某公路弃渣场稳定性评估及处置建议研究

马 晋

(山西省交通规划勘察设计院 太原市 030012)

1 工程概况

高速公路某弃渣场面积约3.24×104m2,弃渣方量约20.0×104m3,弃渣场属于沟道型,弃渣从原黄土冲沟的支沟沟头起至支沟中段,下游距离某高速约500m,周边无房屋建筑。于2018年初堆积结束,至今已近4年时间。现状该弃渣场已采取“放缓边坡+浆砌片石挡渣墙”护坡,坡体范围内构筑有纵向截、排水系统。

2 评价方法

专业技术人员组成工作项目组,充分收集调查评估区已有环境、工程及地质资料,编制调查评估工作纲要,经审查合格后即开展野外地质灾害调查等工作。调查中突出针对弃渣场已有支护结构及其变形情况等进行详细调查,评估现状弃渣场稳定性,并对弃渣场稳定性发展趋势进行调查评估。在此基础上,针对弃渣场的安全堆放提出合理的处置措施[1],技术路线图见图1。

图1 技术路线图

3 弃渣场项目区条件

3.1 气象水文条件

项目区属温带大陆性季风气候,根据山西气候区划方案,属晋北温带寒冷半干旱气候区。春季雨雪少,风沙大,蒸发量大,经常出现干旱天气;夏季雨量集中,间有大雨、暴雨、冰雹等;秋季雨水少,早晚凉爽,中午炎热;冬季风多雪少,气候寒冷。

项目区内年平均气温一般为7℃左右。7月份为最热,平均气温为22.2℃,最高气温可达37.9℃。1月份最冷,平均气温为-10℃,极端最低气温-31.6℃。冻结期始于11月上旬,解冻期为3月中旬,最大冻土深度150cm。

项目区内年平均降水量384.7mm,最大年降水量588.2mm,最小年降水量213.6mm。

项目区内无霜期初始5月11日,终止9月25日,无霜期136d。

与项目有影响的主要河流属黄河一级支流浑河的上游河段,经过的河流主要有苍头河及其支流二道河、三道河、石匣河。

3.2 地质环境条件

项目位于黄土覆盖基岩中低山区,主要微地貌为黄土梁峁、黄土冲沟、基岩中缓坡、基岩冲沟,区内黄土大面积覆盖,半坡地带较厚;基岩主要在山顶出露,岩性多为奥陶系灰岩、白云质灰岩、泥质灰岩及石炭系中统本溪组砂泥岩,冲沟较发育,切割深度20～35m,多呈“V”字型,自然植被多为灌木。地下水位埋深较大。

该弃渣场原始地形为黄土冲沟的支沟。某高速公路以4×25m桥梁形式跨主沟而过,与主冲沟垂直相交。弃渣场范围内设置纵横向包括截水沟、急流槽、排水渠等排水系统。

评估区内出露地层为由马兰组(Q3)、离石组(Q2)黄土组成,厚度20～50m。Q3m马兰黄土广泛分布于表层,黄土台面冲蚀切割严重。项目未见湿陷性报告。

评估区范围地震动峰值加速度为0.15g,反应谱特征周期0.4s,地震基本烈度为Ⅶ度,沿线工程构造物需按相应要求设防。

3.3 其他条件

调查评估区范围内存在的不良地质作用主要为黄土边坡坍塌。评估区人类活动主要为弃渣堆积,弃渣场周围无其他构造物。弃渣堆积约4年前已完成,将坡地地形后缘基本填平,形成多级斜坡地形,极大的改变了该区地形地貌条件。评估区内破坏地质环境的人类活动程度为中度。

4 弃渣场稳定性分析

4.1 弃渣场现场情况分析

该弃渣场原始地形为黄土冲沟的支沟,如图2所示。原沟底前缘地面纵坡较缓约为10%,沟头后缘较陡。弃渣主要为路基、隧道开挖过程中的土方、石方。弃渣场长度约350m,宽115m,最大弃土高度约39m,弃方量约为20.0×104m3,下游500m为某高速互通和桥梁,危害程度为较轻,综合评估为4级渣场。

图2 弃渣场平面图

弃渣场正面形成5级台阶状,如图3所示,每级坡面高约8～10m;除第三级平台宽度75m,外台阶平台宽度2～6m,边坡坡率为1∶1.75～1∶2。第一级边坡坡脚设有挡土墙。弃渣场边坡防护工程主要为挡渣墙和坡顶植物防护。弃渣场排水设施为环弃渣场两道排水渠,坡面较陡处设置急流槽引入原黄土沟,弃渣场从原沟头填筑,并设置有排水沟,未见阻断排水现象。

图3 弃渣场剖面图(单位:m)

4.2 弃渣场变形与监测情况

据调查,弃渣场投放运行后,有关方面采取了定期巡视与当地村镇群测群防相结合的形式,对弃渣体及其挡渣墙、排水沟进行变形监测工作。近几年来的变形监测未发现弃渣体有大的变形迹象。弃渣场除竖向固结沉降外,未见其他变形。弃渣场范围内一级边坡挡渣墙结构较为完善,未见明显变形破坏、开裂等现象。弃渣场排水沟少量横向出现的较细裂纹,观察可见多达十余处的裂缝。调查评估,该弃渣场排水工程总体变形量轻微。主要病害为土石堵塞排水设施,导致排水不畅。

4.3 弃渣场稳定性计算

根据《水土保持工程设计规范》(GB 51018—2014)中的表5.7.4-2弃渣场抗滑稳定安全系数,采用瑞典圆弧法、改良圆弧法计算,4级弃渣场正常运营工况下,抗滑稳定安全系数规定值取1.15;非正常工况下,抗滑稳定安全系数规定值取1.05。

结合相关研究,弃渣场稳定性主要受到堆积物质的岩土性质和水文条件影响。根据规范及相关工程经验,在天然状态下稍密弃渣体正工况(基本组合):重度取19kN/m3,C=12kPa,φ=27°;在极端状态(长期降雨)弃渣场渣体饱和状态下饱和重度取21kN/m3,C=10.5kPa,φ=27°。通过计算,当弃渣场放坡坡率为1:1.5时,正产工况下,弃渣场安全系数为1.309>1.15,非正常工况地震情况下,弃渣场安全系数为1.178>1.05,持续降雨下,弃渣场安全系数为1.08>1.05,均满足规范要求[2]。

该弃渣场分级坡高8～10m,放坡坡率 1∶1.75～1∶2,整体放坡坡度较缓,坡度角稍小于土体等效内摩擦角,利于坡体稳定,小范围放坡坡度较大,不满足稳定放坡坡率要求,较大坡度有可能会对渣体稳定性造成不利影响,存在变形破坏的可能性,结合弃渣场地质环境条件,该段边坡变形破坏规模较小,危害区域仅限于弃渣场边坡及弃渣场前缘一级边坡较小范围内,地质灾害危险性低。

4.4 弃渣场稳定性分析

外部形态方面,弃渣场堆渣整体坡面坡度在19°～47°之间,第一至三级坡面较陡约47°。弃渣场坡顶局部坡肩松散,有少量裂缝,外观形态较为稳定。堆渣体后缘无贯穿裂隙、前缘未见剪出裂缝,原地面未见隆起变形等不良现象,堆放整体稳定。

内在条件方面,弃渣场目前堆渣体堆放时间约为4年,下部土体自然沉降后固结,有利于其力学指标提升,提高自身稳定性能。

根据现状调查,一级边坡挡渣墙未出现明显结构受损现象,预测在评估该段挡渣墙产生变形破坏的可能性小。现场挡墙前缘无重要建构筑物,地质灾害危险性低。

项目所在区6～8月为每年雨季,雨季中降水量大,弃渣场范围雨水也会增多,排水沟防洪排涝基本能满足要求,但对于突发暴雨应对能力尚不足。弃渣场下游主沟某高速桥梁计洪水频率为1/100,孔跨较大,满足泄洪要求。

根据上述分析,预测该弃渣场后期固结沉降量将进一步减小,受渣体固结沉降影响的排水沟变形速率将趋缓,总体上有关缝隙宽度进一步增加的可能性逐步减少,排水沟存在裂缝有潜在危险,且滚落土石淤堵排水沟,雨季易造成溢流,冲刷坡面,降低坡面稳定性,故应封堵沟内缝隙,截断地表水渗入渣体通道,可保证弃渣场在极端天气下的水稳定性。

5 弃渣场安全堆放建议

(1)完善排水设施:排水沟应对突发暴雨特殊状况不足,应适当增加排洪水设施,如坡顶增加支排水沟,迅速排除径流,减少坡面渗入,减低墙背压力。排水沟存在局部裂缝和沟底堵塞情况,建议定期对排水设施进行检查、疏通,确保截、排水沟通畅,对发现的裂缝进行充填修补,避免地表水沿排水设施底部裂缝渗入渣体。

(2)弃渣场正面边坡未采取绿化措施,可采取喷混植生植物防护措施,可以加固表面土体。

(3)应科学合理地进行弃渣场的绿化工作,禁止进行对弃渣场稳定性不利的工程行为,如在渣体上开挖鱼塘、大水灌浇地、坡脚开挖、后缘堆积加载、新建构筑物等。

(4)合理进行弃渣场周边场地利用规划,新建构筑物应远离弃渣场变形破坏可能影响范围,弃渣场下方的1.5倍坡高约60m范围内禁止兴建民房、修筑公路等。

(5)建立健全弃渣场管理、维护长效机制,安排弃渣场安全巡查专员定期巡、排查,发现安全隐患及时报告、处置。

6 结论

该弃渣场已构筑排水系统、采用“分级放坡+挡渣墙”边坡防护措施。现存排水工程有纵向排水设施,局部排水设施堵塞微。排水设施需及时维护,以保证弃渣场的稳定性。弃渣场所处位置地面纵坡约为10%,弃渣场沿坡底整体滑动可能性不大。通过计算,弃渣场在正常工况下,自身稳定性安全系数为1.309,满足规范要求。弃渣场在饱水的非正常工况下,通过计算,安全稳定系数为1.08,满足规范要求。但在持续雨水冲刷下,弃渣场坡脚挡渣墙冻融强度损失下局部有产生变形破坏的可能性,变形破坏形式主要表现为失稳、垮塌;渣体边坡整体较高,有产生浅表层滑坡、垮塌的可能性。此类局部的变形失稳,若能及早发现、及早处置,其造成的破坏影响将不大且可控制,地质灾害危险性也将减小。弃渣堆积运行期内,边坡支护结构、排水系统若能有效发挥支挡、截排水作用,弃渣场的长期整体稳定性将有保障,发生整体滑坡变形破坏的可能性小,地质灾害危险性小。

为保证弃渣场长期稳定,应建立弃渣场管理、维护长效机制,落实弃渣场安全堆放措施;采取定期巡视与群测群防相结合的形式,监测弃渣场变形和坡脚挡土墙完好情况,发现安全隐患及时报告、处置。特别是雨季时节,加强弃渣场安全稳定巡视监测。

该弃渣场的稳定性评估方法[3]与堆放建议可为同类大型弃渣场的设计与后期防灾减灾措施提供参考。