水位變化與降雨耦合條件下四川某渣場邊坡穩(wěn)定性研究

陳鵬飛 姜文杰 魏益平 陳 陽

(1.中國有色金屬工業(yè)昆明勘察設(shè)計研究院有限公司，云南 昆明 650000; 2.中國水利水電第十工程局有限公司,四川 成都 610000； 3.成都索貝數(shù)碼科技股份有限公司,四川 成都 610000； 4.成都蜀漢生態(tài)環(huán)境有限公司，四川 成都 610000)

1 工程概況

渣場位于弄弄坪廠區(qū)北側(cè)，前緣直抵金沙江。經(jīng)多年堆填高爐爐渣，在弄弄溝溝口北側(cè)沿金沙江岸坡形成了渣場平臺，平面呈四邊形，長約500 m，前緣最大寬度約770 m，后部平均寬度約290 m，最大厚度達100 m，面積約0.26 km2，總體積約2 000萬m3。上部渣體已堆積到斜坡坡腰地段，下部渣體已堆積至金沙江邊，坡腳已修筑高達18 m的擋墻，墻面平直，未發(fā)現(xiàn)鼓肚、變形、開裂等變形破壞跡象。

該堆填體前緣臨江，主要由松散爐渣、熱熔爐渣構(gòu)成，特別熱熔爐渣厚度很大，厚達100余米，因而該堆填邊坡自身的高度大，結(jié)構(gòu)和成分較為復(fù)雜，容易受到前緣江水的沖刷掏蝕，同時熱熔爐渣抗風(fēng)化、氧化能力較差，其力學(xué)強度在降雨滲透淋濾作用下會降低，邊坡及其擋墻的穩(wěn)定程度隨之降低。堆填體邊坡一旦產(chǎn)生變形破壞，其危害將十分嚴(yán)重。在國內(nèi)已有堆渣場、排土場邊坡失穩(wěn)的案例，造成了重大人員傷亡和不良社會影響，例如2015年12月20日發(fā)生的深圳光明新區(qū)渣土受納場滑坡[1]。因此，開展渣場堆填體邊坡穩(wěn)定性研究是十分必要的。

2 工程地質(zhì)特征分析

2.1 堆填體基本形態(tài)特征

渣場頂部平臺高程1 105.23 m～1 105.61 m，超過金沙江江面約114 m。在渣場西北側(cè)形成較陡的渣體人工邊坡，坡度35°～40°，坡上主要堆積廢棄松散渣粒，整個堆渣體長約500 m，前緣最大寬度約770 m，后部平均寬度約290 m，最大厚度達100 m，平面面積約0.26 km2，總體積約2 000萬m3。堆填體邊坡前緣以擋墻為界，左側(cè)邊界位于沖溝內(nèi)部，右側(cè)邊界大致沿渣體平臺與山體交界線至堆填體邊坡與基巖分界線。堆渣體中上部有一個平臺，為運渣所修的便道，高程1 080 m，長約為300 m，寬約5 m～30 m，該平臺為前部松散渣體與后部熱熔渣體的分界線，平臺后部為削坡修路形成的高陡熱熔爐渣后壁，高約20 m。

2.2 堆填體物質(zhì)結(jié)構(gòu)組成

2.3 堆填體水文地質(zhì)特征

由于渣場的場地高差較大，場地地下水位埋藏深度差異較大，鉆孔水位埋深介于4.60 m～55.40 m，水位標(biāo)高介于989.44 m～1 097.30 m。地下水主要由賦存于第四系填土層中的上層滯水、賦存于沖洪積層中的孔隙潛水、賦存于基巖中的裂隙水組成。汛期江水、大氣降雨、熱潑渣坑噴水殘水是該堆填體邊坡地下水的主要補給來源，其水位隨季節(jié)變化而變化，旱季地下水位較低，雨季地下水位較高。地下水向金沙江方向排泄。松散堆積爐渣、熱熔爐渣層、漂卵石層、漂石層為強透水層，粉土層、強風(fēng)化礫巖、強風(fēng)化正長巖層節(jié)理裂隙發(fā)育，屬于中等透水層，中等風(fēng)化礫巖層、中等風(fēng)化礫巖層為弱透水層。

2.4 堆填體變形破壞特征

目前堆填體無整體變形，但局部存在拉張裂縫。在松散渣體的堆積平臺上靠近后緣陡壁的位置，有一拉張裂縫，穿過廠房的地坪，長約10 m，最大寬度約4 cm，該裂縫導(dǎo)致廠房墻體出現(xiàn)一條斜向裂縫，寬1 cm～3 cm。由于礦渣松散堆積，在高強度降雨沖刷作用下，坡表堆積物質(zhì)不斷被帶走，邊坡表面形成較多小型沖溝。

3 不同降雨條件下邊坡穩(wěn)定性分析

3.1 模型建立

選取渣場堆填體典型縱剖面，根據(jù)前期鉆探資料和水文資料，建立地質(zhì)模型。模型包含五種材料：松散堆積爐渣、熱熔爐渣、卵漂石、混凝土擋墻和基巖。松散堆積爐渣是問題的主要研究對象，網(wǎng)格密度比其他地層的大，在不同材料的交界區(qū)域，網(wǎng)格由密變稀，呈過渡性變化，如圖1所示。

3.2 參數(shù)取值

巖土體物理、力學(xué)及水理參數(shù)選擇的合理與否，在邊坡穩(wěn)定性的計算、分析中是非常重要的。目前，試驗、工程類比和反演分析是確定巖土體抗剪強度參數(shù)的常用的三種方法[2]。其中，反演分析法主要根據(jù)邊坡的宏觀變形狀況假設(shè)其穩(wěn)定性系數(shù)，再反算巖土體抗剪強度參數(shù)，是確定巖土體抗剪強度參數(shù)的一種有效的方法，本文因此采用反演分析法確定了該堆填體邊坡物質(zhì)的抗剪強度參數(shù)。計算參數(shù)取值如表1所示。

表1 計算模型參數(shù)取值表

3.3 工況設(shè)置

采用有限元滲流軟件Geostudio[3]，分析了降雨入滲、江水位變化條件下渣場堆填體的飽和、非飽和滲流場與應(yīng)力場，并計算其穩(wěn)定性。計算工況如下：

1)自重+低水位990 m穩(wěn)態(tài)滲流；

2)自重+常年洪(高)水位1 005 m穩(wěn)態(tài)滲流；

3)自重+降雨+由低水位990 m上升至洪水位1 010 m的動態(tài)滲流；

4)自重+降雨+由洪水位1 010 m下降至低水位990 m的動態(tài)滲流。

在計算堆填體重度時，堆填體地下水位以上部分取天然重度，堆填體地下水位以下部分取飽和重度。根據(jù)統(tǒng)計資料，研究區(qū)金沙江的多年平均洪水位1 005 m，多年平均枯水位990 m。金沙江的水位上升、下降時間均設(shè)置為0.5 m/d，水位升至1 010 m后保持5 d的滲流穩(wěn)定期。研究區(qū)50年一遇的3 d累計降雨量160 mm，模擬時按3 d平均分配并取整數(shù)，得到降雨強度為54 mm/d，降雨疊加時間設(shè)置為50年一遇洪水位上升期的最后3 d。

3.4 數(shù)值模擬結(jié)果分析

工況一：自重+低水位990 m穩(wěn)態(tài)滲流。

工況二：自重+常年洪(高)水位1 005 m穩(wěn)態(tài)滲流。

工況三：自重+降雨+由低水位990 m上升至洪水位1 010 m的動態(tài)滲流。

工況四：自重+降雨+由洪水位1 010 m下降至低水位990 m的動態(tài)滲流。

由圖2～圖5的計算結(jié)果表明：1)堆填體前緣松散渣體、熱熔渣體分布區(qū)是地下水滲流場變化主要集中的區(qū)域，這與邊坡材料的性質(zhì)和坡體的形態(tài)有關(guān)，基巖滲透性很小，礦渣滲透性良好；2)堆填體邊坡前緣是江水位升降主要影響的區(qū)域。江水由低水位升至高水位時，由于堆填體材料良好的滲透性，堆填體內(nèi)地下水位與江水近乎同步上升，而基巖內(nèi)地下水位線是向內(nèi)凹的[4]；3)降雨對堆填體地下水位有一定的影響，但其影響不明顯，由于地下水位相對埋深較大，且堆填體材料具有良好的滲透性，因而降雨入滲對堆填體內(nèi)部地下水位的影響較小，對堆填體前緣地下水位產(chǎn)生一定的影響?？傮w而言，由于堆填體滲透性良好，降雨及江水水位的變化對其影響較弱。

為了進一步分析降雨及江水位變化對堆填體邊坡穩(wěn)定性的影響，計算了不同工況下堆填體邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)，形成了堆填體穩(wěn)定性系數(shù)隨水位變化曲線圖(見圖6)。

從穩(wěn)定性系數(shù)變化情況可以看出：1)總體來看，堆填體邊坡在低水位時的穩(wěn)定性高于高水位時的穩(wěn)定性，江水位在多年平均低水位990 m時，穩(wěn)定性系數(shù)為1.122；江水位在多年平均洪水位1 005 m時，穩(wěn)定性系數(shù)為1.086；江水位在50年一遇洪水位1 010 m時，穩(wěn)定性系數(shù)為1.077。2)江水位上升在一定程度上影響了堆填體穩(wěn)定性，江水位上升時穩(wěn)定性系數(shù)下降，由于堆填體材料的滲透性良好，堆填體內(nèi)地下水位和江水位幾乎同步上升，對邊坡產(chǎn)生的滲流壓力較小，但對邊坡材料的浮托作用較為明顯，因而造成堆填體穩(wěn)定性下降。反之，當(dāng)江水位下降時地下水對邊坡材料的浮托作用減弱，邊坡穩(wěn)定性系數(shù)又會回升。3)降雨前后堆填體邊坡穩(wěn)定性變化不明顯，在江水位上升時和滲流穩(wěn)定期施加降雨后，邊坡穩(wěn)定性僅略有降低?？傮w而言，堆填體在以上各種條件下的穩(wěn)定性系數(shù)在1.054～1.122之間，處于基本穩(wěn)定狀態(tài)。

4 結(jié)語

1)該渣場堆填體邊坡主要由松散堆積爐渣和熱熔爐渣構(gòu)成，堆填體無整體變形，但局部存在拉張裂縫，導(dǎo)致廠房墻體開裂；同時，在高強度降雨沖刷作用下，邊坡面上形成較多的小的沖溝。

2)在江水水位升降和降雨聯(lián)合作用下，堆填體邊坡滲流場變化主要集中在前緣松散渣體與熱熔渣體區(qū)域，江水位的升降主要影響堆填體邊坡前緣，降雨對其地下水位的影響不明顯，因此降雨及江水位的變化對其影響較弱。

3)堆填體邊坡在高水位時的穩(wěn)定性低于低水位的穩(wěn)定性，江水的浮托作用是造成堆填體穩(wěn)定性下降的主要原因，降雨對堆填體穩(wěn)定性的影響作用不明顯，堆填體邊坡在江水位變化和降雨聯(lián)合作用下處于基本穩(wěn)定狀態(tài)。