北方某铁路弃渣场稳定性评价

张祥

中铁工程设计咨询集团有限公司北京100055

摘要:为了避免铁路工程弃渣对环境的破坏，减少水土流失，对环境造成负面影响，需合理选址设计弃渣场，并保证弃渣场的安全稳定性。验收前对弃渣场区域、场地、边坡及支挡工程稳定性评估很有必要。

关键词:弃渣场；水土保持；工程地质剖面；稳定分析；

随着地球环境的恶化，生态环境的保护和改善工作逐渐被加强，国家对水土保持工作日益重视。为了贯彻落实水土保持法等有关法律、法规，协调开发建设项目与环境的关系，体现预防为主的水土保持工作方针，最大限度地减少工程项目建设对沿线水土保持带来的负面影响，全国各地对各种大型工程项目区环境现状均组织各级管理人员进行了现场调查、踏勘，并组织环保、水利等部门进行多次验收，严格控制工程项目对环境的破坏及对水土造成的流失。

随着我国山区铁路的高速发展，必不可少对项目沿线整体环境造成不良影响，其中沿线弃渣场更是影响较大的分项工程之一。弃渣场的稳定性对水土保持工作具有重大意义。

本文以北方某铁路的大尖山一号隧道进口弃渣场为工程背景，对弃渣场进行稳定性评价。

1工程概况

大尖山一号隧道进口弃渣场位于马市口村北约750m处沟谷内，位于北方某铁路DK65+300右侧约700m，距离隧道进口较近，用地类型为荒地，弃渣场〔1〕占地面积约40亩。弃渣场〔1〕弃渣总量约21.2万方，主要堆弃大尖山一号隧道进口弃渣，大尖山二号隧道出口清理废渣。弃渣场堆高约6.0～38.0m，边坡坡率为1∶2～1∶2.5。

1.1地形地貌

弃渣场整体位于山间谷地，三面环山，靠西北侧傍山而弃。土场区域范围内最高海拔1199.9m，最低海拔1143.0m。该区域为低山丘陵地貌，相对高差约为47m，山坡自然坡度17～26°，地势较陡。冲沟植被一般，覆盖率约60%。

1.2地质概况

1.2.1地层情况

（1）该场地底部覆盖层主要为第四系全新统冲洪积（Q4al+pl）细圆砾土层，杂色，中密-密实，土质不纯，含粗圆砾土。该层主要分布于山间谷地，厚度不一，局部夹粗圆砾土；下伏基岩主要为太古界（Ar）麻粒岩，灰白色，强~弱风化。

1.2.2地质构造

（1）地质构造〔2〕不发育，未见影响弃渣场稳定的地质构造。

（2）地震：根据GB18306-2015《中国地震动参数区划图》，本区地震动峰值加速度为0.15g，地震基本烈度为VII度，本区地震动加速度反应谱特征周期是0.40s。

1.2.3水文地质

（1）地表水

主要为弃渣场西侧西洋河支流，距离弃渣场下游约1300m，受大气降水补给，水位及水量随季节变化大，雨季流量较大，平时有少量溪流。

弃渣场位于上游冲沟支沟尽头，汇水面积约为0.30km2。

（2）地下水

本区地下水主要为孔隙潜水、基岩裂隙水两类。

孔隙潜水：地下水主要为孔隙潜水，分部于山间谷地，水位埋深大于10m。

基岩裂隙水：通过工程地质测绘、调查和钻孔揭露，下伏基岩为大理岩。无统一水位，其流量受季节性变化影响较大，主要接受大气降水和覆盖层孔隙水的补给。

1.2.4气象特征

拟建工程地处中高纬度区，属暖温带大陆性气候区，气候适宜，四季分明，雨量充沛。春季干燥多风，夏季凉爽多雨，秋季秋高气爽，冬季寒冷干燥，昼夜温差大。极端最低气温-26.3℃，极端最高气温40.3℃；最冷月平均气温-9.9℃，最热月平均气温22.5℃，年平均降水量383.5mm；主导风向为北西向；土壤最大冻结深度1.38m。

2施工情况及现状勘察

（1）弃渣场现场截水天沟、渣顶水沟、边坡排水、绿化均已实施完成。弃渣场东南侧坡脚设置70m挡土墙，墙高8m，墙前已封闭处理。弃渣施工时间为2014年8月～2016年1月。

（2）弃渣底部标高为1154.0～1189.0m，顶部高程为1162.5～1191.5m，底部堆放占面积约105×154m2，弃渣场顶部堆放碾压较平坦。堆渣临空面一般堆高为6～38m，放坡坡度一般为22°～26°。

（3）弃渣场绿化已完成。植草夏季生长较好，冬季较稀疏。其它部位未发现影响边坡失稳的不利因素及状况。坡面未见明显的雨水冲刷槽。

3工程地质剖面

根据堆土的规模及其空间展布特征，沿最不利方向布置2条工程地质剖面线，根据原有地形、当前实测地形，绘制工程地质剖面图〔3〕，分别见图1、图2、图3。

图32#DM工程地质剖面图

4岩土工程参数

弃渣来源主要为大尖山一号隧道进口弃渣、大尖山二号隧道出口清理的废渣。成份由细角砾土、粗角砾土、块石土构成，原岩成份为强~弱风化麻粒岩，其中粗角砾土、块石土，占比达50%以上。

根据现场钻探、原位测试，参考《铁路工程地质手册》〔4〕（1999年版）及结合地区经验值等，同时考虑到弃渣的松散性、不均匀性，雨季雨水下渗土体力学参数降低等不利因素，提出本工程评价所采用的岩土工程参数，如表1。

表1岩土工程参数推荐值表

5稳定性评价与分析

弃渣场稳定性评价包括区域稳定性、场地稳定性、边坡稳定性及支挡工程稳定性评价。评价该弃渣场稳定性，应根据其地形地貌、弃渣形态特征、岩土层物理力学性质指标、汇水面积等各因素综合确定。该弃渣场位于Ⅶ区，需考虑地震因素。

5.1弃渣场区域稳定性评价

根据区域地质图及现场地质测绘，场地范围无区域构造断裂通过，场地范围也无不良地质问题。

5.2场地稳定性评价

弃渣场范围内地质构造不发育，未见影响弃渣场稳定的地质构造。弃渣场位于马市口上游冲沟支沟尽头，距离村庄北约700m，渣场排水通过自然冲沟流向下游，由于距离较远，且弃渣场本身汇水面积小；同时根据《铁路工程地质手册》，从地貌因素、河沟因素、地质因素对因弃土可能产生的泥石流严重程度进行了综合评价无泥石流危害，对马市口村无影响。

5.3弃渣场边坡及底部稳定性分析

弃渣场边坡的稳定性受多种因素的影响，可分为内部因素和外部因素。内部因素主要为填筑料的岩土工程性质，即物理力学性质指标，其次还受到地下水、地震作用等因素的影响；外部因素包括工程荷载条件、振动、斜坡形态、临空条件、气候条件、周边环境和表层植被发育情况等。

综合现场条件，该弃渣场位于VII度区，需考虑地震因素。

评价该弃渣场稳定性，应根据其地形地貌、周边环境、弃渣形态特征、岩土层物理力学性质指标、汇水面积等各因素综合确定。

5.3.1弃渣场级别划分及稳定系数控制

弃渣场下游虽为桥梁工程，但土场滑动方向与工程平行，并非正对，不会造成严重危害。据《水土保持工程设计规范》该弃渣场级别定为4级，安全稳定系数按表3控制。

表3弃渣场稳定安全系数表

计算结果如下：

一般工况：

滑面上下滑力的总和：Fa=155.737kN/m

滑面上抗滑力的总和：Fp=218.162kN/m

边坡稳定性系数Fs=1.401，边坡现状稳定。

暴雨工况：

滑面上下滑力的总和：Fa=155.737kN/m

滑面上抗滑力的总和：Fp=209.918kN/m

边坡稳定性系数Fs=1.348，边坡现状稳定。

地震工况：

滑面上下滑力的总和：Fa=163.764kN/m

滑面上抗滑力的总和：Fp=204.828kN/m

边坡稳定性系数Fs=1.251，边坡现状稳定。

5.3.3弃渣场底部整体稳定性分析

对2#DM、4#DM土底采用瑞典折线滑动法进行稳定性分析。折线形滑动面的边坡采用传递系数法〔6〕，稳定性系数可按下列公式计算：

Pn=0

Pi=Pi-1ψi-1+Ti-Ri/Fs

ψi-1=cos（θi-1-θi）-sin（θi-1-θi）tanψi/Fs

Ti=（Gi+Gbi）sinθi+Qicosθi

Ri=cili+[（Gi+Gbi）cosθi-Qisinθi-Ui]tanψi

式中：Pn—第n条块单位宽度剩余下滑力（kN/m）;

Pi—第i计算条块与i+1计算条块单位宽度剩余下滑力（kN/m）；当Pi＜0（i＜n）时取Pi=0；

Ti—第i计算条块单位宽度重力及其他外力引起的下滑力（kN/m）；

Ri—第i计算条块单位宽度重力及其他外力引起的抗滑力（kN/m）；

ψi-1—第i-1计算条块对第i计算条块的传递系数。

取Pi=0时计算得出稳定系数Fs>K（边坡及土底稳定安全系数），认为该边坡在当前工况条件下可以保持长期稳定，否则说明边坡欠稳定。

图64#DM计算简图

计算简图见图5、图6，三种工况下弃渣沿基底滑动安全系数计算结果均大于1.5，表明渣体不会沿着原地面滑动，整体性稳定。

5.4弃渣场挡土墙稳定〔7〕性分析

（1）据施工图本渣场下游设置挡渣墙，墙高8m，顶宽0.4m，底宽4.0m，墙胸坡坡率1:0.25，背坡直立，挡渣墙埋深不小于1.63m。

（2）该弃渣场挡墙基底为细角砾土，基底摩擦系数取0.40，基底承载力300～350kPa。经验算得出8m挡渣墙基底抗滑稳定安全系数均大于1.3，抗倾覆安全系数均大于1.4，挡渣墙尺寸满足规范〔8〕稳定安全系数要求。

6结论

（1）本渣场绿化撒草籽已完成，植草夏季生长较好，但冬季较稀疏，需加强绿化。

（2）弃渣场排水工程已完成。

（3）目前现状条件下，未发现整体失稳的现象，经验算边坡现状稳定。

（4）弃渣场土底稳定，不会沿原地面滑动。

（5）由于距离较远，弃渣场对附近北方某铁路、马市口村无影响。

（6）弃渣场下游坡脚挡渣墙基底抗滑、抗倾覆安全系数满足规范要求。

参考文献:

[1]水利部水利水电规划设计总院.黄河勘测规划设计有限公司.水土保持工程设计规范[S].北京：中国计划出版社，2014

[2]中铁二院工程集团有限责任公司.铁路工程不良地质勘察规范[M].北京：中国铁道出版社，2012

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[5]W.费伦纽斯著.陈愈炯译.土坡稳定的静力计算[J].水力出版社，1957

[6]操昌碧.水利水电工程弃渣场水土保持工程措施研究[J].水电站设计，2001，12

[7]李纯玉.重力式挡土墙稳定性影响因素分析研究[J].工程勘察，2014，05

[8]TB10025－2006，铁路路基支挡结构设计规范[S]