基于擾動分析法的棄渣場穩定影響因素敏感性分析

黃傲雪，余 雙

（廣西水利電力勘測設計研究院有限責任公司，南寧 530023）

0 引言

棄渣場作為生產建設項目水土保持工作的重要防治對象，其安全穩定關乎人民群眾生命財產安全，也很大程度決定了項目水土流失防治效果的好壞。影響棄渣場安全穩定的因素較多，前人已進行了比較多的觀測研究，閆賓等[1]認為，當堆高不超30 m 時，堆高降低對渣體穩定性影響較小；李金瑜等[2]基于正交設計法對影響邊坡穩定性的因素進行敏感性分析，認為黏聚力、坡度、內摩擦角對邊坡穩定性的影響高度顯著等。目前各因素變化對渣場穩定性的影響基本都有了統一的定性認識，土質邊坡穩定性主要受滑動面的抗剪強度指標c、φ值控制[3]等，但各因素變化程度對渣場穩定性的影響程度的研究分析卻比較少見。本文利用擾動分析法，選取了擋渣墻尺寸、堆渣坡比、堆渣高度、渣土內摩擦角等4個因素對棄渣場穩定評價指標進行敏感性分析，從而識別影響棄渣場穩定的重要因素或者關鍵因素。擾動分析法由美籍華裔教授何毓琦等人于1980 年提出，該方法能識別參數對模型的敏感性，從而確定模型重要因子，因為簡單快捷、可操作性強，被廣泛應用，但該方法忽略了模型參數之間的相互作用[4]。通過識別棄渣場穩定的重要因素或者關鍵因素，將有助于水土保持設計以及施工人員在棄渣場的防治過程中采取更加科學有效的措施。

1 典型棄渣場概況

百色水庫灌區設計灌溉面積為59.2萬畝，屬大（2）型灌區，工程等別為Ⅱ等，工程建設內容主要為輸水管線及隧洞等。百色水庫灌區工程共設有27個棄渣場，均為溝道型，渣場級別均為5 級，本文選取其中堆渣高程常見、渣料成分比較中和的一個棄渣場作為典型棄渣場。

典型棄渣場位于百色市右江區境內，項目區屬亞熱帶季風氣候區，年內四季分明，年降雨量在1077～1178 mm，雨量年內分配不均，一般集中在4～9 月，占全年降雨量的75%～79%。該棄渣場所在地為丘陵地貌，四周山頂高程為229～283 m，溝底高程190 m左右，四周山體坡度17°～29°，植被豐茂。棄渣場溝底平緩，溝底綜合坡降約4%，集雨面積0.13 km2，溝內旱季無水。經地質專業調查分析，該棄渣場區域為單斜構造，未見斷層發育，覆蓋層為第四系坡殘積含碎石粉質黏土，厚度為0.5～10 m，下伏基巖為砂巖夾泥巖，棄渣場基礎承載力在150～220 kPa 之間，周邊巖體構造穩定，無滑坡、崩塌等不良地質現象，區域地震基本烈度為Ⅵ度。

該棄渣場渣料主要為輸水管線及輸水隧洞開挖料，渣料為土石混合料。棄渣場占地面積3.70 hm2，計劃堆渣量37.3 萬m3，堆渣高度19 m，堆渣邊坡長度47 m。棄渣場設計按兩級堆放，第一級高10 m，第二級高9 m，中間設2 m寬馬道，堆渣坡比為1∶2.5，坡腳設漿砌石擋墻。擋渣墻墻頂寬0.5 m，墻面直立，墻背坡比1∶0.5，墻高出地面1.0 m，墻趾和墻踵各挑出0.4 m，墻體埋入地面以下0.5 m，總墻高1.5 m。渣料及擋墻相關參數見表1。

表1 渣料及擋墻計算參數

2 分析計算方法

本文選取棄渣場抗滑穩定安全系數K1、擋渣墻基底抗滑穩定安全系數K2 作為模擬結果，選取棄渣場設計過程中十分常規、難以回避的擋渣墻尺寸、堆渣坡比、堆渣高度、渣土內摩擦角等4 個因素作為目標因子進行因素敏感性分析。考慮到擋渣墻尺寸要素較多，且擋渣墻最優斷面需要各尺寸要素協調配合，因此本文僅研究擋墻尺寸整體縮放時的棄渣場穩定變化情況。

本文僅對正常工況下K1、K2 的變化情況進行計算和研究分析。K1 采用北京理正軟件設計研究院編制的巖土系列軟件6.5 PB4 版中的《邊坡穩定分析》進行計算，采用等厚土層土坡穩定計算模式，軟件中內置算法為剛體極限平衡法中的瑞典條分法，計算公式如下：

式中：K1為棄渣場抗滑穩定安全系數；c為土的黏聚力，kPa；L為單個土條的滑動面長度，m；W為條塊重力，kN；θ為條塊的重力線與通過此條塊底面中點半徑之間的夾角；φ為土的內摩擦角。

K2 采用北京理正軟件設計研究院編制的巖土系列軟件6.5 PB4 版中的《擋土墻設計》進行計算，計算公式如下：

式中：K2為擋渣墻基底抗滑穩定安全系數；f為擋渣墻基底摩擦系數；ΣG為作用在擋土墻上全部垂直于水平面的荷載，kN；ΣP為作用在擋土墻上全部水平于基底面的荷載，kN。

模型參數敏感性分析能夠確定參數對模型輸出的重要性及貢獻度，一般可分為局部分析法和全局分析法[4]。本文敏感性分析方法采用擾動分析法[5-6]，擾動分析法是應用較廣泛的局部靈敏性分析方法，即在其他因子都不變的情況下，在一定范圍內擾動（如在±50%范圍內多次改動）目標因子的取值，進行多次模擬，選n次不同的計算結果，利用相鄰的兩次計算結果計算相對敏感性的一個值，然后取n-1次的平均值，如式（3）所示：

式中：S為相對敏感度；n為模擬次數；Qi+1和Qi分別為第i+1 和第i次計算輸出的結果，Qa為兩者均值；Pi+1和Pi分別為第i+1 和第i次參數輸入的數值，Pa為兩者均值。

本文棄渣場穩定計算的參數以設計采用值為基準值，基準值為常規值，±50%變化幅度能有效覆蓋各參數的取值范圍，同時參考其他學者的計算方法[5-6]，在基準值基礎上對4 個目標因子分別增減10%、20%、30%、50%，共8 次，分別計算出結果，按式（1）求出相對敏感度S，敏感性分級見表2。

表2 敏感性分級表

3 結果與討論

3.1 擋墻尺寸敏感性分析

本文擋渣墻尺寸采用整體放大縮小的方式進行變化。擋渣墻尺寸變化時棄渣場抗滑穩定安全系數K1、擋渣墻基底抗滑穩定安全系數K2 的變化情況如表3 所示。由表3 可以看出，擋渣墻整體放大縮小時K1、K2無變化，敏感性分析結果均為不敏感。結果表明：擋渣墻尺寸整體放大縮小時對棄渣場抗滑穩定安全系數、擋渣墻基底抗滑穩定安全系數基本沒有影響，擋渣墻尺寸整體放大縮小對渣場安全穩定意義不大。

表3 擋墻尺寸敏感性分析表

擋渣墻是棄渣場的重要建筑物，能防止堆渣過程中渣料滑塌或散落，能夠確保后期坡腳穩定，避免坡腳被雨水風浪淘刷，對棄渣場安全穩定有利。同時，擋渣墻的建設對投資影響也較大，因此需注重擋渣墻斷面的優化設計。擋渣墻整體放大時，一方面增大了自重，提高了擋墻基底抗滑力；另一方面增大了與渣土的接觸面積，擋墻承受的土壓力同比例增大，因此，擋渣墻設計時選用“矮胖”型斷面，有利于增大擋渣墻基底抗滑力和墻體滑動力的比值，從而提高擋渣墻基底抗滑穩定安全系數。

3.2 堆渣坡比敏感性分析

堆渣坡比變化時K1、K2 的變化情況如表4 所示。由表4 可以看出，堆渣坡比變化時K1、K2 隨之有序變化，坡比越小，安全系數越高，敏感性分析結果均為比較敏感，且K1的敏感度大于K2的敏感度。結果表明：堆渣坡比是影響K1、K2 的重要因子，對棄渣場安全穩定意義重大。

表4 堆渣坡比敏感性分析表

在棄渣場設計及施工過程中，增大堆渣坡比能夠減小渣場占地面積、增大渣場容量，從而減少棄渣場用地成本，但坡比變大棄渣場抗滑穩定安全系數、擋渣墻基底抗滑穩定安全系數都會明顯降低，這就要求增大擋墻尺寸、增大渣體內摩擦角等，防護措施要求提高后防護費用也相應提高。因此，應注重堆渣坡比的控制，要兼顧經濟和安全，在減少渣場占地的同時要格外注意不能突破安全的坡比值。

3.3 堆渣高度敏感性分析

堆渣高度變化時K1、K2 的變化情況如表5 所示。由表5 可以看出，堆渣高度在一定范圍內波動時K1變化很小，K2無變化，敏感性分析結果均為不敏感。結果表明：場地地質條件允許時，一定范圍內增加堆渣高度對渣場安全穩定影響不大，這與閆賓等[1]研究結果一致。隨著渣場高度增加，渣場失事對周邊的危害程度也越大，且渣場高度的增加可能讓渣場級別提高，從而導致防治措施等級的提高，增加防護措施費用。因此，棄渣場設計施工過程中，在地形地質條件允許，在不突破原棄渣場級別時，可以通過適當增加堆渣高度從而消化更多工程棄渣，節約渣場用地。

表5 堆渣高度敏感性分析表

3.4 土內摩擦角敏感性分析

渣土內摩擦角變化時K1、K2的變化情況如表6所示。由表6 可知，渣土內摩擦角變化時K1、K2 隨之有序變化，渣土內摩擦角越大，安全系數越高，敏感性分析結果K1 為比較敏感，K2 為特別敏感。結果表明：渣土內摩擦角是影響K1、K2的另一個重要因子，對棄渣場安全穩定意義重大。影響渣土內摩擦角的因素較多，包括渣土成分、施工工藝、渣土含水率等。因此，應從多方面綜合考慮來保障和提高渣土內摩擦角。施工過程中應避免自上而下的棄渣方式，應自下而上堆放，讓渣土經受汽車碾壓，提高密實度，降低孔隙水壓力，增大渣土內摩擦角[7]。降雨是邊坡失穩的主要誘因，降雨入滲將導致土體內基質吸力的喪失，進而影響土體的抗剪強度指標[8]。因此，渣場應做好場地截排水措施，包括場地周邊截排水溝、渣體邊坡排水溝、底部盲溝、渣體頂部向外側平整等，從而減少外部來水作用于渣體的時間、減弱其作用強度，降低渣土含水率，保障渣土內摩擦角。

表6 渣土內摩擦角敏感性分析表

4 結論

本文以百色水庫灌區工程典型棄渣場為研究對象，利用擾動分析法對影響棄渣場安全穩定的擋渣墻尺寸、堆渣坡比、堆渣高度、渣土內摩擦角等4個因素進行敏感性分析，識別其中的關鍵因素，得出如下結論：

（1）擋渣墻尺寸、堆渣坡比、堆渣高度、渣土內摩擦角4個因素中，堆渣坡比對K1、K2比較敏感，渣土內摩擦角對K1比較敏感、對K2特別敏感，擋墻尺寸及堆渣高度對K1、K2不敏感。堆渣坡比、渣土內摩擦角對渣場安全穩定相對重要，擋渣墻尺寸、堆渣高度對渣場安全穩定相對次要。

（2）擋渣墻尺寸整體放大縮小對渣場安全穩定意義不大，擋渣墻設計時選用“矮胖”型斷面，有利于增大擋渣墻基底抗滑力和墻體滑動力的比值，從而提高擋渣墻基底抗滑穩定安全系數。

（3）棄渣場設計施工過程中，在地形地質條件允許時，一定范圍內增加堆渣高度對渣場安全穩定影響不大，在不突破原棄渣場級別時，可以通過適當增加堆渣高度從而消化更多工程棄渣，節約渣場用地，通過減小坡比來節約渣場用地時風險較大。

（4）棄渣場設計施工過程中，應注重施工工藝，完善配套措施，從而增大和保障渣土內摩擦角。如采用自下而上堆放方式，讓渣土經受汽車碾壓，增大渣土內摩擦角；做好場地截排水措施，從而減少外部來水作用于渣土時間、減弱其作用強度，降低渣土含水率，保障渣土內摩擦角等。