林文華 葉誠耿 王浩

（1.福建仙游抽水蓄能有限公司，福建莆田 351267；2.地質(zhì)工程福建省高校工程研究中心，福州 350116）

棄渣場廣泛存在于鐵路、公路、水電等行業(yè)，是基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)中的重要附屬設(shè)施。2015 年深圳光明新區(qū)紅坳棄土場滑坡災(zāi)難引發(fā)公眾廣泛關(guān)注棄渣場邊坡穩(wěn)定與安全［1］。擬建的川藏鐵路路線總長的80%以隧道通過，存在大量的隧道洞渣需要堆填處理，如何在高山峽谷地區(qū)進(jìn)行棄渣場選址和建設(shè)，保障棄渣場邊坡穩(wěn)定性及其在降雨和滲流作用下的長期安全性的問題備受關(guān)注。

近年來，鐵路系統(tǒng)逐步關(guān)注山區(qū)鐵路建設(shè)過程中棄渣場邊坡穩(wěn)定問題。王明慧等［2］結(jié)合渝萬鐵路特點，提出山區(qū)高速鐵路棄渣場選址、設(shè)計和建造的基本原則。田永鑄、董智慧、王光輝、毛雪松等［3-6］分別對4 個山區(qū)鐵路沿線大型棄渣場邊坡開展了穩(wěn)定性分析評價、降雨和長期滲流條件下變形預(yù)測，并提出棄渣場病害防治對策。公路系統(tǒng)也開展了類似的工作。陳武［7］針對山區(qū)高速公路棄渣場邊坡開展了滲流穩(wěn)定性分析研究；劉浩等［8］采用正交試驗設(shè)計和方差分析理論分析了坡率、黏聚力、內(nèi)摩擦角、坡高、渣體重度、下伏基巖傾角6個因素對宜巴高速公路咸池溝棄渣場的敏感性影響。在棄渣場邊坡失效機(jī)理方面，肖志紅［9］基于PFC 顆粒離散元的研究發(fā)現(xiàn)，隨著顆粒粒徑增大棄渣體的潛在滑動半徑也相應(yīng)增大，穩(wěn)定性相對提高；劉建偉等［10］研究揭示新形成的棄渣場坡面由上而下，其土體內(nèi)摩擦角逐漸增大，而土體黏滯系數(shù)的變化與棄渣場坡面形成過程關(guān)系密切；吳謙等［11］對棄渣體邊坡穩(wěn)定性的可靠度分析表明，穩(wěn)定系數(shù)對渣體內(nèi)摩擦角的變異最敏感，其次為黏聚力，對渣體重度變化敏感性最低；楊建強(qiáng)［12］的研究發(fā)現(xiàn)棄渣場安全系數(shù)、位移、應(yīng)變的變化隨堆載過程不同而有所區(qū)別。

上述研究涉及棄渣場坡度、力學(xué)參數(shù)、堆載位置、堆載順序等影響因素，也初步討論了降雨入滲對棄渣場穩(wěn)定性的影響，但對棄渣場堆填界面在降雨和長期滲流作用下的軟化規(guī)律及其誘發(fā)棄渣場在地下水位波動條件下穩(wěn)定性弱化機(jī)制的研究還較為鮮見。深圳光明新區(qū)紅坳棄土場滑坡災(zāi)難成因調(diào)查揭示，工程棄土的濕化、泥化甚至稀化，特別是堆填界面積水軟化和地下水位上升是平緩地形條件下棄渣體實現(xiàn)遠(yuǎn)程奔涌和漫流平鋪的原因，應(yīng)給予重視［1］。

本文基于一大型棄渣場邊坡在地質(zhì)補(bǔ)勘、巖土試驗和變形監(jiān)測的基礎(chǔ)上，采用有限元數(shù)值模擬方法，對堆填界面軟化和地下水位波動條件下棄渣場邊坡穩(wěn)定性衰減規(guī)律作定量分析，從而評價和預(yù)測其長期運(yùn)營的安全性，并與實際監(jiān)測成果相互印證。

1 棄渣場邊坡工程背景

1.1 棄渣場邊坡概況

棄渣場位于水庫主壩壩后，下伏基巖為侏羅系上統(tǒng)南園組第三段英安質(zhì)晶屑凝灰熔巖，棄渣來源主要是水庫和庫區(qū)公路建設(shè)棄方，總占地12.7萬m2，堆渣容量約320 萬m3，最大堆填高度約60 m，于2012 年堆填完成運(yùn)行至今。該區(qū)域?qū)儆谀蟻啛釒ШＱ笮约撅L(fēng)氣候，年平均氣溫20.6 ℃，年平均降雨量1 300 ～2 300 mm。地下水以土體孔隙水和基巖裂隙水為主，補(bǔ)給較為充分，雖然設(shè)計了較好的基底排水設(shè)施，但閩南地區(qū)長期集中降雨導(dǎo)致的地表沖刷造成了棄渣體邊坡臨空面的局部溜坍變形，是否存在深層變形值得關(guān)注。因此，需要開展棄渣場邊坡穩(wěn)定性評估及其在堆填界面軟化和地下水位波動條件下的變形趨勢研究。

1.2 棄渣場邊坡變形特征

為監(jiān)控該邊坡是否存在深層變形，在棄渣場邊坡臨空面坡面、坡頂和坡頂后方布設(shè)了3 孔柔性測斜儀和滲壓計，進(jìn)行邊坡深部位移及地下水孔壓動態(tài)監(jiān)測，監(jiān)測點具體位置見圖1。

圖1 棄渣場邊坡地質(zhì)模型

CK1 監(jiān)測孔中滲壓計放置深度約43 m，柔性測斜儀底端位于39 m 深處；CK2 監(jiān)測孔中滲壓計放置深度約45 m，柔性測斜儀底端位于41 m 深處；CK3 監(jiān)測孔中滲壓計放置深度約48 m，柔性測斜儀底端位于44 m 深處；柔性測斜儀與滲壓計之間空隙以填砂處理。該監(jiān)測設(shè)施于2019年3月20日開始采集數(shù)據(jù)，在2019 年5 月初即發(fā)現(xiàn)一段持續(xù)的地下水位上漲過程，在5 月18 日發(fā)現(xiàn)CK1 監(jiān)測孔的柔性測斜儀在距孔口37 m 深處有0.6 mm 的輕微蠕動變形，雖然變形量值不大，但變形特征較典型；而CK2 和CK3 均未發(fā)現(xiàn)蠕動跡象。目前的監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示該棄渣場邊坡總體是穩(wěn)定的。

2 棄渣場堆填初期邊坡穩(wěn)定性分析

2.1 巖土力學(xué)參數(shù)及數(shù)值模擬方法

根據(jù)前期設(shè)計資料及監(jiān)測孔安裝過程的補(bǔ)勘地質(zhì)報告，選取棄渣厚度最大的典型剖面進(jìn)行研究，其地質(zhì)模型參見圖1，上部由渣體堆填形成，臨空坡面以1∶1.8 放坡，堆填高度約60 m，下伏基巖為凝灰熔巖，渣體和基巖之間為相對薄層的強(qiáng)風(fēng)化層?，F(xiàn)場勘察顯示水位距孔口31.9 ～39.5 m，結(jié)合滲壓計監(jiān)測數(shù)據(jù)，在圖1中繪制枯水期的地下水位。

基于Phase 2.0 巖土工程有限元軟件進(jìn)行數(shù)值建模，采用三角形網(wǎng)格將計算區(qū)域劃分為2 060 個單元，棄渣體和下伏巖土體均采用Mohr-Coulomb 本構(gòu)模型。巖土物理力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 巖土體物理力學(xué)參數(shù)

2.2 堆填初期棄渣場邊坡穩(wěn)定性分析

采用有限元強(qiáng)度折減法對堆填初期棄渣場邊坡枯水期進(jìn)行穩(wěn)定性分析，圖2 和圖3 是棄渣場邊坡臨界狀態(tài)下的最大剪切應(yīng)變云圖和總位移云圖?？芍?，在強(qiáng)度折減條件下，棄渣場邊坡在臨空側(cè)距坡頂20 m 范圍內(nèi)產(chǎn)生松動變形，潛在變形體以圓弧形破壞模式在棄渣體內(nèi)貫穿，在坡腳附近剪出，變形體厚度約為23 m；計算得到邊坡穩(wěn)定系數(shù)為1.343。根據(jù)DL/T 5353—2006《水電水利工程邊坡設(shè)計規(guī)范》，Ⅰ級邊坡正常狀態(tài)下安全系數(shù)應(yīng)達(dá)到1.25 ～1.30。因此，該邊坡穩(wěn)定性符合規(guī)范設(shè)計要求。

圖2 棄渣場邊坡最大剪應(yīng)變云圖

圖3 棄渣場邊坡總位移云圖

3 考慮堆填界面軟化的棄渣場邊坡穩(wěn)定性分析

3.1 堆填界面軟化效應(yīng)及強(qiáng)度衰減規(guī)律

大量研究發(fā)現(xiàn)，除了棄渣體內(nèi)剪切變形失穩(wěn)之外，堆填界面經(jīng)常是棄渣體邊坡失穩(wěn)破壞的重要依附界面。其主要原因在于棄渣場在長期運(yùn)行過程中，由于降雨入滲影響，極易在渣體中產(chǎn)生淋溶效應(yīng)，顆粒較細(xì)的黏粒隨著地下水滲流在粗顆?？紫吨羞w移運(yùn)動，最后依附堆填界面積聚充填，形成控制棄渣體穩(wěn)定性的軟弱界面。本文研究區(qū)域雨量極為充沛，棄渣體顆粒粗細(xì)不均，具有大孔隙特征，淋溶效應(yīng)尤為突出。

監(jiān)測發(fā)現(xiàn)該棄渣場地下水位長期位于堆填界面以上。堆填界面在地下水長期浸泡條件下，易發(fā)生崩解或水解，造成結(jié)構(gòu)損傷，大大降低堆填界面巖土層的力學(xué)強(qiáng)度。對該棄渣場補(bǔ)勘鉆孔采集的土樣進(jìn)行土工試驗，軟化帶附近的土樣在天然快剪試驗條件下黏聚力為17 kPa，內(nèi)摩擦角為16°。內(nèi)摩擦角比堆填界面以上土體物質(zhì)結(jié)構(gòu)類似的全風(fēng)化凝灰熔巖低9°，表明堆填界面在長期淋溶和浸潤條件下具有明顯的軟化效應(yīng)。

3.2 考慮堆填界面軟化的邊坡穩(wěn)定性分析

為客觀反映堆填界面軟化效應(yīng)對棄渣體穩(wěn)定性的影響，將位于地下水位以下的全風(fēng)化凝灰熔巖的參數(shù)調(diào)整為試驗得到的堆填界面軟化帶的強(qiáng)度，地下水位以上仍取原值，采用有限元強(qiáng)度折減法對棄渣場邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行比較研究，強(qiáng)度折減至破壞條件下的最大剪應(yīng)變、總位移云圖分別如圖4、圖5所示?？梢?，臨界狀態(tài)下棄渣場邊坡在坡頂?shù)乃蓜幼冃畏秶鷶U(kuò)大到35 m 左右，潛在變形體厚度也增加至約37 m。其下部變形明顯依附堆填界面產(chǎn)生剪應(yīng)變集中，并延伸擴(kuò)展貫通在坡腳剪出，變形模式為上部棄渣體內(nèi)弧形破壞與堆填界面相組合的復(fù)合型。計算得到的邊坡穩(wěn)定系數(shù)為1.202，較堆填初期明顯下降。

圖4 考慮堆填界面軟化棄渣場邊坡最大剪應(yīng)變云圖

圖5 考慮堆填界面軟化棄渣場邊坡總位移云圖

研究結(jié)果表明，棄渣場邊坡在長期滲流淋溶和浸水軟化條件下，由于堆填界面的軟化效應(yīng)，其潛在變形破壞可能由棄渣體內(nèi)圓弧破壞模式轉(zhuǎn)化為棄渣體上部圓弧和下部堆填界面組合式破壞模式，邊坡穩(wěn)定性降低，雖然仍能保持總體穩(wěn)定，但對照規(guī)范要求，存在設(shè)防安全系數(shù)不符合規(guī)范規(guī)定的可能。

4 考慮地下水位波動的棄渣場邊坡穩(wěn)定性分析

4.1 棄渣場邊坡地下水位波動特征

現(xiàn)場地下水位監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，CK1 在枯水期水位距孔口34.96 m，豐水期水位距孔口32.96 m，漲幅約1.94 m；CK2 在枯水期水位距孔口41.53 m，豐水期水位距孔口41.05 m，漲幅約0.48 m；CK3 在枯水期水位距孔口40.32 m，豐水期水位距孔口39.03 m，漲幅約1.29 m。

由監(jiān)測數(shù)據(jù)可知，地下水位在雨季變化幅度約2 m；對照該期間降雨量監(jiān)測數(shù)據(jù)，該水位上漲是由于2019年5月梅雨季節(jié)仙游地區(qū)連續(xù)大暴雨引起。根據(jù)地下水位上漲約2 m 來模擬豐水期邊坡變形破壞特征以及穩(wěn)定性變化，并與前文采用枯水期地下水位監(jiān)測數(shù)據(jù)為基準(zhǔn)的研究進(jìn)行對比分析。

4.2 考慮地下水位波動的邊坡穩(wěn)定性分析

基于考慮堆填界面軟化的邊坡穩(wěn)定性分析模型，將地下水位調(diào)整至豐水期高度，同樣開展強(qiáng)度折減有限元分析，得到臨界條件下邊坡最大剪應(yīng)變、總位移云圖分別如圖6、圖7 所示?？芍?，在地下水位小幅上升約2 m 的情況下，邊坡失穩(wěn)破壞模式和潛在變形范圍與圖4 和圖5 顯示的結(jié)果十分類似，但計算得到邊坡穩(wěn)定系數(shù)為1.184，較枯水期考慮堆填界面軟化模型計算得到的安全系數(shù)下降0.160。因此，降雨誘發(fā)的地下水位上升將導(dǎo)致邊坡穩(wěn)定狀態(tài)繼續(xù)下降，進(jìn)一步削弱了棄渣場邊坡的設(shè)防安全性，其后續(xù)演變趨勢值得重視，需要進(jìn)一步開展研究。

圖6 考慮雨季及堆填界面軟化棄渣場邊坡最大剪應(yīng)變云圖

圖7 考慮雨季及堆填界面軟化棄渣場邊坡總位移云圖

5 問題討論

5.1 邊坡變形破壞模式驗證分析

在考慮堆填界面軟化效應(yīng)情況后，棄渣場邊坡在旱季與雨季的變形破壞模式均為沿著軟弱帶呈組合型破壞?，F(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，強(qiáng)降雨期間棄渣場邊坡的CK1 孔曾發(fā)生深層的輕微蠕動，其監(jiān)測數(shù)據(jù)曲線見圖8，深度37 m 處變形量值為0.6 mm，39 m 處變形量值為0.1 m，在39 m處以下仍有變形，但后續(xù)期間該處位移未繼續(xù)增加。CK2 和CK3 的監(jiān)測數(shù)據(jù)變形值均小于0.1 mm，在監(jiān)測誤差范圍之內(nèi)，代表性不強(qiáng)，但需進(jìn)一步加強(qiáng)監(jiān)測跟蹤。

圖8 CK1深部位移變化曲線

比較模擬分析得到的圖7所示的邊坡總位移云圖和棄渣場深部位移監(jiān)測得到的圖8所示的深度位移變化曲線，發(fā)現(xiàn)數(shù)值模擬結(jié)果與CK1 監(jiān)測孔捕捉到的輕微蠕變的變形位置相同，模擬效果與監(jiān)測數(shù)據(jù)吻合，表明棄渣場邊坡在長期運(yùn)行過程中，存在因地下水位波動依附堆填界面軟化帶變形蠕動的可能。

5.2 堆填界面軟化規(guī)律對邊坡穩(wěn)定性的影響

現(xiàn)場補(bǔ)勘鉆孔的土工試驗揭示由于淋溶效應(yīng)和浸潤軟化，堆填界面的黏聚力下降3 kPa，內(nèi)摩擦角下降9°。造成這種情況的原因是軟化帶在淋溶過程產(chǎn)生土體結(jié)構(gòu)性崩解破壞，并被伴隨地下水流動過程遷移而來的黏粒所充填，導(dǎo)致堆填界面巖土顆粒細(xì)化和力學(xué)強(qiáng)度弱化。

為描述此過程對棄渣體邊坡穩(wěn)定性的影響，假定棄渣場邊坡堆填界面軟化帶的強(qiáng)度成梯度衰減，設(shè)定該軟化帶黏聚力每下降1 kPa，內(nèi)摩擦角即下降3°，設(shè)置4 組不同堆填界面軟化帶力學(xué)強(qiáng)度參數(shù)，并將此4組強(qiáng)度參數(shù)代入邊坡穩(wěn)定性計算模型，得到相應(yīng)軟化條件下的邊坡穩(wěn)定系數(shù)，見表2。可知，伴隨堆填界面強(qiáng)度軟化過程，邊坡穩(wěn)定系數(shù)總體呈線性降低規(guī)律。

表2 不同軟化帶強(qiáng)度條件下邊坡穩(wěn)定系數(shù)

5.3 地下水位波動對邊坡穩(wěn)定性影響

監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示地下水位在3—5 月期間變化約2 m，尚不能完整揭示臺風(fēng)暴雨期或排水設(shè)施失效誘發(fā)地下水位進(jìn)一步上浮的極端不利工況。為充分研究地下水位波動對棄渣場邊坡穩(wěn)定性影響，以現(xiàn)有監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示的地下水位波動范圍為參考，進(jìn)一步將地下水位分別提升2 m 和4 m 進(jìn)行邊坡穩(wěn)態(tài)發(fā)展趨勢的數(shù)值模擬預(yù)測，得到邊坡穩(wěn)定系數(shù)見表3。

表3 不同地下水位條件下邊坡安全系數(shù)表

根據(jù)DL/T 5353—2006 規(guī)定，Ⅰ級邊坡在強(qiáng)降雨條件下邊坡安全系數(shù)要求為1.15 ～1.25。而本節(jié)的計算結(jié)果表明，隨著暴雨期的地下水位繼續(xù)抬升，該棄渣場邊坡穩(wěn)定系數(shù)降至1.125，達(dá)不到規(guī)范規(guī)定在暴雨工況下的設(shè)防要求。

6 結(jié)論

為研究堆填界面軟化和地下水位波動對棄渣場邊坡穩(wěn)定性的影響，在地質(zhì)補(bǔ)勘、巖土試驗和變形監(jiān)測的基礎(chǔ)上，采用強(qiáng)度折減有限元法模擬研究了一大型棄渣場的典型失穩(wěn)機(jī)制和穩(wěn)態(tài)演化規(guī)律。主要結(jié)論如下：

1）在長期淋溶效應(yīng)和地下水浸潤條件下棄渣場的堆填界面存在明顯的軟化效應(yīng)，誘發(fā)依附堆填界面產(chǎn)生應(yīng)變局部化，從而導(dǎo)致邊坡潛在失穩(wěn)模式的轉(zhuǎn)變、松動區(qū)的擴(kuò)大和邊坡穩(wěn)態(tài)的下降。棄渣場設(shè)計與運(yùn)行過程中，應(yīng)對堆填界面軟化效應(yīng)予以重視。

2）該棄渣場的監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示雨季地下水位上浮約2 m，導(dǎo)致邊坡穩(wěn)定系數(shù)降低；若遭遇極端降雨事件或排水設(shè)施失效誘發(fā)地下水位進(jìn)一步抬升，可能導(dǎo)致邊坡安全儲備不足。因此，應(yīng)加強(qiáng)地下水位監(jiān)測和地下排水設(shè)施維護(hù)，保障棄渣場的長期穩(wěn)定與安全。