山区高速公路典型弃渣边坡灾变机制和处置措施优化*

李 薇，王 莹，尹小涛

(1.云南交通职业技术学院，云南 昆明 650000；2.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)

0 引言

山区高速公路建设桥隧比相对较高，土石方平衡困难较大，弃土场往往选择在道路附近的山沟，多数为边帮弃土，对原有的自然环境影响较大，弃土带来的中长期环境安全需慎重对待[1]。

山区高速公路的弃土，在实际工程中大多直接排放堆积，不经过分层压实，往往导致结构疏松、级配不良、固结程度不高，相较于一般填筑工程的质量要差很多[2-3]。病害多主要表现为：①弃土自身特点带来的工后沉降变形较大，且呈现分区特征，经常造成较大范围的差异沉降裂缝[4-6]；②表层相对深部土层密实程度要小，若局部坡率控制不好(往往大于天然休止角)，则会产生局部坡面浅表不稳现象；③整体稳定性或沿弃土与自然地面滑移变形问题，往往是选址和未严格按施工组织设计要求清表造成的，在不良土层做清除处理时，斜坡地形的表土清除后需整理成台阶形[7-10]；④弃渣场的中长期安全，需要严格的系统支撑，譬如完备、畅通的渠道系统及长期有效的拦砂坝[11-15]，坡面稳定等多方面的安全保障，绝不是一劳永逸的事情，需对每个弃渣场建立安全管理档案，定期巡视修复和评估。

本文以大永高速公路大理东k2+500弃渣场为例，建立现状地形、不同处治措施地形和最终整治地形的极限平衡有限元数值模型，揭示弃渣边坡的变形破坏机制和安全性演化过程，以期为类似工程提供借鉴。

1 工程概况

1.1 大理东k2+500弃渣场的历史和现状调查

k2+500弃渣场处于山间沟谷，边坡为斜坡，底部为缓坡，边坡为淤泥或淤泥质土，厚1～2m。底部上部为残坡积硬塑黏土，厚3～4m；下部为圆砾、卵石等。场地内汇水面积约为场址面积的3倍，地表径流量大，无稳定的地下水溢出，水文地质条件较简单。根据GB 18306—2015《中国地震动参数区划图》[16]，测区地震动峰值加速度为0.20g，地震动反应谱特征周期为0.40s，与之对应的地震基本烈度为Ⅷ度。k2+500弃渣场初始地形如图1所示。

图1 k2+500弃土场初始地形

弃土先从图1右后侧边帮逐步满填，往下游拦砂坝方面推进。目前该弃渣场弃土高度约24m，弃方量约146万m3，坡脚设置2道拦砂坝，坡高8m，长分别为156.5，132.1m。该弃渣场设置排水沟，0.6m×0.6m排水沟420m长，3m×2m排水沟1 121m长。堆放弃土前，弃渣场沿原沟槽设置1.5m×1m盲沟长1 010m。根据GB 51018—2014《水土保持工程设计规范》[17]中关于弃土量、弃土高度及弃渣场失事后对主体工程或环境造成的危害程度确定弃渣场级别的有关规定，该弃渣场为3级弃渣场。地面调查测得的弃渣天然休止角约37°，渠道、拦砂坝和坡面坡顶状态如图2所示。

图2 渠道、拦砂坝和坡面坡顶状态

1)既有环向渠道，局部渠道开裂、淤堵、破损，建议修补破损渠道；由于坡顶面积较大，建议增补完善横纵集水沟渠，接入环向渠道系统。

2)拦砂坝外观完好，基底稳定，墙背淤积轻微，当前坡脚距离拦砂坝约30m，现状稳定。但调查发现前缘弃土未清除表层淤泥质土，造成表土底鼓，侧向挤出滑移对拦砂坝可能造成潜在威胁。

3)临近拦砂坝前缘弃渣边坡，坡顶有多条弧形贯通裂缝，坡脚表层淤泥质土底鼓明显，且坡面冲刷严重，前缘坡体处于欠稳定状态。

1.2 岩土体工程特性

利用多次现场调查测得的弃渣天然休止角、现场灌砂试验和颗分试验、室内剪切强度试验和数值反分析，综合确定了该弃渣场岩土体计算参数建议值，如表1所示。

1.3 存在的工程问题

由于大理东弃渣场是沟谷满填，所以对两侧自然边坡的稳定没有影响，目前主要问题在于坡体前缘的不稳定，在极端降雨下可能失稳，甚至会威胁下游拦砂坝的安全；或产生泥石流，越过两道拦砂坝威胁下游住户。因此，需对其变形机制和稳定性进行评估，并提出优化处置措施。

表1 大理东k2+500弃渣场计算参数建议值

2 计算工况和计算方案设计

根据《水土保持工程设计规范》[17]和JTG D30—2015《公路路基设计规范》[18]综合确定弃渣边坡抗滑稳定安全系数标准，弃渣场级别为3级，计算方法采用Bishop法，正常工况(采用自然参数)、降雨工况(采用饱水参数)、地震工况(采用自然参数，考虑地震荷载)下边坡抗滑稳定安全系数分别为1.25，1.10，1.10。

针对现状地形，在Phase 2D软件建立有限元模型，利用强度折减法，揭示弃渣边坡滑动变形机制；针对现状地形、不同加固处置地形和最终整治地形，利用Slide软件，设计不同极限平衡法计算工况，评估其稳定性，为优化设计提供参考。

3 大理东k2+500弃渣场变形破坏机制

3.1 弃渣边坡失稳机制

根据现状地形调查边坡地质资料，建立Phase 2D有限元数值模型，如图3所示。模型两侧采用法向约束，底面全约束。

图3 大理东k2+500弃渣边坡有限元数值模型

在数值模型的基础上，对3个设计工况分别进行强度折减法数值计算，以正常工况为例，说明其变形破坏机制，正常工况下大理东k2+500现状弃渣边坡变形如图4所示。

图4 正常工况下大理东k2+500现状弃渣边坡变形云图

底部厚度不大的表层淤泥质土层是坡体沿临空方向侧向挤出滑移的主要原因，即淤泥质土层承载力有限，上覆弃土质量超过其极限承载能力，则发生侧向挤出滑移。由图4b可知，坡顶部下沉约0.6m，前缘坡脚上隆约0.7m，这些变形破坏现象在图2现场调查照片中清晰可见；图4a，4c，4d也说明了类似的变形运动特征，最大水平位移约1.3m，坡顶弧形裂缝的范围与计算得到的变形破坏模式相吻合，多数距离边缘约10m。

现状弃渣边坡强度折减法计算得到的变形和稳定性系数结果如表2所示。

表2 k2+500现状弃渣边坡强度折减法计算结果

由表2可知，正常工况下弃渣边坡处于基本稳定状态，降雨工况下弃渣边坡处于欠稳定状态，地震工况下弃渣边坡失稳，各工况弃渣边坡均不满足工程稳定性要求，需采取加固措施。目前坡脚距拦渣墙约20m，随着继续填筑推进，若还不清底，则后期会威胁拦渣墙安全。

3.2 弃渣场稳定性评估

在弃渣边坡变形破坏机制的基础上，针对坡脚清底+反压加固措施，边坡和最终整形边坡采用Slide软件Bishop法自动搜索对最不利滑动面和最小稳定性系数进行计算分析，结果如表3所示。

表3 弃渣边坡极限平衡法稳定性计算结果

由表3可知，现状地形下，极限平衡法和强度折减法计算结果接近；加固措施工况揭示的优化结果为坡脚清底宽度≥10m且反压高度≥8.0m，整形坡率为1∶2.0；整形坡率按1∶2.0考虑，计算结果也满足各工况工程稳定性要求。上述计算结果可作为大理弃渣场边坡治理的依据。

3.3 山区高速公路弃渣场稳定性评估建议

工程弃土过程类似于一个大型天然休止角现场试验，且为动态过程，实际弃土的堆积过程具有明显的分带特征；随着填高的增加，也会有堆载预压固结作用；随着时间的推移和经历雨季，也会实现自然固结。这些时间因素均会不同程度改善弃渣边坡整体和局部稳定性，所以利用天然休止角建议整形坡率和评估弃渣边坡稳定性是一种相对保守的评估方法和控制指标。

大理东弃渣场施工期测得的天然休止角为30°～34°，随着时间的推进和固结程度的提高，实际上这个角度是提高的，假设按1∶2.0坡率整形，按k=tgα/tgβ计算安全系数(α为天然休止角或摩擦角，β为整形坡角)，可简单估算整形弃渣边坡稳定性，求得的安全系数为1.15～1.35，可见该方法可用于正常条件下的弃土边坡稳定性初评。

大理东弃渣场的灾变机制主要是表层不良土层未做彻底清除造成沿淤泥质土的侧向挤出变形破坏。由此可见，一般弃渣场的初始清表和沿自然地面的台阶整形，对于其整体稳定至关重要，这些均为隐蔽工程，后期整治困难。隐蔽工程严格规范作业是弃渣场整体安全的基础环节，后期依据天然休止角的坡面整形是关键。这2个环节做好后，一般情况下弃渣边坡整体安全风险可控。

4 结语

1)大理东弃渣场的变形破坏主要是底部淤泥质土不良地层控制的，沿淤泥质土的侧向挤出破坏是弃土边坡失稳的主要因素，坡顶的弧形裂缝、下沉变形和坡脚的隆起破坏均证明了这一点。

2)大理东弃渣场在坡脚清除宽度≥10m，按1∶2.0坡率，反压高度≥8m的条件下弃土边坡各工况均满足工程稳定性要求；整治坡率1∶2.0条件下的弃土边坡也满足工程稳定性要求。

3)山区弃渣边坡的稳定主要受初始清表和地面台阶整形等隐蔽条件和后期坡面整形坡度小于天然休止角等综合控制，前者一旦出现问题会增大整治难度，后者尚可采取补救措施。

4)综上，山区高速公路弃渣场安全风险的控制要结合交通工程弃土过程阶段性进行，不能一劳永逸，需定期评估，建立弃渣场的环境安全风险管控档案制度。