數(shù)字模擬棄渣場極端條件下失穩(wěn)分析評價

朱 才

(云南省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局第一地質(zhì)大隊，云南 曲靖，655000)

云南北部在建華坪至麗江高速公路(簡稱華麗高速)是國家公路網(wǎng)G42上海至成都高速公路中成都至麗江聯(lián)絡(luò)線的一段，是云南高速公路網(wǎng)“三縱三橫，九大通道”北部華坪-麗江-蘭坪-六庫的重要組成部分。也是連接京昆高速(G5)和大麗高速(G5611)、西麗高速(G0613)重要路段。K0+000-K15+500段屬于華坪至麗江中段，具有高程大和落差大的特點。

華麗高速地處橫斷山區(qū)域東側(cè)，也是三江并流區(qū)金沙江流域區(qū)，是世界上著名的滑坡泥石流等地質(zhì)災(zāi)害高易發(fā)區(qū)[1-3]，表現(xiàn)為高寒山區(qū)冰雪凍融作用地質(zhì)災(zāi)害特征，具有高縱坡高位遠程高勢能等特點，其形成具階段性與周期性特征，與青藏高原階段性隆起和亞洲季風(fēng)氣候有直接關(guān)系[4-5]，受內(nèi)外動力作用，催生了眾多崩滑流鏈?zhǔn)綖?zāi)害[3，6-7]。加之華麗高速沿營盤山南緣半山展布，沿途多以隧道和橋梁連接，隧道施工棄渣多堆放在隧道兩側(cè)山坳處形成棄渣場。具有量大、高程大、坡度陡、組成物松散、密實度低等特點，將來運營中若受到坡腳開挖、坡頂堆載等人為工程活動、地質(zhì)活動以及高位松散堆積物影響，尤其是大量降雨造成水體侵蝕作用或發(fā)生地震等極端條件下極易發(fā)生坍塌，誘發(fā)泥石流、滑坡等地質(zhì)災(zāi)害[8]，危害下游人員財產(chǎn)損失等。國內(nèi)已有很多學(xué)者對很多棄渣場可能引發(fā)的地質(zhì)災(zāi)害進行了研究分析[9，10]，部分學(xué)者也對松散堆積體或礦渣尾礦堆場進行了數(shù)值模擬或模擬分析等[11-13]。本文綜合華麗高速公路K0+000-K15+500段地形地質(zhì)特征和各棄渣場堆放及其攔擋工程等情況，利用數(shù)字模擬對該區(qū)域典型棄渣場(3#-2合同段1號渣場)進行極端條件下棄渣場失穩(wěn)分析評價，以預(yù)防高位地質(zhì)災(zāi)害和鏈?zhǔn)降刭|(zhì)災(zāi)害發(fā)生。

1 研究區(qū)自然地理地貌

擬建線路K0+000～K15+500段地處云貴高原西緣橫斷山系接壤地帶，受構(gòu)造控制山脈走向以南北向為主。地表崎嶇，高原峽谷、山地、河谷平原和山間盆地相互交錯。組成一系列高山河谷相互重疊的地形地貌，地勢總體西北高南東低，一般山體海拔400m～2500m，相對高差1000m～1500m。路線走廊帶內(nèi)為中低山碳酸鹽巖構(gòu)造侵(溶)蝕區(qū)、中低山構(gòu)造侵蝕剝蝕地貌區(qū)、河流侵蝕階地區(qū)和山麓斜坡松散沉積物堆積區(qū)。

3#-2合同段1號渣場研究區(qū)位于中低山碳酸鹽巖構(gòu)造侵(溶)蝕區(qū)山地緩坡。為道路周邊白云質(zhì)灰?guī)r夾泥質(zhì)砂巖、砂巖山體。斜坡坡面覆蓋層厚度較小，多為第四系殘坡積粉質(zhì)黏土、碎石層。

2 研究區(qū)水文氣象特征及工程地質(zhì)背景

研究區(qū)氣候特征表現(xiàn)為高原性氣候，氣候垂直分帶特征明顯。區(qū)內(nèi)溪流眾多，屬金沙江上段水系左岸一級支流。棄渣場主要為沿線新莊河地表水及其樹枝狀支流水系，主要依靠上游河水和大氣降水補給，通過地表徑流、地下水沿地層滲透向低洼地段徑流及向上蒸發(fā)垂直排泄。各棄渣場場區(qū)內(nèi)均干燥無流水。區(qū)內(nèi)年降雨主要集中于每年7月至9月汛期，河水水位受降水影響明顯，流量懸殊。新莊河距各渣場位置均較遠，3#-2合同段1號渣場匯水面積約0.06km2，對棄渣場穩(wěn)定性影響不大；最大影響水體為雨季大氣降水，完善棄渣場截排水措施后對其穩(wěn)定性影響較小。地下水形成受巖性、構(gòu)造、地貌、巖溶、新構(gòu)造運動、水文氣象、植被等綜合因素所控制，各棄渣場地下水均埋藏較深，對渣場穩(wěn)定性影響不大。

研究區(qū)位于松潘-甘孜地槽這褶皺系與揚子準(zhǔn)地臺銜接過渡部位，橫跨中甸褶皺帶、鹽源-麗江臺緣褶皺帶和康滇地軸等三個二級單元[8]。震旦紀(jì)以來，經(jīng)歷了不同范式的多次構(gòu)造變動，地質(zhì)構(gòu)造極為復(fù)雜。構(gòu)造線以深大斷裂南北向為主，北東北西向次之，中生代以來地質(zhì)、地貌發(fā)展起著決定性的控制作用。棄渣場附近屬于華坪-六德短軸褶皺區(qū)，受程海-賓川斷裂控制，青藏高原隆升作用，新構(gòu)造運動活躍，并引發(fā)了多次地震，地震烈度為8度區(qū)，峰值加速度為0.20g。

圖1 研究棄渣場(3#-2合同段1號)區(qū)域地質(zhì)簡圖

3 華麗高速公路3#-2合同段1號渣場賦存特征

3.1 棄渣場賦存情況

圖2 研究棄渣場(3#-2合同段1號)區(qū)域影像圖

棄渣場位于麗江市華坪縣中心鎮(zhèn)下黑者，東經(jīng)101.2294°，北緯26.5704°，分布于華麗高速K5+900右側(cè)50m，棄渣堆放于低中山地貌單元緩坡處，屬坡地型棄渣場。圖2。棄渣場現(xiàn)已停止棄渣，渣場占地面積16.0畝，呈不規(guī)則多邊形，縱向長約150m，橫向?qū)捈s270.0m，渣場坡向92°，渣場頂標(biāo)高約1264m，底標(biāo)高1202m，堆渣高度62.0m。設(shè)計堆渣量15萬m3，實際堆渣量約44.5萬m3。棄渣場原始地形屬山地緩坡地段，兩側(cè)為山嶺，擋渣墻位于地勢狹窄地段，地形對渣場有利。

棄渣場區(qū)域地表為第四系殘坡積層紅黏土，半固結(jié)硬塑狀，厚度0m～1.2m，原地形較陡位置缺失，下伏震旦系上統(tǒng)燈影組白云質(zhì)灰?guī)r，均具一定力學(xué)強度，對渣場穩(wěn)定有利。

棄渣場渣體主要來源為華麗高速2合同段沿線路塹邊坡挖方棄方，以碎石土為主，成分主要以白云巖、白云質(zhì)灰?guī)r，少量泥巖、泥質(zhì)粉砂巖為主，含量約80%，局部塊石，塊徑約1m～1.5m，含量約20%，分選性較差，部分黏性土充填，結(jié)構(gòu)松散，固結(jié)較差。渣場上游匯水區(qū)域小，原沖溝內(nèi)無地下水溢出點且無長流水通過。棄渣完成后，渣場坡面進行分臺放坡處理，渣場東側(cè)已修筑一段排水溝，渣場下游修筑有擋渣墻。渣場整體未發(fā)現(xiàn)有失穩(wěn)變形跡象。

棄渣場現(xiàn)狀已進行分臺放坡處理，渣場坡腳采用攔石網(wǎng)對渣體攔擋。渣場東西兩側(cè)修筑有溝寬2.0m，深2.0m排水溝，非雨季溝內(nèi)干燥無流水。渣場下游修筑有長約29.2m，可見最大高度2.6m，壩體頂寬2.0m擋渣墻，未遭破壞，墻體完整。主要安全隱患在棄渣場下游居民房屋，渣場東側(cè)最近距離約20m的1戶民房，下游2戶民房距擋渣墻約150m，往下為村莊，距離渣場1.5km。圖3。

3.2 棄渣場原設(shè)計和現(xiàn)狀治理措施對比

棄渣場原設(shè)計：渣場共分4臺，放坡坡比為1：2，平臺寬度約10m～50m，渣場底腳設(shè)置重力式擋渣墻，墻高7m，頂寬2m，面坡傾斜坡率1：0.25，背坡傾斜坡率1：0.5，渣場次級放坡平臺設(shè)置鋼筋石籠，渣場兩側(cè)設(shè)置截水溝，截水溝尺寸為2m×2m，渣場底部設(shè)置片石盲溝，盲溝尺寸2m×2m，堆填完成后需進行綠化(復(fù)墾)。

現(xiàn)狀治理措施：現(xiàn)狀渣場共分12臺，放坡坡率為1：1.66～1：0.84，平臺寬度3.6m～5.9m，渣場坡腳已修筑攔石網(wǎng)對渣體攔擋，渣場東側(cè)修筑有一道排水溝，溝寬2.0m，深2.0m。渣場下游修筑有擋渣墻，長約29.2m，可見最大高度2.6m，壩體頂寬2.0m，渣場底部沿溝谷處設(shè)置2m×2m片石盲溝，現(xiàn)狀堆渣坡面局部地段已生長有灌木。

3.3 剖面測繪確定

棄渣場沿緩坡溝谷堆積而成，為不規(guī)則多邊形。渣場剖面測繪方向92°，最大填方厚度約26m，堆渣高度約62m，圖4、圖5。

4 極端條件下棄渣場失穩(wěn)分析評價

4.1 極端條件下棄渣場形成滑坡的分析評價

棄渣場匯水面積均較小，結(jié)合棄渣場穩(wěn)定性計算結(jié)果，各棄渣場發(fā)生碎屑流可能性較小，破壞模式主要為坐落-滑移式滑坡。按《冶金礦山排土設(shè)計規(guī)范》(GB51119-2015)第5.4條確定棄渣場安全防護距離。棄渣場破壞后滑動距離受滑動路徑(縱向坡率、橫向幾何形狀、障礙物)、滑動路徑覆蓋層物理力學(xué)參數(shù)、排土場散體物料物理力學(xué)參數(shù)、排土場規(guī)模影響，得出滑塌范圍標(biāo)準(zhǔn)化公式：

L=H/tanθ=(β+φ)/2

式中L-坡頂塌滑區(qū)外緣至坡底邊緣水平投影距離(m)，H-棄渣場堆渣高度；β-坡面與水平面夾角；φ-棄渣場堆渣摩擦角。

3#-2合同段1號渣場相關(guān)因素：堆渣高度H(62m)、坡面與水平面夾角β(34°)、棄渣場堆渣摩擦角φ(35°)、滑塌范圍L(90.21m)，計算正常自然情況下，渣場主要危害對象為民房，據(jù)渣場、民房空間平面位置關(guān)系，堆渣體東側(cè)渣體前緣距離約20m的1戶民房、擋渣墻距離下游約150m的2戶民房。渣場匯水面積小，失穩(wěn)運移距離104.5m，小于下游2戶民房，大于東側(cè)1戶民房及鄉(xiāng)村道路(65m)，最大堆積高度約1.23m，滑坡及泥石流對民房、道路有一定威脅。棄渣場因渣體堆放整形放坡形成不同的分級較松散臺坡，且存在部分邊坡植被護坡未覆蓋，現(xiàn)狀下不良地質(zhì)及水文條件下主要存在破壞現(xiàn)象為坡面型碎屑堆，誘發(fā)滑坡可能性較小，危害等級低。

4.2 極端條件下棄渣場形成泥石流的數(shù)字計算分析

3#-2合同段1號渣場堆渣體主要為灰色、褐色碎石、粘土，巖性以白云巖，灰?guī)r，粉砂巖為主和粘性土等。潛在泥石流體碎石含量較高，估計最大塊徑約1.4m，據(jù)相關(guān)資料分析，棄土型泥石流多為稀性泥石流，泥石流容重大約在1.3t/m3～1.8t/m3。固體物重度泥石流堆積物以碎石、塊石、角礫等粗顆粒為主，成分為白云巖，灰?guī)r，粉砂巖為主，經(jīng)驗取γH=1.5t/m3為泥石流流體重度建議值。

泥石流流體容重往往決定其性質(zhì)，影響流體規(guī)模。一般地，容重越大，其規(guī)模也就越大。其測試方法主要有現(xiàn)場調(diào)查試驗法和形態(tài)調(diào)查法，此外還可根據(jù)泥石流易發(fā)程度數(shù)量化評分與重度關(guān)系，作為確定泥石流重度的依據(jù)之一。

該棄渣場極端條件下失穩(wěn)采用數(shù)值模型法分析，碎屑流峰值流量計算采用雨洪修正法，同時對其總量分析計算。

1.碎屑流峰值流量(雨洪修正法)：Qm=Qw(1+ф)Dm，式中Qm-碎屑流最大流量(m3/s)；Qw-設(shè)計清水流量(m3/s)；Ф-碎屑流修正系數(shù)；Dm-碎屑流堵塞系數(shù)；

2.一次碎屑流過程總量：Wm=0.26TQm，式中Wm-通過斷面一次碎屑流總量(m3)；T-碎屑流歷時(s))；

3.一次碎屑流沖出的固體物質(zhì)總量計算：Ws=CmWm=(ρm-ρw)Wm/(ρs-ρw)，式中Ws-通過斷面固體物質(zhì)總量(m3)；Cm-碎屑流修正系數(shù)；Ф-碎屑流修正系數(shù)；Dm-碎屑流堵塞系數(shù)；ρm、ρw、ρs-分別為碎屑流流體密度、清水密度、碎屑流中固體物質(zhì)密度(t/m3)。

(1)設(shè)計清水洪峰流量

按中國水科院提出的經(jīng)驗公式計算地表水匯水流量。當(dāng)匯水面積F≥3km2時計算公式：Qp=1.1×ψF2/3s；當(dāng)匯水面積F<3km2時計算公式：Qp=1.1×ψFs，Qp-暴雨洪峰流量(m3/s)；ψ-暴雨徑流系數(shù)，取0.6；F-匯水面積(km2)；s-小時雨強(mm/h)，查《云南水文手冊》取1小時最大降水量均值。不同重現(xiàn)期降雨量倍比系數(shù)查《云南水文手冊》。求得3#棄土場暴雨洪峰流量值見表1。

表1 棄土場不同頻率下暴雨清水洪峰流量結(jié)果表(水文手冊法、水科院推理公式)

從計算結(jié)果分析，云南省水文手冊計算結(jié)果適中，水科院推理公式法結(jié)果偏大，設(shè)計中推薦采用偏保守的水科院推理公式法計算結(jié)果。

(2)泥石流峰值流量

泥石流洪峰流量是防治工程設(shè)計的重要參數(shù)，本次對棄土場沖溝泥石流流量計算方法為雨洪法。頻率為P的泥石流洪峰流量Qc按下式計算：QC=(1+φ)QpDc，式中Qc-泥石流洪峰流量(m3/s)；Qp-暴雨洪峰流量(m3/s)；φ-泥石流泥砂修正系數(shù)；φ=(γc-γw)/(γH-γC)，γc-泥石流重度(t/m3)；γw-清水的重度(t/m3)；γH-泥石流中固體物質(zhì)比重(t/m3)，取2.6；Dc-泥石流堵塞系數(shù)，查規(guī)范取值，Dc=2.5)

(3)泥石流流速計算

a.泥石流流速：泥石流動力學(xué)性質(zhì)重要參數(shù)之一。目前泥石流流速計算公式為半經(jīng)驗或經(jīng)驗公式。棄土場潛在泥石流為稀性特性，采用《泥石流災(zāi)害防治工程勘查規(guī)范》(T/CAGHP 006-2018)附錄中有關(guān)鐵二院(西南地區(qū))稀性泥石流流速經(jīng)驗公式：Vc=1/√(γHφ+1)×1/n×Hc2/3×Ic1/2

式中，Vc-泥石流流速；γH、φ如上；1/n清水河床糙率系數(shù)取值6.5；Hc-平均泥深(m)；Ic-泥位縱坡率，以溝道縱坡率代替，√根號。泥石流過流斷面面積和平均泥深主要依據(jù)已發(fā)生過泥石流溝谷調(diào)查的平均泥深和斷面平均寬度確定。泥沙修正系數(shù)按照不同頻率計算。泥石流流速值見表2。

表2 雨洪法計算泥石流流量匯總表、流速計算表

b.泥石流中石塊運動速度：以堆積后泥石流沖出物最大粒徑，推求石塊運動速度經(jīng)驗公式：Vs=α√dmax，Vs-泥石流中大石塊移動速度(m/s)；dmax-泥石流堆積物中最大石塊粒徑(m)，取1，4m；α-全面考慮的摩擦系數(shù)(泥石流容重、石塊比重、石塊形狀系數(shù)、溝床比降等因素)，3.5≤α≤4.0，取4.0)。根據(jù)實測塊石最大粒徑情況，泥石流中最大石塊運動速度計算結(jié)果：Vs(m/s)=4.23(m/s)。

(4)泥石流沖擊力

(5)泥石流最大沖起高度

4.3 棄土場失穩(wěn)風(fēng)險綜合評價

3#-2合同段1號渣場下游20m距離1戶民房，另150m處2戶民房；提高危害等級后評價，按理論模型計算值104m，其棄渣場失穩(wěn)影響較嚴(yán)重，現(xiàn)狀下棄渣場失穩(wěn)滑塌形成泥石流后運移距離為104m，因此渣體失穩(wěn)后對渣體前緣20m處民房有影響，對鄉(xiāng)道有一定威脅，對150m的民房有一定威脅。在極端條件下，提高安全等級后，渣體完全下滑形成泥石流后，威脅到(渣場滑體堆積前緣)有兩戶居民，故而失穩(wěn)后，棄渣體將對下游兩戶居民構(gòu)成一定影響，對攔渣墻前緣溝谷及兩側(cè)耕地影響較大，其危害的可能性較大。

5 結(jié) 論

通過對棄渣場整體穩(wěn)定性分析。評估采用定性分析和定量分析相結(jié)合方法，定性方法查明場地周邊情況，對棄渣場現(xiàn)存情況做前期的評估。定量計算方法，將采集到的數(shù)據(jù)電子化并生成模型，3#-2合同段1號渣場棄渣場現(xiàn)狀坡面已放坡分臺處理，擋渣墻完整，現(xiàn)狀未遭受破壞，處于穩(wěn)定狀態(tài)。該渣場上游匯水面積小，在極端條件下，因下游分布有兩戶居民點，需提高評價等級，渣場受水浸或匯水破壞形成泥石流后，將威脅到(渣場滑體堆積前緣)1戶居民，對擋碴墻下游2戶居民構(gòu)成一定影響，對攔渣墻前緣溝谷及兩側(cè)耕地影響較大，其危害的可能性較大，建議對其進行搬遷，未搬遷前建議制定相應(yīng)的應(yīng)急預(yù)案。