厲成武，臧立超

(四川省交通勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川 成都 610017)

1 概述

大型建設(shè)工程和礦山開(kāi)采形成的尾礦及棄渣堆積體，在受暴雨、地震等外動(dòng)力條件影響時(shí)，易形成滑坡、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害，災(zāi)害一旦發(fā)生，將造成生命財(cái)產(chǎn)的重大損失，并導(dǎo)致嚴(yán)重的環(huán)境破壞。針對(duì)堆積體邊坡的成災(zāi)機(jī)理及其防治措施，很多學(xué)者做了大量的研究工作，胡世起對(duì)高邊坡復(fù)合堆積體穩(wěn)定性評(píng)價(jià)及基礎(chǔ)處理做了研究[1]，周志超對(duì)石灰石礦露天開(kāi)采的土石混排尾礦高邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行了預(yù)測(cè)和評(píng)價(jià)[2]，喬蘭等分析了細(xì)粒含量對(duì)尾礦工程性質(zhì)影響[3]。

本文研究的礦渣堆積區(qū)于20 世紀(jì)70 年代～90 年代開(kāi)采堆積，軸向長(zhǎng)度約510 m，寬約150 m ～240 m，面積約9．8 ×104m2，根據(jù)鉆探、物探成果結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)訪問(wèn)，其堆積最厚處約88．5 m，坡腳最淺處約25．1 m，平均厚度約53．8 m，堆積體總方量約5．6 ×106m3。堆積體前緣為村莊及農(nóng)田，有鄉(xiāng)村道路通過(guò)。該礦渣堆積體組成成分復(fù)雜，顆粒大小不一，粒徑以20 cm ～100 cm 為主，大者粒徑可達(dá)2 m ～3 m，坡體局部存在架空現(xiàn)象。礦渣堆積體堆積年代久，棄渣時(shí)隨意堆積，基本屬于邊采邊棄。該堆積體堆填厚度大，且堆積松散，對(duì)擬建公路J 線樁號(hào)JK64 +940 ～JK65 +230 段有較大影響，直接制約該段路線方案及線型。因此查明該堆積體穩(wěn)定性及預(yù)測(cè)其發(fā)展趨勢(shì)是非常必要的。

2 研究區(qū)概況

2．1 地形地貌條件

該礦渣堆積區(qū)地貌上屬構(gòu)造剝蝕中山地貌，微地貌主要為斜坡地貌。地勢(shì)總體東高西低，后緣高程約2 005 m，前緣高程約1 825 m，高差約180 m。堆積體整體坡向約260°。堆積區(qū)邊坡形態(tài)整體呈不規(guī)則寬扇形狀，地形縱向上整體呈緩- 陡- 緩交替，堆積區(qū)頂部較緩坡度約3° ～8°，后緣因開(kāi)挖局部呈凹陷狀。中上部坡度約30° ～40°，最陡處約45° ～50°，中下部坡度有所變緩，坡度約10° ～25°，坡腳處較為平緩，坡度約2° ～10°，坡體前緣平緩地帶為房屋及農(nóng)田。坡面植被以雜草、灌木為主。

2．2 地層巖性

根據(jù)地表工程地質(zhì)測(cè)繪及鉆探、物探成果，堆積區(qū)范圍內(nèi)表層為第四系全新統(tǒng)人工填土(Qme4 ) 、沖 洪 積() 含礫粉質(zhì)黏土，第四系晚更新統(tǒng)沖積() 粉質(zhì)黏土，下伏基巖為下遠(yuǎn)古界前震旦系會(huì)理群天寶山組(Pt1tn) 千枚巖、板巖、灰?guī)r。

1) 第四系全新統(tǒng)人工填土(Qme4 ) (礦渣堆積) : 該層可分為5 層:a．0 m ～18．5 m:物質(zhì)成分主要為礫石、碎石充填粉質(zhì)黏土，紫褐色，松散～稍密，礫石、碎石分布不均，礫石質(zhì)量分?jǐn)?shù)10% ～15%，粒徑0．2 cm ～2 cm，碎石質(zhì)量分?jǐn)?shù)10%，粒徑2 cm ～5 cm。b．18．5 m ～28．2 m:物質(zhì)成分以碎石、塊石充填黏性土為主，灰白～灰褐色，碎石質(zhì)量分?jǐn)?shù)60% ～65%，粒徑2 cm ～15 cm，塊石質(zhì)量分?jǐn)?shù)20% ～25%，粒徑20 cm ～25 cm。c．28．2 m ～32．2 m:物質(zhì)成分以粉質(zhì)黏土夾碎石為主，為后期開(kāi)挖坡面的殘積物堆積。碎石質(zhì)量分?jǐn)?shù)15% ～20%，粒徑2 cm ～8 cm，其余為粉質(zhì)黏土，粉質(zhì)黏土硬塑，以粉黏粒為主。d．32．2 m ～58．5 m:物質(zhì)成分以碎石、塊石充填黏性土為主，為采礦后礦渣堆積塊、碎石土，顏色呈灰白～灰褐色，碎石質(zhì)量分?jǐn)?shù)50% ～55%，粒徑2 cm ～18 cm，塊石質(zhì)量分?jǐn)?shù)30% ～35%，粒徑20 cm ～30 cm。e． 58． 5 m ～88．5 m:物質(zhì)成分以粉質(zhì)黏土夾碎石為主，為開(kāi)礦之前清理場(chǎng)地及揭表物質(zhì)，主要成分為殘積物，碎石質(zhì)量分?jǐn)?shù)10% ～15%，粒徑2 cm ～5 cm，粉質(zhì)黏土硬塑，以粉黏粒為主。

2) 第四系全新統(tǒng)沖洪積(Qal+pl4 ) :主要為含礫粉質(zhì)黏土，灰褐色，稍濕，物質(zhì)成分以粉質(zhì)黏土充填圓礫為主，粉質(zhì)黏土可塑，圓礫質(zhì)量分?jǐn)?shù) 10% ～15%，粒徑0．2 cm ～2 cm，渾圓狀。

3) 第四系晚更新統(tǒng)沖積(Qal

3) : 主要為粉質(zhì)黏土，黃褐色，物質(zhì)成分以粉質(zhì)黏土為主，偶夾礫石，粉質(zhì)黏土硬塑，以粉黏粒為主。

4) 會(huì)理群天寶山組(Pt1tn) :

a．千枚巖: 灰黑色，千枚狀構(gòu)造，泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，巖質(zhì)較軟，礦物成分以黏土礦物為主，含絹云母及鐵質(zhì)、碳質(zhì)礦物。遇水易軟化，主要發(fā)育兩組結(jié)構(gòu)面，裂面平直光滑，具絹絲光澤。b．板巖:灰色為主，板狀構(gòu)造，變余結(jié)構(gòu)，以黏土礦物為主，板面上具少量絹云母礦物，微顯絹絲光澤;巖質(zhì)較堅(jiān)硬，主要發(fā)育兩組結(jié)構(gòu)面，裂面平直光滑。c．灰?guī)r:灰色為主，中～厚層狀構(gòu)造，晶粒結(jié)構(gòu)，礦物成分以黏土礦物及石英為主，石英質(zhì)量分?jǐn)?shù)15% ～20%，巖質(zhì)較堅(jiān)硬。

2．3 區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造

工程區(qū)在大地構(gòu)造單元上地處揚(yáng)子準(zhǔn)地臺(tái)(Ⅰ級(jí))西緣康滇地軸(Ⅱ級(jí)) 中段，北江舟-米市斷陷(Ⅲ級(jí)) 之江舟斷凹(Ⅳ級(jí)) 。在具體構(gòu)造部位上，工程區(qū)位于川滇南北向構(gòu)造帶中部。堆積體位于馬鞍山向斜南東翼，距離工程區(qū)最近的斷裂為益門(mén)斷裂帶，距離約2．5 km，益門(mén)斷裂帶，屬于安寧河斷裂南延部分。

工程區(qū)未見(jiàn)活動(dòng)性斷裂直接通過(guò)，主要受外圍地震波及影響。根據(jù)GB 18306—2015 中國(guó)地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖工程區(qū)基本地震動(dòng)峰值加速度0．10g，區(qū)內(nèi)基本地震動(dòng)反應(yīng)譜特征周期為0．45 s。對(duì)應(yīng)的地震基本烈度為7 度。

2．4 水文地質(zhì)條件

1) 地表水。堆積區(qū)內(nèi)的地表水系主要為堆積區(qū)坡體前緣水田、農(nóng)田灌溉水，其水位高程及流量主要受大氣降水和山坡地表水的控制和影響，補(bǔ)給源主要為大氣降水和山坡地表水，排泄于低洼處，受季節(jié)控制影響較明顯。

2) 地下水。堆積區(qū)地下水類(lèi)型主要為第四系松散層孔隙潛水和基巖裂隙水。第四系松散層孔隙潛水主要接受大氣降水及地表農(nóng)田灌溉水補(bǔ)給，主要賦存于坡腳地勢(shì)較低處第四系覆蓋層中。根據(jù)鉆孔揭露，堆積體中無(wú)地下水出露，僅坡體左側(cè)靠山處有基巖泉水出露，其水流量甚小，主要靠大氣降水補(bǔ)給。

3) 水腐蝕性評(píng)價(jià)。根據(jù)地表水水質(zhì)分析結(jié)果，地表水為低礦化度HC-Ca2+-Mg2+型水，pH=7．25，屬中性水，根據(jù)JTG C20—2011 公路工程地質(zhì)勘察規(guī)范附錄K《水和土的腐蝕性評(píng)價(jià)》，堆積區(qū)場(chǎng)地環(huán)境類(lèi)型為Ⅱ類(lèi)，地表水對(duì)混凝土具微腐蝕性，對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼筋具微腐蝕性。

3 堆積體變形特征及成因分析

3．1 變形特征

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，該堆積體無(wú)明顯整體變形破壞跡象，坡體后緣及兩側(cè)均未見(jiàn)明顯長(zhǎng)大裂隙，坡體前緣也無(wú)明顯推擠、鼓出等變形跡象。堆積體變形特征以坡面局部垮塌及淺表層溜滑為主。局部垮塌及溜滑集中分布于堆積體中上部地形相對(duì)較陡處。該坡段淺表層松散物質(zhì)在重力作用下，向臨空方向緩慢蠕滑變形，在沿坡體陡緩交界處形成多處張拉裂縫，最長(zhǎng)裂縫長(zhǎng)約50 m，寬約2 cm ～10 cm，局部較陡處在暴雨沖刷下發(fā)生垮塌。堆積體右側(cè)坡表發(fā)育一小沖溝，溝寬1 m ～4 m，溝深1 m ～3 m，沖溝兩側(cè)及后緣垮塌明顯，溝內(nèi)可見(jiàn)粒徑約3 m 的大塊石，沖積物堆積于坡腳平臺(tái)處。

3．2 成因分析

該堆積體無(wú)明顯整體變形跡象，以坡體中上部局部垮塌、溜滑為主。堆積體中上部地形相對(duì)較陡，坡度約30° ～40°，最陡處45° ～50°，前緣臨空條件較好，坡表松散物質(zhì)在重力及雨水沖刷作用下，易向臨空方向發(fā)生蠕滑變形，在持續(xù)降雨條件下，坡體松散物質(zhì)在飽水情況下，其垮塌、溜滑規(guī)模將有增大的趨勢(shì)，其前緣物質(zhì)垮塌失穩(wěn)后，后部松散物質(zhì)失去支撐，有進(jìn)一步滑塌失穩(wěn)的可能，表現(xiàn)出牽引式破壞的特征。堆積體坡面發(fā)育的沖溝，主要由于其堆積松散，在雨水沖刷下形成，沖溝兩側(cè)及后緣松散物質(zhì)臨空條件較好，易發(fā)生失穩(wěn)垮塌，失穩(wěn)物質(zhì)進(jìn)入溝道，在沖溝及坡表流水?dāng)y帶下于坡腳平臺(tái)處堆積。

4 堆積體穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

4．1 堆積體穩(wěn)定性定性分析

該礦渣堆積體后緣及兩側(cè)未見(jiàn)張拉裂縫，且坡體前緣也無(wú)推擠、鼓出等變形跡象，堆積體無(wú)明顯整體變形破壞特征;堆積體地形上整體呈緩-陡-緩交替，僅坡體中上部坡度較陡處發(fā)育有長(zhǎng)約50 m 的裂縫，主要由于其所處坡段坡度較陡，表層土體蠕滑變形形成，并伴有小規(guī)模溜滑、垮塌現(xiàn)象。該堆積體目前以淺表層牽引式滑塌破壞為主，且有發(fā)生進(jìn)一步變形破壞的可能。綜上所述，該礦渣堆積體整體較穩(wěn)定，局部欠穩(wěn)定。

4．2 堆積體穩(wěn)定性定量計(jì)算

4．2．1計(jì)算參數(shù)的選取

該堆積體物質(zhì)成分復(fù)雜，分布不均。本次在進(jìn)行堆積體穩(wěn)定性計(jì)算時(shí)，以第③層(28．2 m ～32．2 m) 含碎石粉質(zhì)黏土為整體計(jì)算可能滑面考慮。黏聚力c根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果及類(lèi)似工程確定，內(nèi)摩擦角根據(jù)堆積區(qū)斜坡穩(wěn)定坡腳(26° ～30°) 進(jìn)行確定，綜合得出該堆積體含碎石粉質(zhì)黏土參數(shù)建議值: 天然重度γ=18kN/m3，天然黏聚力c=25 kPa，天然內(nèi)摩擦角φ=28°;飽和重γ=19 kN/m3，飽和黏聚力c=23 kPa，飽和內(nèi)摩擦角φ=26°。

4．2．2整體穩(wěn)定性計(jì)算

堆積體整體滑動(dòng)推測(cè)滑面為折線型，穩(wěn)定系數(shù)計(jì)算采用傳遞系數(shù)法[4]計(jì)算，其計(jì)算公式如下:

剩余下滑力計(jì)算公式:

Ti=FsWisinαi+ψiTi-1-Wicosαitanφi-ciLi。

傳遞系數(shù)計(jì)算公式:

ψi=cos(αi-1-αi)-sin(αi-1-αi) tanφi。

其中，Ti，Ti-1分別為第i和第i-1 滑塊剩余下滑力，kN/m;Fs為穩(wěn)定安全系數(shù);Wi為第i滑塊的自重力，kN/m;αi，αi-1分別為第i和第i-1 滑塊對(duì)應(yīng)滑面的傾角，(°) ;ψi為傳遞系數(shù);φi為第i滑塊滑面內(nèi)摩擦角，(°) ;ci為第i滑塊滑面巖土黏聚力，kPa;Li為第i滑塊滑面長(zhǎng)度，m。

選取典型地質(zhì)剖面，簡(jiǎn)化成計(jì)算剖面簡(jiǎn)圖。按可能潛在滑面，將堆積體劃分成6 個(gè)條塊，分別計(jì)算其在天然工況、暴雨及地震工況下穩(wěn)定性系數(shù)。堆積體條塊劃分示意圖見(jiàn)圖1。

圖1 堆積體條塊劃分示意圖

根據(jù)上述公式、計(jì)算參數(shù)及滑塊劃分，計(jì)算得到堆積體在天然工況、暴雨工況、地震工況的整體穩(wěn)定性結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 堆積體整體穩(wěn)定性計(jì)算表

4．2．3局部穩(wěn)定性計(jì)算

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查結(jié)合定量計(jì)算分析，堆積體整體穩(wěn)定性較好，坡體中部坡度較陡，且坡體已見(jiàn)長(zhǎng)大拉裂縫發(fā)育，在暴雨、地震等不利工況下，可能存在局部失穩(wěn)下滑。對(duì)局部穩(wěn)定性定量計(jì)算采用自動(dòng)搜索的方法，分別搜索堆積體在天然、暴雨、地震工況下的最不利滑動(dòng)面計(jì)算堆積體穩(wěn)定性。

局部穩(wěn)定性搜索計(jì)算簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖2。

圖2 Ⅰ-Ⅰ′斷面自動(dòng)搜索計(jì)算簡(jiǎn)圖

局部穩(wěn)定性搜索計(jì)算的結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 堆積體局部穩(wěn)定性計(jì)算表

4．2．4堆積體穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果表明: 計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)調(diào)繪定性評(píng)價(jià)結(jié)果一致。堆積體整體在天然、暴雨及地震工況下均處于穩(wěn)定狀態(tài)，局部在天然工況下處于基本穩(wěn)定狀態(tài)，在暴雨及地震工況下處于欠穩(wěn)定狀態(tài)。由于堆積體中部坡度較大，且以牽引式破壞為主，有發(fā)生較大規(guī)模失穩(wěn)的可能。

5 堆積體穩(wěn)定性對(duì)路線影響評(píng)價(jià)

1) 采用路基方案通過(guò)該堆積體前緣。擬建J 線路線從堆積體下部平臺(tái)處通過(guò)，該堆積體對(duì)路線影響范圍JK64 +940 ～JK65 +230。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查結(jié)合定量計(jì)算:該堆積體整體較穩(wěn)定，但堆積體中部坡度較大，且堆積松散，以牽引式破壞為主，有發(fā)生較大規(guī)?；Х€(wěn)的可能，加之其堆積厚度大，治理難度較大。根據(jù)鉆孔堆SZK1 揭露，平臺(tái)內(nèi)側(cè)的覆蓋層厚度約25．2 m，下部為灰?guī)r，有設(shè)置抗滑樁的條件。若采取明線路基方案，可考慮在該孔位斷面處設(shè)置樁板墻，同時(shí)對(duì)堆積體進(jìn)行清坡處理。若采取以堆積體中下部較緩處坡面坡度(約20°) 為清坡界線，對(duì)該堆積體進(jìn)行清方處理，其清理方量約為1．3 ×106m3。該方案存在處置費(fèi)用高，環(huán)保、安全等方面有較大隱患，削方棄渣場(chǎng)地選擇困難等問(wèn)題。2) 采用隧道繞避該堆積體。堆積體位于擬建沙壩隧道K65 +400 ～K65 +640 段右側(cè)，該堆積體對(duì)擬建沙壩隧道無(wú)影響，若采用隧道方案對(duì)該堆積體進(jìn)行繞避，其工程造價(jià)相對(duì)較高。綜合考慮安全、環(huán)保、經(jīng)濟(jì)、綠色等因素，建議采用隧道方案繞避該堆積體。

6 結(jié)語(yǔ)

1) 該礦渣堆積體為一深厚巨型堆積體，堆積總方量約5．6 ×106m3。2) 根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查結(jié)合定量計(jì)算，堆積體整體在天然、暴雨及地震工況下均處于穩(wěn)定狀態(tài)，局部在天然工況下處于基本穩(wěn)定狀態(tài)，在暴雨及地震工況下處于欠穩(wěn)定狀態(tài)。由于堆積體中部坡度較大，且以牽引式破壞為主，有發(fā)生較大規(guī)模失穩(wěn)的可能。3) 路線方案存在路基、隧道兩種選擇，綜合考慮安全、環(huán)保、經(jīng)濟(jì)、綠色等因素，建議采用隧道方案繞避該堆積體。