山区高速铁路弃渣场稳定性分析

张连启

（北京铁研建设监理有限责任公司，北京 102628）

从1999 年实施西部大开发战略开始，到2020 年的《关于新时代推进西部大开发形成新格局的指导意见》发布，我国西部地区的铁路、公路等交通设施建设取得了极大的进步。由于西部地区独特的地理特点，山区铁路、公路等建设了大量的桥梁、隧道等工程[1-2]，建设过程中产生了大量废弃渣土[3-4]，进而导致了大量的弃渣场工程出现。弃渣堆积体往往结构松散，容易产生稳定性问题[5-6]。如何有效分析弃渣堆积体及挡墙的稳定性，成为人们日益关注的问题。

在弃渣场稳定性的研究方面，已有学者进行了广泛而深入的研究。王莉[7]基于大量的统计数据发现，当弃渣场的水解性岩石含量与黏土含量超过40%，台阶高度超过18 m 时，弃渣场有较大概率出现滑坡；刘浩等[8]对影响弃渣场稳定性的因素进行了分析，认为坡率、内聚力和内摩擦角等属于影响弃渣场坡体稳定性的主要因素，而坡高、渣体容重和堆积位置下伏基岩倾角属于次要影响因素；罗雷等[9]认为弃渣场的坡度低于土体内摩擦角时，堆积体可以在无风、大暴雨的情况处于稳定状态，但挡渣墙是必要的工程措施；毛雪松等针对弃渣场堆积体的非饱和渗流问题，采用GeoStudio 软件对降雨条件下的稳定性问题进行研究，认为降雨条件下的边坡稳定性变化存在滞后现象，边坡稳定系数在降雨停止后还会继续下降；罗浩等[10]研究了弃渣场边坡在堆积过程中不同粒径颗粒的分布特点和引起的破坏模式影响效应，认为降雨作用下的弃渣堆积体固结沉降、孔隙率降低及抗剪强度降低，弃渣场边坡的稳定性随之降低。郭朋瑜等[11]通过剪切试验，分析了节理分布位置对岩体综合抗剪强度和破裂特征的影响程度；洪振宇等[12]研究了土体非饱和情况下及降雨入渗与震动耦合作用下弃渣场的稳定性，并针对某实际工程，认为降雨渗流地震耦合作用下该弃渣场是稳定的。

然而，弃渣堆积体的性质和结构复杂，受实际环境影响较大，其稳定性分析方法和结果也存在差异。本文以杭州至长沙铁路客运专线（以下简称“杭长客专”）九塘隧道进口的弃渣场为研究对象，利用现场调研、现场试验和室内试验，获得了弃渣场基本情况和土体性质，并基于Delphi6.0 开发应用程序，进行了弃渣堆积体稳定性和挡墙稳定性分析，对保障弃渣场稳定和高速铁路的正常运营具有现实意义。

1 弃渣场概况

1.1 场地情况

本文的研究对象为杭长客专九塘隧道进口的弃渣场。弃渣场周边为丘陵地貌，地形起伏，自然坡度约在16°~22°之间，相对高差约为25 m~30 m。弃渣场植被覆盖率低，四周山体植被发育较为茂盛。弃渣场共占地14.5 亩（1 亩约等于0.066 7 hm2），总弃渣量达10 万m3，弃渣最大高度为30 m，属于4 级弃渣场。

弃渣场下游出口100 m 范围内的建筑分布如图1所示，从上到下依次为水塘、挡墙、场坪和杭长客专。挡墙位于弃渣场坡脚，实际长度68 m，墙高4.1 m，挡墙墙顶宽2.2 m。由于未设置排水系统，挡墙后方积水形成水塘。

图1 弃渣场周边环境示意图

1.2 地质条件

弃渣场的地质条件是影响其稳定性的重要因素。为此，对弃渣场的地质条件进行现场调研。该渣场所处位置上覆第四系全新统残坡积层（Q4el+dl）粉质黏土；下伏基岩为元古界板小木坪组（Ptx）板岩，各层的土体性质特征如下。

（1）第一层粉质黏土（Q4el+dl）。该土层主要分布在地表缓坡及沟谷中，土层厚度约为1~4 m，具有较高的含水率，且具有硬塑性，属于II 级普通土，承载力为180 kPa。

（2）第二层板岩（Ptx）位于粉质黏土层下方，由全风化层和强风化层组成。岩层整体为板状构造，节理裂隙发育，呈浅黄和灰绿色，属于变余砂质结构。其中，全风化层厚度约为4~26m，属于III 级硬土，承载力为200 kPa；强风化层厚度约为3~60 m，属于V 级次坚石，承载力为500 kPa。此外，该弃渣场的地表水较为匮乏，主要来源为大气降雨等季节性变化，受气候影响较大，并由于缺乏排水系统，主要以蒸发、下渗和径流等形式排泄。

2 弃渣场稳定性分析原理及方法

弃渣场的稳定性分析主要包括弃渣堆积体的边坡稳定性和挡墙的稳定性分析，前者主要分析其边坡稳定性，后者主要分析其抗滑和抗倾覆情况。由于弃渣场所在地的地震烈度为Ⅵ级，根据GB 51018—2014《水土保持工程设计规范》[13]，可以不进行地震工况计算。

2.1 弃渣堆积体稳定性分析原理及方法

弃渣场的渣料为松散土体，对其进行边坡稳定性的分析时，主要采用以条分法和极限平衡原理为基础的边坡极限平衡法。根据假设的不同，分析方法可以选用瑞典圆弧法和简化Bishop 法、Janbu 法、Sarma 法和Morgenstern-Price 法等，其中，瑞典圆弧法和简化Bishop 法的应用较为广泛。

瑞典圆弧法不考虑条分法中土条两侧的作用力，主要适用于弃渣场抗滑稳定性的计算；而简化Bishop法考虑了2 侧条间力的作用，对均质弃渣体更为适用。为增加计算结果的可靠性，本文同时采用2 种方法进行计算，式（1）和式（2）分别为简化Bishop 法和瑞典圆弧法的表达式。

式中：K 表示抗滑稳定性安全系数；b 为条块宽度（m）；W为条块重力（kN）；V 为垂直地震惯性力（向上为负，向下为正）（kN）；u 为作用于土条底面的孔隙压力（kPa）；α 为条块的重力线与通过此条块底面中点的半径之间的夹角（°）；c'和φ'为土条底面的有效应力抗剪强度指标；MC为水平地震惯性力对圆心的力矩（kN·m）；R 为圆弧半径（m）。

结合前述调研的弃渣场情况，可以知道弃渣场的植被覆盖率低，缺乏排水系统，且位于多雨地区。因此在进行边坡稳定性的计算时，应考虑降雨情况。因此，计算条件可以分为降雨和非降雨2 种，而根据现场试验和室内试验结果，可以确定该弃渣场的渣体及岩层的基本物性参数，具体见表1。在计算时，选取具有代表性的横、纵剖面进行计算，如图2 所示。表1 中的参数可以为后续的稳定性计算提供支撑。

图2 弃渣场计算剖面

表1 弃渣场基本物性参数

2.2 挡墙稳定性分析原理及方法

挡墙的稳定性计算主要分为抗滑移稳定性计算和抗倾覆稳定性计算。如式（3）和式（4）所示。本文的弃渣场挡墙属于重力式挡墙，墙背上的主动土压力和被动土压力应按式（3）和式（4）进行计算。

式中：Ea为墙背土压力的反力（kN），Ea=Ex+Ey；Ex为墙背所承受的水平土压力（kN）；Ey为墙背所承受的竖向土压力（kN）；W 为破裂棱体的重力及破裂面以内的路基面上荷载产生的重力（kN）；θ 为墙背岩土内产生的破裂面与竖直面的夹角（°）；φ0为墙背岩土综合内摩擦角（°）；δ 为墙背摩擦角（°）；α 为墙背倾角（°）。

确定了作用在挡墙上的土压力后，可以进行抗滑安全系数和抗倾覆安全系数的计算，分别见式（5）和式（6）。

式中：M0=ExZx+FhEZhE；My=GZW+EyZy+EpZp；M0为倾覆力矩（kN·m）；Zx为墙后土压力的水平分力到墙趾的距离（m）；ZhE为水平地震力到墙趾的距离（m）；My为稳定力矩（kN·m）；ZW为墙身自重及墙顶以上恒载自重合力重心到墙趾的距离（m）；Zy为墙后土压力的总竖向分力到墙趾的距离（m）；Zp为墙前被动土压力到墙趾的距离（m）。

挡墙的墙身高4.1 m，墙顶宽2.2 m，其横断面如图3 所示。根据调研及试验结果，可以确定该挡墙的基本计算参数，见表2。

图3 挡墙横断面工图

表2 挡墙基本参数

3 稳定性计算结果

3.1 弃渣场稳定性计算结果

本节针对非降雨条件和降雨条件下的弃渣堆积体稳定性进行了计算，计算结果如图4 所示。图中的Z1、Z2、H1 和H2 工况依次为纵剖面整体稳定性、纵剖面局部稳定性、横剖面整体稳定性及纵剖面局部稳定性。由图4可知，降雨会导致弃渣堆积体的稳定性下降，但降雨条件下和非降雨条件下的堆积体稳定性皆高于稳定安全系数，弃渣场整体稳定、局部稳定。

图4 弃渣堆积体稳定性分析结果

3.2 拦挡工程稳定性计算结果

本节针对非降雨条件和降雨条件下的挡渣墙抗滑稳定性和抗倾覆稳定性进行了分析，计算结果如图5所示。由图5 可知，降雨会导致挡渣墙的稳定性下降，但降雨条件下和非降雨条件下的挡渣墙稳定性皆高于稳定安全系数，挡渣墙具有足够的抗滑和抗倾覆能力。

图5 挡墙稳定性分析结果

4 结论

本文以山区高速铁路弃渣场为研究对象，通过现场试验和室内试验获得了土体性质参数，并计算了弃渣场稳定性，得到主要结论如下。

（1）选取弃渣场的典型断面，计算非降雨条件和降雨条件下的纵剖面整体稳定性、纵剖面局部稳定性、横剖面整体稳定性及纵剖面局部稳定性。虽然降雨使得安全系数下降，但都在稳定安全系数值以上，弃渣堆积体整体稳定、局部稳定。

（2）针对挡渣墙，计算非降雨条件和降雨条件下的抗滑稳定性和抗倾覆稳定性，抗滑稳定性和抗倾覆稳定性在降雨作用下下降，但也在稳定安全系数值以上，挡渣墙的安全储备充足。

（3）九塘隧道弃渣场的挡墙工程完备，弃渣堆积体和挡渣墙的稳定性较好，暂时可不进行加固处理。但弃渣场缺乏排水系统，受季节影响会造成挡墙后积水，可能成为影响弃渣场稳定性的来源。