暴雨條件下棄土場穩定性分析

王衍飛

【摘 要】?隨著交通工程的增多，開挖場地后堆積形成的棄土場越來越成為危害工程環境的隱患。文章通過對某棄土場的工程地質調查和室內外試驗選取參數，運用Geostudio軟件SEEP/W模塊和SLOPE/W模塊，對棄土體邊坡自然工況和暴雨工況進行數值計算。結果表明，在合理支護措施下，棄土場能在不利工況下保持穩定，但仍需要加強監測和排水措施。

【關鍵詞】棄土場; Geostudio; 暴雨滲流; 穩定性

棄土場作為現代交通基礎建設附屬工程，因為其填方材料多為隧道棄渣和路塹挖方，往往與下覆地層工程特性出現較大差異，而不穩定的棄土場則嚴重危害周邊人民群眾生命財產安全。因此對棄土場的穩定性研究具有極其重要的意義，需要發現其危險性因素并給出相應的治理防護措施。

本文以某棄土場為例，結合許多學者對不同邊坡穩定性的分析[1-6]，運用Geo-Studio軟件，在對擬定工況滲流場進行非飽和滲流分析基礎上，對不同工況邊坡穩定情況進行數值計算和潛在滑體模擬，以期對棄土場治理措施提出提供可靠依據。

1 工程概況

本文研究的棄土場屬于某鐵路沿線附屬工程，所在區域為丘陵緩坡地貌，地勢稍有起伏，植被發育，多為喬木、低矮灌木，西高東低，自然高程259～309 m，相對高差40～50 m，山坡自然坡度約為15～30°。屬于溫濕亞熱帶氣候，最高氣溫達39.6 ℃，極端最低氣溫達-8.5 ℃，多年平均氣溫16.6 ℃。歷年最大降雨量1 734.1 mm（1970年），一般年降雨量1 268.9 mm，年蒸發量1 371.0 mm，年日照時數1 421.4 h，年平均濕度80 %～83 %，無霜期355天，百年一遇24 h降雨量269.0 mm。

研究區域分布的地層由上往下為填筑土（Q4ml），第四系殘坡積（Q4el+dl）、元古宙板溪群（Ptnwb）板巖，分布厚度介于20～35 m。最表層為人工棄土，碎石土，碎石成分為褐黃色泥質砂巖，黏土充填。占地面積3.39 hm2，棄土方量22.48×104 m3，最大堆渣高度43 m。

綜合棄土場區域工程地質資料、鉆孔資料以及對研究區現場地質測繪，未發現較大斷裂構造，查閱相關文獻，研究區無明顯新構造運動。根據勘察資料，棄土場區域地表水弱發育，僅局部存在小水塘。地下水類型主要為孔隙水及基巖裂隙水，孔隙水主要賦存于全風化巖層中，不發育;基巖裂隙水主要賦存于強～弱風化的基巖之中，不發育;地下水埋深4.0～8.0 m。

根據GB 18306-2015《中國地震動參數區劃圖》，研究區地震動參數為地震動峰值加速度為0.05g，地震動反應譜特征周期為0.35 s，地震基本烈度為VI級，可采取一般抗震措施。

2 模型構建與參數選取

本文應用Geostudio分析棄土場滑體穩定性，模擬自然條件以及降雨條件下棄土場可能變形失穩情況。根據棄土場地質原型和工程地質條件，建立沿棄土場主滑方向典型剖面生成的數值模型，見圖1。本文按實際工程情況將計算模型總體分為3層：人工棄土、強風化板巖和弱風化板巖。

2.1 邊界條件設定

滲流分析中，模型邊界常常按兩類邊界條件設定。第一類邊界條件為給定一個節點場變量，地下水位以下均為第一類邊界條件;第二類邊界條件為給定單元邊水流速率，地下水位以上入滲及降雨表面邊界按流通量邊界處理，即第二類邊界條件。場變量參數為水頭高度，水頭差是水流流動的主要動力。

依據滲流分析原理，將模型左邊界設置為水頭邊界，給定0 m高的水頭，將右邊界及底部邊界設置為零通量邊界，模型表面為入滲面，作為流量邊界。

2.2 工況與參數

根據棄土場工程地質條件，主要分為自然工況和不同持續時間暴雨工況（1 h、6 h、24 h、72 h）研究棄土場的穩定性。依據《中國暴雨統計參數圖集》，由格網圖可以得到棄土場區域百年一遇雨量值。經過入滲折算后的暴雨入滲強度見表1。

根據實驗數據及相關工程類比，綜合確立了棄渣場的物理力學參數。如表2所示。

3 棄渣場滑坡穩定性分析

根據破壞模式分析結果和現場調查情況，棄土場發生滑坡的可能情況為：①沿基底接觸面滑動;②沿邊坡內部潛在滑面的滑動。因此，在進行棄土場穩定性計算分析時，應該對棄土場進行沿基底接觸面滑動的整體穩定性分析和沿棄土體邊坡內部潛在滑面滑動的棄土體邊坡穩定性分析。

3.1 整體穩定性分析

根據表2參數采用傳遞系數法計算邊坡體剩余推力來確定自然、暴雨兩種條件下的整體穩定性系數。表3為天然工況和暴雨工況下各剖面采用不平衡推力傳遞系數法計算得到的棄土體整體穩定性系數。

3.2 邊坡穩定性分析

運用極限平衡條分法對模型進行刻畫，選取SEEP/W模塊進行滲流場模擬，同時在SLOPE/W模塊計算滑坡安全系數。材料分類選取類似工況體積含水量函數與滲透系數函數。滑坡穩定性計算使用包括瑞典圓弧（Ordinary）法、畢肖普（Bishop）法和摩根斯坦-普賴斯（Morgenstern-Price）法對棄土場進行對比分析。

3.2.1 天然工況下棄土場穩定性

Geo-Studio的SLOPE/W模塊可自動搜索圓弧滑面，展示最危險滑弧范圍并計算棄土場剖面的穩定性系數。表4為在天然工況下以三種方法計算得到棄土體邊坡穩定性系數結果及其穩定性狀態。三種方法中，Bishop法計算安全系數最大，偏安全;Ordinary法計算安全系數最小，偏不安全。而Morgenstern-Price法數值介于兩者之間，也最為適用該棄土場沿基覆界面的土石質滑坡，圖2展示了天然工況下采用Morgenstern-Price法計算得到的棄土體邊坡穩定性最危險滑弧。結果表明，在給了一定邊坡支護（擋墻）后，天然工況下棄土場邊坡具有較好的穩定性。

3.2.2 暴雨工況下棄土場穩定性

根據SEEP/W模塊計算得到的棄土場暴雨工況下的滲流場分布，采用SLOPE/W模塊計算棄土場邊坡穩定性，并展示出棄土體邊坡最危險滑動圓弧。在暴雨工況下三種方法計算得到棄土體邊坡穩定性系數結果及其穩定性狀態如表5所示，圖3為各暴雨工況下采用Morgenstern-Price法計算得到的棄土體邊坡穩定性最危險滑弧。結果表明，在擋墻支護作用下，棄土場穩定性隨降雨時長并未出現較大的變化，穩定性系數均大于要求范圍。棄土體邊坡最危險滑弧范圍隨時間明顯增大，在24 h時達到最大，此時在雨水持續入滲下，棄土場上部積水嚴重，易誘發滑坡等自然災害。

4 結論

（1）采用Geostudio對棄土場在不同工況下進行了穩定性分析，得出棄土體在天然工況下穩定性系數最小為1.68;暴雨工況下（72 h）穩定性系數最小為1.209。表明在擋墻支護下棄土場處于穩定狀態。

（2）持續暴雨工況下，棄土場高坡出現清晰滑面，并隨時間范圍擴大，伴隨積水量增加，內部穩定性的降低，坡體滑動幾率增加。

（3）暴雨條件下潛在滑體集中于坡體前緣，因此對坡腳支護要求較高，可適當采取相應的防治措施， 如修建截排水溝，在邊坡坡腳外一定距離適當位置處布置必要的消能、沉沙設施等。

參考文獻

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