基于Geo-Studio的棄碴場穩定性分析

蔣 翰

(西南交通大學地球科學與環境工程學院，四川成都 611756)

隨著我國現代交通的不斷發展，交通基礎設施中的隧道工程數量也不斷增多，與之伴隨的棄碴場數量也不斷增加。棄渣場的安全問題越來越受到關注，不穩定的棄碴場會影響鐵路的正常運營，威脅人民群眾的生命安全。因此需要對棄碴場進行穩定性評價，并及時對不穩定的棄碴場進行治理并采取防護措施。

棄碴場邊坡不同于一般的邊坡，為松散巖體和土體堆集而成。其穩定性受控于棄碴場方量、坡度、堆高、棄碴體自身物理力學性質等，也受控于降雨、地震等外界因素，其中降雨入滲是邊坡失穩的重要誘因。許多學者對不同滲流情況下的邊坡穩定性進行了大量分析[1-5]。

本文以某鐵路沿線一棄碴場作為研究對象，依托于Geo-Studio軟件，采用非飽和滲流理論分析不同工況下的滲流場，隨后分析不同工況下的邊坡的穩定性。

1 工程概況

本文研究的棄碴場屬某鐵路沿線附屬工程，棄渣場堆積方量約為20.19×104m3，最大堆高為30 m，屬于坡地型棄碴場。

棄碴場所在區域為低山丘陵地貌，海拔為200～400 m之間，植被茂密。區域分布的地層由上往下為人工填碴(Q4ml)，第四系全新統坡洪積(Q4dl+pl)粉質黏土、白堊系(K-Edh)泥質砂巖和元古界(Pt)片巖。其中人工棄碴主要成分多為強～弱風化砂巖、片巖碎石塊夾粉質黏土。研究區屬于亞熱帶季風氣候，年降雨量在800～1000 mm之間。區內地表水較發育，地下水以基巖裂隙水為主，主要接受大氣降水補給。

2 棄碴場滲流分析

2.1 模型概況

本文研究的棄碴場主要組成有人工填碴，第四系全新統坡洪積粉質黏土、白堊系泥質砂巖和元古界片巖，各地層物理力學指標見表1；并根據現場實際情況，采用Geo-Studio軟件對棄碴場進行建模，計算模型如圖1所示。

表1 棄碴場物理力學指標

圖1 棄碴場計算模型

2.2 邊界條件

模型的邊界條件考慮如下：①將棄碴場表面均作為接受大氣降水補給的邊界，作為流量邊界；②棄碴場左側及底部按照零通量邊界處理；③棄碴場右側邊坡按照排泄邊界處理。

2.3 降雨情況

給區域邊界條件進行賦值后本文考慮棄碴場在不同持續暴雨工況下(1 h、6 h、24 h、72 h)的穩定性，暴雨強度值參考《中國暴雨統計參數圖集》，隨后根據雨水的入滲強度選取相應的入滲系數來對入滲雨量進行統計。不同工況下的入滲雨量強度值見表2。

表2 暴雨工況設計入滲雨量強度

2.4 滲流計算結果

將設計參數輸入值Geo-Studio軟件的SEEP/W模塊，模擬結果見圖2。在降雨的起始階段，隨著降雨的入滲表層棄碴中的孔隙水壓力逐漸增大，但由于棄碴的滲透系數大于暴雨強度，所以在棄碴體淺表層并未出現暫時飽和區。在入滲過程匯總水分主要是以向下運移位置，并未出現滲流，隨著降雨時間的增強，滲流場逐漸發生變化。圖2(a)為只考慮地下水情況下的穩態滲流場，隨著降雨時間的增長(圖2)，逐漸在棄碴場右上方形成較大面積的低孔隙壓力區，表明棄碴體在降雨入滲的作用下整體結構逐漸發生下沉，但受控于坡腳擋墻的支護作用，使得大量棄碴體向坡體內部運移，并未產生向坡腳方向運動的趨勢，表明了擋土墻對于整個棄碴場的支護作用效果明顯。

(a)穩態滲流孔壓分布

(b)暴雨1h孔壓分布

(c)暴雨6h孔壓分布

(d)暴雨24h孔壓分布

(e)暴雨72h孔壓分布圖2 滲流計算結果

3 棄碴場穩定性分析

前文考慮棄碴場在不同工況下的滲流場的狀態，下文將在此基礎上計算棄碴場邊坡的穩定性。

3.1 整體穩定性分析

采用傳遞系數法通過設定特定的穩定性系數計算剩余推力來確定兩種狀態下的整體穩定性系數。整體穩定性系數計算結果列于表3，根據GB50330-2013《建筑邊坡工程技術規范》，天然狀況下和暴雨工況下棄碴場均處于穩定狀態。

表3 傳遞系數法棄碴體穩定性系數

3.2 局部穩定性分析

在滲流計算的基礎上，本文運用Geo-Studio軟件的SEEP/W模塊和SLOPE/W模塊，使用包括瑞典圓弧(Ordinary)法、畢肖普(Bishop)法和摩根斯坦—普賴斯(Morgenstern-Price)法等三種方法對棄碴體進行局部穩定性分析，并搜索剖面的最危險滑動圓弧。計算結果列于表4，結果表明，在持續暴雨情況下，邊坡均處于穩定狀態；且在持續降雨強度不斷增加的情況下，棄碴場的穩定性系數并未出現較大的減小，這與棄碴場邊坡坡腳處存在擋墻有關。

表4 暴雨工況棄碴體邊坡穩定性結果

4 結論

(1)滲流場分析結果表明，隨著暴雨時長增長，邊坡坡頂位置逐漸形成低滲透壓區域。

(2)穩定性評估表明，該棄碴場邊坡及其整體均處于穩定狀態。

(3)為避免棄碴體失穩造成危害，可適當降低棄碴場一級邊坡高度，放緩邊坡坡率；并在棄碴場前緣坡體設置框格護坡，并采取植物措施防止水土流失。