，对物理性质差异较大的渣体，应设计不同的堆渣顺序，避免将软弱或风化严重的岩土体单独堆置在弃渣场中下部，否则容易形成软弱滑动带。

4)强化附属结构水保措施

增强截排水控制，保证拦砂坝有效库容。对于坡面和顶面汇水面积较大的弃土场，应在宽台阶位置和坡面冲刷严重部位增设横纵向截排水沟，并接入两侧边沟，实现坡面汇水控制，坡面和周边截排系统的加强是弃土边坡局部稳定和中长期稳定的重要保障措施，且简单有效。弃渣场堆置初期应确保弃渣坡脚距拦渣墙留有5m以上距离，对于淤积严重的拦渣墙，拦渣墙背后淤平渣体应及时下清2～3m，形成有效库容，保障消能拦渣功能。

(2)管理措施

1)工可阶段严格把控渣场选址

工可阶段的选址，对场地是否存在潜在隐患等问题通常考虑不周，导致工可阶段的选址绝大部分不能真正落实或应用。因此，建议对于山区高速公路弃渣场的选址工作应由设计、勘察、施工、管理以及政府职能部门等多方进行立项讨论，实地勘察，并对选址的科学合理性、弃渣规模以及后期变更的可能性进行详细论述后由设计方出具初步设计方案，进行多方讨论后综合确定。

2)施工阶段增强监督指导

弃渣堆置过程中常出现实际弃渣量与设计方量悬殊过大、整形坡率过陡、堆置顺序不合理形成软弱夹层、隐蔽工程缺失等问题，这些均为弃渣场实际运行埋下安全隐患。因此，施工阶段现场管理人员应熟知设计方案，定期指导现场一线工作人员施工，特别是施工过程中的清表处置、盲沟修建、附属结构设施、碾压程度、坡率控制、堆渣顺序、坡面防护工程等关键工程的监督与指导。

3)中长期水保监测及定期巡查

保证弃渣场中长期的安全稳定是一项持续性工作，管理单位应严格执行经有关单位批准后的水保监测方案，布置相应水土流失监测观测站，管理人员定期巡视排查坡体状态及水土流失情况，加强雨季监测频率及巡查力度，对检查出现的问题及时治理，确保山区高速公路弃渣场长治久安。