基于Geo- Studio 的降雨條件下隧道棄渣場邊坡穩定性分析

許貴生

（通遼市交通工程局，內蒙古 通遼028006）

棄渣場具有強度低、非確定性大等特點，特別是山區隧道棄渣場，多布設在天然的溝道內，大量的降雨和匯水沖刷入滲棄渣坡體，更易出現滑坡災害，因此對暴雨入滲時的隧道棄渣穩定性進行研究具有重要意義。

以往對降雨入滲等條件時的邊坡穩定性研究中，銀曉鵬[1]分析了降雨入滲條件下甘肅地區土坡的穩定性，認為該區域坡度對邊坡穩定性的影響比降雨更大。潘思渝[2]對土質邊坡滲流場進行分析發現，降雨引起土坡安全系數降低，且和降雨時間及強度相關。王保林[3]則認為降雨入滲條件對多層順層軟弱夾層土坡的穩定問題具有牽引性和突變性。馬吉倩等[4]通過有限元法分析了東南沿海土質邊坡在降雨條件時的滲流特征。胡慶國等[5]專門針對不同降雨類型，分別研究了相同降雨量時的滲流特征和邊坡穩定性，為降雨滑坡提供了參考。唐巖巖等[6]采用ABAQUS 模擬滲流作用下的巖質邊坡穩定性會降低，通過可靠度對比分析，驗證了其結論。目前專門針對隧道棄渣場在降雨入滲條件下的邊坡穩定性研究較少，劉建偉[7]針對棄渣場邊坡的細溝侵蝕問題，研究了棄渣土的內摩擦角和粘滯系數與其穩定性的相關性，認為飽和導水率和細粒物質含量對棄渣邊坡穩定性影響最大。田永鑄[8]對中南某黃土隧道棄渣場進行了穩定性評價，結合室內外試驗分析，為此類棄渣場防治提供了參考。柏淼[9]對隧道口渣場進行了MIDAS-NX 模擬，評價其邊坡治理效果。吳謙等[10]借助Monte Carlo 算法對降雨入滲條件的隧道棄渣場穩定性可靠度進行了研究，得出暴雨條件下該棄渣場邊坡局部處于非穩定狀態的概率為16. 8%。王光輝[11]針對鐵路沿線隧道棄渣場,通過試驗和模擬研究棄渣場的工程地質條件特征等情況,分析了該棄渣場在降雨條件下的邊坡穩定性。毛雪松等[12]研究了新堆積棄渣場的滲流穩定性，通過Geo-studio 軟件模擬計算，得到孔隙水壓和穩定性系數隨降雨入滲條件得變化規律。

本文針對某項目隧道棄渣場，以室內外試驗和有關資料為基礎，使用Geo-Studio 軟件來分析其滲流場，該軟件將極限平衡理和有限元法相結合進行數值模擬，最后得出該棄渣場邊坡的穩定性，為工程實際提供參考。

1 工程概況

1.1 棄渣場簡介

該隧道棄渣場位于內蒙古自治區烏蘭察布市，棄渣于2011～2013 年由自然密實方式堆積，形成隧道路基棄渣場。棄渣方量60 萬m3，堆渣面積124 畝，形成了長約290m，高約15m 的人工邊坡。棄渣場區域地形圖如圖1 所示。

圖1 棄渣場區域地形圖

1.2 工程地質條件

棄渣邊坡主要由開挖隧道而排出的松散土體、碎石等物質組成。該棄渣場區為丘間洼地，地形切割較強烈，棄渣場區域地層為單斜構造，節理裂隙發育。巖層產狀為320°∠40°。地震基本烈度為Ⅵ度。棄渣場區出露的地層有第四系上更新統坡殘積層（Q3dl+el）、石炭系下統巖關階邵東段（C1y1）、泥盆系上統錫礦山組上段（D3x3）。根據該區域地質資料可知，棄渣場所在區域地質圍巖節理發育，并存在巖溶不利地質現象。同時，地質資料表明該棄渣場區域存在斷層破碎帶。其巖土施工工程分級如表1所示。

1.3 水文氣象條件

烏蘭察布市屬典型的干旱半干旱大陸性溫帶氣候區，四季分明，冬季嚴寒漫長而少雪，春季干旱多風沙，夏季短促炎熱，秋季氣溫劇降。全年平均氣溫6.3-6.4℃。全市年平均降水281.2-353.1mm，降雨多集中在7、8 兩個月，且多暴雨。該棄渣場地下水為第四系孔隙潛水、基巖裂隙水，地下水主要受大氣降水及地表水入滲補給，地下水的排泄途徑主要是蒸發和徑流。各月平均降水量和累年各月最大日降水量分布如圖2 所示，從降雨量可知該棄渣場區域雨季集中，7、8 月降雨量較大。

表1 棄渣場區巖土工程分級及基本承載力

表2 棄渣場棄渣天然含水率、堆積密度及坡角

表3 棄渣的最優含水量和最大干密度

表4 棄渣強度參數取值

圖2 1981 年-2015 年月平均降水量

2 棄渣場穩定性影響因素分析

2.1 棄渣場邊坡滑坡的類型

從產生滑坡位置及其機理分析，可將棄渣場劃分為棄渣內部滑坡、沿基底接觸面滑坡和軟弱地基底鼓滑坡。棄渣內部滑坡主要取決于棄渣堆積體自身性質，而后兩種滑坡與棄渣場下伏地基的巖性及產狀有很大關系。

2.1.1 棄渣內部滑坡

棄渣場的地基巖層良好，因為棄渣材料的自身力學性質不足，或排土工藝問題，或者降雨和外界的荷載作用等情況下產生的棄渣場邊坡失穩滑坡。

2.1.2 沿基底接觸面滑坡

棄渣沿著原有斜坡基巖表面發生滑動，此種滑坡因為原始斜坡坡度過大、表層水侵入、地下水入滲等，造成棄渣自身抗剪強度超過了接觸面強度，導致棄渣滑坡。

2.1.3 軟弱地基底鼓滑坡

棄渣場基底若為軟弱巖層而且力學性質低于棄渣場物料的力學性質時，基底在棄渣荷載作用下產生底鼓或滑動，導致此種棄渣場滑坡。

2.2 棄渣場邊坡滑坡的影響因素

棄渣場較其他邊坡有一定的特殊性，其穩定性受到場地地質條件、自身物理力學性質、排土工藝和外界條件等許多因素共同影響，主要影響因素有：

2.2.1 排土工藝和棄渣邊坡高度

不同的排土工藝和高度對穩定性影響較大，排土工序、工藝、設備、物料壓實度、棄渣高度等都應合理，避免產生潛在滑動面。尤其需要注重棄渣堆置順序，在棄渣底部優先排棄結構良好的硬巖石塊，起到墊層或透水層的作用。

2.2.2 棄渣場下伏基巖頂面的傾斜程度及其自身物理力學特性

棄渣場地形、地貌是決定棄渣場邊坡穩定性的一個重要因素。棄渣場多位于地勢陡峭位置，通常用自上而下排土，坡角由棄渣自然安息角決定，地勢越陡，則棄渣場穩定性越差。另外地基接觸面強度不足或其自身較軟，都易產生滑坡。

2.2.3 地表水與地下水

棄渣場物料中的含水量高低、濕度、受水浸潤程度、降雨及地表水量、地下水作用等都對其力學性質和穩定性有較大影響。水的作用主要表現在對棄渣的浸潤作用和沖蝕攜帶作用逐步失穩產生滑坡。

2.2.4 棄渣的力學性質

棄渣場的物料一般是隧道、路塹開挖的風化巖石及亞粘土、黃土等，這些棄渣的性質是棄渣場穩定性的先決條件。棄渣物料的力學性質（粘結力和內摩擦角）與其塊度組成、分布狀況、巖石與土壤構成比例、濕度或含水量等有關，還與巖塊的形狀和表面粗糙度以及巖石遇水風化、水解等因素有關。

2.2.5 排水設施

過大雨量甚至暴雨是導致排土場滑坡的重要誘因。當暴雨且排水不及時情況下，雨水滲入棄渣內部，待其充水飽和，增大了荷載重量，同時降低內部潛在滑動面的摩擦力，因此誘發棄渣場滑坡。

3 棄渣場邊坡穩定性分析

3.1 棄渣物理參數測定

在現場棄渣場邊坡進行土樣采集，以進行室內棄渣物理力學特性試驗。取樣點編號分別為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ。采用烘干法和環刀法測定土樣物理參數，結果見表2。通過擊實試驗，測定土的干密度和含水量關系，確定最大干密度和相應最佳含水量，可獲得棄渣場深部土體在一定荷載作用下壓實后的密度。試驗結果如表3，擊實曲線如圖3 所示。

圖3 渣土擊實曲線

通過顆粒組成分析得到該棄渣場土樣的顆粒級配如圖4，結果表明，該棄渣場土樣為礫類土。經計算，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ號土樣的不均勻系數Cu分別為：117.7、139.5、30.0；土曲率系數CC 分別為：4.9、0.9、2.9。

圖4 棄渣顆分曲線

研究表明，對于粗粒土，其強度的來源是摩擦力而非粘聚力，對于無粘性松散堆積體，內摩擦角與天然休止角近似相等目前已基本達到普遍認可[13]。而且對質量和含水率近似的同類堆積體，休止角始終大于內摩擦角，且都大于滑動摩擦角,因此對于該礫類土棄渣的強度參數取值，粘聚力c 按0 kPa 考慮[14]，內摩擦角φ 按原位直剪試驗測得，具體數值如表4 所示。

3.2 棄渣場邊坡滲流場分析

選取的典型棄渣場剖面，結合實際地形以及棄渣填筑厚度與棄渣面坡度，在GeoStudio 中建立計算模型，如圖5。在暴雨強度為4.65×10-5m/s，降雨歷時3h，總歷史96h 降雨條件下進行數值模擬計算。棄渣場邊坡工況降雨前的如圖6 所示，暴雨1 小時、3 小時的孔隙水壓力分布如圖7、8，雨后24h、48h、96h 后的孔隙水壓力分布分別如圖9～11 所示。

圖5 棄渣場典型剖面計算模型

圖6 考慮地下水穩態滲流（不考慮降雨）孔隙水壓力分布

圖7 暴雨1h 后孔隙水壓力分布

圖8 暴雨3h 后孔隙水壓力分布

圖9 暴雨結束后24h 孔隙水壓力分布

圖10 暴雨結束后48h 孔隙水壓力分布

圖11 暴雨結束后96h 孔隙水壓力分布

比較圖6 與圖7 可以看出，暴雨初期雨水主要沿坡面流走，滲入坡內的量很少，濕潤峰發展僅處于淺坡范圍，結合圖8 可知，3h 內雨水入滲深度尚淺，因此坡體內孔隙水壓力變化不明顯。圖9～圖11 顯示，表層區域降雨強度大，而棄渣的滲透系數相比之下較小，表層入滲的孔隙水壓力最大。而滲透能力與降雨強度相差無幾時，棄渣表層就會變為暫飽和狀態，隨著濕潤峰的前移，棄渣的孔壓力進一步提高，滲水能力和滲水效率也隨之提高，經過一段時間的發展后，棄渣上層的含水量又重新回歸穩定。

結合瞬態滲流模型計算結果，選取x=100m 截面對暴雨條件下邊坡的滲流場進行分析，結果如圖12 所示。

圖12 孔隙水壓力隨時間變化曲線

由圖12 可知，t=0 至t=3h 的孔隙水壓力曲線在最大高程處逐步向右變化，在3hr 時偏轉幅度最大。這是因為暴雨持續過程中雨水快速從棄渣表層入滲，上層棄渣含水量的突增導致了其基質吸力驟減。而且曲線的偏移折點位置逐漸下移。暴雨后（t＞3h）的孔壓曲線最大高程處從右往左回偏，這是因為，雨停后的表層水經下滲、匯流、蒸發等過程，坡體棄渣的含水量較降雨時下降所致，此時的基質吸力又較之前有所回升。由曲線變化還可看出各條曲線的拐點隨時間升高而逐漸向坐標軸右下方偏移，拐點高程逐漸下降，這是由于棄渣表層水入滲到更深層，造成中下層棄渣含水量增大，吸力降低所致。這一曲線特征說明雨后中下部棄渣基質吸力的變化滯后于上表層棄渣。可以看出，暴雨對棄渣場的影響基本在淺表層，即60m～72m 的高程范圍內。

3.3 棄渣場穩定性分析

由于棄渣與基巖的物理力學性質存在差異，棄渣與原地基剛度不一，在接觸面存在界面效應，如若浸水，界面軟化形成軟弱層，當棄渣與原地基接觸面之間的摩擦強度小于棄渣內部的抗剪強度時，可能沿原地面產生滑坡[12]，因此分析棄渣邊坡穩定性時，應選兩個不同滑動面計算其整體穩定性和局部穩定性。針對降雨前、降雨1～3h 和雨后1～4 天的不同工況，采用極限平衡法進行邊坡穩定性計算，分別采用圓弧滑動法、考慮圓弧滑動面的Bishop 法，考慮任意形狀滑動面的Janbu 法、Morgenstern-Price 法四種方法計算，得到該棄渣場邊坡的穩定性系數，如圖13、14 所示。

圖13 棄渣局部穩定性系數

圖14 棄渣整體穩定性系數

從圖14、15 可知，暴雨1～3h 時，入滲對邊坡穩定性的影響不顯著。這是由于降雨時間短且入滲深度淺，濕潤峰才到達淺層棄渣范圍內，此時的大量降水沿棄渣場坡面流走，并未對棄渣坡體深處的孔隙水壓力造成較大的影響。在停雨后48h 內，棄渣穩定性持續下降，這是因為破體匯集的雨水繼續向深部入滲，這些部位的巖土孔隙水壓力發生變化，含水率提高，導致其強度軟化。降雨后4 天時棄渣邊坡的穩定系數已經開始增加，坡體穩定性增強。總的來看，棄渣邊坡得穩定性系數在降雨開始時下降，并在降雨結束的2 天內保持滲流并持續降低，穩定性系數總趨勢為先減小再增大。綜上所述，在正常和暴雨1～3h 工況下，計算所得的棄渣場邊坡安全系數均大于規范所規定的邊坡允許安全系數，綜合考慮棄渣邊坡強度、滲透特性及雨季該區降水特征等因素，可認為此棄渣場邊坡穩定性較好，且具有一定的安全儲備。

4 結論

通過室內外試驗研究，對該隧道棄渣場的穩定性分析和計算，得到以下結論：

4.1 顆粒組成分析試驗表明，該棄渣場土樣為礫類土。原位直剪試驗測得該礫類土棄渣的強度參數為粘聚力c=0 kPa，內摩擦角φ 均值為43.1°。

4.2 通過數值模擬分析了棄渣場邊坡暴雨3h 時的滲流場，發現在降雨過后的一段時間內雨水還在緩慢的向邊坡內部遷移。總的來看，降雨條件下該隧道棄渣場邊坡的降雨影響深度在12m 左右的范圍。

4.3 對棄渣場邊坡的整體穩定性和局部穩定性進行驗算，發現棄渣場邊坡的安全系數在暴雨結束時并不是最低的，降雨過程的結束并不意味著滲流過程的結束，在雨后水分的入滲過程中，邊坡安全系數呈先減小再增加的趨勢，總的來看降雨對邊坡的安全系數影響不大。

4.4 無論是整體還是局部，在正常和降雨條件下的安全系數均大于規范要求，棄渣場處于穩定狀態，穩定性較好且具有一定安全儲備。