STAB在棄渣場邊坡穩定性分析中的應用

常 勝

（新疆水利水電勘測設計研究院,新疆 烏魯木齊 830000）

隨著水利水電工程的建設,施工期間往往產生大量土石方棄料,這些棄料會被臨時性或永久性堆存于棄渣場。棄渣場作為一種大型人工堆積體；具有孔隙多,非均質,密實性差,結構松散,強度低等特點；這些特點使得棄渣場邊坡在外界誘因的影響下（如降雨,地震,人為活動擾動等）易發生滑塌,存在一定安全隱患。國家從監管層面越來越重視棄渣場穩定性評估工作,水利部水土保持司2016 年3 月印發了《水土保持設施驗收技術評估工作要點》[1],對堆渣量超過50 萬m3或最大堆渣高度超過20 m的棄渣場,在水土保持設施驗收技術評估時,要求項目建設單位提供相應棄渣場的穩定性評估報告。大型棄渣場穩定性分析從前期設計中棄渣場規劃,到實施過程施工控制和動態監測,再到最后的竣工驗收評估,這項工作基本貫穿了整個項目建設期,其重要性不言而喻。

業內專家學者針對棄渣場穩定性分析作了大量工作和研究。例如羅雷等[2]理論分析認為臨時堆放渣體,在坡度小于土壤內摩擦角和無暴雨,大風的情況下,能處于穩定的狀態。毛雪松等[3]基于GeoStudio軟件SEEP/W和SLOPE/W模塊對某棄渣場滲流場及不同工況穩定性進行分析。吳謙等[4]借助Monte Carlo算法對邊坡穩定性可靠度進行了研究。肖志紅[5]從微觀參數角度,運用顆粒流、重度增加法及邊坡的監測算法,對比研究不同顆粒粒徑對棄渣場穩定性的影響。陳瑜[6]利用理正巖土計算軟件,計算分析引洮供水一期工程棄渣場不同工況下邊坡安全穩定情況。

中國水利水電科學研究院自主開發的STAB軟件,主要用于土質邊坡和土石壩邊坡穩定分析,多年來已成功應用于國內的許多大型水利水電工程。本文將STAB軟件運用于新疆某水電站3 級棄渣場邊坡穩定性分析。

1 工程概況

新疆某水電站為徑流式電站,工程任務是水力發電；裝機容量80 MW,綜合多年平均年發電量2.8 億kW·h,為中型Ⅲ等工程。工程由引水樞紐（土石壩段,泄洪壩段和進水閘）、引水建筑物（引水渠道、壓力前池、壓力管道,泄水陡坡和渠系建筑物）、發電廠房（電站廠房和尾水渠）三大部分組成。4#棄渣場渣場位于河道右岸Ⅲ級階地上,渠道末端北側區域。所處地勢北高南低,地形起伏較大；小型沖溝發育,溝深20 m~30 m,溝底寬5 m~10 m,呈“V”型,在降雨時有暫時性流水通過,平時干枯。棄渣場占地面積9.6 萬m2,棄渣量144 萬m3,棄渣場級別3 級。主要承擔引水隧洞、渠道、前池、泄水陡槽和壓力鋼管等建筑物開挖料棄渣；棄渣料巖性為風積黃土及砂卵礫石人工堆積混合料,厚度大于15 m,結構松散。渣場基礎巖性為風積黃土,厚度15 m~20 m,黃土具有強濕陷性。

2 計算原理

邊坡穩定定量分析方法主要包括以瑞典條分法、畢肖普法、美國陸軍師團法和Morgenstern-Price法為代表的剛體極限平衡法和以有限元法、離散元和塊體理論為代表的數值分析方法等。其中又以剛體極限平衡法應用最早,范圍最為廣泛,發展最為完善。剛體極限平衡法,以Mohr-Coulomb抗剪強度理論為基礎,將滑塊劃分為若干條塊,通過直接對某些多余未知量做出假定,建立作用在這些條塊上力的平衡方程式,使方程的數量和未知數的數量相等,方程變為靜定問題,求解安全系數[7]。

根據《水土保持工程設計規范》（GB 51018-2014）[8]棄渣場抗滑穩定計算可采用不計條塊間作用力的瑞典圓弧滑動法,見圖1；對于均質堆渣體,宜采用計及條塊間作用力的簡化畢肖普法；對有軟弱夾層的棄渣場,宜采用滿足力和力矩平衡的摩根斯-普賴斯法進行抗滑穩定計算；對于存在軟基的棄渣場,宜采用改良圓弧法進行抗滑穩定計算?？紤]到渣料和渣場物理力學特性,4#棄渣場抗滑穩定計算選用瑞典圓弧法。

圖1 閘站樞紐圖

瑞典圓弧法：

式中：b為條塊寬度,m；W為條塊重力,kN；W1為在邊坡外水位以上的條塊重力,kN；W2為在邊坡外水位以下的條塊重力,kN；Q、V分別為水平和垂直地震慣性力（向上為負,向下為正）,kN；u為作用于土條底面的孔隙壓力,kPa；α為條塊的重力線與通過此條塊底面中點的半徑之間的夾角,（°）；c'、φ'分別為土條底面的有效應力抗剪強度指標；Mc為水平地震慣性力對圓心的力矩,kN·m；R為圓弧半徑,m；K為抗滑穩定安全系數。

基于以上原理,采用中國水利水電科學研究院的土質邊坡穩定分析程序（STAB2005 版）,計算棄渣場堆渣體邊坡穩定安全系數。根據《水土保持工程設計規范》（GB 51018-2014）條文5.7.4.2,運用瑞典圓弧法計算時,3 級棄渣場對應的正常運用工況和非常運用工況抗滑穩定安全系數下限分別為1.20 和1.05。采用瑞典圓弧法、改良圓弧法計算時,抗滑穩定安全系數不應小于表1 規定的數值。

表1 棄渣場抗滑穩定安全系數表

3 研究分析

3.1 計算斷面

考慮到棄渣場級別、地形、地質條件,并結合棄渣堆置形式,堆高,渣料組成,物理力學參數等因素；渣場邊坡穩定分析的斷面選取上,最終選定位于棄渣場西北側A-A斷面,見圖2 ~圖3。 A-A斷面地面高程1797.5 m~1804.5 m,長度約216 m,地面縱坡1/30.86；棄渣場頂部高程1809 m,最大堆高11.5 m,邊坡綜合坡比1/4.60 。

圖2 某水電站4#渣場平面布置圖

圖3 A-A剖面

3.2 主要地質條件

棄渣料巖性為風積黃土、及砂卵礫石人工堆積混合料。棄渣料參數建議值,天然狀態：天然容重15.2 g/cm3,粘聚力c=2.5 kPa,內摩擦角φ=17°；飽和狀態：飽和容重13.6 cm3/g~16.1 cm3/g,粘聚力c=0,內摩擦角φ=15°。棄渣場基礎巖性為風積黃土。基礎參數建議值,天然狀態：容重15.4 g/cm3, 粘聚力c=4.95 kPa,內摩擦角φ=19.05°；飽和狀態：容重13.6 g/cm3~16.1 g/cm3,粘聚力c=2.5 kPa~10 kPa,內摩擦角φ=17°~21°,承載力建議值80 kPa。

表2 棄渣場地質參數表

3.3 計算工況

根據《水土保持工程設計規范》（GB 51018 -2014）,并結合本工程特征,4#棄渣場邊坡穩定性分析主要考慮以下3種工況：

（1）正常運用工況指的是棄渣場在正常和持久的條件下運用,棄渣場處在最終棄渣狀態時,渣體無滲流或穩定滲流的工況。

（2）非常運用工況Ⅰ：棄渣場在正常工況下遭遇Ⅶ度以上（含Ⅶ度）地震。據1/400 萬《中國地震烈度區劃圖》（GB 18306-2015）,該工程區處在地震動峰值加速度值為0.3g區域內,其對應的地震烈度為Ⅷ度。

（3）非常運用工況Ⅱ：棄渣場邊坡處于暴雨或連續降雨狀態下的工況。工程區所在流域的降水分布特點為：迎風坡大于背風坡、山區大于平原,年降水量垂直分帶明顯。工程區臨近水文站多年平均降水量588.3 mm,降水量在年內主要集中在4 月~9 月,占全年降水量的72%,其中7月降水最多,月平均降水量為71.2 mm,2 月降水最少,月平均降水量為13 mm。因此考慮連續降雨條件下,渣體處于飽和狀態時邊坡抗滑穩定計算。

3.4 計算結果

（1）正常運用工況

從AutoCAD中將幾何信息導入STAB2005中,采用STAB計算正常運用工況下A-A剖面邊坡穩定結果,見圖4；A-A剖面（綜合縱坡i=1/4.6）邊坡抗滑穩定安全系數為1.636,滿足規范要求。

圖4 泥巖蠕變速率曲線

圖4 A-A剖面（正常運用工況）

（2）非常運用工況Ⅰ

非常運用工況Ⅰ下A-A剖面邊坡穩定結果,見圖5；A-A剖面（綜合縱坡i=1/4.6）邊坡抗滑穩定安全系數為1.219 ,滿足規范要求。

圖5 A-A剖面（非常運用工況Ⅰ）

（3）非常運用工況Ⅱ

通過STAB軟件對渣體和棄渣場基礎均處在飽和狀態下A-A剖面邊坡穩定分析,經計算得到抗滑穩定安全系數為0.966,該值小于規范允許最小值1.05,見圖6。結合圖3可以發現實測斷面A-A剖面綜合坡度雖為i=1/4.60,但其坡度大致可以分為三段（自下而上）坡度分別為i1=1/3.58,i2=1/4.30,i3=1/6.26。不穩定滑坡面基本處于坡度為i1=1/3.58邊坡范圍內,并未沿坡面向渣頂延續；初步分析得出,坡度i=1/3.58無法滿足非常運用工況Ⅱ條件下抗滑穩定計算。為進一步證實該結論,又分別計算上述3個邊坡處于飽和狀態下的安全系數和不穩定滑坡面,結果見圖7~圖9；得到相應抗滑穩定安全系數K1=0.984,K2=1.174,K3=1.698。除K1外,其余安全系數均滿足規范要求。

圖6 A-A剖面（非常運用工況Ⅱ）（i綜合=1/4.60）

圖7 A-A剖面（非常運用工況Ⅱ）（i1=1/3.58）

圖8 A-A剖面（非常運用工況Ⅱ）（i2=1/4.43）

圖9 A-A剖面（非常運用工況Ⅱ）（i3=1/6.26）

上述計算結果可以發現,坡度i2=1/4.30 時抗滑穩定安全系數計算值K2=1.174,不僅滿足規范要求且有一定富余值。因此初步判斷,坡度安全取值應介于1/3.58 ~1/4.30 之間。假定該值為1/4.0,作進一步邊坡穩定分析試算。先對A-A斷面部分尺寸調整,保持原有邊坡高度和長度不變,坡度調整為單一坡度i=1/4.0,試算斷面見圖10。堆渣體,渣場基礎參數和STAB軟件計算模塊的選取與上述保持一致。計算結果見圖11,抗滑穩定安全系數K=1.075 大于規范值1.05,因此i=1/4.0 坡度邊坡穩定。A-A剖面局部邊坡（i≥1/3.58）不能滿足非常運用工況Ⅱ條件下抗滑穩定計算,連續降雨或暴雨可能導致邊坡失穩,存在安全隱患。建議對邊坡做修整處理,坡度建議值i=1/4.0。

圖10 A-A試算剖面

圖11 A-A試算剖面（非常運用工況Ⅱ）

4 結論

根據新疆某水電站4#渣場邊坡穩定分析,結論如下：

（1）4#棄渣場邊坡正常運用工況下和非常運用工況Ⅰ（Ⅷ度地震）邊坡穩定安全系數均滿足規范要求值。4#棄渣場邊坡非常運用工況Ⅱ下,即使綜合縱坡滿足i<1/4.0；局部縱坡陡于該值,邊坡仍然可能出現失穩情況。建議邊坡單一坡度不陡于i=1:4.0。

（2）STAB軟件在運用棄渣場邊坡穩定性分析具有較好可操作性,可為類似工程的棄渣場選址和放坡提供借鑒參考。