弃渣场设计中地形线的合理利用分析

弃渣场设计中地形线的合理利用分析
摘要：采用严格条分法中的Morgenstern–Price 法，针对云桂高速铁路中
对门山隧道修建过程中的弃渣稳定性与合理利用占地问题，提出合理利用地形线
适当提高渣场上部潜在滑坡体的坡率的设计思路，在维持原初步设计稳定性的前
提下有效提高了渣场容量。

关键词：高速铁路渣场；Morgenstern-Price法；安全系数
0 引言
随着基础建设的高速发展，我国高速铁路建设逐渐向西南高原山区延伸。

但
是在山区高速铁路建设过程中，由于沿线地形地貌类型多样，施工过程中隧道开
挖和高边坡会产生大量弃渣，渣场弃土堆积过程是一个人造过程，这些弃渣往往
结构松散、孔隙度大、降水入渗快，若选址不当或防护措施不到位，很可能引发
坡体失稳等严重地质灾害，直接破坏周边生态环境，危害当地群众的生命财产安全。

因设计人员经验、设计水平、考虑的周全性等影响因素，在渣场设计时往往
受限于设计周期等因素，设计后的渣场往往在降雨后发生边坡表面水土流失严重、局部土崩等问题。

设计的合理性和经济性也未经过有效的对比分析，往往造成较
大的经济浪费。

但在目前诸多研究中尚未见到利用弃渣场自身地质条件评价并优化设计的过
程分析的文献，鉴于此，本文结合对门山隧道典型弃渣场情况开展分析，指出合
理利用地形线的效果评价及其影响分析，对渣场边坡设计、加固具有一定的指导
意义。

1 项目研究依托工程概况
对门山隧道位于腻革龙至新哨区间，进口里程DK588+058，出口里程
DK597+636，全长9578m，设计为时速200km/h，预留250km/h客货共线双线隧道，线间距为4.6m，洞内铺设双块式无碴道床。

隧道进口接牛场坪双线大桥，出口接
者丘南盘江大桥，最大埋深650m。

隧址区属构造剥蚀中山地貌，地形起伏较大，
隧道进、出口地段均为冲沟及斜坡地。

该沟槽两岸斜坡地形较陡，自然坡度20～50º。

植被以灌木为主，缓坡地带被垦为旱地，隧道采用“斜井+出口平导”的辅
助坑道模式。

隧道进口工区弃碴占地62.3亩，弃碴量为41.34万方，弃碴运距2500m，进口工区弃碴场平面图如下图所示。

图1 施工图设计进口弃碴场平面示意图
碴场范围沟心纵坡平缓，自然沟汇水面积相对较小，最大流量51.3m3/s。

图2 弃碴场整治前现场情况
1.1水文地质特征
测区地表水以季节性冲沟水为主，主要接受大气降水补给，水量随季节变化大，旱季水量小，雨季水量大。

地下水主要为孔隙潜水和基岩裂隙水，主要接受大气降水和地表水补给。

第四系孔隙潜水主要赋存于第四系土层中，水量较小，牛场坪沟内碎石土含水较丰；测区下伏基岩为砂岩夹泥岩，岩体节理裂隙发育，基岩裂隙水较发育。

地下水在沟谷及低洼处有泉点出露，流量一般为0.1～1.0L/s 。

1.2特殊岩土
碴场区内特殊岩土为松软土。

松软土（Q 4sef ）：灰黑色，软塑，土质不均，
夹少量的植物根系。

零星分布于沟槽内旱地表面，为耕植土，一般厚0-2m ，局部稍厚。

2 地质情况与计算参数
2.1岩土物理力学指标推荐值
渣场区地表上覆第四系全新统人工弃土（Q 4q ）碎石土，泥石流堆积（Q 4sef ）
松软土、碎石土，坡残积（Q 4dl+el ）粉质黏土、碎石土。

下伏三叠系中统法郎组
B 段(T 2fb)泥岩、砂质泥岩、泥质粉砂岩、粉（细）砂岩。

地层岩性分述如下：
<2-6>碎石土（Q 4q ）：为对门山隧道的施工弃碴，松散，稍湿，石质成分以
砂、泥岩为主，少量灰岩，属Ⅱ级普通土。

<4-2>松软土（Q 4sef ）：灰黑色，软～硬塑状，土质不均，夹少量的植物根
系。

分布于牛场坪沟旱地表面，为耕植土，一般厚0～2m ，局部稍厚，属II 级普通土。

<4-19>碎石土（Q 4sef ）：灰黄色、浅灰色，松散，碎石成分主要为砂岩、泥
岩，粒径3～7cm ，局部达13cm ，磨圆度差。

分布于牛场坪沟槽内，一般厚0～3m ，局部稍厚，属Ⅱ级普通土。

<7-4>粉质黏土（Q 4dl+el ）：黄灰、褐黄色，硬塑状，细角砾含量约20%，主
要分布于测区内斜坡坡面，厚0～2m ，局部稍厚。

属Ⅱ级普通土。

<14-4>砂岩夹泥岩(T
2
fb) ：黄灰色、绿灰色，泥岩为泥质结构，多为薄层状
构造，泥质、钙质胶结，以黏土矿物为主，岩质较软，易风化剥落，遇水易软化
崩解、失水收缩开裂等特性；粉（细）砂岩为粉、细粒结构，薄至中厚层状构造，矿物成分多为长石、石英，泥质胶结，局部为钙质胶结。

受附近断层及褶皱的影
响严重，节理裂隙发育，岩体破碎。

强风化带（W
3
）泥岩厚15～50m；以下弱风
化带（W
2
），属Ⅳ软石。

设计物理力学参数如表2：
表1对门山隧道渣场稳定性计算参数表
岩层代号
岩
土类
型
时
代成因
潮湿
及风化程
度
天
然密度
黏
聚力
内
摩擦角
坡率
基
本承载
力
(g/
cm3)
(
kPa)
φ
(°)
临
时
永
久
(kP
a)
< 2-6>
碎
石土
Q4
del
松散 2.4/30
1
：1
1
：1
/
< 4-2>
松
软土
Q4
sef
软塑
1.8
5
1
2
8
1
：
1.3
1
：
1.5
100
< 4-
碎
石土
Q4
sef
松散
2.0
5
/301
：
1
：
220
19> 1.3 1.5
< 7-4>
粉
质黏
土
Q4
dl+el
硬塑 1.9
2
5
16
1
：1
1
：
1.3
180
< 14-4>
砂
岩夹
泥岩
T2
fb
W3 2.4/45
1
：
0.7
1
：1
350
W2 2.6/55
1
：
0.5
1
：
0.7
500
2.2计算方法与推力计算
极限平衡法是计算边坡稳定性的基本方法，传统极限平衡法根据假设条件与
应用方程的不同，分为严格条分法和非严格条分法。

在非严格条分法中，通常只
满足力或力矩平衡中的一个条件。

Bishop法是非严格条分法中应用最广泛的一种，只满足力矩平衡，其计算结果必然存在一定的误差。

对于一般形状滑动面，工程
界认为须采用严格条分法，即条块满足所有平衡条件，才能得到较为合理的安全
系数。

严格条分法根据其假设不同分为多种方法，其中Morgenstern-Price法是
国际上公认的计算任意形状滑动面安全系数最好的条分法[5]。

该法假设条块的竖
直切向力与水平推力之比为待定参数与条间力函数的乘积，然后建立满
足水平和垂直方向力的平衡力方程与力矩平衡方程，通过迭代求解安全系数与待
定系数，此方法收敛性良好，本次计算中采用Morgenstern-Price法。

选取最危险断面进行分析，每级边坡高6-8m，台阶宽度从坡脚到坡顶分别为3-18m不等，不同设计情况下的边界条件分别如图。

初步设计采用挡土墙进行支护，设计后安全系数仅为1.166，稳定安全系数不满足规范三级渣场的正常工况最低要求安全系数1.25。

图3初步设计边界条件与潜在滑动面
初步设计过程中未充分利用渣场中部地形的抗滑性，设计平台过大，未有效利用地形，优化设计减小了凸起段地形线上的平台宽度，调大了渣场边坡上缘的坡率为42°，修改挡土墙为桩板墙，渣场的稳定性安全系数提高至1.279，并有效提高了渣场的容量3.6%。

图4施工图设计边界条件与最危险滑动面
按照不同的的安全系数计算，最大下滑力曲线差异不大，其中按照1.25计算时，在设计坡脚处下滑力为1340kN/m，原设计挡墙不满足计算要求，因此施工
图设计采用桩板墙。

图5施工图设计不同安全系数对应的下滑力曲线
2.3考虑原地形线后的优化设计分析
1、挡护措施
原设计弃碴坡脚采用M10浆砌片石挡碴墙，优化调整弃碴靠近铁路侧坡脚防
护措施为桩板墙。

2、排水系统
为减少地表水对弃碴的冲刷，碴场顶部外侧设截水天沟，以截排地表水，天
沟采用M10浆砌片石，截面形式采用Ⅲ式（1m*1.5m）。

碴场底部每隔20m铺设
碎石盲沟，以引排碴场底部积水，碴场顶面设3%的排水坡。

3 结语
采用严格条分法中的Morgenstern–Price 法，针对云桂高速铁路中对门山
隧道修建过程中的弃渣稳定性与合理利用占地问题，经计算分析得到如下结论：
（1）提出合理利用地形线适当提高渣场上部潜在滑坡体的坡率的设计思路，在维持原初步设计稳定性的前提下有效提高了渣场容量。

（2）针对不同下滑力安全系数，复核初步设计阶段的挡墙方案后不满足设
计要求，提出了桩板墙方案保证了工程安全性。

参考文献：
[1] 刘建伟,史东梅,马晓刚,刘益军.弃渣场边坡稳定性特征分析[J].水土保
持学报,2007(05):192-195.
[2]郑颖人,陈祖煜,王恭先,凌天清.坡与滑坡工程治理[M].北京:民交通出版社,2010.
[3] 罗雷,何丙辉,王锐亮.弃渣场堆渣及挡渣墙稳定性分析[J].水土保持研究,2006(02):253-256.
[4] Morgenstern N R, ice V E. The analysis of the stability of general slip surfaces [J].Geotechnique,1965,15(1):79–93.
[5] 朱大勇,李焯芬,黄茂松,钱七虎.对3种著名边坡稳定性计算方法的改进[J].石力学与工程学报,2005,24(2):183-194.
[6]SL386-2007, 水利水电工程边坡设计规范[s]2007.
[7]徐永年,田卫宾.开发建设项目弃渣场设计及防洪问题[J].中国水土保持,2003(02):27-28+48.
图6弃碴场整治后情况。