基于Geo Studio棄土場穩(wěn)定性評(píng)估

鄭鶴丹，陳 強(qiáng)，王 超，周志鴻

(1.西南交通大學(xué)地球科學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，四川成都 610031；2.中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，湖北武漢 430063)

1 棄土場概況

棄土場位于廣東省陽江市陽東區(qū)大溝鎮(zhèn)許村，深茂鐵路DK259+420右側(cè)路塹邊坡外30 m，棄土場長軸方向與線路近似平行。棄土場為1～2級(jí)邊坡，其中東北側(cè)邊坡設(shè)計(jì)為二級(jí)邊坡，一級(jí)邊坡坡度為37 °，坡高7.5 m，平臺(tái)寬4～4.5 m；二級(jí)邊坡坡度為30 °，坡高4.5 m。該棄土場占地面積0.972 3 km2，棄土方量為10×104m3，最大堆土高度約為16 m。

2 棄土場工程地質(zhì)條件

2.1 地形地貌

棄土場所在地區(qū)為丘陵地貌和丘間谷地，丘坡地形起伏較大，自然坡角5～25 °相對(duì)高差10～30 m。地表植被較發(fā)育，多為灌木、桉樹、荔枝樹，谷地地勢較平緩，多為菜地及水田。棄土體堆積于丘陵鞍部位置，確定棄土場為坡谷型棄土場，棄土頂部平緩，邊坡高度較高。

2.2 區(qū)域地層巖性

利用棄土場現(xiàn)場鉆孔資料，評(píng)估區(qū)域分布的地層主要為人工填土(Q4ml)、第四系坡殘積(Q4el+dl)粉質(zhì)黏土、燕山期(γ52)花崗巖。人工填土(Q4ml)：黃褐色，稍濕，欠壓實(shí)，由粉質(zhì)黏土夾碎石組成，局部夾少量塊石，層厚0～15.7 m。第四系坡殘積(Q4el+dl)粉質(zhì)黏土：褐紅色，硬塑，以粉粒為主，層厚約4.70 m。燕山期(γ52)全風(fēng)化花崗巖：褐紅色-褐黃色-褐灰色，層厚約10.10 m。燕山期(γ52)強(qiáng)風(fēng)化花崗巖：褐紅色-褐灰色，裂隙發(fā)育，巖芯破碎，巖芯多呈碎塊狀，少呈塊狀。

2.3 水文地質(zhì)

該棄土場所在區(qū)域內(nèi)谷地地表水發(fā)育，多為溝谷水、水田水、水塘水；谷地地下水較發(fā)育，主要為孔隙水，富存于第四系地層和基巖全風(fēng)化層中，地下水水位埋深0.4～2.1 m，接受大氣降雨補(bǔ)給。丘坡地表水不發(fā)育；地下水弱發(fā)育，主要為孔隙潛水。

3 棄土體現(xiàn)狀及物理力學(xué)參數(shù)

3.1 棄土體現(xiàn)狀

據(jù)了解，棄土場棄土來源于區(qū)間路基、路塹邊坡開挖，主要成分為粉質(zhì)黏土夾碎石，局部夾少量塊石，粒徑在1～20 cm不等，密實(shí)度為欠密實(shí)。根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查，棄土體未被村民利用。

3.2 物理力學(xué)參數(shù)

巖土體物理力學(xué)參數(shù)主要包括棄土、基底土層及巖土體的重度、抗剪強(qiáng)度、含水量、滲透系數(shù)等。在對(duì)棄土場調(diào)查、鉆探的基礎(chǔ)上，結(jié)合鄰近鐵路工程的勘察資料，通過文獻(xiàn)[1-3]和參數(shù)反演法綜合考慮確定穩(wěn)定性計(jì)算參數(shù)。巖土體物理力學(xué)參數(shù)見表1。

4 邊坡穩(wěn)定性分析

4.1 邊坡分級(jí)

棄土場的穩(wěn)定性控制標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)根據(jù)棄土場失穩(wěn)可能造成破壞后果(危及人的生命、造成經(jīng)濟(jì)損失、產(chǎn)生社會(huì)不良影響)的嚴(yán)重性、邊坡類型和坡高等進(jìn)行安全等級(jí)劃分。根據(jù)GB 51018-2014《水土保持工程設(shè)計(jì)規(guī)范》[4]，棄土場抗滑移穩(wěn)定安全系數(shù)不應(yīng)小于表2規(guī)定的數(shù)值。

根據(jù)GB 51018-2014《水土保持工程設(shè)計(jì)規(guī)范》[4]棄土(渣)場級(jí)別應(yīng)根據(jù)堆土(渣)量、堆土(渣)最大高度以及棄土(渣)場失事后對(duì)主體工程或環(huán)境造成危害程度確定，該棄土方量為9.73×104m3，最大堆土高度為15.70 m。棄土場北側(cè)約30 m為深茂鐵路干線，棄土場南側(cè)為施工便道及涵洞，涵洞洞口距離棄土場約35 m。棄土場堆土可能會(huì)對(duì)鐵路路塹邊坡穩(wěn)定性造成影響。根據(jù)以上情況，綜合判定棄土場的級(jí)別為三級(jí)。正常工況時(shí)棄土場穩(wěn)定安全系數(shù)為1.25，非正常工況穩(wěn)定安全系數(shù)為1.10。

表1 棄土場及基底地層物理力學(xué)指標(biāo)

表2 棄土場抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)

4.2 計(jì)算原理

穩(wěn)定性分析采用極限平衡法，因已有不少學(xué)者應(yīng)用極限平衡法分析潛在滑面已經(jīng)取得較好的效果[5]?；跇O限平衡法的邊坡穩(wěn)定分析是最早應(yīng)用并直至目前仍然比較普遍使用的一種定量方法，這種方法經(jīng)過長期的工程實(shí)踐證明是一種有效的工程實(shí)用的方法[6]。首先假設(shè)滑面，確定極限抗滑能力，進(jìn)而求得安全系數(shù)。安全系數(shù)最小值所對(duì)應(yīng)的破壞面為最危險(xiǎn)滑面。

在大多數(shù)情況下，極限平衡法求解邊坡穩(wěn)定問題是不定的，常會(huì)引入假設(shè)。目前，常用的方法有：Fellenius法，簡化Bishop法，Sarma法，Janbu法，Morgenstern-Price法，Spencer法和傳遞系數(shù)法等。由于Morgenstern-Price法[7]可計(jì)算任意形狀滑面，垂直條分，適用于土質(zhì)和巖質(zhì)邊坡。故本次評(píng)估分析利用Geo Stodio軟件[8]采用Morgenstern-Price法進(jìn)行棄土場穩(wěn)定性評(píng)估分析，

4.3 計(jì)算工況

根據(jù)GB 18306-2015《中國地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖》[9]及GB 51018-2014《水土保持工程設(shè)計(jì)規(guī)范》[4]，本棄土場所處位于Ⅶ地震度烈度區(qū)，需考慮地震對(duì)棄土場穩(wěn)定性的影響。故選取以下工況進(jìn)行棄土場的穩(wěn)定性分析。

(1)正常工況(即天然工況)：分析棄土場邊坡能否維持自穩(wěn)，視棄土場勘查時(shí)所處的狀態(tài)為現(xiàn)時(shí)狀態(tài)，亦指棄土場內(nèi)無水的情況，當(dāng)棄土場堆土體堆土不均勻時(shí)，容易在棄土場內(nèi)部發(fā)生滑坡的工況；采用天然狀態(tài)下土體容重、黏聚力、內(nèi)摩擦角值進(jìn)行分析計(jì)算。

(2)非正常工況1(即暴雨工況)：棄土場的穩(wěn)定性應(yīng)能抵抗當(dāng)?shù)馗黝惐┯?，考慮棄土場邊坡處于暴雨或連續(xù)降雨條件，此時(shí)視堆土體全部處于飽水狀態(tài)，在暴雨工況下對(duì)棄土體邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性計(jì)算。本工點(diǎn)分別采用連續(xù)24 h暴雨工況，計(jì)算棄土自重+暴雨下滲條件下邊坡的穩(wěn)定性情況。經(jīng)氣象資料顯示，該區(qū)域百年一遇暴雨24 h降雨量為600 mm。根據(jù)地表徑流系數(shù)經(jīng)驗(yàn)值，棄土場地表徑流系數(shù)為0～0.3，取用0.3，則降雨入滲比例為0.7。對(duì)暴雨量進(jìn)行入滲折算，得到24h暴雨工況設(shè)計(jì)入滲雨量為420 mm，入滲強(qiáng)度為17.5 mm/h。

(3)非正常工況2(即地震工況)：考慮棄土場在正常工況下遭遇Ⅶ度以上(含Ⅶ度)地震。

4.4 邊坡穩(wěn)定性分析

采用極限平衡條分法理論，運(yùn)用Geo-Studio軟件的SLOPE/W模塊和SEEP/W模塊，使用摩根斯坦-普賴斯(Morgenstern-Price)法對(duì)棄土體的穩(wěn)定現(xiàn)狀進(jìn)行計(jì)算分析。現(xiàn)將棄土體按照其堆積形態(tài)劃分為兩個(gè)剖面，棄土體長軸方向?yàn)锳-A’剖面，短軸方向?yàn)锽-B’剖面。

4.4.1 天然工況

極限平衡法穩(wěn)定性分析需要試算多個(gè)滑面，以找出安全系數(shù)最低的滑面[10]。采用Geo-Studio的SLOPE/W模塊搜索圓弧滑面，計(jì)算天然工況下棄土場各剖面的穩(wěn)定性。天然工況下采用Morgenstern-Price法計(jì)算得到的棄土體邊坡穩(wěn)定性系數(shù)結(jié)果及所處狀態(tài)如圖1～圖4所示。

圖1 天然工況下棄土體邊坡最危險(xiǎn)滑弧計(jì)算(A-A’ 右側(cè))

圖2 天然工況下棄土體邊坡最危險(xiǎn)滑弧計(jì)算(A-A’左側(cè))

圖3 天然工況下棄土體邊坡最危險(xiǎn)滑弧計(jì)算(B-B’右側(cè))

圖4 天然工況下棄土體邊坡最危險(xiǎn)滑弧計(jì)算(B-B’左側(cè))

從圖1～圖4中可以看出，該棄渣場最危險(xiǎn)滑面位于棄渣體上部淺層區(qū)域。在正常工況下試算的得到的安全系數(shù)均大于GB 51018—2014《水土保持工程設(shè)計(jì)規(guī)范》[4]規(guī)定的棄渣場抗滑穩(wěn)定系數(shù)，其穩(wěn)定狀態(tài)詳見表3。

表3 天然工況棄土體邊坡穩(wěn)定結(jié)果

4.4.2 暴雨工況

采用Geo-Studio的SEEP/W模塊，暴雨工況設(shè)計(jì)入滲雨量強(qiáng)度表選取降雨入滲強(qiáng)度，在棄土體邊坡頂部及斜坡表面設(shè)置降雨邊界條件，計(jì)算得到棄土場暴雨工況下的滲流場分布，進(jìn)一步采用Geo-Studio中的SLOPE/W模塊計(jì)算棄土場邊坡穩(wěn)定性，搜索各剖面的最危險(xiǎn)滑動(dòng)圓弧。暴雨工況下采用Morgenstern-Price法計(jì)算得到的棄土體邊坡穩(wěn)定性系數(shù)結(jié)果及所處狀態(tài)如圖5～圖8所示。

圖5 暴雨工況下棄土體邊坡最危險(xiǎn)滑弧計(jì)算(A-A’右側(cè))

圖6 暴雨工況下棄土體邊坡最危險(xiǎn)滑弧計(jì)算(A-A’左側(cè))

圖7 暴雨工況下棄土體邊坡最危險(xiǎn)滑弧計(jì)算(B-B’右側(cè))

圖8 暴雨工況下棄土體邊坡最危險(xiǎn)滑弧計(jì)算(B-B’左側(cè))

從圖5～圖8中可以看出，棄渣場最危險(xiǎn)滑面位于棄渣體上部淺層區(qū)域。在暴雨工況下算得到棄土體邊坡穩(wěn)定性系數(shù)結(jié)果及所處狀態(tài)如表4所示，得到的安全系數(shù)均大于GB 51018-2014《水土保持工程設(shè)計(jì)規(guī)范》[4]規(guī)定的棄渣場抗滑穩(wěn)定系數(shù)。

表4 暴雨工況棄土體邊坡穩(wěn)定性結(jié)果

4.4.3 地震工況

采用Geo-Studio的SLOPE/W模塊搜索圓弧滑面，計(jì)算地震工況下棄土場各剖面的穩(wěn)定性。暴雨工況下采用Morgenstern-Price法計(jì)算得到的棄土體邊坡穩(wěn)定性系數(shù)結(jié)果及所處狀態(tài)如圖9～圖12所示。

圖9 地震工況下棄土體邊坡最危險(xiǎn)滑弧計(jì)算(A-A’右側(cè))

圖10 地震工況下棄土體邊坡最危險(xiǎn)滑弧計(jì)算(A-A’左側(cè))

圖11 地震工況下棄土體邊坡最危險(xiǎn)滑弧計(jì)算(B-B’右側(cè))

圖12 地震工況下棄土體邊坡最危險(xiǎn)滑弧計(jì)算(B-B’左側(cè))

從圖9～圖12中可以看出，棄渣場最危險(xiǎn)滑面位于棄渣體上部淺層區(qū)域。在地震工況下算得到棄土體邊坡穩(wěn)定性系數(shù)結(jié)果及所處狀態(tài)如表5所示，得到的安全系數(shù)均大于GB 51018-2014《水土保持工程設(shè)計(jì)規(guī)范》[4]規(guī)定的棄渣場抗滑穩(wěn)定系數(shù)。

采用Geo Studio軟件通過自動(dòng)搜索法對(duì)棄渣場最危險(xiǎn)滑面穩(wěn)定性分析表明，該棄渣場最危險(xiǎn)滑面位于棄渣體上部淺層區(qū)域。所選兩剖面(A-A’，B-B’)在正常工況、非常工況(暴雨工況、地震工況)下的抗滑穩(wěn)定性系數(shù)均大于GB 51018-2014《水土保持工程設(shè)計(jì)規(guī)范》[4]規(guī)定的棄渣場抗滑穩(wěn)定系數(shù)，棄渣場在不同工況下均處于穩(wěn)定狀態(tài)。

表5 地震工況棄土體邊坡穩(wěn)定結(jié)果

5 結(jié)果分析及評(píng)價(jià)

(1)棄土體堆積于丘陵鞍部位置，確定棄土場為坡谷型棄土場，棄土頂部平緩，邊坡高度較高。據(jù)調(diào)查了解，目前棄渣場邊坡未發(fā)生過滑坡現(xiàn)象。

(2)采用Geo Studio軟件對(duì)棄土場典型剖面進(jìn)行在正常工況、非常工況(暴雨工況、地震工況)下棄土體邊坡穩(wěn)定性計(jì)算和最危險(xiǎn)滑弧面搜索。計(jì)算結(jié)果表明該棄土場邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)在天然工況下均大于1.858，非常工況下均大于1.389(暴雨工況下大于1.389，地震工況下大于1.421)。參照前文的穩(wěn)定性控制標(biāo)準(zhǔn)，該棄土場邊坡目前處于穩(wěn)定狀態(tài)，且在非常工況下發(fā)生滑移失穩(wěn)的可能性較小。