某山區(qū)公路棄渣場(chǎng)失穩(wěn)造成的環(huán)境影響評(píng)估

蔣文鵬，段文婭，盧 云，張金蕾，尹小濤

(1.大理大漾洱云高速公路有限公司，云南 大理 671000；2.中國(guó)科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所 巖土力學(xué)與工程國(guó)家重點(diǎn)試驗(yàn)室，湖北 武漢 430071)

山區(qū)交通工程建設(shè)，限于地形地貌的約束，經(jīng)常面臨有限空間設(shè)計(jì)和施工的挑戰(zhàn)，土石方平衡工程難免會(huì)對(duì)初始地形、在建工程和緊鄰工程產(chǎn)生不同程度的安全影響，且不同工程的安全標(biāo)準(zhǔn)不同，如何實(shí)現(xiàn)這些不同安全等級(jí)工程的環(huán)境協(xié)調(diào)？復(fù)雜環(huán)境下如何實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)安全？這些均需要進(jìn)行預(yù)研才能保證工程建設(shè)的順利進(jìn)行，同時(shí)這些研究也有利于交叉領(lǐng)域的標(biāo)準(zhǔn)覆蓋和建立。

當(dāng)前山區(qū)公路棄渣場(chǎng)自身穩(wěn)定性及其對(duì)臨近既有建構(gòu)筑物的影響研究主要集中在以下幾方面：(1)棄渣工程自身穩(wěn)定性，棄渣沿渣體內(nèi)部滑移、棄渣與自然斜坡接觸面、渣體和斜坡綜合體深部滑移的潛在風(fēng)險(xiǎn)分析和評(píng)價(jià)，堆積前后要保障工程自身穩(wěn)定性[1-5]；(2)棄渣工程對(duì)臨近既有工程和在建、擬建工程的影響機(jī)制、環(huán)境影響評(píng)估及工程處置措施[5-10]；(3)后建工程對(duì)既有棄渣工程的穩(wěn)定性影響機(jī)制、環(huán)境影響評(píng)估及安全控制技術(shù)[11-15]；(4)棄渣工程中長(zhǎng)期環(huán)境安全保障技術(shù)和監(jiān)測(cè)技術(shù)[16-20]。既要保證棄渣工程安全，也要控制環(huán)境影響和保障既有建構(gòu)筑物的安全，保證工程建設(shè)安全有序的進(jìn)行。

本文以某山區(qū)公路失穩(wěn)棄渣工程為研究對(duì)象，利用數(shù)值仿真技術(shù)，揭示棄渣邊坡變形失穩(wěn)機(jī)理和環(huán)境影響范圍，提出針對(duì)性加固方案；利用地面調(diào)查和監(jiān)測(cè)相結(jié)合的方法，檢驗(yàn)加固效果，評(píng)估環(huán)境影響，為類似工程提供借鑒。

1 工程概況

1.1 工程場(chǎng)地地形及周邊環(huán)境

某山區(qū)公路K59+320右側(cè)100 m棄渣場(chǎng)，為溝谷型棄渣場(chǎng)地，占地面積5.33 hm2，擬堆放5.43×105m3，計(jì)劃堆高28.0 m，地形平面見(jiàn)圖1。后緣為挖方路基，左側(cè)鄉(xiāng)村道路邊有幾戶居民，前緣有一個(gè)養(yǎng)殖場(chǎng)，再往下為在建大臨鐵路橋墩。周邊環(huán)境相對(duì)復(fù)雜，環(huán)境保護(hù)要求較高。

圖1 K59+320棄渣場(chǎng)平面地形圖

1.2 工程地質(zhì)條件

根據(jù)鉆孔揭露地層，自上而下依次為：棄渣、褐黃色殘坡積土、灰褐色淤泥質(zhì)土、全風(fēng)化花崗巖、強(qiáng)風(fēng)化花崗巖，詳見(jiàn)圖2。

圖2 K59+320棄渣場(chǎng)工程地質(zhì)縱剖面及橫剖面

勘察提供的棄渣場(chǎng)各地層巖土體的物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)列于表1。

表1 K59+320棄渣場(chǎng)各地層物理力學(xué)參數(shù)表

根據(jù)《中國(guó)地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖》(GB 18306—2015)，場(chǎng)區(qū)地震動(dòng)反應(yīng)譜特征周期為0.45 s，地震動(dòng)峰值加速度0.20g，設(shè)計(jì)地震分組為第三組，場(chǎng)區(qū)地震基本烈度為Ⅷ(8)度，棄渣場(chǎng)及其影響范圍內(nèi)各建(構(gòu))筑物均按此設(shè)防。

2 考慮過(guò)程的棄渣場(chǎng)失穩(wěn)機(jī)理探討

2.1 數(shù)值模型和計(jì)算方案

為揭示棄渣過(guò)程造成的失穩(wěn)機(jī)理，利用PHASE2D軟件，建立自然地面堆積4級(jí)棄渣邊坡，每級(jí)坡7 m高，坡率1∶1.0，臺(tái)階寬度2 m，包括初始地形共計(jì)5個(gè)仿真工況，計(jì)算參數(shù)見(jiàn)表1，有限元數(shù)值模型見(jiàn)圖3。巖土體本構(gòu)采用彈塑性本構(gòu)，兩側(cè)法向約束，底面全約束，三角形單元。

圖3 考慮堆渣過(guò)程的K59+320棄渣場(chǎng)計(jì)算模型

2.2 堆填棄渣造成的邊坡整體變形破壞機(jī)制分析

根據(jù)施工記錄，攔渣墻施作時(shí)沒(méi)有看到下臥淤泥質(zhì)土層，其埋深最大可達(dá)8 m～10 m，實(shí)際工程棄渣在堆積了1.5×105m3左右，堆高約20多米的時(shí)候產(chǎn)生了整體滑移，也就是三級(jí)坡左右。將4級(jí)坡堆載過(guò)程造成的剪應(yīng)變和塑性區(qū)云圖整理成圖4、圖5。

圖5 考慮施工過(guò)程的K59+320棄渣場(chǎng)塑性區(qū)變化

由圖4和表2可知，初始地形下，剪應(yīng)變最大值0.12，圖4(a)云圖未顯示變形滑移趨勢(shì)，坡體狀態(tài)穩(wěn)定；一級(jí)坡棄渣堆填下，剪應(yīng)變最大值0.12，圖4(b)云圖顯示淤泥質(zhì)土層有輕微變形，基本穩(wěn)定；二級(jí)坡棄渣堆填下，剪應(yīng)變最大值0.16，圖4(c)云圖顯示淤泥質(zhì)土層有明顯變形，但尚未貫通，邊坡基本穩(wěn)定—欠穩(wěn)定狀態(tài)；三級(jí)坡棄渣堆填下，剪應(yīng)變最大值0.70，圖4(d)云圖顯示變形成倍增加，前緣貫通，上部和后緣尚未貫通至表層，邊坡欠穩(wěn)定—局部失穩(wěn)狀態(tài)；四級(jí)坡棄渣堆填下，剪應(yīng)變最大值1.20，圖4(e)云圖顯示淤泥質(zhì)土層側(cè)向擠出顯著，剪應(yīng)變有貫通棄渣層的趨勢(shì)，邊坡整體失穩(wěn)。

表2 考慮施工過(guò)程的K59+320棄渣場(chǎng)剪應(yīng)變最大值統(tǒng)計(jì)表

由圖5可知，初始地形下，坡腳和后緣局部零星塑性；一級(jí)坡棄渣堆填下，前緣塑性區(qū)有微小發(fā)展；二級(jí)坡棄渣堆填下，前緣和堆積體下方淤泥質(zhì)土層內(nèi)塑性區(qū)有所發(fā)展，但未貫通；三級(jí)坡棄渣堆填下，淤泥質(zhì)土層內(nèi)塑性區(qū)幾乎貫通；四級(jí)坡棄渣堆填下，淤泥質(zhì)土層內(nèi)和棄渣邊坡塑性區(qū)幾乎貫通。堆積至20 m高度之后棄渣邊坡局部到整體失穩(wěn)，佐證了施工記錄堆積到20多米以后產(chǎn)生整體失穩(wěn)滑移。

2.3 棄渣工程失穩(wěn)機(jī)理探討

通過(guò)動(dòng)態(tài)模擬發(fā)現(xiàn)塑性主要出現(xiàn)在下臥淤泥質(zhì)土層，即上部棄渣堆載造成下臥層附加應(yīng)力超過(guò)該層的地基承載力，產(chǎn)生側(cè)向擠出變形，造成邊坡整體失穩(wěn)；數(shù)值仿真揭示的極限堆高超過(guò)21 m即可產(chǎn)生整體失穩(wěn)。

這類8 m～10 m埋深較大的軟弱下臥層很難通過(guò)地面調(diào)查發(fā)現(xiàn)，攔渣墻和渠道施工的開(kāi)槽也很難發(fā)現(xiàn)，該災(zāi)變案例說(shuō)明棄渣場(chǎng)選址后的勘察，至少要有幾個(gè)鉆孔資料，否則很難控制下臥層造成的施工風(fēng)險(xiǎn)。

同時(shí)這個(gè)鉆孔要盡可能多地進(jìn)行原位測(cè)試，反映各土層的承載特性，土層考慮標(biāo)貫試驗(yàn)，碎石土層考慮動(dòng)力觸探。

3 棄渣失穩(wěn)對(duì)周邊環(huán)境影響評(píng)估

3.1 采取緊急+加固措施下的環(huán)境影響評(píng)估

數(shù)值分析還原了災(zāi)害發(fā)生的過(guò)程，揭示了災(zāi)變機(jī)理，也提供了變形影響的深度和范圍。數(shù)值計(jì)算揭示的影響范圍沒(méi)有威脅到下游養(yǎng)殖場(chǎng)和再往下的鐵路橋樁。

災(zāi)害發(fā)生后現(xiàn)場(chǎng)已經(jīng)緊急進(jìn)行了4.0×104m3土方外運(yùn)，前緣設(shè)置了木樁和反壓等臨時(shí)措施，經(jīng)復(fù)核天然狀態(tài)下，初步穩(wěn)定了現(xiàn)場(chǎng)，前緣邊坡處于欠穩(wěn)定狀態(tài)，見(jiàn)圖6(a)；采取4排500 mm樁徑10 m樁長(zhǎng)水泥土攪拌樁加固方案(橫向搭接不少于100 mm兩排搭接不少于150 mm)下，邊坡穩(wěn)定性系數(shù)大于1.30，對(duì)下游養(yǎng)殖場(chǎng)和鐵路橋樁的威脅得到了有效控制。臨時(shí)和永久加固邊坡穩(wěn)定性復(fù)核結(jié)果，見(jiàn)圖6(b)。

圖6 K59+320棄渣場(chǎng)臨時(shí)和永久加固邊坡穩(wěn)定性復(fù)核結(jié)果圖

施工前后對(duì)棄渣場(chǎng)進(jìn)行了平整和加固施工，前后對(duì)比見(jiàn)圖7。根據(jù)多期地面調(diào)查，當(dāng)前場(chǎng)地相對(duì)穩(wěn)定。

圖7 K59+320棄渣場(chǎng)臨時(shí)和永久加固場(chǎng)地概貌

3.2 地面調(diào)查和監(jiān)測(cè)相結(jié)合的周邊環(huán)境影響評(píng)估

棄渣場(chǎng)下游依次為養(yǎng)殖場(chǎng)、大臨鐵路橋墩，左側(cè)有幾戶居民，根據(jù)加固前后的多期次調(diào)查，由于上述建構(gòu)筑物距離坡體前緣尚有一定距離，未發(fā)現(xiàn)養(yǎng)殖場(chǎng)、大臨鐵路橋墩和民居變形現(xiàn)象，見(jiàn)圖8。

在多期次地面調(diào)查的基礎(chǔ)上，布設(shè)了表觀和深部位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)孔，一方面檢驗(yàn)加固效果，另一方面量化評(píng)估環(huán)境影響，施工前后典型位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)(孔)位移曲線見(jiàn)圖9。

由圖9可知，在2020年11月—2021年1月水泥土攪拌樁施工完成后表觀位移很快趨于穩(wěn)定，深部位移有一定滯后性，2021年3月的測(cè)斜曲線位于包絡(luò)線外側(cè)，隨后4月回落，5月趨于穩(wěn)定，工后變形在1 mm以內(nèi)，證明加固措施有效，深部影響趨于穩(wěn)定。監(jiān)測(cè)曲線數(shù)據(jù)證明加固后棄渣場(chǎng)對(duì)周邊既有建構(gòu)筑物不會(huì)產(chǎn)生安全影響。

4 結(jié)論與建議

災(zāi)害發(fā)生后，由于棄渣場(chǎng)周邊環(huán)境復(fù)雜，養(yǎng)殖場(chǎng)、鐵路橋墩、民居等既有建(構(gòu))筑物安全等級(jí)不一，需要慎重評(píng)估棄渣場(chǎng)失穩(wěn)、應(yīng)急處置和加固處理等不同條件下的環(huán)境威脅。根據(jù)數(shù)值仿真、多期次地面調(diào)查和監(jiān)測(cè)，K59+320棄渣場(chǎng)環(huán)境影響的定性和定量評(píng)估所得主要結(jié)論如下：

(1)考慮棄渣過(guò)程的數(shù)值試驗(yàn)剪應(yīng)變和塑性區(qū)云圖揭示K59+320棄渣場(chǎng)的災(zāi)變是下臥淤泥質(zhì)土層的承載失穩(wěn)造成的，主要沿淤泥質(zhì)土層側(cè)向擠出滑移，棄渣堆積到三級(jí)坡到四級(jí)坡超過(guò)20 m以后邊坡整體失穩(wěn)。

(2)對(duì)養(yǎng)殖場(chǎng)、鐵路橋墩、民居的多期次地面調(diào)查發(fā)現(xiàn)既有建構(gòu)筑物結(jié)構(gòu)外觀完好，調(diào)查評(píng)估未發(fā)現(xiàn)該棄渣工程對(duì)附近既有建筑物存在明顯的安全影響。

(3)根據(jù)表觀和深部位移監(jiān)測(cè)，表觀位移最大值71.0 mm，深部位移最大值5.5 mm，變形主要出現(xiàn)在施工期及工后穩(wěn)定階段，目前變化均趨于穩(wěn)定，月變化量小于1 mm，監(jiān)測(cè)表明該棄渣場(chǎng)失穩(wěn)、應(yīng)急處置和水泥土攪拌樁加固后對(duì)于附近既有建筑物沒(méi)有安全威脅。