棄渣場擴容條件下渣體邊坡穩(wěn)定性影響因素研究

劉志明

（中鐵第四勘察設計院集團有限公司 湖北武漢 430063）

1 引言

基礎設施施工過程中常涉及大量的挖填方工程，產(chǎn)生較大的廢棄渣土，由于受堆渣場地的限制，需要對既有棄渣場進行擴容堆填。以往的擴容堆渣常沿原有渣體坡面進行堆填，但此堆填方法形成的渣體邊坡穩(wěn)定性較差，極易發(fā)生垮塌，如深圳紅坳棄土場滑坡災難，造成極大人員、財產(chǎn)損失，社會影響惡劣［1］。由于棄渣體失穩(wěn)垮塌往往會影響垮塌方向范圍內(nèi)敏感地區(qū)的安全［2］，所以相關部門也對棄渣場的場址選擇和堆高高度進行技術規(guī)范要求［3］，棄渣場則須滿足邊坡安全穩(wěn)定和水土流失防治原則［4］。

近年來針對棄渣場邊坡安全性評估及穩(wěn)定性分析已有一定的研究成果。劉浩等［5］利用方差分析和正交試驗方法分析了內(nèi)摩擦角、黏聚力、坡率、堆高、渣體重度和下伏傾角等六個因素對棄渣場敏感性影響。吳振君等［6］采用可靠度分析方法進行邊坡穩(wěn)定影響因素敏感性分析。Bai［7］通過研究認為降雨強度與邊坡穩(wěn)定性有很大關系。彭立等［8］對山區(qū)棄渣場選址進行分類，并對渣體邊坡進行穩(wěn)定性計算。徐有飛等［9］提出山區(qū)棄土場設計原則和思路。王明慧等［10］針對渝萬鐵路提出山區(qū)棄渣場設計、選址及建造的基本原則。Lei［11］研究降雨入滲細顆粒遷移對邊坡穩(wěn)定性的影響。劉建偉等［12］通過研究發(fā)現(xiàn)新形成的棄渣體坡面自上而下其內(nèi)摩擦角逐漸增大。

上述研究主要從棄渣場力學參數(shù)、渣體坡度、場址選取、滲流特征等影響因素進行研究，但對于棄渣場擴容條件下其堆填方式、降雨情況以及地震條件對其穩(wěn)定性影響分析研究鮮有報道。在現(xiàn)有的工程建設過程中受地形條件限制及建設用地緊張等問題，考慮在既有棄渣場的基礎上進行棄渣場擴容堆填十分必要，對于棄渣場擴容過程中相關影響因素研究具有重要意義。

本文以既有渣場擴容堆填為研究對象，在現(xiàn)場調(diào)查和理論分析的基礎上，采用Geo-Studio軟件研究擴容堆填條件下渣體邊坡穩(wěn)定性的影響因素，得到最優(yōu)堆填方案和控制因素，以期對類似工程提供借鑒。

2 棄渣場邊坡工程概況

本棄渣場位于福建省龍巖市，場區(qū)地形狹長，坡面沖刷強烈，溝底出露地層以全風化及強風化粉砂巖為主，該區(qū)域地表水受大氣降水影響，地下水以孔隙潛水為主。原有棄渣來源于鄰近工程施工棄渣，以石質(zhì)棄渣為主，棄渣方量為39萬m3，最大堆填高度為83 m。因原渣場附近發(fā)生滑坡，需對滑坡體進行清載，清載方量為26.7萬m3，受棄渣場地限制需在原棄渣體的基礎上進行滑坡體的棄方堆填。

3 穩(wěn)定性計算模型及參數(shù)選取

3.1 計算模型

棄渣場失穩(wěn)通常分為兩種，一種是棄渣體沿渣體與地層接觸面發(fā)生整體滑移，另一種是由于渣體內(nèi)部形成滑動面而造成渣體邊坡局部失穩(wěn)。

（1）對于沿基底滑動的整體穩(wěn)定性本文采用傳遞系數(shù)法進行計算，求解公式：

式中：Ri＝Nitg φi＋ cili；Fs為穩(wěn)定性系數(shù)；Ri為作用于第i塊段的抗滑力（kN／m）；φi為第i塊段滑帶體的內(nèi)摩擦角（°）；ci為第 i塊段滑帶體的黏聚力（kPa）；li為第 i塊段滑動面長度（m）；Ti為作用于第i塊滑動面上的滑動分力（kN／m）；Ψj為傳遞系數(shù)。

（2）對于沿邊坡內(nèi)部滑移失穩(wěn)，本文采用Geo-Studio的SLOPE／W和SEEP／W模塊考慮在滲流條件下搜索棄渣體內(nèi)部圓弧滑面，建立棄渣場穩(wěn)定性計算模型，見圖1。

3.2 計算工況

本文計算在不同工況條件下不同擴容堆填方式棄渣場的穩(wěn)定性，不同工況包括天然工況、非正常工況Ⅰ（降雨工況）和非正常工況Ⅱ（降雨、地震工況）。降雨強度按照本地區(qū)百年一遇極端暴雨值進行計算，見表1。在棄渣體邊坡頂部及斜坡表面設置降雨邊界條件，計算得到棄渣場暴雨工況下的滲流場分布；暴雨、地震工況則在設置降雨邊界條件的前提下，施加水平地震荷載，水平地震作用修正系數(shù)取值0.25。

表1 棄渣場區(qū)域百年一遇雨量值

3.3 邊界條件

降雨強度和表層土體滲透系數(shù)是制約雨水滲流的主要影響因素。當表層土體滲透系數(shù)大于降雨強度時，雨水滲流速率即為暴雨強度，邊界條件表示為式（2）：

當表層土體滲透系數(shù)小于降雨強度時，雨水沿坡面部分流失，此時滲流速率為巖土體自身入滲能力，邊界條件表示為式（3）：

3.4 巖土物理力學參數(shù)

原狀棄渣體以塊礫石為主，擴容棄渣體以土質(zhì)為主，兩階段堆渣體力學指標存在一定差異。采用材料模型為Mohr-Coulomb模型，渣體物理力學參數(shù)通過參數(shù)反演法及地區(qū)經(jīng)驗值綜合考慮選取，見表2。

表2 巖土體物理力學參數(shù)

3.5 穩(wěn)定性控制標準

參考《建筑邊坡工程技術規(guī)范》（GB 50330—2013）、《水土保持工程設計規(guī)范》（GB 51018—2014）以及《水利水電工程邊坡設計規(guī)范》（SL 386—2007）中相關規(guī)定，結合本棄渣場的規(guī)模、周邊敏感點分布、邊坡失穩(wěn)后危害程度，確定本工點各種工況條件下穩(wěn)定安全系數(shù)控制標準，見表3。

表3 棄渣場抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)

4 考慮堆填位置的棄渣場邊坡穩(wěn)定性研究

本文對棄渣場擴容穩(wěn)定性評價主要從原渣場穩(wěn)定性和擴容堆渣后渣場整體和局部穩(wěn)定性進行評估，根據(jù)評估計算結果得到最優(yōu)堆渣方案。評估流程見圖2。

4.1 堆填方案

在確認堆渣場地滿足地質(zhì)條件穩(wěn)定、經(jīng)濟合理、容量科學等可行性初判條件的基礎上，為更好地反映棄渣場擴容堆填對棄渣場邊坡穩(wěn)定的影響，本文結合常規(guī)棄渣場堆填形式，將堆填方式分為a坡頂覆蓋加高式、b坡面擴展推移式和c分散式三種形式，其中a、b兩種堆填方式為常見類型。

a坡頂覆蓋加高式將二次棄渣物質(zhì)全部堆放于原棄渣場渣體之上，此方法可以較好保留原有棄渣體邊坡坡率；b坡面擴展推移式將二次棄渣物質(zhì)順原有渣體邊坡堆放至坡腳處，可充分利用原渣場地形條件；c分散填筑式將坡頂覆蓋式和壓坡腳式兩種堆填位置相結合，分散堆填。各堆填方式剖面見圖3。

4.2 堆填方案選取

渣場整體穩(wěn)定性采用傳遞系數(shù)法進行計算，原渣場整體穩(wěn)定性系數(shù)計算結果分別為2.51（天然工況）、1.83（暴雨工況）和1.74（暴雨＋地震工況），均滿足穩(wěn)定標準。

邊坡局部穩(wěn)定性采用Geo-Studio計算得到考慮圓弧滑面的畢肖普（Bishop）法安全系數(shù)以及考慮任意形狀滑面的摩根斯坦 －普賴斯（Morgenstem-Price）法安全系數(shù)，將兩種計算結果中的最小值與控制標準比較，得到其判定結果見表4。

表4 原渣場局部穩(wěn)定性計算結果

從表4可以看出，原渣場穩(wěn)定性滿足相關控制標準，且穩(wěn)定性較高，適合開展渣場擴容堆填。

4.3 擴容堆填后邊坡穩(wěn)定性分析

分別計算在不同工況條件下三種堆填方式形成棄渣體的整體穩(wěn)定性和局部穩(wěn)定性。邊坡整體穩(wěn)定性和局部穩(wěn)定性計算均采用同樣的計算方法。

（1）擴容堆填后邊坡整體穩(wěn)定性分析

根據(jù)計算結果，繪制棄渣體邊坡整體穩(wěn)定安全系數(shù)隨不同工況條件的變化曲線，見圖4?？梢钥闯?，在三種不同堆填方式下棄渣體邊坡整體穩(wěn)定性均大于1.30，穩(wěn)定性較好。

（2）擴容堆填后邊坡局部穩(wěn)定性分析

根據(jù)邊坡局部穩(wěn)定性計算結果，繪制邊坡局部安全系數(shù)隨不同工況的變化曲線，見圖5。

可以看出，在天然工況下三種堆填方式邊坡穩(wěn)定性安全系數(shù)均大于1.3。在暴雨或暴雨＋地震工況條件下，采用常規(guī)的a坡頂覆蓋加高式和b坡面擴展推移式邊坡局部穩(wěn)定安全系數(shù)均小于1.15，邊坡處于不穩(wěn)定狀態(tài)；采用c分散式堆填方式邊坡局部穩(wěn)定安全系數(shù)大于1.15，邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)。

由以上計算結果顯示，采取分散式堆填具有較高安全穩(wěn)定性，而采取a坡頂覆蓋加高式和b坡面擴展推移式兩種常規(guī)堆填方法，在遭遇惡劣工況條件下安全穩(wěn)定性普遍較低，存在較大失穩(wěn)風險。

5 棄渣體邊坡穩(wěn)定性影響因素分析

（1）堆填方式的影響

結合圖4和圖5曲線可知，不同堆填方式對渣體邊坡穩(wěn)定性具有較大影響，邊坡安全系數(shù)關系為：分散式＞坡面擴展推移式＞坡頂覆蓋加高式，在暴雨＋地震工況下采用分散式堆積相較于坡頂覆蓋式堆積其邊坡整體穩(wěn)定性提高66.4%，局部穩(wěn)定性提高7.7%。

坡頂覆蓋加高式在原渣體渣頂基礎上堆渣，一方面增大原渣體下滑力，另一方面在擴容渣體與原渣體接觸面處容易形成滑動面，增大渣體下滑風險。坡面擴展推移式在原渣體坡面基礎上向坡腳堆填，受坡腳堆填空間及擴容渣體方量控制，其渣體邊坡較陡，容易發(fā)生垮塌。分散式堆積結合坡面擴展推移式和坡頂覆蓋加高式堆填方法，在坡腳堆積可對原渣體形成坡腳反壓，坡頂堆積可擴展堆渣容量，邊坡較緩，穩(wěn)定性較高。

（2）工況條件的影響

從圖4和圖5曲線可知，暴雨因素對棄渣體穩(wěn)定影響較大。在暴雨工況條件下相較于天然工況棄渣體邊坡整體穩(wěn)定性降低26.1%，局部穩(wěn)定性降低23.2%?？梢姳┯暌蛩厥怯绊戇吰路€(wěn)定性的主要因素。

持續(xù)強降雨導致地表水大量下滲，沿坡降方向形成淺表徑流導致渣土體由天然工況下的非飽和狀態(tài)轉(zhuǎn)化為暴雨工況下的飽和狀態(tài)，其容重增加，黏聚力、內(nèi)摩擦角等抗滑指標降低，渣體抗滑強度衰減顯著，受重度增加影響，渣體下滑力增加，導致渣體穩(wěn)定性系數(shù)降低。

綜上，暴雨條件對邊坡穩(wěn)定性的影響權重最大，其次為擴容渣體堆填方式。因此在擴容堆填過程中應充分考慮暴雨等惡劣工況和堆填方式的影響，加強渣場邊坡排水結構措施及擴容渣體堆填位置選擇。通過對不同堆填位置條件下邊坡安全系數(shù)的計算，推薦采用分散式堆填方法。

6 結論

本文通過對坡頂覆蓋加高式、坡面擴展推移式以及分散式三種渣體擴容堆填方式進行穩(wěn)定性計算分析，得出如下結論：

（1）通過對邊坡穩(wěn)定性安全系數(shù)計算，采取分散式擴容堆填方式相較于常規(guī)堆填擴容方式安全穩(wěn)定性明顯提高。

（2）采取a坡頂覆蓋加高式和b坡面擴展推移式兩種常規(guī)堆填方法，在惡劣工況條件下安全穩(wěn)定性普遍較低，存在較大的失穩(wěn)風險。

（3）棄渣體邊坡穩(wěn)定性影響因素中，暴雨對邊坡穩(wěn)定性的影響最大，其次為擴容渣體堆填方式。

因此，在加強渣場邊坡排水結構措施的基礎上應充分考慮采用分散堆填的方法對原棄渣場進行擴容。