小尖山隧道棄碴場穩(wěn)定性分析

何 重 陽

(中鐵第四勘察設(shè)計院集團有限公司，湖北 武漢 430063)

鐵路隧道棄碴場棄碴方量大，堆高較高，一旦失穩(wěn)，會造成嚴重的后果。依據(jù)水利部《關(guān)于印發(fā)〈水利部水土保持設(shè)施驗收技術(shù)評估工作要點〉的通知》(水保監(jiān)便字[2016]第20號)、《關(guān)于進一步規(guī)范生產(chǎn)建設(shè)項目水土保持設(shè)施驗收程序的函》(水保監(jiān)便字[2015]第15號)等文件要求，需要對鐵路沿線堆土量超過50萬m3或者最大堆土高度超過20 m重點棄碴場進行穩(wěn)定性評估。

雷東[1]結(jié)合庫區(qū)移民城市巴東縣城黃家大溝擬建棄碴堆積體工程實例，采用不平衡推力法，對回填后堆積體進行穩(wěn)定性評價；彭鍇[2]運用GeoStudio軟件，分析了降雨下滲對非飽和土邊坡的穩(wěn)定性影響，指出安全穩(wěn)定系數(shù)降低可達28%；曹小祥[3]運用GeoStudio軟件，通過極限平衡法計算分析了山區(qū)棄碴場的臺階高度對穩(wěn)定性的影響。但是現(xiàn)有的穩(wěn)定性分析，未能對鐵路棄碴場的穩(wěn)定性進行系統(tǒng)分析。因此，結(jié)合已有的地質(zhì)資料[4]、中鐵第四勘察設(shè)計院集團有限公司地路處業(yè)建成果[5]和相關(guān)規(guī)范[6,7]，本文對新建合福鐵路小尖山隧道棄碴場進行場址穩(wěn)定性分析、棄碴體整體及局部穩(wěn)定性分析，全面對棄碴場穩(wěn)定性作出評價。

1 工程概況

1.1 地理位置與交通

小尖山隧道棄碴場地處安徽省黃山市休寧縣五城鎮(zhèn)境內(nèi)。場區(qū)內(nèi)有鄉(xiāng)道和施工便道相通，交通較便利。評估區(qū)屬于山間谷地區(qū)，自然地勢起伏，自然坡度為30°～40°，植被較發(fā)育，以松林、竹林和灌木叢為主。棄碴體堆放于山間溝谷內(nèi)，如圖1所示。

1.2 工程地質(zhì)勘察

通過收集附近工點資料、野外地質(zhì)調(diào)繪、地形測量、航拍和現(xiàn)場勘探等手段，進行工程地質(zhì)勘察。

現(xiàn)場機動鉆孔取芯結(jié)果表明，棄碴體主要為碎塊石，成分為強～弱風(fēng)化粉砂質(zhì)千枚巖，以及少量粉質(zhì)黏土，棄碴體整體呈松散～稍密狀態(tài)。

結(jié)合附近工點資料及工程經(jīng)驗，棄碴體與地層物理力學(xué)指標(biāo)見表1。

表1 小尖山隧道進口棄碴場及基底地層物理力學(xué)指標(biāo)表

2 穩(wěn)定性評估

2.1 場址穩(wěn)定性分析

經(jīng)分析比較，選取剖面A—A′和B—B′兩個典型剖面進行計算，剖面布置示意圖如圖2所示。

采用極限平衡條分法理論，運用Geo-Studio軟件的SLOPE/W模塊和SEEP/W模塊，使用包括瑞典圓弧(Ordinary)法、畢肖普(Bishop)法和摩根斯坦—普賴斯(Morgenstern-Price)法等對棄碴體的穩(wěn)定現(xiàn)狀進行計算分析。

1)天然工況。

采用Geo-Studio的SLOPE/W模塊搜索圓弧滑面，計算天然工況下棄碴場A—A′和B—B′剖面的穩(wěn)定性。A—A′剖面天然工況下采用Ordinary法、Bishop法和Morgenstern-Price法計算得到的棄碴場場址斜坡穩(wěn)定性系數(shù)分別為6.765，6.592，6.069，B—B′剖面計算結(jié)果分別為3.531，3.735，3.423，均為穩(wěn)定狀態(tài)。

2)暴雨工況。

查閱《中國暴雨統(tǒng)計參數(shù)圖集》(中華人民共和國水利部組織編制，2006年版)，由“中國百年一遇點雨量格網(wǎng)圖”得到本棄碴場所在地區(qū)的百年一遇雨量值。采用Geo-Studio的SEEP/W模塊，在棄碴場場址斜坡表面設(shè)置降雨邊界條件，計算得到棄碴場暴雨工況下的滲流場分布，進一步采用Geo-Studio中的SLOPE/W模塊計算棄碴場場址斜坡穩(wěn)定性，搜索A—A′和B—B′剖面的最危險滑動圓弧。在暴雨工況下(1 h，6 h，24 h，72 h)三種方法計算得到A—A′剖面場址斜坡穩(wěn)定性系數(shù)為2.416～2.719，B—B′剖面場址斜坡穩(wěn)定性系數(shù)為1.186～1.524，均為穩(wěn)定狀態(tài)。

2.2 棄碴體整體穩(wěn)定性分析

采用傳遞系數(shù)法通過設(shè)定特定的穩(wěn)定性系數(shù)計算剩余推力來確定兩種狀態(tài)下的整體穩(wěn)定性系數(shù)。設(shè)定棄碴場基底接觸面為潛在滑動面，不考慮地下水，計算棄碴體每一條塊的剩余推力。當(dāng)最后一塊條塊的剩余推力恰好為0時，則認為棄碴體達到整體極限平衡狀態(tài)，即表明該邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)大小為Fs。

經(jīng)計算，天然工況和暴雨工況下A—A′剖面棄碴體整體穩(wěn)定性系數(shù)分別為4.3,3.54，B—B′剖面為2.27,1.83。根據(jù)GB 50330—2013建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范5.3.2條規(guī)定，可以判定整體穩(wěn)定。

2.3 棄碴體局部穩(wěn)定性分析

采用極限平衡條分法理論，運用Geo-Studio軟件的SLOPE/W模塊和SEEP/W模塊，使用包括瑞典圓弧(Ordinary)法、畢肖普(Bishop)法和摩根斯坦—普賴斯(Morgenstern-Price)法等對棄碴體的穩(wěn)定現(xiàn)狀進行計算分析，根據(jù)GB 51018—2014水土保持工程設(shè)計規(guī)范5.7.4條進行穩(wěn)定狀態(tài)判定。

1)天然工況。

采用Geo-Studio的SLOPE/W模塊搜索圓弧滑面，計算天然工況下棄碴場A—A′和B—B′剖面的穩(wěn)定性。A—A′剖面天然工況下采用Ordinary法、Bishop法、Morgenstern-Price法計算得到的棄碴體邊坡穩(wěn)定性系數(shù)分別為1.403，1.476，1.412，B—B′剖面計算結(jié)果分別為1.381，1.475，1.406，均為穩(wěn)定狀態(tài)。

表2 暴雨工況棄碴體邊坡穩(wěn)定性計算結(jié)果表(瑞典圓弧法)

表3 暴雨工況棄碴體邊坡穩(wěn)定性計

2)暴雨工況。

采用Geo-Studio的SEEP/W模塊，依據(jù)暴雨工況設(shè)計入滲雨量強度表選取降雨入滲強度，在棄碴體邊坡頂部及斜坡表面設(shè)置降雨邊界條件，計算得到棄碴場暴雨工況下的滲流場分布，進一步采用Geo-Studio中的SLOPE/W模塊計算棄碴場邊坡穩(wěn)定性，搜索A—A′和B—B′剖面的最危險滑動圓弧。在暴雨工況下三種方法計算得到棄碴體邊坡穩(wěn)定性系數(shù)結(jié)果及所處狀態(tài)如表2,表3所示。

3 結(jié)論及建議

3.1 結(jié)論

1)棄碴場場址安全穩(wěn)定性：小尖山隧道棄碴場位置屬山間谷地區(qū)，Geo-Studio巖土工程仿真軟件分析結(jié)果表明棄碴場場址斜坡穩(wěn)定性較好。

2)棄碴體整體穩(wěn)定性：現(xiàn)場調(diào)查表明，棄碴場未見明顯整體滑移痕跡。理論分析表明，天然工況下，小尖山隧道棄碴場各剖面整體穩(wěn)定性系數(shù)為2.27～4.30；暴雨工況下，棄碴場各剖面整體穩(wěn)定性系數(shù)為1.83～3.54。綜合表明，小尖山隧道棄碴場整體穩(wěn)定性較好，棄碴體沿基底接觸面發(fā)生整體滑移的可能性較小。

3)棄碴體邊坡局部穩(wěn)定性：現(xiàn)場調(diào)查表明，棄碴場前緣邊坡最大堆高約53 m，分為三級邊坡，一級邊坡高約20 m，邊坡坡率約1∶1，坡面未設(shè)置防護措施，局部存在小型溜坍。理論分析表明，天然工況下，小尖山隧道棄碴場各剖面邊坡穩(wěn)定性系數(shù)為1.381～1.476，屬于穩(wěn)定狀態(tài)；暴雨工況下各剖面邊坡穩(wěn)定性系數(shù)為1.048～1.196，在長時間暴雨條件下屬于欠穩(wěn)定狀態(tài)。綜合表明，棄碴體在暴雨工況下，可能沿棄碴體內(nèi)部潛在滑面發(fā)生滑移失穩(wěn)。

3.2 建議

建議降低棄碴場一級邊坡高度，按相關(guān)規(guī)范要求設(shè)置各級邊坡高度，放緩邊坡坡率。坡面采用合理防護措施，減少地表水沖刷和下滲，防止水土流失病害。