棄渣場復雜工況下穩定性分析研究

閆 賓，王 昱，方 舒，李明陽

（1.國網新源控股有限公司抽水蓄能技術經濟研究院，北京市 100761；2.長江勘測規劃設計研究有限責任公司，湖北省武漢市 430010；3.國網新源控股有限公司，北京市 100161）

0 引言

棄渣場堆存渣體中的巖土體軟弱夾層、地基巖土體性質、地表植物、山溝地表徑流等都可能影響棄渣場的穩定。棄渣場不但會發生滑坡，還可能會產生泥石流，甚至帶來嚴重的安全與環境問題。近年來，棄渣場失穩事故頻發，比如深圳“12·20”滑坡事件、山西婁煩尖山鐵礦“8·1”特大排土場垮塌事故、巴西布魯馬迪紐潰壩事故等，給人民生命財產安全帶來很大威脅。

在上述背景下，選擇典型棄渣場，探討修坡、碾壓、清除原有地面植被、地震、極端天氣、巖土體參數等不同因素對棄渣體穩定性的影響，可從技術和管理方面為后續類似棄渣場規劃、勘察設計、施工和維護提供非常有必要的經驗借鑒。

1 典型棄渣場概況

1.1 所在區域概況

典型棄渣場屬中低山丘陵地貌，屬亞熱帶濕潤季風氣候，多年平均氣溫為16℃，年相對濕度為76%，年蒸發量為1445.2mm，年降水量為1650.1mm，20年一遇平均1h降水量為81.1mm。植被覆蓋狀況良好，林草植被覆蓋度約為75%。

典型棄渣場所在流域徑流主要來自降水，徑流年內分配不均勻，徑流主要集中在3～7月，占全年的78.5%，年徑流深在800～900mm范圍。棄渣場所在區域年降雨量較大，易出現暴雨等極端天氣，植被覆蓋狀況良好且土體含水量較高，適合用于探討清除原有地面植被、極端天氣等不同因素對棄渣體穩定性的影響。

1.2 堆渣物質組成

典型棄渣場位于工程下水庫右岸坡庫外，縣道公路西側一北東向沖溝內，棄渣場主溝為北東向，沖溝長約為800m，地勢平緩，坡降小，地面高程為280～475m，溝中常年流水，擋渣壩以上匯水面積約為0.4km2；山坡坡度為30°～35°，分水嶺高程為320～475m。

據現場調查，該棄渣場主要堆積為工程籌建期進場公路和主體工程下水庫區域開挖棄渣、開關站開挖棄渣、地下輸水發電系統進出口開挖棄渣。后期在第二平臺局部堆積有碎塊石料和建筑垃圾，第三平臺上部后緣靠溝側堆積有砂石系統篩分過濾后的石粉石渣。

堆渣區原有覆蓋層一般不厚，溝底附近厚為0.5～1.5m，岸坡局部基巖裸露。基巖裸露巖性為粗粒花崗巖，強風化厚度為2～8m。區內無大的斷層破碎帶通過，節理裂隙一般發育，巖體表部卸荷裂隙較發育。根據現場實地調查，堆渣區未見滑坡、崩塌、泥石流等不良物理地質現象，地質災害不發育，山體自然斜坡穩定。采用Civil 3D還原了原始地形，對比現狀堆渣全景影像，對堆渣區域有個直觀了解，如圖1所示。

圖1 典型棄渣場原始地形與堆渣形貌圖Figure 1 Original topography of typical spoil ground and morphology map of slag stacking

該棄渣場渣料來源復雜，堆渣區覆蓋層一般不厚，適合用于探討修坡、碾壓、巖土體參數等不同因素對棄渣體穩定性的影響。

2 修坡和碾壓對棄渣體穩定性影響分析

2.1 堆渣坡度和高度對穩定性影響分析

依據典型渣場的計算分析，計算分析結果見表1、圖2、圖3，在一定范圍內堆渣邊坡的安全系數同堆渣坡面高度沒有直接相關性，但當堆渣高度增加后，由于棄渣堆置統一變為向下卸載的方式，所以坡面坡度接近于臨界坡比，使得計算安全系數明顯降低。與堆渣高度所不同的，堆渣坡比同邊坡穩定安全系數直線相關。另外堆渣坡度越緩，邊坡的安全裕度越高。

圖2 邊坡安全系數同堆渣高度變化規律Figure 2 Variation law of slope safety factor and slag stacking height

圖3 邊坡安全系數同堆渣坡度變化規律Figure 3 Variation law of slope safety factor and slag stacking slope

表1 各級臺階邊坡堆高坡比計算表Table 1 Calculation table of pile height and slope ratio of bench slopes at all levels

2.2 渣體碾壓對穩定性影響分析

渣體碾壓是通過改變棄渣顆粒間的密實度來提升渣體穩定性[1]，為充分了解物理力學參數對渣場邊坡穩定的影響，對典型棄渣場的四級邊坡開展參數敏感性分析，由于第一臺階和第二臺階坡度分別為1:2.5和1:2.1，為一般設計坡比，選其為分析對象，固定黏聚力為5kPa和0kPa，分別計算渣體邊坡的安全系數。分析結果如圖4、圖5所示，結果表明，渣場邊坡安全系數同渣體內摩擦角參數密切相關。當考慮渣體內部固結粘聚力時，減緩坡度將帶來更高的安全裕度；若依照相關規范建議，忽略渣體內部的黏聚力，坡度放緩帶來的安全裕度也會相對減小。

圖4 安全系數隨內摩擦角的變化規律（c=5kPa）Figure 4 Variation of safety factor with internal friction angle （c=5kPa）

圖5 安全系數隨內摩擦角的變化規律（c=0kPa）Figure 5 Variation of safety factor with internal friction angle （c= 0kPa）

同內摩擦角類似的，計算研究了黏聚力對渣體穩定性的影響，分別選取內摩擦角為28°和22°的渣體參數進行計算。雖然黏聚力與堆渣體穩定亦直接相關，但其反映出的規律并非呈線性，在黏聚力上升初期，減緩坡度可明顯提高渣場坡度的安全裕度，計算結果如圖6、圖7所示。

圖6 安全系數隨黏聚力的變化規律（φ=28°）Figure 6 Variation of safety factor with cohesion（φ= 28°）

圖7 安全系數隨黏聚力的變化規律（φ=22°）Figure 7 Variation of safety factor with cohesion（φ= 22°）

3 暴雨工況（排水失效）對堆渣穩定性的影響分析

3.1 棄渣場滲流場分析

3.1.1 計算模型和邊界條件

滲流場計算模型采用渣場基本穩定計算斷面模型（見圖8），自由劃分網格后作為渣場邊坡穩定計算的前置條件有限進行穩定滲流場計算[2]，滲流場邊界條件依據渣場鉆孔水位監測結果以及工況假設推定，假設兩種極端情況，一是排水溝上游發生邊坡滑塌淤堵溝床，上游來水淤積后自渣體后緣直接進入渣體；二是排洪溝中段發生淤堵，上游來水自渣體側方進入渣場中，各極端工況對應上下游邊界條件如下。

圖8 典型棄渣場滲流及邊坡穩定分析模型示意圖Figure 8 Model diagram of seepage and slope stability analysis of typical waste dump

極端工況1：上游邊界取排洪溝底板高程約為393m，約為第三級臺階坡頂位置，根據相對位置關系則可推測下游溢出點高程大致位于第二級坡面附近。

極端工況2：根據地質勘察的鉆孔水位對比，上游邊界低于溝兩側邊坡底部的全風化巖層，水頭邊界大約為375m，溢出點高程位于第一級臺階下方21.8m。

3.1.2 計算結果分析

如圖9所示為典型棄渣場極端工況計算結果示意圖。

圖9 典型棄渣場極端工況計算結果示意圖Figure 9 Schematic diagram of free surface calculation results of typical dump

極端工況1條件下渣場浸潤線出口將位于第三級臺階下方，因此三級臺階以下的渣體坡面將明顯受到地下水位抬升的影響，相應的棄渣處于飽和狀態，此狀況發生的概率極小，也出現于極端長期降雨入滲渣場的模擬。

極端工況2條件下浸潤線出口位于第一級臺階坡面位置，其主要表現為渣場中部地下水位顯著提高，而現場勘察的結果顯示渣場中部鉆孔無地下水出露。所以，該位置可以作為渣場地下水位監測的站點。極端工況2下受影響的坡面僅為第一級臺階，由于其位于渣場坡腳，其穩定性影響渣體的整體穩定，因此不可忽視，需要計算復核。

3.2 棄渣場滲流場分析

計算結果表明，在極端工況1條件下，渣場2級臺階邊坡安全系數僅為0.696，說明其以下邊坡將面臨整體破壞的威脅，該破壞將引起整個渣場的聯動效應，是極端危險的工況。相對的，極端工況2條件，降低了第一級臺階的安全裕度，但對邊坡和整體穩定性不產生決定性影響。

4 渣體下墊面對堆渣穩定性的影響分析

現場鉆孔取樣進行土工試驗表明，淋溶效應將造成堆填界面的黏聚力和內摩擦角明顯下降。當渣體下墊面未進行清表處理，將殘余大量孔隙和軟弱夾層，在降雨作用下更容易發生淋濾軟化現象[3]。對若渣底綜合坡度較陡，未進行渣底清表和軟弱層清除，長期降雨和地下水位抬升的淋濾作用將極大威脅渣場整體穩定。因此，在棄渣場場地清理階段，應注意做好渣底植被和表層軟土的清理工作[4]，并于渣底設置合適的盲溝導排措施。

5 邊坡加固對堆渣穩定性的影響分析

5.1 加固結構模擬

根據渣場堆渣邊坡現狀調查與基本穩定分析結果，棄渣場第三級臺階堆渣邊坡高度大于15m，邊坡坡度陡于1:2，考慮削坡后增加框格梁加錨桿防護，為驗證施加框格梁后堆渣邊坡的防護效果，邊坡計算模型邊坡高15m，坡比為1:2。

模型寬度取三排人字形格構梁16.8m，該模型單元計算結果可反映現狀邊坡整體情況。混凝土格構—插筋護坡系統如圖10所示，格構梁采用Beamset，錨桿采用Cableset[5]，格構和插筋采用剛性連接，插筋直徑為28mm，坡底兩層插筋長9.0m，其余長6.0m。

圖10 混凝土格構-插筋支護邊坡有限元模型示意圖Figure 10 Schematic diagram of finite element model of concrete lattice bar supported slope

5.2 施加混凝土格構梁條件下邊坡穩定性分析

5.2.1 計算參數及計算工況

棄渣場渣體物理力學參數依據渣場基本穩定計算參數敏感性分析臨界值選取；混凝土格構—插筋框架體系材料參數依據類似項目選取[6]，詳見表2和表3。計算工況分別選擇正常運行、持續降雨、排水失效共3種工況。

表2 棄渣場巖土體物理力學參數表Table 2 Table of physical and mechanical parameters of rock and soil mass in waste dump

表3 混凝土格構—插筋框架體系參數表Table 3 Table of physical and mechanical parameters of rock and soil mass in waste dump

5.2.2 計算結果分析

模擬計算結果如圖11、圖12所示，可見：

圖11 邊坡防護體系施加前后效果對比結果示意圖Figure 11 Schematic diagram of effect comparison before and after application of slope protection system

圖12 正常工況邊坡（施加格構—插筋支護）穩定計算結果示意圖Figure 12 Schematic diagram of stability calculation results of slope under normal conditions （with lattice bar support）

（1）正常工況，當邊坡無支護體系，計算安全系數為1.19，施加支護體系，計算安全系數為1.53，安全系數提高0.34，有效提高了邊坡安全余度。

（2）降雨工況，當邊坡無支護體系，計算安全系數為1.03，施加支護體系，計算安全系數為1.32，安全系數提高0.29，防護效果提升較正常工況小。

（3）排水失效工況，當邊坡無支護體系，計算安全系數為0.93，施加支護體系，計算安全系數為1.19，安全系數提高0.26，該工況下邊坡可能發生垮塌，邊坡防護系統有效地保證了邊坡穩定。

綜上可見，施加支護體系后，邊坡安全系數明顯提高，各工況均基本滿足規范要求；但隨著渣體c、φ值下降，混凝土結構—插筋支護體系提升邊坡穩定性的效果會逐漸減弱，因此，在施加支護體系的同時，仍應做好相應的排水措施。

6 結束語

本文分別探討了修坡和碾壓、極端暴雨工況（排水失效）、渣體下墊面軟化、地震以及邊坡加固對渣體穩定性的影響。

（1）通過邊坡坡比和堆高變化說明修坡過程對渣體穩定的影響，計算結果表明，當坡比由1:2.5降至1:1.14，穩定系數由1.628下降0.966，變化過程基本為線性；而當堆高不超30m時，堆高降低對渣體穩定性影響較小。

通過黏聚力和內摩擦角的敏感性分析模擬渣場的碾壓過程，計算結果表明內摩擦角同邊坡計算安全系數表現為線性相關的關系。

（2）在排水失效的極端工況下，暴雨對渣場邊坡和整體穩定將帶來極大威脅，該邊坡安全系數由1.284驟降至0.696。因此，在棄渣場安全監測內容中，應該加入渣場地下水位監測，對地下水位的異動高度關注；另外前期渣場設計和施工過程中，也應重視盲溝合理布置，發揮其疏導地下水的作用。

（3）渣未進行渣底清表和軟弱層清除，長期降雨和地下水位抬升的淋濾作用將極大威脅渣場整體穩定。因此，在棄渣場場地清理階段，應注意做好渣底植被和表層軟土的清理工作，并于渣底設置合適的盲溝導排措施。

（4）渣場邊坡的加固模擬表明，混凝土格構—插筋框格體系能有效提高棄渣邊坡的抗滑穩定性，建議對類似典型渣場上部局部高陡邊坡采取適當的削坡和邊坡加固措施。