一种弃渣工程中长期环境安全的综合安全控制方法
技术领域
本发明属于岩土工程
技术领域
，具体涉及一种弃渣工程中长期环境安全的综合安全控制方法。背景技术
随着国家铁路战略的实施，西南山区高速公路和铁路建设步入快速发展。西南山区地形陡峻，河谷深切，海拔高，地震烈度高，地质条件和构造复杂，这种独特的区域地质地理条件决定了山区交通工程建设桥隧比大，面临严峻的土石方平衡挑战和中长期环境安全管控难题。
当前我国对于弃渣场的管理多数依据水利部发布的工程建设水土保持的一系列法律法规执行，实际工作中多借鉴水利工程弃渣场、矿山排土场、固体废弃物堆填场的做法，还没有一部反映交通工程特点的弃渣场综合安全控制技术规范。相关工作的标准化还严重不足。
当前交通工程弃渣场的普遍做法如下：前期选定弃渣场地，依据现实条件选择满足法律法规要求的足够堆积的场地即可；清表；弃渣，要求分层碾压，但在实际过程中多采用斜坡自然倾泻堆积；整形封闭；分阶段施作拦渣墙和渠道系统，是先施作拦渣墙和边沟，后施作坡面截排水沟。选址由勘察设计单位进行，施工由施工单位实施，评估由水土保持单位或者有专业资质的评估单位完成。因此，目前交通工程弃渣场的综合安全控制各环节是割裂的，没有无缝衔接，缺少标准化。而且有表面泛化的趋势，即流于程序，缺乏针对性，尤其是在当前环保态势日益高压条件下，其危害需要引起重视和警惕。
根据统计得到的弃渣场工程问题和安全应对，有以下几类：
(1)场地问题，选址、淸表不彻底或者场地有不良地质造成地基承载失稳。这部分出现问题一般是勘察选址和施工前工作不足造成的，需要勘察单位和施工单位密切配合业主一起解决，同时水土保持评估单位和稳定性专题评估单位的提前介入也很重要；
(2)弃渣堆积造成的工程问题，对于多来源弃渣，一般严禁不良渣体堆积的底部或者表面，多数采取金包银的方式规划堆积，同时严格依据渣土性质设计坡率，问题的产生多数在于过高过陡；
(3)主体结构功能丧失造成的次生灾害，渠道系统截排上部来水和坡面汇水，水的影响得到有效控制条件下，一般弃渣边坡不会有大的问题。拦渣墙主要是基底要坐落在稳定且承载足够的地基上，否则固脚和拦挡效果将大大折扣。
山区交通项目弃渣工程阶段安全管控的割裂和条块分割现状，决定了需要建立能够体现综合安全思想的山区交通项目弃渣工程综合安全控制技术体系，需要各阶段和各环节具体安全控制小目标或者有限目标达成基础上的山区交通项目弃渣工程中长期环境安全控制目标的实现，过程安全控制的标准化促成山区交通项目弃渣工程综合安全的标准化。
发明内容
针对上述问题，本发明提供了一种弃渣工程中长期环境安全的综合安全控制方法
为了实现上述目的，本发明涉及：一种弃渣工程中长期环境安全的综合安全控制方法，包括如下步骤：
步骤1.弃渣场场地稳定性控制：确定选择的弃渣场地范围内没有不良地质、特殊岩土体、软弱地层的影响，规划堆高条件下的弃渣造成的上部加载小于地基承载力，并通过初始地形情况计算场地的优选系数，确定符合的优选场地位置；
步骤2.弃渣场场地安全控制：施工前清表和台阶整形控制；
步骤3.进行弃渣边坡稳定性和安全控制；
步骤4.进行常规台阶和宽台阶间隔设置；通过2-3m常规台阶和不小于5.0宽台阶的组合设置，单级坡高不大于20m；达成控制坡率下的边坡整形设计。
步骤5.进行施工期安全控制；在弃渣堆排前，应该首先施作拦渣墙，先拦后堆排，固脚；同时对上部来水实现截排和管控，防治坡脚冲刷和掏蚀；规划堆积，堆积过程中控制临空面，即坡面与自然地形调直，减少临空面，严禁斜交堆排；堆排过程中由后往前，由低往高，严禁抵近拦渣墙堆排，距离拦渣墙要有足够距离，为将来由高往低刷坡保证足够距离；整形坡率应小于统计的弃渣天然休止角平均值；
步骤6、进行主体结构安全控制，即主体结构的安全管控，包括拦渣墙稳定性控制和渠道排泄性能控制；
步骤7、进行主体结构安全辅助控制。
进一步的，所述步骤一中通过初始地形情况计算场地的优选系数，确定符合的优选场地地址的方法为：定义场地优选系数F1为临空面积S1除以临空部分底面水平投影面积S2，利用平面图、规划堆积方量和规划堆积形态，计算得到场地的优选系数；分类，根据初始地形将弃渣场分为沟谷型、边帮型、山梁型、平地型4类场地，沟谷型仅下游单面临空，F1小于0.5；边帮型主要是外坡向临空，其余两侧临空有限，F1位于0.5-1.0之间；山梁型三面临空，F1大于1.0；平底型四侧临空，F1大于1.0；弃渣场场地优选系数的排序为沟谷型场地<边帮型场地<山梁型场地<平地场地，该指标越小稳定性越好场地越优秀。
进一步的，所述步骤二中施工前清表和台阶整形控制的方法为：对确定的场地，在弃渣前，要进行清除表土工作，清除厚度在0.3-0.5m，目标是清至自然残坡积土层，局部不良土体厚度不大，则全部挖除，厚度较大或者埋深较大则需单独处置，这部分土有条件的时候要堆放在附近，将来方便作为复耕复垦的覆盖土体，严禁直接堆排；清表完成后，自然地面要整形成系列台阶，严禁斜坡堆排，台阶高度不小于0.5m，台阶随清表地面设置，该工序可增强弃渣和自然地面的相互作用，防止弃渣沿该面滑移。
进一步的，所述步骤3进行弃渣边坡稳定性和安全控制的方法为:具体步骤为：
步骤3.1：弃渣的规划堆积：规划堆积原则为金包银，即性质好的放在底部和表面，性质相对较差的放在中间，严禁坡角堆积和表面堆积性质较差的渣土；
步骤3.2：弃渣过程的多阶段极限休止坡角测量和统计分析：弃渣试验和设计参数取值，实际极限排放过程的多阶段休止坡角测量，由于弃渣来源可能多样，所以要定期测量休止坡角，利用天然休止角代替弃渣取样室内外剪切试验，容重测量和颗粒分析继续进行，用于拟合形成大数据下的地区经验公式；
定义粗细比k为粒径大于2mm的粗巨粒含量与粒径小于2mm的中细粒含量之比；利用粗细比和天然休止角的统计特征值，建立整条线路的弃渣工程特性统计公式，将弃渣分为以下3类，细粒弃渣，细粒土的中粗粒含量小于总质量的25％，k<0.3；混合型弃渣，粗细粒含量介于细粒土和粗粒土之间，0.3≤k≤1.0；粗粒弃渣，粗粒含量大于总重量的50％，k>1.0；
k＝md＞2/md≤2 (1)
式中：md＞2为粒径大于2mm的弃渣质量；md≤2为粒径小于2mm的弃渣质量；
绘制整条线路的弃渣粗细比和天然休止角曲线，利用每个弃渣场的粗细比统计平均值插值确定设计所需弃渣天然休止角取值；
步骤3.3：弃渣边坡稳定性计算，无粘性欠固结土石混合弃渣边坡稳定性系数计算公式如下：
式中：F2为弃渣边坡稳定性系数；Φ1为天然休止角统计结果；Φ2为整形后边坡整体坡角。
进一步的，所述步骤3.3中天然休止角测量利用罗盘、手机、全站仪、皮尺、无人机测绘方式测量。
进一步的，所述步骤4中通过设置常规台阶和宽台阶间隔设的具体方法为：
通过2-3m常规台阶和不小于5.0宽台阶的组合设置，单级坡高不大于20m；达成控制坡率下的边坡整形设计。
进一步的，所述步骤7中进行主体结构安全辅助控制的方法为：拦渣墙，要求清槽到基岩，土层较厚的地段埋深要满足抗倾覆和抗滑移稳定性要求，墙体底面和顶面宽度也需要考虑抗倾覆和抗滑移稳定性要求；墙底要有排水管或者盲沟措施，墙身要有排水孔，截面尺寸大于上部来水的排水要求。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
(1)本发明的弃渣工程中长期环境安全的综合安全控制方法，动态稳定性控制工作的前置和量化，传统方法对于场地稳定性的控制，多数通过调查评估和工程地质控制宏观定性的方式，没有具体的量化指标，本专利通过定义场地优系数的方法提出了山区交通工程弃渣场场地的优选量化指标，该指标越小越好，因为临空面越少，则安全性相对于临空面多的要改善很多，从场地角度提出了有利于未来弃渣场安全控制的量化指标，也将山区交通工程弃渣场中长期环境安全的综合控制目标延伸到弃渣场选址阶段和场地稳定性控制阶段。阶段安全目标和整体安全目标的一致，保证相关工作的衔接性。保证了弃渣场不会出现根本性的场地稳定风险。
(2)本发明的弃渣工程中长期环境安全的综合安全控制方法，传统弃渣工程性质的测试，需要现场灌砂试验和取扰动样进行室内颗分及直剪试验，为弃渣边坡稳定性控制提供容重和强度参数，存在取样代表性和实验结果的代表性难题，费效比偏低。本专利根据不同来源和不同阶段的弃渣，现场测定其排放坡角和粒组组成及堆积特征，包括终了整形坡角的测量，绘制粗细比-天然休止角曲线，根据曲线对弃渣进行分类，为计算提供天然休止角统计特征值，为临时和永久弃渣边坡设计和稳定控制推荐控制坡率。解决了代表性难题，且测试项目变少，容易实现。
(3)本发明的弃渣工程中长期环境安全的综合安全控制方法，保障了系统量化评估，保证了弃渣场不会出现根本性的场地稳定风险；测试项目变少，解决了取样的代表性和试验的代表性难题；坡率、多阶段极限排放坡角的统计特征值、宽台阶分别具有一定保守特征(休止角一般比内摩擦角小5-10°)、整形坡率小于坡角、宽台阶将高边坡分割为几个有限高度弃渣边坡提升了整体稳定性，场地稳定和边坡稳定综合保障了弃渣工程的中长期环境安全，减少和控制了弃渣工程发生事故的风险。。
附图说明
图1为本发明较佳实施例的流程示意图；
图2为本发明较佳实施例的基于坡率和休止角的弃渣边坡稳定性计算简图(横坐标为弃渣颗粒粗细混杂程度，纵坐标为天然休止角角度)；
图3为基于坡率和休止角的弃渣边坡稳定性计算简图(D1-整形前渣土堆积地形；D2整形后终了渣土地形)；
图4为设置宽窄台阶组合的结构示意图；
图5为本发明较佳实施例的稳定性系数随台阶宽度变化计算图(横坐标为台阶宽度，纵坐标为稳定性系数)；
图6为本发明较佳实施例的安全系数政府随台阶宽度变化计算图(横坐标为台阶宽度，纵坐标为安全系数增幅)；
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
请参考图1，一种弃渣工程中长期环境安全的综合安全控制方法，包括如下步骤：
步骤1.弃渣场场地稳定性控制：确定选择的弃渣场地范围内没有不良地质、特殊岩土体、软弱地层等的影响，规划堆高条件下的弃渣造成的上部加载小于地基承载力，并通过初始地形情况计算场地的优选系数，确定符合的优选场地地址；
步骤2.弃渣场场地安全控制：对确定的场地，在弃渣前，要进行清除表土工作，清除厚度一般在0.3-0.5m，目标是清至自然残坡积土层，局部不良土体厚度不大，则全部挖除，厚度较大则需单独处置，这部分土有条件的时候要堆放在附近，将来方便作为复耕复垦的覆盖土体，严禁直接堆排。清表完成后，自然地面要整形成系列台阶，严禁斜坡堆排，台阶高度不小于0.5m，台阶随清表地面设置，该工序可增强弃渣和自然地面的相互作用，防止弃渣沿该面滑移；
步骤3.弃渣边坡稳定性和安全控制：包括，
步骤3.1：弃渣的规划堆积：规划堆积原则为金包银，即性质好的放在底部和表面，性质相对较差的放在中间，严禁坡角堆积和表面堆积性质较差的渣土。
步骤3.2：弃渣过程的多阶段极限休止坡角测量和统计分析：弃渣试验和设计参数取值，实际极限排放过程的多阶段休止坡角测量，由于弃渣来源可能多样，所以要定期测量休止坡角，利用天然休止角代替弃渣取样室内外剪切试验，解决取样代表性和试验代表性难题，容重测量和颗粒分析继续进行，用于拟合形成大数据下的地区经验公式；定义粗细比k为粒径大于2mm的粗巨粒含量与粒径小于2mm的中细粒含量之比；利用粗细比和天然休止角的统计特征值，建立整条线路的弃渣工程特性统计公式，将弃渣分为以下3类，细粒弃渣，细粒土的中粗粒含量小于总质量的25％，k<0.3；混合型弃渣，粗细粒含量介于细粒土和粗粒土之间，0.3≤k≤1.0；粗粒弃渣，粗粒含量大于总重量的50％，k>1.0；。
弃渣粗细比k为粒径大于2mm的粗巨粒含量与粒径小于2mm的中细粒含量之比：仅涉及两个角度，参数少，且容易测定，公式简单易操作，且保守特征显著。
k＝md＞2/md≤2 (1)
式中：md＞2为粒径大于2mm的弃渣质量；md≤2为粒径小于2mm的弃渣质量。
请参考图2，绘制整条线路的弃渣粗细比和天然休止角曲线，利用每个弃渣场的粗细比统计平均值插值确定设计所需弃渣天然休止角取值。
步骤3.3：弃渣边坡稳定性控制，请参考图3，无粘性欠固结土石混合弃渣边坡稳定性系数计算公式如下：
式中：F2为弃渣边坡稳定性系数；Φ1为天然休止角统计结果(天然休止角测量利用罗盘、手机、全站仪、皮尺、无人机测绘等方式测量)；Φ2为整形后边坡整体坡角。
步骤4.请参考图4-图6，常规台阶和宽台阶间隔设置：常规台阶宽度一般是2-3m，这里需要间隔1-2级坡设置宽台阶，宽台阶最佳宽度5m，这是经过优化计算确定的宽度(计算图见图5、图6)，再宽经济性丧失，加固机理在于将高边坡改变为几个高度有限边坡，有效提升了边坡的整体稳定状态；通过设置宽窄台阶组合，形成对弃渣边坡中长期整体稳定性的有效提升和改善：
步骤5.施工期安全控制；在弃渣堆排前，应该首先施作拦渣墙，先拦后堆排，固脚；同时对上部来水实现截排和管控，防治坡脚冲刷和掏蚀；规划堆积，堆积过程中控制临空面，即坡面与自然地形尽可能调直，减少临空面，严禁斜交堆排；堆排过程中由后往前，由低往高，严禁抵近拦渣墙堆排，距离拦渣墙要有足够距离，为将来由高往低刷坡保证足够距离；整形坡率应小于统计的弃渣天然休止角平均值；
步骤6.主体结构安全控制，即主体结构的安全管控，主要是拦渣墙稳定性控制和渠道排泄性能控制，对拦渣墙的基槽、墙体几何尺寸验算、渠道截面尺寸满足上部来水或者坡面汇水的排泄要求等进行验算，拦渣墙满足抗倾覆和抗滑移稳定性要求，边沟渠道满足上部来水的排泄要求，坡面截排水沟满足坡面汇水的排泄要求；
步骤7.主体结构安全辅助控制，拦渣墙，要求清槽到基岩，土层较厚的地段埋深要满足抗倾覆和抗滑移稳定性要求，墙体底面和顶面宽度也需要考虑抗倾覆和抗滑移稳定性要求，
墙底要有排水管或者盲沟措施，墙身要有排水孔，截面尺寸大于上部来水的排水要求，先期可以采取临时渠道，后期采取永久渠道；坡面渠道底部一般为弃渣，截面尺寸大于坡面汇水的排水要求，先期可以采取临时渠道，过一个雨季后再施作永久渠道，也方便考察渠道系统设的是否合适，后期可根据冲刷情况做出调整，这些措施可有效防止渠道开裂、雨水入渗等造成的不利影响。
所述步骤一中通过初始地形情况计算场地的优选系数，确定符合的优选场地地址的方法为：定义场地优选系数F1为临空面积S1除以临空部分底面水平投影面积S2，利用平面图、规划堆积方量和规划堆积形态，计算得到场地的优选系数；分类，根据初始地形将弃渣场分为沟谷型、边帮型、山梁型、平地型等4类场地，沟谷型仅下游单面临空，F1小于0.5；边帮型主要是外坡向临空，其余两侧临空有限，F1一般位于0.5-1.0之间；山梁型三面临空，F1大于1.0；平底型四侧临空，F1大于1.0；渣场地优选系数的排序为沟谷型场地<边帮型场地<山梁型场地<平地场地，其中山梁型场地堆积方量有限，且高度较大，效能最低，需尽量避免；最终确定符合的优选场地。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
