摘要：随着山区公路建设步伐的加快，由于其地形地势及地质条件的特点，不可避免地产生大量弃方，故弃土场的选址及设计成为一个项目的重点及难点。弃土场设计的不合理，会造成工程隐患及事故，轻则水土流失、堵塞河道，重则冲毁农田房屋，造成生命财产的巨大损失。本文依托国道G108、G248、G348西昌市过境公路PPP项目，以边坡稳定性分析理论为基础，采用数值模拟分析方法，对沿线某个典型弃土场进行稳定性分析，研究提出了山区弃土场的设计原则及工程措施，并从工程安全及环保角度提出相关建议。
关键词：弃土场；稳定性分析；数值模拟；设计原则；工程措施
前言
随着公路建设的快速发展，山区公路建设成为西南部公路建设的主要趋势，由于其地形地势及地质条件的特点，不可避免地产生大量弃方，弃土场的选址及设计成为项目的重点及难点。结合国家绿色交通理念，科学合理地进行弃土场选址，做好弃土场防护、排水、环保绿化及复垦等工作，在公路建设工程中对环境保护及水土保持有着重要意义。因此，弃土场的稳定性分析尤为重要。本文依托工程实例，采用数值模拟的分析方法，对典型弃土场进行稳定性验算分析，提出相关设计原则及工程措施，供类似项目参考。
1.弃土场选址原则
路基施工中清除的耕植土、高（低）液限粘土（粉土）、堰塘及河沟挖淤部分除可用作公路用地边界设置土埂植树绿化、拱形护坡填隙植草外，均集中弃置于附近弃土场内。弃土场一般集中弃置在荒芜地坳沟中，并根据需要设置完善的排水、防护措施，以确保水土不流失，同时为防止水土流失和恢复原环境自然植被面，还需进行“还林”和“还耕”绿化设计。
1.1 基本选址原则
弃土场的位置应尽量选择在行车视线范围以外的荒地或小山包（凹地），应综合考虑以下因素：（1）避免选择在雨水汇流量大，冲刷严重，有潜在次生地质灾害的地方；（2）应避免布置于斜坡体上，尽量不占或少占耕地，选择在荒山或荒地；（3）选择在锁口位置小，有利于布置拦渣工程的地形位置；（4）尽量控制在经济运距内，选择在桥隧构造物的下游。
1.2 环境保护原则
结合国家相关规范，落实“安全、环保、舒适、和谐”的建设理念，按照“预防为主、保护优先、防治结合、综合治理”的原则，牢固树立“不破坏就是最大保护”的思想，坚持最大限度地保护、最小程度地影响、最强力度地恢复，实现公路建设与环保水保并重，公路项目与自然环境和谐。弃土场应采取有利环境保护、水土保持及防止水土流失的措施，保证弃土场的整体稳定；弃土场应注意节约用地，应尽量整平复耕还林，归还地方使用，与周边环境相协调；弃土应综合利用，不得在江河、湖泊，建成水库及河道管理范围设置弃土场。
2.工程实例
2.1 工程概况
国道G108、G248、G348西昌市过境公路一期工程（北环路），全长15.016公里，采用双向六车道一级公路标准建设，设计速度60km/h，全线设置简易互通2处，管养区1处，加油站1处。建设区内为昔格达组地层，强度极低，基本无法用作路基填料，致使弃方量较大，达328.645万m3，且西昌市为旅游城市，如何合理的选择取弃土场位置，不致产生水土流失和泥石流且不影响市容市貌及生态环境，是本项目特难点之一。根据总体选址原则，该项目设置弃土场5处。
2.2 典型弃土场设计方案
1#弃土场位于K0+800右侧1.5km处，容量约为15万方，平均堆高约8m。1#弃土场位于自然冲沟中，冲沟较深，沟内无水，两侧较陡，沟底上覆冲洪积含碎石粉质粘土，下伏基岩主要为昔格达组的砂岩、泥岩、页岩。沟内以荒杂草为主，锁口条件较窄，沟谷两岸边坡相对稳定，无较大的地质病害，锁口位置工程地质条件较好，基岩出露，为粉砂质泥岩。运输条件：新建便道250m。
图2.2-1 1#弃土场现场照片
2.2.1 场地稳定性及适应性评价
根据详勘报告，该弃土场地质构造简单，无断裂通过，场区内无明显的大型滑坡、泥石流等不良地质现象，拟建弃土场两侧山坡覆盖层约2-3m，自然斜坡较稳定，无地基失效失稳特征，说明拟建区在自然状态下场地总体稳定性较好。
从拟建场地所处地形地质条件分析，场地虽然地形较为复杂，但地质环境未遭受大的破坏，地基岩土层、沟谷边坡稳定，场地沟谷后缘宽，出口较狭窄对排土场的稳定有利。场地内及附近不存在断裂构造、滑坡、崩塌、泥石流、塌陷、液化土层等不良地质作用，地质条件较好，在充分作好防排水工作后，场地适宜修建。
2.2.2 设计方案
弃土前自然地面应按宽度1-2米进行挖台阶处理，弃土密实度不低于0.85；弃土场堆放弃土前，应按设计图位置设置拦渣坝以防止土石滑移，拦渣坝也可以根据工程进度计划自行调整设置位置；弃土场外侧在山腰位置依山势设置排水沟，将降雨时的地表水进行汇流，做好拦排水，防止雨水在新弃土表面形成径流，对新地表冲刷造成水土流失，对弃土场下方造成危害及污染；弃土场底部设置片石盲沟排水，保证渣体内的水能畅通排出；各级弃土堆弃高度为6～8m，坡比1：2，分层填筑分层碾压，严禁未经碾压直接摊铺新土层；各级之间设置反压平台，平台宽度不小于20m，弃土场前后缘高差约76m，堆砌完毕后整个弃土场为一缓坡；施工完成后，对弃土场进行全面环保绿化处理，坡面、平台及顶面进行植草或灌、乔木绿化防护，尽快恢复生态环境，以减少水土流失及绿地、耕地的损坏。
图2.2-3 1#弃土场主剖面设计图
3.弃土场稳定性分析
3.1 影响弃土场稳定性的因素
影响弃土场边坡稳定性的因素，主要分为内部因素和外部因素。内部因素主要包含：边坡坡率、坡高、坡形，组成边坡的岩土体性质、岩土体结构、地应力等，它们决定边坡变形的形式和规模，对边坡稳定起控制性作用，是边坡变形的先决条件。外部因素主要包括水的作用、工程作用、振动等，只有通过内在因素，才能对边坡稳定性起破坏作用，或者促进边坡变形的发生和发展。边坡失稳变形和破坏一般是内在和外在各种因素综合作用的结果。
3.2 计算模型及工况
根据弃土场设计方案，边坡特点，结合稳定性影响因素，采用基于FLAC3D有限元分析中的强度折减法进行弃土场的稳定性分析。基本原理是将场地内渣体的强度参数C，ψ值通过不同折减系数折减，反复计算分析，直到坡体达到临界失稳状态，此状态下的折减系数即安全系数。根据规范要求，满足边坡稳定的抗滑移稳定安全系数Ks≥1.3。
计算模型模拟了弃土场场地、渣体、拦渣墙，计算域两侧采用法向位移约束，底部采用全约束。
图3.2-2 强度折减系数为1.44时，最大剪应变云图
图3.2-4 临界状态下的强度折减系数K
根据典型监测点的速度和系统最大不平衡力的曲线，当强度折减系数K=1.44时，曲线开始不趋于零，即不收敛，表征坡表监测点开始失稳，边坡处于临界稳定状态，因此可以判断边坡的稳定安全系数为1.44，大于抗滑移稳定安全系数1.3，满足边坡稳定性条件。
4.结论与建议
计算结果表明在最不利地震+暴雨工况双重作用下，弃土场在稳定性最不利的主剖面上整体稳定性均能满足要求。地震和暴雨是影响弃土场边坡稳定性的主要因素。建议精确计算弃土场汇水面积，保质保量完成周围排水沟的设计及施工，雨季加强巡逻，保质排水沟畅通，避免弃渣体局部溜滑或形成泥石流。弃渣场的堆填完毕后，建议对弃渣场进行稳定性监测，监测周期不应少于3个水文年，雨季应加强监测频率。
当今高速公路设计更加注重生态环保理念，弃土场综合设计已成为工程总体设计的重要组成部分。本文简要阐述了山区弃土场的选址原则、设计方案及工程措施，依托工程实例，采用数值模拟分析方法进行了弃土场边坡稳定性分析，可供类似项目参考。
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论文作者:杨俊
论文发表刊物:《防护工程》2018年第31期
论文发表时间:2019/1/17
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