基于有限元的隧道出口棄碴場穩定性分析

周文洋

（中鐵二院工程集團有限責任公司，四川 成都 610031）

0 引言

隧道的施工過程中會產生大量的棄碴，這些棄碴會堆放在方便的地方，以便進一步使用。由于棄碴一直是隧道開挖面臨的一個重大問題，因此需要研究棄碴場設計，以便在有限的空間內堆放更多棄碴。，而棄碴堆放將會引起邊坡穩定性問題，目前最常用的計算方法是有限元法和極限平衡法[1-2]。曹蘭柱[3]、楊欽[4]利用數值差分軟件FLAC3D對排土場進行模擬分析，并根據排土場的常見邊坡保護形式和滑坡機制，提出了一些有效的排土場滑坡處理方案和提高排土場邊坡穩定性的措施。李真[5]用構建的FLAC3D的FISH語言，根據邊坡堆疊順序模擬分析結果，在全面分析影響排土場邊坡穩定性的基礎上，結合當前排土場邊坡損傷情況，提出相應的防治措施。SunGuanhua[6]利用FLAC3D計算出數值結果，通過與極限平衡法的計算結果進行分析比較后，提出了后續治理計劃。

該文將以烏蒙山一號隧道出口2#棄碴場為研究對象，運用極限平衡法計算典型剖面的穩定系數對棄碴場邊坡穩定性做出初步評價。利用FLAC3D對棄碴場邊坡三維地質體模型進行模擬計算，進一步分析應力和應變特性，預測潛在的滑動體，在兼顧邊坡穩定性的同時保證棄碴容量最大，提出堆置優化的參數，該文的研究成果可為這種棄碴場穩定計算和優化堆放提供參考。

1 工程概況

烏蒙山一號隧道出口2#棄碴場位于貴州省畢節地區威寧縣龍場鎮，對應鐵路里程為DK275+900～DK276+100，占地面積約3.42hm2，實際棄碴場量為80.77萬m3，最大棄碴高度約81.7m，棄碴量和占地面積均與原設計相同。該棄碴場的棄碴來自于DK273+410～DK278+224.06段烏蒙山一號隧道 （DK272+741.5）和烏蒙山二號隧道（ DK282+219）開挖的棄方，棄碴成分主要為石渣，屬于灰巖、泥灰巖、砂巖、泥巖。

該棄碴場位于烏蒙山一號隧道出口觀音河下游深切河谷地帶，對應鐵路里程為DK275+900～DK276+100，棄碴場原地形頂部標高1832.0m，底部標高1925.6m，高差93.6m。在棄碴場坡腳上方有高壓線路通過，高壓鐵塔位于左側山體頂部，距離渣場邊緣約80m。由于棄碴場位于河谷內并占據了河道，因此在棄碴場前緣設置有泄水洞，通過該洞將觀音河水引排至下游。棄碴場影響區域周圍無居民、房屋、國家鐵路（公路）干線、其他重要建筑物、軍事光纜及輸油管道。周邊環境如下圖1所示。

圖1 棄碴場周邊環境示意圖

2 棄碴場破壞模式

根據土木地質學的大量研究，在土木地質學的滑坡中，按照滑坡滑移面的位置及其產生理由，可分為棄碴場內部滑動面的滑坡、沿基底接觸面的滑坡和沿地基軟弱層的滑坡三種類型。

2.1 棄碴場內部滑動

基巖層是穩定的，由于基巖和土質的性質以及其他外部條件（外部荷載和降雨等）形成的滑坡，在不同斜坡高度的地方會露出不同的滑面。對有一定濕度的且含土量大的棄碴場，新堆棄碴場各臺階坡角都較陡。隨著棄碴場高度的增加，下部巖土會被不斷壓實，并出現沉降，導致棄碴場內部出現孔隙壓力，在不平衡和應力集中區域，孔隙壓力降低了潛在滑動面上的摩擦阻力減少，從而可能導致滑坡。較為常見的情況有：（1）圓弧破壞，即上部陡、中部緩、下部更平緩的穩定邊坡，其邊坡角通常為25 °～32 °；（2）坐落-滑移式滑坡。棄碴場內部的滑坡多數與物料的力學性質有關，在排土場受到大氣降雨和地表水的浸潤下，往往會嚴重影響棄碴場的穩定狀態。

2.2 沿基底接觸面的滑動

當棄碴場與基底接觸面之間的抗剪強度小于棄碴場中材料的抗剪強度時，并且棄碴場邊坡坡度較陡，棄碴場會沿基底接觸面產生滑坡。例如在基底或初期丟棄的表土和風化層上有一層腐殖土，堆放在棄碴場底部，這樣就形成了軟弱夾層。如果棄碴場突遇降雨或者地下水滲透，就會加速促進滑坡的形成。該類滑坡的主要控制因素是基底表面的傾斜度及其與棄土之間的強度指標。

2.3 沿地基軟弱層的滑動

由于軟弱層包括在棄碴場中導致承載力較低，因此在松散棄土巖石負荷和雨水等作用下，棄土場沿著軟弱層極可能發生滑坡。在棄碴的早期階段，地下巖石和土壤開始被壓實。如果堆疊到一定的高度，則基底達到最大承載力，但它尚未達到其破壞的極限狀態。繼續堆疊時，軟弱層的力學性能明顯低于巖石的力學性能，通過棄碴場的壓力導致軟弱層隆起形成滑坡。主要包括沉降變形和坐落-滑移式滑坡兩種形式。沉降變形主要發生在沉降系數大的地區或者旱地。 棄碴場厚的區域比薄的區域下沉更多，導致下沉不均勻和許多斷開。這些裂縫在降雨時為棄碴場滲水創造便利條件，當裂縫中儲水量增加就會導致山體滑坡。坐落—滑移式滑坡主要是由于地基中存在水、薄弱層和地基超載（或陡坡）等因素造成的滑坡。

3 棄碴場穩定性分析

3.1 分析方案

根據棄碴場現狀，結合當地土木工程地質、水文條件，在分析棄土場穩定性時，綜合考慮對周邊環境最不利、最顯著的影響，主要確定滑動方向和棄土場滑坡對建筑物、鐵路、高速構筑物等影響安全的情況，分析棄土場沿基座接觸面傾斜的穩定性，自動搜索危險弧滑面的內部穩定性，以此評價棄渣場的穩定性和安全性。

3.2 分析參數

該文選擇棄渣場最具代表性的剖面進行穩定性計算，根據試驗成果、經驗方法等綜合因素確定了邊坡巖土層物理力學參數，詳見下表1。

表1 巖土體物理力學參數表

已知碴場等級為2級，又根據《水土保持工程設計規范》（GB51018），當采用瑞典圓弧法、改良圓弧法計算時，抗滑穩定安全系數、攔碴墻基底抗滑穩定安全系數、攔碴墻抗傾覆安全系數不應小于《水土保持工程設計規范》（GB51018）中要求的最小值。正常運用工況指棄碴場在正常和持久的條件下運用，棄碴場處在最終棄碴狀態時，碴體無滲流或穩定滲流；非常運用工況指棄碴場在正常工況下遭遇Ⅶ度以上（含Ⅶ度）地震。

因此根據上表可得本碴場正常運用工況碴場抗滑穩定系數為1.20，擋碴墻基底抗滑穩定安全系數為1.08，擋碴墻抗傾覆安全系數為1.50。 已知該碴場所處地區地震動峰值加速度為0.05g，因此可不考慮地震影響，即可不進行非常運用工況計算。

3.3 計算成果及分析

以棄碴場AA剖面為基礎，利用Geo-Studio軟件對棄土場AA剖面建模，將各力學參數分配給相應的土層，棄碴場的穩定性采用軟件自帶的極限平衡計算方法進行計算。計算結果如表2～表4。

表2 碴場局部穩定性分析結果一覽表

表3 碴場整體穩定性分析結果一覽表

表4 復式滑面法整體穩定分析結果一覽表

運用極限平衡法計算得出，碴場局部穩定系數為1.04，小于規范規定的1.20，安全儲備不足；整體穩定系數為1.26，大于規范要求的1.20。采用復式滑面法計算得到整體穩定系數為1.55，穩定且大于1.20滿足規范要求。綜上，除暴雨工況下邊坡存在局部小型沖蝕外，碴場整體穩定。

4 有限元分析

4.1 有限元模型

該文將有限差分軟件FLAC3D與強度折減方法相結合，對棄碴場當前的穩定性進行評估。 建模順序是第一步在擋土拱壩后面50m處堆放， 每個臺階的寬度為60m，高度為15m， 傾斜比為1∶1.8 ， 如圖2所示，模型底部和左右x、y、z位移完全固定，前后僅在z方向固定。巖土材料采用符合莫爾-庫侖強度準則的理想彈塑性本構模型，流動法則選擇關聯流動規律。 選取四面體單元劃分網格，以數值計算的不收斂性作為強度衰減計算的梯度邊坡不穩定性依據。

圖2 有限元模型

4.2 有限元模擬計算

軟件計算表明，從圖3中的云圖看出，碴場的整體穩定安全系數為1.72，高于規范要求的1.20，并且當前碴場是穩定的。 同時，結合剪應變云圖可以看出，邊坡滑移面不再像以往那樣是單一的弧形或橢圓形，而是從坡的后端受到拉伸變形，然后從第一階的坡腳受剪形成的滑移面。 這是因為當邊坡不穩定時，碴場的破壞模式不是土中單一的弧線斷裂，而是沿碴場與地基邊界的弧-直線組合破壞模型。

圖3 剪應變云圖

4.3 碴場堆置參數優化

根據計算，碴場場穩定安全系數1.72遠高于規范要求的1.20，為繼續堆載優化留有空間。假設原設計每個臺階的高度和平臺的寬度不改變，該文優化碴場邊坡后續堆疊臺階的坡度和曲率，在保證穩定性的同時獲得最大的堆載能力，表5顯示了其他三種優化方案，包括原始方案。圖 4 顯示了每個方案的 3D 數值模型。模型的初始條件、邊界條件、單元類型、配置模型和材料參數設置在同一個模型。 FLAC3D軟件內嵌模型null可用于模擬碴場堆載過程的分層行為，計算結果見圖5。

圖4 各方案數值模型

圖5 各方案剪應變云圖與穩定性系數

表5 各優化方案堆置參數對比

從剪切應變云圖可以看出，邊坡坍塌時的滑移面形狀是圓弧和直線的復合滑移面。 同時，如果邊坡變得不穩定時，滑坡體可以從第二臺階或第三臺階滑動切斷滑動面，這與上一節中描述的局部不穩定性引起的坡體滑移是一致的。 計算結果表明，各方案的穩定性系數均大于允許安全系數，方案3可以在最小化穩定性優化空間的同時，最大化堆載能力。經過比較和選擇，方案3，即凸面2/3，梯度比1∶1.5，最終成為最優堆載方案。

5 結論

該文將以烏蒙山一號隧道出口2#棄碴場為研究對象，運用極限平衡法計算典型剖面的穩定系數對烏蒙山一號隧道出口2#棄碴場邊坡穩定性做出初步評價。利用FLAC3D 平臺對烏蒙山一號隧道出口2#棄碴場邊坡三維地質體模型進行模擬計算，進一步研究其應力應變特征，預測潛在滑體，根據分析計算結果以及國家相關規范判斷該排土場穩定性，在保證邊坡穩定性的同時保證棄碴容量最大化，提出堆置優化的參數，研究結論如下：1）運用極限平衡法計算得出，碴場局部穩定系數為1.04，小于規范規定的1.20，安全儲備不足；整體穩定系數為1.26，大于規范要求的1.20。采用復式滑面法計算得到整體穩定系數為1.55，穩定且大于1.20滿足規范要求。綜上，除暴雨工況下邊坡存在局部小型沖蝕外，碴場整體穩定。2）利用FLAC3D 平臺分析可知，碴場整體穩定性系數為 1.72，大于規范要求的1.20，與極限平衡法計算結果相吻合，由此表明現狀碴場是穩定的。3）通過優化碴場堆置參數可得，當棄碴場的凸度為 2/3，坡率為1∶1.5時，棄碴場的穩定性和排土容量達到最大化。