昆明某工程前缘坝体边坡稳定性分析及治理措施研究

寸春发，许汉华，刘文连，龚宪伟，郝 勇

(1.云南建投基础工程有限责任公司，云南昆明，650217；2.中国有色金属工业昆明勘察设计研究院有限公司，云南昆明 650051)

随着国家基础建设投入不断加大，各地大量进行水利水电、建筑、矿山、交通（道桥、公路铁路、机场）等基础设施建设，这为边坡工程的发展提供了良好条件[1]。影响边坡稳定性的主要因素有边坡材料力学特性、边坡几何尺寸和边坡外部荷载三大方面[2]。边坡稳定性计算方法、参数的确定，均需建立在边坡破坏模式分析的基础上[3]。本文首先从地形地貌、地层岩性、气象及水文、地质构造、特殊性粉煤灰土层及水文地质条件介绍了研究区的地质背景，然后验算了某工程前缘坝体边坡稳定性，最后提出了相关治理措施建议供类似工程借鉴参考。

1 地质背景

1.1 研究区地形地貌

研究区原始地貌为低中山构造剥蚀、冲刷地貌单元，区内冲沟较发育，原始冲沟呈“U”型，地势北高南低，沟心宽缓，纵坡比降5%～10%，东侧和西侧向沟心平缓倾斜；总体上场地北、东、西三侧临山，冲沟出口在初期坝体位置呈上宽下窄“喇叭”口状，近似北-南走向，沟底开阔，自然坡度3°～8°，沟底宽度介于50～80m，标高介于2029.00～2060.00m 之间，沟底原有一条北东-南西走向的沟渠，沟床宽2～5m，冲沟两侧多被开垦为农用耕地，两岸山体斜坡坡度介于30°～60°，坡面植被发育。

场地南侧则分布有南西-北东走向的灰渣库坝体，该坝体由初期堆石坝及五级土石子坝构成，坝体总高度约60m，坝轴线最长度（第五级子坝）约220m，坝顶宽约4.0m，其中各级子坝高约5.0m，坝顶宽4.0m，各级子坝外侧坝体坡度1∶4，内侧坝体坡度1∶2；初期坝高35.0m，坝顶宽约7.0m，坝底宽约98.0m，外侧坝体坡度1∶1.6，内侧坝体坡度1∶1.5。初期坝于1986 年建成，并于1993 年增设堆石反压体，该反压体按8 度地震烈度设计和施工，反压体外坝体坡度为1∶1.6。

1.2 研究区地层岩性

研究区岩土层主要由第四系人工堆积杂填土、粉煤灰、各级子坝体堆积填土、初期坝体碎石填土及反压体块石填土层，第四系冲洪积粉质黏土层，第四系坡残积粉质黏土层，下伏基岩寒武系沧浪铺组页岩、粉砂岩所构成。

1.3 研究区气象及水文

研究区所在地昆明市西山区地处云贵高原中部，纬度低，海拔高，加之有高原湖泊滇池、阳宗海调节温湿度，形成“夏无酷暑，冬无严寒”四季如春的宜人气候，最冷月平均温度7.5℃，最热月平均温度19.7℃，极端最低温度-5℃，极端最热温度33.3℃，年平均气温为14.5 度；月平均最高相对湿度（8 月）84%，月平均最低相对湿度（3 月）47%，年平均相对湿度74%；日最大降雨量120mm，月平均最大降雨量402mm，全年平均降雨量1031mm，年雷暴日64～69 天／年。由于温湿度适宜，日照长，霜期短，能见度良好，鲜花常年不谢，草木四季常青，故有“春城”美誉，是世界上少有的全天候旅游城市被人们誉为东方的“日内瓦”，昆明的自然条件利于长年施工。

经过现场地质调查，研究区位于的南北向稗子箐沟，其上游主要分布有三条支沟，区内无较大的地表水体及河流通过，主要地表水为各支沟内少量流水，各支沟均为季节性冲沟，主要接受大气降雨及地下水渗溢补给。未建设灰场堆渣库之前，场地主要为各支沟汇水径流排泄地段。经前期灰渣场修建，目前场地内已有较完善的排水、排洪系统；渣体下已修筑了高2.4m，宽2.5m，拱形顶的排洪隧道，各支沟内也修筑了导水管涵，并且在各支沟上游部位修筑了挡泥坝。场地周边及原始冲沟上游地表水主要经过排水隧洞排出场地外，而场地内（原灰渣库内）地下水则经过坝体导水碎石层下渗流至坝体反滤排渗系统排出初期坝体下游积水池中，经三角堰测流，水量相对较小，约5～8m2/d。

1.4 研究区地质构造

研究区在区域上处于川滇经向构造带和南岭纬向构造带的复合部位，受强大的南北向构造影响，南岭纬向构造带连续性遭受破坏。区域内东西向构造有三个明显特点（1）背、向斜宽缓；（2）断层多为逆掩断层或冲断层；（3）由于地应力主要来自北部，使构造线一般都有向南凸出弯曲的特征。

1.5 特殊性粉煤灰土层

粉煤灰，是从煤燃烧后的烟气中收捕下来的细灰，粉煤灰是燃煤电厂排出的主要固体废物，根据电厂资料显示，场地内的粉煤灰主要氧化物组成为：SiO2、Al2O3、FeO、Fe2O3、CaO、TiO2等。主要由飞灰及炉底灰组成，飞灰是进入烟道气灰尘中最细的部分，炉底灰是分离出来的比较粗的颗粒。首先粉煤灰的活性主要来自活性SiO2(玻璃体SiO2) 和活性Al2O3(玻璃体Al2O3)在一定碱性条件下的水化作用。因此，粉煤灰中活性SiO2、活性Al2O3和f-CaO(游离氧化钙)都是活性的的有利成分，硫在粉煤灰中一部分以可溶性石膏(CaSO4)的形式存在，它对粉煤灰早期强度的发挥有一定作用，因此粉煤灰中的硫对粉煤灰活性也是有利组成。其次粉煤灰是晶体矿物和非晶体矿物的混合物，一般晶体矿物为石英、莫来石、氧化铁、氧化镁、生石灰及无水石膏等，非晶体矿物为玻璃体、无定形碳和次生褐铁矿，其中玻璃体含量占50%以上。再次粉煤灰是一种人工火山灰质混合材料，它本身略有或没有水硬胶凝性能，但当以粉状及水存在时，能在常温，特别是在水热处理(蒸汽养护)条件下，与氢氧化钙或其他碱土金属氢氧化物发生化学反应，生成具有水硬胶凝性能的化合物，成为一种增加强度和耐久性的材料。最后粉煤灰会产生扬尘，污染大气，若排入水系会造成河流淤塞，而其中的有毒化学物质还会对人体和生物造成危害。场地内粉煤灰层其透水性属弱～中等透水层，地下水位以上为呈稍湿～湿状态，而地下水位以下则呈湿～饱和状，场地内下渗的粉煤灰中孔隙水，再前期灰渣排放利用期间已得到综合的中水处理，并且循环利用，目前该循环水利用系统还未拆除，拟工程建成后将继续作生产用水使用。

2 水文地质条件

2.1 地表水

研究区附近周边区域内主要地表水为位于场地外围西南部螳螂川及东南部的滇池，螳螂川距场地约15km，与滇池相距约5km。距场地南部约120m处的宗龙箐沟为螳螂川上游支流，该宗龙箐沟位于场地下游南部地段，场地内已修建了较完善的排洪水涵（管）系统，冲沟及河流对场地的不构成侵蚀性威胁。除此之外，距研究区最近的地表水体主要为场地上游北端头三条原始冲沟内由各拦泥坝围堰形成的常年集水体，拦泥坝内的水体较小，主要汇集山体基岩裂隙渗水。而拦泥坝及场地上游冲沟内雨季汇集的洪水则主要通过场地内排洪隧道排出场地外；调查范围内汇积的少量雨水、地下渗水主要通过坝体地下反滤排渗系统下渗至初期坝下游积水池内集中排泄。研究区主要为地表雨水径流区，以及浅层地下水入渗补给区，水力方向总体上自北向南排泄于宗龙箐沟，最终流向螳螂川。

2.2 地下水

根据现场钻探揭露的含水层情况、现场走访调查，结合区内已有的水文地质资料，经综合分析可知，场地钻探深度范围内主要有三层地下水：

第一层为主要赋存于第四系人工堆积粉煤灰②1、②2 层、碎石填土层③2 层中的上层滞水（即包气带水）；第二层为主要赋存于原始冲沟内第四系冲洪积层、局部碎石含量较大的粉质黏土⑤层中的孔隙潜水，属浅层地下水，水量随干、湿季节交替而变化；第三层地下水主要为赋存于寒武系沧浪铺组中的基岩裂隙水。该层属深层地下水，其中页岩富水性较差，属相对隔水层，而粉砂岩富水性中等，为场地内地下水的主要导、存水层。场地内基岩裂隙水的赋存或排泄条件、水力联系等主要受岩体节理裂隙发育程度及裂隙的贯通性等因素所控制。

研究区内地下水主要接受大气降水、地表水的入渗补给和控制，总体上由北东向西南流向，并向螳螂川上游支流宗龙箐沟排泄。

2.3 主要地层的渗透性指标

本次研究共取11 件粉煤灰试样进行室内渗透性试验，渗透性试验成果见表1。

表1 渗透性试验成果见

3 边坡稳定性分析

3.1 计算指标选取

验算指标选择时，本次研究根据原状土试样室内土工剪切试验成果，结合现场原位测试，同时借鉴了云南地区同类边坡工程的经验，结合本坝体工程边坡所处工程环境综合比对分析，确定各岩土层的验算强度指标见表2。

表2 边坡验算指标建议表

表3 边坡稳定性验算结果表

3.2 工程边坡稳定性验算结果及分析评价

从表3 中稳定性验算结果可知，坝工程边坡在现状自然条件下（不考虑荷载情况）、考虑厂房荷载作用下、考虑厂房荷载＋8 度地震作用下、考虑假设最高淹没水位＋厂房荷载作用下、考虑假设最高淹没水位＋厂房荷载＋8 度地震作用条件下是处于稳定状态。

综上所述，场地内工程边坡作为一级边坡，按拟静力法进行验算在现状条件或工程建设后坝体边坡整体是处于稳定的，但在不利因素影响下坝体边坡坡面局部将可能产生小范围内的坍塌、掉块现象。

粉煤灰堆渣体属特殊填积体，在饱水情况下受地震作用影响时可能产生液化，其抗剪强度迅速降低，坝体稳定性随之降低；因此，必要时应对灰渣库及坝体进行动力稳定性分析研究。

虽然坝体各子坝坡面已形成块石护坡体，但由土夹石筑成的各子坝坡面抗冲刷剥蚀能力仍相对较弱，因此要注意完善场地雨排水系统，对坝体边坡坡面及其周边截排水沟进行修复与完善。同时在工程施工过程中，不能在坝体边坡顶部进行堆载和进行大剂量爆破开挖，注意对现有坝体边坡坡面、坡形的维护。

4 治理措施建议

工程建设应总体考虑地表水疏排系统，并对场地现有排洪系统进行定期检查和疏导。设计和施工中应注意填土地面及排水沟渠的防渗处理，避免地表水下渗引起地基沉陷或造成排水系统失效。

由于本工程及其施工场地具有特殊性，施工中应编制重点针对灰渣库坝体变形监测体系，并组织设计渣体温度异常、渣体释放有毒有害气体可能性的施工应急预案。

粉煤灰渣库的具有显著的特点是贮煤灰不贮水，库体的设计允许库内水通过坝体反滤排渗系统渗流排出坝外。为此坝体排渗系统运行正常时，孔隙水压力一般较小；但当煤灰一旦填堵塞坝体排渗系统中的滤孔，从而将会影响坝体渗流，导致使坝体产生的孔隙水压力增大。根据本次勘察钻孔中观察到的地下水位来看，目前灰渣库坝体排渗系统运行良好，排渗系统尚属有效，但在工程建成后，应常设必要的观测孔，对坝体水位进行监测，必要时对坝体产生的孔隙水压力进一步进行研究。

完善场地地表雨排水系统，建议工程建成后，对地面采全封变的隔水处理；对坝体边坡坡面及其周边截排水沟进行修复与完善，同时在工程施工过程中，不能在坝体边坡顶部进行堆载和爆破开挖，注意对现有坝体边坡坡面、坡形的维护。