棄渣場物理力學參數選擇與多維度穩定性分析研究

王 昱，閔 麗，溫家華，凌 超，方 舒

（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）

0 引言

棄渣場是水電工程固體廢棄物的堆置場所，是水土流失的重點區域，也是工程安全重點關注的對象。隨著生態文明建設的推進，對保護環境、控制水土流失提出了更高的要求。棄渣場既不同于堆石壩，也有別于天然邊坡，對其構成材料的特殊性和復雜性往往認識不足，導致現有的計算方法和基于工程類比確定的參數可能存在較大離散性和不確定性[1]。

針對以上情況，本文通過資料收集、文獻分析，開展影響棄渣體穩定的要因分析，確定不同邊界條件下棄渣體的穩定狀況；依據邊坡變形失穩機理總結，針對不同的計算方法，提出棄渣物理力學參數選擇方法。

1 典型棄渣場概況

通過對多個水電站棄渣場進行實地考察，最終確定安徽某抽水蓄能電站下水庫2號棄渣場作為研究對象。主要原因是該棄渣場已臨近堆渣尾聲，渣場場地開闊，利于開展地質勘察工；該棄渣場局部坡面正在進行修整作業，可以作為研究分析的典型案例。

根據典型棄渣場設計專題報告及現場實際施工情況，堆渣量約為323萬m3，占設計堆渣量的71.9%， 實際堆渣占地面積約為15.64hm2。典型棄渣場為特大型棄渣場，攔擋防護設施級別為3級，棄渣場防洪設計標準采用50年一遇洪水[2]。棄渣場工程防護措施包括攔擋工程、截排水工程、沉沙工程和土地整治工程。典型棄渣場全貌如圖1所示。

圖1 典型棄渣場全貌Figure 1 Overview of typical spoil ground

2 棄渣物理力學參數選擇

為獲取棄渣土體物理力學性質，分別進行了現現場試驗和取樣進行室內顆粒分析及模擬三軸試驗、擊實試驗，用以獲取棄渣體相應的物理力學指標，獲得E-μ（B）等相關參數。現場取樣5組，其中棄渣體大樣4組，鉆孔巖芯樣1組。試驗內容包括顆粒分析試驗、擊實試驗、大型三軸試驗、自然休止角試驗，獲得了4種渣料的級配、最大干密度、抗剪強度指標、E-μ（B）變形參數以及自然休止角等指標。4種渣料（y1～y4）和1種鉆孔料（zk2）共計5種料級配曲線如圖2所示。

圖2 棄渣級配曲線圖Figure 2 Grading curve of waste slag

2.1 剛體極限平衡法參數選取

剛體極限平衡法相關巖土物理力學參數可根據現場和室內試驗成果及電站前期勘察成果，類比已收集到的類似工程確定，其中棄渣物理力學參數依據參數反演與堆渣現狀坡面對比獲得[3]。棄渣體為散粒物，渣體內未見連續軟弱界面，厚度較小，滑動面近圓弧形，即渣體內產生圓弧滑動，截取滑坡動面最深處縱向滑面作為計算剖面。影響渣體穩定的主要因素為暴雨，本次計算采用暴雨兩種工況，計算時不考慮動水壓力，渣體采用飽和容重。

根據現場試驗及原位測試成果，結合相關規范與經驗選取，各巖性參數取值見表1，計算結果見表2。

表1 渣體各巖性計算參數取值表Table 1 Table of calculation parameters for each lithology of slag body

表2 渣體抗剪強度指標反演計算結果表Table 2 Back calculation results of slag shear strength index

續表

當穩定系數為0.9＜F＜1時，渣體抗剪強度取值見表3。

表3 渣體抗剪強度指標反演計算取值表Table 3 Table of the inversion calculation values of shear strength index of slag body

對于反演結果顯示當黏聚力取0時，天然內摩擦角需要達到32°～36°才能滿足自穩條件，這與現實最危險堆渣狀況基本相符。然而該參數未考慮深層土體的固結沉降作用，僅為表層松渣，從鉆孔取樣結果分析，較深層土體存在明顯固結作用。故在計算中內摩擦角選擇比反演結果略小，考慮部分固結后的黏聚力作用，綜合得到棄渣場巖土體物理力學參數建議值見表4。

表4 棄渣場巖、土體物理力學參數建議值表Table 4 Recommended values of physical and mechanical parameters of rock and soil in waste dump

2.2 彈塑性有限元法參數選取

彈塑性有限元法相關巖土物理力學參數根據現場和室內試驗成果及電站前期勘察成果，類比已收集到的類似工程確定，見表5。

表5 棄渣場巖、土體物理力學參數建議值表Table 5 Recommended values of physical and mechanical parameters of rock and soil in waste dump

3 棄渣場多維度穩定性分析

3.1 潛在破壞模式判別

典型棄渣場距離下墊面最大垂直堆渣厚度為33m，最大坡面長度為70m，單級最大坡高為31m，平均坡面坡度為1:2，下伏地基碎石土層厚約為5m，全風化層厚度局部最大為12m，平均厚度為4m；下伏基面平均坡度為15%。典型渣場堆渣厚度大，單級最大坡高大于最大允許坡高（30m），平均坡面坡度較陡，存在局部陡于1:2過渡段坡面。因此，在假設渣體為均勻介質的情況下，典型渣場坡面滑動模式主要為沿渣體內部的圓弧滑動。

下伏地基碎石土層厚度較大，分布廣，但由于堆渣厚度遠大于下伏地基碎石土層厚度，在堆渣過程中經歷了壓實固結過程，渣底坡度也較緩，因此，在正常工況下，渣體整體不會沿同地基交界面產生滑動。但在持續降雨或排水失效的條件下，由于地下水位升高，棄渣與地基交界面因淋溶效應的存在[4]，產生局部強度軟化，可能引起局部渣體沿底面折線產生滑動[5]。

綜上所述，定量計算時需復核堆渣渣體的局部邊坡穩定性和特殊條件下的整體穩定性。

3.2 棄渣體三維穩定計算分析

3.2.1 計算方法

采在松散巖土體分析中，鄧肯—張E-B雙曲線模型能較好地模擬土體的變形性狀。該模型的參數測定有比較成熟的經驗，而且測試簡單，在工程計算中得到廣泛應用。棄渣場靜力計算材料參數見表5。

棄渣地基巖體按線彈性材料考慮，粉沙質泥巖彈性模量E=3GPa，泊松比為0.3，密度為2.32g/cm3；砂巖彈性模量E=5GPa，泊松比為0.25，密度為2.32g/cm3。

3.2.2 計算模型

選取典型棄渣場典型剖面作為計算模擬的斷面，選取的典型斷面同二維計算模型相一致。模型左側為攔渣堤，共分三級主要臺階，攔渣堤、渣體材料、覆蓋層和地基均采用八節點六面體等參單元，有限元計算模型見圖3。模擬棄渣過程為每5m進行一次堆填，并假設堆填過程是自渣腳往渣頂進行。

圖3 典型棄渣場有限元模型Figure 3 Finite element of typical spoil ground

3.2.3 結論與分析

3.2.3.1 本構模型分析

如圖4所示為計算結果，可見：

圖4 典型渣場坡頂、坡底泊松比—應力水平計算圖Figure 4 Poisson’s ratio stress level calculation diagram of slope top and bottom of typical slag dump

（1）對于坡體上層堆渣，實測泊松比隨應力水平大致呈線性關系，初始泊松比小，且泊松比與圍壓關聯不大，表明大變形過程主要以軸向壓縮為主，側向應變效應較弱，符合松散碎石土的變形特征，因此E-B模型能夠更好地描述其泊松比—應力水平的關系。

（2）對于坡體深層堆渣，雖實測泊松比曲線隨應力水平也大致呈直線型，但與圍壓具有聯動性。同一應力水平，圍壓越大，泊松比越小；圍壓越大，初始泊松比也越小，在此情況下E-μ模型更實用。

（3）針對底部較為平緩且排水通暢的棄渣場，其沉降變形規律受深層堆渣影響較小，主要表現為淺層邊坡滑動破壞，因此選擇E-B模型更加合理。

3.2.3.2 變形與沉降

變形計算結果表明：正常工況下完建期渣體最大沉降為35cm，占最大堆渣厚度的1.06%，整體堆渣斷面形狀的設計是合理的。連續降雨工況最大沉降為86cm，占最大堆渣高度的1.15%；第三級邊坡產生渣體最大水平位移為45cm，該臺階邊坡同第四級邊坡共同構成了該渣場軸線方向危險剖面。

3.3 棄渣體二維極限平衡法計算分析

3.3.1 計算方法

本節對典型棄渣場的典型斷面采用極限平衡法中的畢肖普法進行計算復核[2]。

3.3.2 計算條件

計算荷載包括棄渣體自重、靜水壓力和地震力。

計算工況：正常工況為棄渣場正常運行工況，荷載組合為棄渣體自重；非正常工況I為棄渣場運行過程中遭遇降雨工況，荷載組合為棄渣體自重+靜水壓力。計算參數[6]見表4。

3.3.3 計算模型

計算模型如圖6所示。堆渣左下角為攔渣壩，自下而上分別為一級臺階至坡頂四級臺階，堆渣坡度逐漸變陡，堆渣坡比分別為1:2.5、1:2.0、1:1.6、1:1.14，坡面堆高分別為17m、20.5m、23.5m和14.5m。

3.3.4 結果與分析

棄渣場典型剖面二維穩定計算分析分為整體穩定分析和邊坡穩定分析。整體穩定分析通過指定劃弧法確定渣場滑動底面，劃弧為折線形，其反映了渣場場地淺層地表對渣場穩定性產生的影響；邊坡穩定分析通過指定圓弧圓心和半徑自動搜索最危險滑面，滑面形式為圓弧形，其反映渣體堆渣坡度、棄渣參數以及渣底局部軟弱夾層對棄渣邊坡穩定的影響。

圖5 渣場堆渣現狀計算模型（典型剖面）Figure 5 Calculation model of slag status in slag yard （typical section）

首先計算渣場進行渣場整體穩定性復核，如圖6、圖7所示，該典型渣場的整體穩定性良好，由于地勢平坦，渣體底部軟弱夾層厚度不大，整體穩定計算結果值遠大于標準值。

圖6 渣場整體穩定計算成果（正常工況）Figure 6 Calculation results of overall stability of slag yard （under normal conditions）

圖7 渣場整體穩定計算成果（降雨工況）Figure 7 Calculation results of overall stability of slag yard （rainfall condition）

如圖8、圖9所示，典型渣場計算劃弧出現于渣體內，說明邊坡穩定控制因素為渣體自身而非地基；劃弧位于三級臺階上方坡面，主要由于該位置坡面坡度較陡以及堆渣高度較高。

圖8 渣場邊坡穩定計算成果（正常工況）Figure 8 Calculation results of slope stability of slag yard （normal working condition）

圖9 渣場邊坡穩定計算成果（降雨工況）Figure 9 Calculation results of slope stability of slag yard （rainfall condition）

如表6所示，渣場整體穩定性均滿足規范要求，但最上級邊坡穩定系數小于規范允許值，因此最上級邊坡后續進行了削坡整形和施加坡面防護工程措施。

表6 典型渣場整體穩定和邊坡穩定復核表Table 6 Review table for overall stability and slope stability of typical slag yard

3.4 棄渣體三維、二維穩定計算結果對比分析

選擇堆渣坡比1:2.1和1:2.0的坡面對比三維計算和二維計算結果，三維穩定系數由應力水平倒數計算獲得。

表7 三維和二維坡面穩定計算結果對比表Table 7 Comparison of 3D and 2D slope stability calculation results

計算結果表明，兩種計算方法取得的安全系數均能滿足規范要求，但采用畢肖普法比用有限元法估算的安全系數略低，說明二維剛體極限平衡法相對三維彈塑性有限元法更保守，但是三維彈塑性有限元法在真實地形條件的安全系數標準可能受多因素影響，相應標準可能更高。

5 結論

本文通過選取典型棄渣場，依據地質勘探成果和邊坡變形失穩機理定性分析，針對不同的計算方法，提出棄渣物理力學參數選擇方法，并對棄渣體三維、二維穩定計算結果進行了對比分析，獲得以下認識：

（1）提出了一種適用于電站大型棄渣場的復雜工況多維度穩定性評價方法，提出針對抽水蓄能電站常見的大型棄渣場，常規穩定性計算分析難以滿足渣體穩定性復核要求的結論，建議將有限元法同極限平衡法相結合，進行棄渣場在復雜工況下多維度穩定分析。

（2）針對棄渣場堆渣形式的特殊性和不確定性，以參數敏感性分析為基礎，提出了渣體試驗參數的反演和修正方法。

（3）研究提出鄧肯—張E-B模型對人工堆填體多級堆渣過程模擬較E-μ模型更加合理。將三維彈塑性理論分析結果同二維剛體極限平衡（簡化畢肖普法）相對比，結果表明，采用畢肖普法計算結果比有限元計算的穩定系數略低，表面二維剛體極限平衡法更偏保守。