李 薇，楊 華，尹小濤，張 朔,4

(1.云南交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，云南 昆明 650000；2.中交鐵道(武漢)建設(shè)科技有限公司，湖北 武漢 430056；3.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；4.安徽理工大學(xué) 土木建筑學(xué)院，安徽 淮南 232001)

0 引言

隨著“長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶”和“一帶一路”倡議等國(guó)家政策的頒布實(shí)施，我國(guó)西南地區(qū)高速公路和鐵路項(xiàng)目建設(shè)逐漸增多。由于我國(guó)西南地區(qū)屬于山地高原地形，江河縱橫，地跨6大水系，這一獨(dú)特的自然地形地貌特點(diǎn)決定了山區(qū)高速公路建設(shè)以橋隧為主。因此，在山區(qū)高速公路建設(shè)過(guò)程中產(chǎn)生土石方量巨大的棄渣。這些棄渣因其顆粒級(jí)配差、欠固結(jié)、非飽和等因素導(dǎo)致再利用率極低[1-5]，若這些棄渣隨意堆置或處置、防護(hù)不當(dāng)，則會(huì)對(duì)生態(tài)環(huán)境造成極大破壞，導(dǎo)致水土流失，嚴(yán)重時(shí)極易形成滑坡、泥石流等安全問(wèn)題，直接威脅高速公路沿線生產(chǎn)、生活安全。因此，在高速公路沿線需要建設(shè)大量的棄渣場(chǎng)來(lái)堆置這些棄渣。

目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)山區(qū)高速公路棄渣場(chǎng)的研究較少，蔣成海等[6]指出了山區(qū)高速公路棄渣場(chǎng)建設(shè)在技術(shù)及管理兩方面存在的問(wèn)題，并針對(duì)存在的問(wèn)題，分別從規(guī)劃設(shè)計(jì)階段、工程實(shí)施階段和運(yùn)營(yíng)管理階段提出了建議。張家銘等[7]考慮多種影響棄渣邊坡安全穩(wěn)定的因素，基于改進(jìn)的正交設(shè)計(jì)方法對(duì)其設(shè)計(jì)和防護(hù)提供指導(dǎo)。吳謙等[8]對(duì)某一棄渣場(chǎng)穩(wěn)定性可靠度進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)邊坡穩(wěn)定系數(shù)對(duì)棄渣內(nèi)摩擦角的變異最為敏感。劉建偉等[9]采集棄渣場(chǎng)不同坡位的棄渣樣品，對(duì)多項(xiàng)物理指標(biāo)進(jìn)行測(cè)定，研究影響棄渣場(chǎng)穩(wěn)定性的主要因素。劉浩等[10]結(jié)合典型棄渣場(chǎng)工程實(shí)例，通過(guò)正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)和方差分析理論對(duì)棄渣場(chǎng)滑坡影響因素敏感性進(jìn)行了分析。王光輝等[11]基于棄渣邊坡地質(zhì)模型利用數(shù)值計(jì)算方法分析了該棄渣場(chǎng)在降雨條件下的邊坡穩(wěn)定性。張朔等[12]歸納總結(jié)了山區(qū)高速公路棄渣場(chǎng)常見病害，并對(duì)其致害機(jī)理和相應(yīng)的安全控制技術(shù)進(jìn)行了深入探討。從目前的研究現(xiàn)狀來(lái)看，研究主要集中于影響棄渣場(chǎng)安全穩(wěn)定因素的研判，且目前的棄渣場(chǎng)安全評(píng)估工作相對(duì)靜態(tài)，忽視了棄渣體從堆積到穩(wěn)定是一個(gè)動(dòng)態(tài)過(guò)程，缺乏對(duì)其系統(tǒng)的綜合安全控制技術(shù)研究。

1 當(dāng)前山區(qū)高速公路棄渣場(chǎng)存在的問(wèn)題及挑戰(zhàn)

1.1 山區(qū)高速公路棄渣場(chǎng)存在的問(wèn)題

(1)山區(qū)高速公路棄渣場(chǎng)設(shè)計(jì)施工管理等無(wú)章可循，作為高速公路建設(shè)的線外附屬工程，在各個(gè)方面得不到重視[13]。當(dāng)前相關(guān)工作主要參考其他行業(yè)排土場(chǎng)規(guī)范或水土保持類相關(guān)規(guī)范[14-15]，不能真正反映棄渣自身特點(diǎn)和山區(qū)棄渣場(chǎng)既有特征。

(2)工可階段選址存在潛在隱患，由于山區(qū)高速公路沿線場(chǎng)地極為有限，前期選址過(guò)于理想化，缺乏系統(tǒng)可操作性的完備考慮，導(dǎo)致某些棄渣場(chǎng)地自然穩(wěn)定性存在潛在隱患[16]。

(3)棄渣本身性質(zhì)較差，顆粒級(jí)配不良，分選性差，孔隙率高，結(jié)構(gòu)松散，欠固結(jié)，施工過(guò)程中通常不進(jìn)行嚴(yán)格壓實(shí)處理，需要較長(zhǎng)時(shí)間固結(jié)穩(wěn)定，由此造成一定范圍內(nèi)的工后不均勻沉降。

(4)棄渣過(guò)程缺乏嚴(yán)格管控，存在過(guò)多安全隱患，譬如棄渣方量超標(biāo)、場(chǎng)地清表不到位、棄渣臨空面過(guò)多、邊坡坡率過(guò)陡、邊坡臺(tái)階寬度不足等問(wèn)題。

(5)當(dāng)前棄渣場(chǎng)穩(wěn)定性評(píng)估多為一次性的終了評(píng)估，資料相對(duì)靜止，缺乏多階段定性調(diào)查，棄渣邊坡屬于人工松散堆積體，常見的破壞形式與傳統(tǒng)的土質(zhì)或巖質(zhì)邊坡不同，僅憑定性或定量手段以傳統(tǒng)邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)的方式進(jìn)行評(píng)估，往往導(dǎo)致結(jié)果失真。

1.2 山區(qū)高速公路棄渣場(chǎng)面臨的挑戰(zhàn)

(1)近期密集的法律法規(guī)的頒布實(shí)施。當(dāng)前我國(guó)環(huán)保法規(guī)日趨嚴(yán)格，為了約束相關(guān)單位保護(hù)當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境，相關(guān)部委在強(qiáng)制規(guī)定生產(chǎn)建設(shè)單位編制水土保持方案的基礎(chǔ)上，相繼下達(dá)的《生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目水土保持監(jiān)督管理辦法》(辦水保函[2019]172號(hào))、《生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目水土保持承諾制管理的通知》(辦水保[2020]160號(hào))等文件均明確指出應(yīng)當(dāng)將棄渣場(chǎng)作為水土保持的重中之重，并細(xì)化棄渣堆置階段的各單位主體責(zé)任。由此帶來(lái)的改變，對(duì)原有穩(wěn)定性評(píng)價(jià)內(nèi)容和方法提出挑戰(zhàn)。因此，如何準(zhǔn)確、規(guī)范、合理地進(jìn)行山區(qū)高速公路棄渣場(chǎng)綜合安全評(píng)估值工作值得思考。

(2)近期安全事故頻發(fā)。深圳光明新區(qū)紅坳棄渣場(chǎng)失穩(wěn)事故，其主要原因是棄渣超載造成的地基承載失穩(wěn)，事故帶來(lái)的警示是不能沒(méi)有論證地擅自增容擴(kuò)容。云南云臨高速某棄渣場(chǎng)的失穩(wěn)問(wèn)題，主要原因在于下臥層造成的地基失穩(wěn)，那么這些事故提出的挑戰(zhàn)是現(xiàn)有的選址方法是不完善的，目前工可調(diào)查的范圍，多數(shù)局限于在google圖上作業(yè)，包括現(xiàn)場(chǎng)看一下、圈一下，這樣選址對(duì)于多數(shù)是可以的，可是出問(wèn)題的往往是特殊案例，帶來(lái)的危害也是巨大的。這些安全事故說(shuō)明依托既有規(guī)范，如果是狹隘的理解評(píng)估是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，如果沿用傳統(tǒng)的方式方法那么這類安全問(wèn)題可能還會(huì)產(chǎn)生。

(3)棄渣場(chǎng)評(píng)估流程逐漸嚴(yán)格化、科學(xué)化、合理化，相關(guān)單位需要正視棄渣場(chǎng)工作，針對(duì)山區(qū)高速公路建設(shè)和運(yùn)營(yíng)過(guò)程中棄渣場(chǎng)可能出現(xiàn)的安全問(wèn)題和環(huán)境問(wèn)題，開展相應(yīng)的科學(xué)研究工作，摒棄以往的一次性終了驗(yàn)收性評(píng)估，通過(guò)定性與定量相結(jié)合的評(píng)估方式進(jìn)行多階段跟蹤評(píng)估，提出安全經(jīng)濟(jì)且適用于山區(qū)高速公路棄渣場(chǎng)的綜合安全控制技術(shù)。

因此，本研究在總結(jié)當(dāng)前山區(qū)高速公路棄渣場(chǎng)存在的諸多問(wèn)題和挑戰(zhàn)的基礎(chǔ)上，依托實(shí)際工程，利用前期、中期和整形后不同階段的現(xiàn)場(chǎng)踏勘、多期測(cè)繪等技術(shù)資料，進(jìn)行定性評(píng)價(jià)，采用地面調(diào)查方式，利用工程地質(zhì)評(píng)價(jià)方法，重點(diǎn)解決不良地質(zhì)和地基承載帶來(lái)的整體失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)；定量評(píng)價(jià)，采用極限平衡法建模計(jì)算方式，利用不同工況棄渣邊坡安全系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)，判斷棄渣邊坡是否滿足工程穩(wěn)定性要求，把控棄渣邊坡的安全風(fēng)險(xiǎn)。定性和定量相結(jié)合的棄渣場(chǎng)穩(wěn)定性綜合評(píng)估方法可以為山區(qū)類似棄渣場(chǎng)工程穩(wěn)定性評(píng)價(jià)和安全控制提供借鑒。

2 山區(qū)交通工程棄渣場(chǎng)綜合評(píng)估方法

首先山區(qū)棄渣工程的實(shí)施具有階段特征，不同階段面臨不同的安全挑戰(zhàn)，規(guī)劃設(shè)計(jì)階段主要是定性方法；實(shí)施階段主要是定量方法，兩者共同組成了完整的符合實(shí)際的棄渣場(chǎng)穩(wěn)定性專題評(píng)估。

2.1 定性評(píng)估

定性評(píng)估，采用方法主要是地面調(diào)查，適用于初期規(guī)劃階段，采用工程地質(zhì)評(píng)價(jià)方法，主要解決不良地質(zhì)和地基承載安全帶來(lái)的棄渣場(chǎng)整體失穩(wěn)安全風(fēng)險(xiǎn)，控制指標(biāo)主要是規(guī)劃堆高造成的堆載不能超過(guò)地基承載力。

2.2 定量評(píng)估

定量評(píng)估，采用方法主要是規(guī)范規(guī)定的極限平衡方法，適用于整形后階段，采用數(shù)值建模計(jì)算的方式，主要解決棄渣邊坡是否滿足工程穩(wěn)定性要求帶來(lái)的安全風(fēng)險(xiǎn)，控制指標(biāo)主要是自然、降雨、地震工況棄渣邊坡是否滿足規(guī)范規(guī)定安全系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)。

定性和定量相結(jié)合有助于解決棄渣場(chǎng)的穩(wěn)定性，符合實(shí)際工程的評(píng)估流程，做到風(fēng)險(xiǎn)的過(guò)程把控。

3 工程實(shí)例

3.1 工程概況

該棄渣場(chǎng)位于大永高速公路主線K2+500的山間溝谷，邊坡為斜坡，底部為緩坡，邊坡為淤泥或淤泥質(zhì)土，厚約1～2 m。該棄土場(chǎng)棄土高度最高約24 m，占地26.6×104m2，設(shè)計(jì)棄方量達(dá)146.0×104m3。

該棄土場(chǎng)恢復(fù)后分2級(jí)，第1級(jí)高10 m，坡比1∶1.7；第2級(jí)高10 m，坡比1∶1.7。坡腳設(shè)置兩道攔砂壩，坡高8 m，長(zhǎng)分別為156.5 m和132.1 m。該棄土場(chǎng)設(shè)置排水溝，0.6 m×0.6 m排水溝420 m，3 m×2 m排水溝1 121 m。棄土場(chǎng)在堆放棄前方，沿原溝槽設(shè)置1.5 m×1 m的盲溝1 010 m。3級(jí)棄渣場(chǎng)，如圖1所示。

圖1 不同時(shí)期K2+500棄渣場(chǎng)照片F(xiàn)ig.1 Photos of K2+ 500 spoil ground in different periods

K2+500棄渣場(chǎng)整體1級(jí)填筑，坡體兩側(cè)設(shè)置排水溝，坡角約為40°，臨近攔砂壩一側(cè)底部可見明顯底鼓，側(cè)向擠出效應(yīng)顯著，前緣邊坡處于欠穩(wěn)定狀態(tài)，飽和狀態(tài)下存在局部穩(wěn)定性問(wèn)題。坡前設(shè)置攔渣墻，往下約30 m位置有一橫跨輸水渡槽，溝口右側(cè)山坡頂部有一戶人家。平面地形見圖2。

圖2 K2+500棄渣場(chǎng)平面Fig.2 Plane of K2 + 500 spoil ground

3.2 基于地面調(diào)查的定性評(píng)估

3.2.1 地面調(diào)查

根據(jù)規(guī)范要求，需要調(diào)查并評(píng)估攔渣墻和渠道等主體結(jié)構(gòu)的外觀、功能；坡面穩(wěn)定狀態(tài)。從現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查和施工單位提供的基槽照片來(lái)看，攔渣墻直接坐落在基巖上，結(jié)構(gòu)外觀完好，背側(cè)容量充足，攔渣墻當(dāng)前狀態(tài)穩(wěn)定。棄渣場(chǎng)攔渣墻現(xiàn)狀如圖3所示。

圖3 K2+500棄渣場(chǎng)攔渣墻現(xiàn)狀Fig.3 Current situation of slag retaining wall in K2+500 spoil ground

已設(shè)置邊溝，既有截排水措施整體結(jié)構(gòu)完好，調(diào)查期間發(fā)現(xiàn)局部開裂破損現(xiàn)象，建議及時(shí)修補(bǔ)，防止坡面匯水通過(guò)裂縫進(jìn)入坡體，如圖4所示。

圖4 部分截排水溝淤塞、破損Fig.4 Blockage and damage of part of drainage ditch

現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，該棄渣場(chǎng)采用1級(jí)坡堆積整形。調(diào)查期間發(fā)現(xiàn)坡體前緣有側(cè)向擠出變形滑坡跡象，坡腳淤泥質(zhì)土層隆起，前緣坡頂發(fā)現(xiàn)多條弧形裂縫，見圖5。從以上調(diào)查情況來(lái)看，棄渣邊坡目前處于欠穩(wěn)定狀態(tài)。

圖5 K2+500棄渣場(chǎng)坡面調(diào)查Fig.5 Investigating slope surface of K2+500 spoil ground

3.2.2 調(diào)查評(píng)估

(1)定性評(píng)價(jià)

當(dāng)前坡腳不穩(wěn)定，局部有脫坡跡象，底部隆起嚴(yán)重，推移底部淤泥質(zhì)土平移約10 m左右，有多條弧形底鼓裂縫，目測(cè)淤泥質(zhì)土層厚度不大，前緣邊坡存在失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)，且靠近攔渣墻，繼續(xù)堆積則可能威脅攔渣墻的整體安全。

(2)潛在問(wèn)題分析及處治措施建議

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查、棄渣場(chǎng)設(shè)計(jì)文件和堆填現(xiàn)狀的綜合分析，認(rèn)為形成前緣坡體滑移的原因是：①初始選擇場(chǎng)地的時(shí)候未發(fā)現(xiàn)表層淤泥質(zhì)土層，或者這部分不良土體是清表后堆積期間外運(yùn)堆積造成，這些都是過(guò)程管理不到位造成的；②表層1 m左右淤泥質(zhì)土的側(cè)向擠出效應(yīng)是造成前緣邊坡失穩(wěn)的主要因素；③建議在前緣10 m范圍清底至自然較好土層，利用棄渣壓實(shí)形成一個(gè)壓腳平臺(tái)，在保證前緣坡體安全的基礎(chǔ)上，也可以保障前緣坡體不會(huì)威脅到攔渣墻。

3.3 基于建模計(jì)算的定量評(píng)估

根據(jù)勘察報(bào)告、水土保持文件、規(guī)范經(jīng)驗(yàn)取值、現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和數(shù)值反分析[17]，綜合確定了K2+500棄渣場(chǎng)計(jì)算參數(shù)，統(tǒng)計(jì)列于表1。

表1 K2+500棄渣場(chǎng)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果及計(jì)算參數(shù)Tab.1 Field test result and calculation parameters of K2+500 spoil ground

根據(jù)《中國(guó)地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖》(GB18306—2015)[18]，測(cè)區(qū)地震動(dòng)峰值加速度為 0.20g，地震動(dòng)反應(yīng)譜特征周期 0.40 s，地震基本烈度為Ⅷ度。根據(jù)設(shè)計(jì)提供的計(jì)算剖面，在slide軟件平臺(tái)建立其計(jì)算模型，采用自動(dòng)搜索滑面的Bishop法計(jì)算穩(wěn)定性系數(shù)，最不利滑面見圖6，不同工況穩(wěn)定性系數(shù)統(tǒng)計(jì)列于表2。

圖6 K2+500棄渣邊坡的最不利滑面Fig.8 Worst sliding surface of K2+500 spoil slope

表2 K2+500棄土場(chǎng)邊坡穩(wěn)定性系數(shù)Tab.2 Stability coefficients of K2+500 spoil ground

由表2和圖6可知，K2+500棄渣邊坡，現(xiàn)狀地形，正常工況穩(wěn)定性系數(shù)1.09，小于1.25，不滿足工程穩(wěn)定性要求；非正常工況Ⅰ穩(wěn)定性系數(shù)1.02，小于1.10，不滿足工程穩(wěn)定性要求；非正常工況Ⅱ穩(wěn)定性系數(shù)0.80，小于1.10，不滿足工程穩(wěn)定性要求。在坡腳清除淤泥質(zhì)土層后，按1∶2.0坡率設(shè)置8 m 高10 m寬反壓平臺(tái)后，棄土邊坡正常工況1.635，大于1.25，滿足工程穩(wěn)定性要求；非正常工況Ⅰ1.477，大于1.10，滿足工程穩(wěn)定性要求；非正常工況Ⅱ1.126，大于1.10，滿足工程穩(wěn)定性要求。因此，K2+500棄土場(chǎng)邊坡，現(xiàn)狀地形下，均不滿足工程穩(wěn)定性要求；表層淤泥質(zhì)土層需要做清除處理，清除寬度不小于10 m，整形坡率按1∶2.0考慮，坡高8 m反壓措施下，整治地形下，均滿足工程穩(wěn)定性要求。

4 現(xiàn)行規(guī)范作法和本研究方法對(duì)比分析

(1)現(xiàn)行規(guī)范做法下的評(píng)估效能分析

行業(yè)現(xiàn)在普遍的做法是在完成棄渣邊坡的整形后，委托有資質(zhì)的單位對(duì)棄渣場(chǎng)進(jìn)行穩(wěn)定性專題評(píng)估。對(duì)于前期和過(guò)程的評(píng)估沒(méi)有做強(qiáng)制要求。

普遍做法是在現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查的基礎(chǔ)上，評(píng)估攔渣墻、渠道系統(tǒng)是否滿足要求；在現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)或室內(nèi)試驗(yàn)或經(jīng)驗(yàn)取值的基礎(chǔ)上，建模計(jì)算分析，完成棄渣邊坡的穩(wěn)定性評(píng)價(jià)。驗(yàn)算棄渣邊坡是否存在沿渣體內(nèi)部、棄渣和原地面接觸部位、沿自然地層不利位置產(chǎn)生滑移風(fēng)險(xiǎn)。這些是當(dāng)前評(píng)估的重點(diǎn)。

靜態(tài)評(píng)估，忽視了過(guò)程管控，對(duì)于帶病上崗和后期劣化的控制效果幾乎為0。國(guó)家近期密集出臺(tái)了很多管理文件，無(wú)外乎強(qiáng)調(diào)主體責(zé)任，已經(jīng)有多階段全鏈條評(píng)估的趨勢(shì)。

(2)本研究綜合評(píng)估方法的效能分析

定性和定量相結(jié)合的綜合評(píng)估方法是單位該領(lǐng)域有效工作經(jīng)驗(yàn)的總結(jié)，實(shí)踐證明是行之有效的，將安全控制目標(biāo)前移分解到工作的各環(huán)節(jié)，主要包括以下環(huán)節(jié)：①場(chǎng)地階段解決選好地址，避免或者管控不良地質(zhì)、特殊土體帶來(lái)的不利影響，控制整體失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)。②堆積過(guò)程的全程管控和規(guī)劃堆積，避免不良渣土堆積在底部和表面，盡可能好的土體包裹不好的土體。③整形后棄渣邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)，控制坡率，保障棄渣邊坡整體穩(wěn)定。④主體結(jié)構(gòu)效能的定期管養(yǎng)，保證控水?dāng)r渣，保證棄渣場(chǎng)的中長(zhǎng)期安全，棄渣工程本身是多環(huán)節(jié)動(dòng)態(tài)過(guò)程，那么評(píng)估就要體現(xiàn)這些特點(diǎn)，否則脫離實(shí)際，則管控效果就會(huì)大打折扣。

5 結(jié)論

在總結(jié)當(dāng)前山區(qū)高速公路棄渣工程穩(wěn)定性專題評(píng)估存在問(wèn)題的基礎(chǔ)上，根據(jù)作者對(duì)該領(lǐng)域的長(zhǎng)期跟蹤服務(wù)，提出了定性和定量相結(jié)合的綜合評(píng)估方法，明確了兩者的工作內(nèi)容、方法和目標(biāo)，利用工程實(shí)例檢驗(yàn)了方法的科學(xué)性和合理性。

定性評(píng)估，采用多階段地面調(diào)查方法，適用于初期規(guī)劃階段，采用工程地質(zhì)評(píng)價(jià)方法，主要解決不良地質(zhì)和地基承載安全帶來(lái)的棄渣場(chǎng)整體失穩(wěn)安全風(fēng)險(xiǎn)，控制指標(biāo)主要是規(guī)劃堆高造成的堆載不能超過(guò)地基承載力，解決帶病上崗風(fēng)險(xiǎn)。

定量評(píng)估，采用建模計(jì)算方法，適用于整形后階段，采用極限平衡法，主要解決棄渣邊坡是否滿足工程穩(wěn)定性要求帶來(lái)的安全風(fēng)險(xiǎn)，控制指標(biāo)主要是自然、降雨、地震工況棄渣邊坡是否滿足規(guī)范規(guī)定安全系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)，解決棄渣邊坡是否存在沿渣體內(nèi)部、棄渣和原地面接觸部位、沿自然地層不利位置產(chǎn)生的滑移風(fēng)險(xiǎn)。

定性和定量相結(jié)合有助于解決棄渣場(chǎng)的穩(wěn)定性，符合實(shí)際工程的評(píng)估流程，做到風(fēng)險(xiǎn)的過(guò)程把控，更符合山區(qū)棄渣工程的實(shí)際特點(diǎn)。