王余鵬

（福建林業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，福建 南平 353000）

露天棄碴場(chǎng)邊坡穩(wěn)定性關(guān)系到施工人員和設(shè)備的安全，以及工程是否能順利進(jìn)行，這一直是建筑技術(shù)人員重視的問(wèn)題。影響棄碴場(chǎng)穩(wěn)定性的因素較多且復(fù)雜，例如邊坡位移、傾斜角、地震波、空隙水壓、連續(xù)降水等，需要系統(tǒng)全面地研究分析各影響因素特點(diǎn)，來(lái)判定露天棄碴場(chǎng)失穩(wěn)的時(shí)間、可能發(fā)生的區(qū)域位置及失穩(wěn)破壞的規(guī)模。

目前，棄碴場(chǎng)穩(wěn)定性的研究方法主要有LECFAHP極限平衡法、強(qiáng)度折減法、有限元滑移線場(chǎng)法、邊坡強(qiáng)度形態(tài)優(yōu)化折減法等［1，3-4，7］。但大多數(shù)是以單一的邊坡穩(wěn)定性數(shù)值模擬或是以工程實(shí)例模型試驗(yàn)仿真。目前研究雖然取得了一定成果，但考慮降雨和地震兩項(xiàng)因素對(duì)棄碴場(chǎng)穩(wěn)定性影響的相關(guān)研究較少。在極限平衡法、強(qiáng)度折減法等理論發(fā)展的同時(shí)，數(shù)值有限元模擬為解決棄碴場(chǎng)穩(wěn)定性提供了一種近似解。夏冬等概述了白礪灘煤礦飽水砂質(zhì)泥巖弱層長(zhǎng)期強(qiáng)度計(jì)算與邊坡穩(wěn)定性的特點(diǎn)［8］，劉燕燕等描述了土質(zhì)邊坡失穩(wěn)破壞的雙安全系數(shù)穩(wěn)定性分析方法［9］，黃潤(rùn)秋、張妙枝、龍哲、言志信等提出了無(wú)黏性土斜坡的傾倒變形特點(diǎn)［15，19，21-22］。除有限元數(shù)值模擬外，各種節(jié)理巖體強(qiáng)度及變形參數(shù)模型試驗(yàn)應(yīng)用也比較廣泛。張程遠(yuǎn)、劉杰、姜光成、於汝山等對(duì)邊坡破壞的沖擊荷載作用及地震波速度跨尺度轉(zhuǎn)換進(jìn)行量化和修正［10-13］；吳昊、趙華、李世俊、寇昊等采用離心模型試驗(yàn)?zāi)M了邊坡在地震條件下的反應(yīng)以及反傾邊坡傾倒變形演化過(guò)程［16-18，20］；王蘭民、陳金昌、張澤林等以地震和降雨耦合作用下邊坡為例進(jìn)行滑坡加速度深度放大效應(yīng)及震后變形模式研究，反演了邊坡在地震和降雨耦合作用下的動(dòng)力響應(yīng)［23-25］。本文以暴雨或連續(xù)降雨+地震工況下的白鶴山隧道棄碴場(chǎng)為研究案例，利用MⅠDAS軟件進(jìn)行穩(wěn)定性分析及數(shù)值模擬，分析多工況下邊坡的等效應(yīng)變、塑性應(yīng)變、Y方向位移及主應(yīng)力分布的發(fā)展趨勢(shì)，判定邊坡的穩(wěn)定狀態(tài)，為露天棄碴場(chǎng)邊坡工程提供減災(zāi)與避災(zāi)的科學(xué)依據(jù)。

1 露天棄碴場(chǎng)穩(wěn)定性影響因素

（1）巖土性質(zhì)。巖土類型、礦物組成、巖土強(qiáng)度及結(jié)構(gòu)是影響邊坡裂隙場(chǎng)穩(wěn)定的重要因素。致密堅(jiān)硬、礦物質(zhì)穩(wěn)定、強(qiáng)度較高的巖土構(gòu)成的邊坡較為穩(wěn)定。

（2）邊坡結(jié)構(gòu)。邊坡受結(jié)構(gòu)面影響導(dǎo)致巖體開(kāi)裂，降低了巖體的整體完整性，使邊坡沿著結(jié)構(gòu)面組合邊界的邊緣產(chǎn)生剪切位移、裂縫、畸形等而造成邊坡的崩塌、滑坡、泥石流等災(zāi)害。

（3）水文地質(zhì)條件。暴雨或連續(xù)降雨增加了坡體結(jié)構(gòu)面下滑位移；同時(shí)暴雨對(duì)邊坡形成面狀、溝狀的侵蝕，使邊坡失去原有側(cè)向及底部的支撐，并使軟夾層和結(jié)構(gòu)水平面抗剪強(qiáng)度降低，導(dǎo)致縫隙水壓增大，從而減小滑動(dòng)面上的有效荷載，造成邊坡的失穩(wěn)。

（4）地震作用。地震作用導(dǎo)致邊坡崩塌，主要是產(chǎn)生水平方向附加力的加速度，當(dāng)?shù)卣鹚椒较虻母郊恿Τ迺r(shí)，將導(dǎo)致結(jié)構(gòu)面抗滑力降低，結(jié)構(gòu)層之間的下滑力增大，繼而造成邊坡失穩(wěn)。

2 工程案例

2.1 工程概況

九江—景德鎮(zhèn)—衢州鐵路起自九江站，經(jīng)銅九鐵路從湖口站引出，在景德鎮(zhèn)市與皖贛鐵路交叉，再向東經(jīng)婺源縣并與合?？瓦\(yùn)專線交叉，繼續(xù)向東經(jīng)德興市，進(jìn)入浙江開(kāi)化縣、常山縣，止于衢州市，長(zhǎng)343 km，共設(shè)15 個(gè)車站。白鶴山三號(hào)隧道出口、丙龍山隧道棄碴場(chǎng)位于浙江省開(kāi)化縣楊林鎮(zhèn)中莊自然村北側(cè)。白鶴山隧道棄碴場(chǎng)為白鶴山三號(hào)隧道出口和丙龍山隧道共用的棄碴場(chǎng)。原設(shè)計(jì)的棄碴場(chǎng)位于線路DK227+200右側(cè)40 m左右的山谷內(nèi)，后堆放場(chǎng)地改做新杭新景高速公路，棄碴場(chǎng)向西北側(cè)偏移，形成近東西向排列的棄碴場(chǎng)，如圖1所示。

圖1 棄碴場(chǎng)衛(wèi)星影像

2.2 工程地質(zhì)條件

（1）氣象。屬北亞熱帶季風(fēng)氣候，陰濕寡照，雨量集中在春夏季。根據(jù)1958年以來(lái)的降水量統(tǒng)計(jì)，平均年降水量1 805 mm，一年中降水集中期是4—6 月的梅汛期，根據(jù)短歷時(shí)暴雨圖冊(cè)，工程區(qū)最大降水量為 45 mm·h-1。

（2）水文。工程區(qū)位于山體斜坡中下部，地表水體不發(fā)育。在中莊自然村有一條溪溝。溝寬7～9 m，水深0.3～0.5 m，溝底沖刷較強(qiáng)烈。水量隨季節(jié)變化明顯，一般雨季、洪水期水量較大，旱季水量小，水流常年不息。

（3）棄碴場(chǎng)地形地貌。工程區(qū)位于浙江省開(kāi)化縣楊林鎮(zhèn)中莊自然村境內(nèi)，屬于浙西低山丘陵，最高點(diǎn)為白鶴山山頂，高程約為364 m，最低點(diǎn)在南部溝溪內(nèi)，高程約為115 m，當(dāng)?shù)厍治g基準(zhǔn)面標(biāo)高107 m。棄碴場(chǎng)庫(kù)區(qū)主要位于山體斜坡中下部，地面高程范圍140～180 m（紅線范圍內(nèi)），地形坡度8～25°，地形坡度較平緩。工程區(qū)匯水面積約86 000 m2。

2.3 周邊環(huán)境

白鶴山隧道棄碴場(chǎng)位于溝谷邊，棄碴場(chǎng)側(cè)緣距離杭新景高速公路路肩43 m，距離東南側(cè)上莊村313 m。

（1）棄碴場(chǎng)巖土參數(shù)?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)丙龍山隧道進(jìn)口棄碴場(chǎng)總占地面積12 000 m2，堆方厚度5～19.65 m，總土方量 11.77 萬(wàn) m3?，F(xiàn)場(chǎng)勘查后，共布設(shè)5 條剖面，線距25 m，線長(zhǎng)300 m。碴體均為碎石塊，一般塊徑5～8 cm，大塊徑30～50 cm。

（2）防排水及綠化措施。目前，棄碴場(chǎng)表面多已自然復(fù)綠，綠化效果較差。棄碴場(chǎng)邊緣設(shè)置有排水溝，并進(jìn)行了水泥硬化。另外，碴體頂部平臺(tái)東北側(cè)分布一南北走向排水溝與坡頂平臺(tái)相連，排水溝長(zhǎng)約25 m，寬約55 cm，深約70 cm。棄碴場(chǎng)表面與平臺(tái)間未設(shè)置截水溝。

（3）支擋及防護(hù)措施。棄碴場(chǎng)坡腳擋墻位于南側(cè)溝口附近，地形坡度5～10°，地面高程約150 m。擋墻為漿砌塊石重力式擋墻，高約3.8 m，頂寬約2.5 m，平面上呈條帶狀，搜集資料顯示擋墻以中等風(fēng)化砂巖作為持力層，墻體設(shè)置有泄水孔，呈梅花形分布。調(diào)查未發(fā)現(xiàn)擋墻有明顯變形跡象，現(xiàn)狀基本穩(wěn)定。

（4）棄碴場(chǎng)級(jí)別。參照文獻(xiàn)［6］，棄碴場(chǎng)級(jí)別根據(jù)堆碴量、最大高度及棄碴場(chǎng)失穩(wěn)后損失或危害程度確定，如表1所示。

本工程屬附屬工程，棄碴場(chǎng)堆碴量28.137 萬(wàn)m3，最大堆碴高度18.5 m。但是棄碴場(chǎng)側(cè)緣距離杭新景高速公路隔離柵欄最近處僅5 m，坡腳距離上莊村313 m。棄碴體一旦失穩(wěn)，可能對(duì)杭新景高速公路和周圍村莊產(chǎn)生嚴(yán)重危害，因此，綜合判定棄碴場(chǎng)的級(jí)別為1級(jí)。

3 數(shù)值分析軟件的邊坡穩(wěn)定性計(jì)算原理

采用比值定義法計(jì)算邊坡中結(jié)構(gòu)面上的抗滑能力與滑動(dòng)能力的比值，如式（1）所示：

表1 棄碴場(chǎng)級(jí)別

式中，R為坡體結(jié)構(gòu)面上的抗滑力，S為坡體結(jié)構(gòu)面上的滑動(dòng)力。

采用應(yīng)力水平法計(jì)算坡體結(jié)構(gòu)面剪切應(yīng)力的穩(wěn)定系數(shù)，當(dāng)坡體結(jié)構(gòu)面某點(diǎn)的有效主應(yīng)力差為以此點(diǎn)作有效主應(yīng)力差的莫爾圓，并保持圓心位置不變，作與之相切的直徑為的破壞應(yīng)力圓，則整個(gè)坡體結(jié)構(gòu)面的穩(wěn)定系數(shù)如式（2）所示：

采用剪應(yīng)力法計(jì)算坡體結(jié)構(gòu)面的穩(wěn)定系數(shù)，如式（3）所示：

采用應(yīng)力水平加權(quán)強(qiáng)度法計(jì)算坡體結(jié)構(gòu)面的穩(wěn)定系數(shù)，如式（4）所示：

4 棄碴場(chǎng)邊坡穩(wěn)定三維數(shù)值分析

4.1 計(jì)算方法

棄碴場(chǎng)邊坡穩(wěn)定性分析的方法有多種，本文對(duì)棄碴場(chǎng)邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)采用MⅠDAS軟件進(jìn)行數(shù)值分析計(jì)算。參照文獻(xiàn)［5］，棄碴場(chǎng)安全系數(shù)驗(yàn)算按照表2中的4 種工況進(jìn)行。

（1）工況Ⅰ

正常工況時(shí)，僅考慮自重及正常地下水位。在進(jìn)行棄碴場(chǎng)穩(wěn)定性分析時(shí)首先需要解決研究對(duì)象問(wèn)題，根據(jù)陳祖煜［26］的研究，當(dāng)將浸水土體作為研究對(duì)象時(shí)，水和土骨架之間的力是系統(tǒng)內(nèi)力，包括浮力以及滲透力，在計(jì)算過(guò)程中都不用考慮，土體的水上部位取天然容重，水下部位取飽和容重，滑動(dòng)體邊界還要受到坡外水的壓力，對(duì)這部分力，又可通過(guò)處理方法，將坡外水位以下的土體重量減去同體積水的重量。

表2 安全系數(shù)

（2）工況Ⅱ

考慮到當(dāng)暴雨或連續(xù)降雨強(qiáng)度大于地表面吸納降雨的能力時(shí)，地表面的邊界處于飽和狀態(tài)，因而采用MⅠDAS GTS中降雨分析的流量—水頭轉(zhuǎn)換功能（面流量＞滲流系數(shù)時(shí)，總水頭=位置水頭），將暴雨或連續(xù)降雨工況的流量邊界（降雨吸納邊界）自動(dòng)轉(zhuǎn)換為水位條件。其降雨面流量＞滲流系數(shù)的邊界強(qiáng)度設(shè)置為211.7 mm·d-1（根據(jù)開(kāi)化縣氣象資料，當(dāng)?shù)?00 年一遇的降雨強(qiáng)度為211.7 mm·d-1），持續(xù)時(shí)間為1天。

（3）工況Ⅲ

棄碴場(chǎng)受到地震慣性作用后，棄碴場(chǎng)邊坡整體下滑力加大從而導(dǎo)致棄碴場(chǎng)失穩(wěn)。如表2所示，判定本工況下棄碴場(chǎng)安全等級(jí)為一級(jí)，進(jìn)而將地震計(jì)算烈度提高一度，水平地震系數(shù)按照地震烈度Ⅵ度取值。數(shù)值分析中采用美國(guó)圣費(fèi)爾南多（San Fernando）的地震波作為輸入波，其輸入波數(shù)值見(jiàn)圖2，水平峰值加速度取值0.3g，豎向峰值加速度為水平方向的2/3倍，計(jì)算時(shí)長(zhǎng)取10 s，動(dòng)力計(jì)算的時(shí)間步長(zhǎng)取0.01 s。

圖2 San Fernando輸入波加速度時(shí)程曲線

（4）工況Ⅳ

參照文獻(xiàn)［2］，暴雨工況對(duì)應(yīng)的降雨強(qiáng)度對(duì)1、2級(jí)棄碴場(chǎng)不應(yīng)小于50 年一遇，對(duì)3、4、5級(jí)棄碴場(chǎng)不應(yīng)小于20 年一遇，分析此時(shí)棄碴場(chǎng)能否維持自穩(wěn)，采用MⅠDAS GTS瞬態(tài)水位下土體容重、黏聚力、內(nèi)摩擦角等指標(biāo)的有效值，并結(jié)合位于地震Ⅵ度烈度區(qū)的浙江省開(kāi)化縣地質(zhì)調(diào)查數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)值分析。

4.2 計(jì)算模型與參數(shù)

為了減少邊界取值對(duì)MⅠDAS計(jì)算精度的影響，選擇露天棄碴場(chǎng)坡腳左側(cè)邊界距離為斜面高度的1.5 倍，坡面頂點(diǎn)至右側(cè)的距離為斜面高度的2.5倍。網(wǎng)格劃分單元為六面體實(shí)體單元，露天棄碴場(chǎng)的底部設(shè)置全約束，將邊坡的四周邊界設(shè)置為方向約束［3］，如圖 3所示。

圖3 棄碴場(chǎng)有限元模型

4.2.1 計(jì)算參數(shù)

邊坡的碴體局部地段目前已被壓實(shí)，碴體頂部為壓實(shí)平整的場(chǎng)地，碴體已堆放時(shí)間較長(zhǎng)，根據(jù)當(dāng)?shù)毓こ炭辈旖?jīng)驗(yàn)，結(jié)合同類型棄碴場(chǎng)情況的MⅠDAS數(shù)值分析，各參數(shù)見(jiàn)表3。

4.2.2 數(shù)值結(jié)果分析

通過(guò)MⅠDAS GTS分析棄碴場(chǎng)的主應(yīng)力分布（第一、第三主應(yīng)力）、等效應(yīng)變、塑性應(yīng)變、Y方向位移等數(shù)值，如圖4所示。

表3 棄碴場(chǎng)穩(wěn)定性計(jì)算參數(shù)

圖4 4種工況下數(shù)值結(jié)果對(duì)比

4.3 計(jì)算結(jié)果分析

依據(jù)文獻(xiàn)［5］要求，結(jié)合邊坡設(shè)計(jì)工程經(jīng)驗(yàn)，本邊坡評(píng)估計(jì)算的工況及穩(wěn)定性安全系數(shù)如表5所示。綜合考慮地層條件和邊坡地形，在地層條件較差、地形上存在較大變異之處，擬定最底層的跛腳區(qū)域作為典型剖面，如圖3所示，計(jì)算得到棄碴場(chǎng)安全系數(shù)，如表5所示。

表5 棄碴場(chǎng)安全系數(shù)

（1）正常工況

正常工況下，潛在破壞區(qū)域主要集中在棄碴場(chǎng)南部坡度較陡的位置，可能出現(xiàn)的破壞模式是南部較陡邊坡頂部崩塌、底部剪出。

（2）暴雨或連續(xù)降雨工況

暴雨或連續(xù)降雨工況下，邊坡上部的土體在暴雨作用下逐漸發(fā)生水平位移，隨著降雨量的增大位移逐漸增大，但位移量未達(dá)到破壞狀態(tài)；其潛在破壞區(qū)域主要集中在棄碴場(chǎng)南部坡度較陡處，可能出現(xiàn)的破壞模式是南部較陡邊坡頂部崩塌、底部剪出。通過(guò)數(shù)值分析可知，暴雨或連續(xù)降雨作用工況下的邊坡整體安全系數(shù)為1.712 5，安全儲(chǔ)備充足，邊坡處于穩(wěn)定安全狀態(tài)。

（3）地震工況

在地震工況下，隨地震時(shí)間增加，棄碴場(chǎng)南部較陡位置的水平及Y方向位移變化增大。由于棄碴屬于散體結(jié)構(gòu)，且棄碴場(chǎng)底部更是坐落在素填土層，如果棄碴場(chǎng)的坡面和坡底同時(shí)受到剪應(yīng)力和拉應(yīng)力作用，南部較陡位置底部的一級(jí)邊坡必將出現(xiàn)較大的裂縫。如表6所示，其Y方向最大位移8.579 cm。另外根據(jù)分析（表5），該工況的邊坡整體安全系數(shù)為1.120 3，僅比規(guī)范1.10的安全系數(shù)高出0.020 3，目前處于穩(wěn)定安全狀態(tài)，但需加強(qiáng)監(jiān)測(cè)。

表6 地震作用下棄碴場(chǎng)Y方向最大位移

（4）暴雨或連續(xù)降雨+地震工況

在暴雨或連續(xù)降雨+地震的作用下，棄碴場(chǎng)水平位移隨著地震時(shí)間增加在迅速擴(kuò)大，尤其是棄碴場(chǎng)的素填土層。在地震及暴雨作用前，邊坡無(wú)塑性區(qū)，隨地震作用，塑性區(qū)沿棄碴場(chǎng)素填土底面逐漸形成貫通區(qū)；當(dāng)輸入San Fernando的地震波3 s后，棄碴場(chǎng)塑性貫通區(qū)形成；在10 s時(shí)，棄碴場(chǎng)一級(jí)邊坡的Y方向最大位移為19.240 cm，如表6所示，即邊坡出現(xiàn)開(kāi)裂變形。由數(shù)值模擬結(jié)果推斷，在地震發(fā)生10 s后，棄碴場(chǎng)素填土全部為塑性區(qū)，此時(shí)安全系數(shù)為1.055 2。雖然滿足規(guī)范1.05的安全系數(shù)，但棄碴場(chǎng)局部坡頂位置的沉降及坡腳位置的塑性應(yīng)變變形較大。為消除此種條件下邊坡失穩(wěn)坍塌的隱患，需提前在棄碴場(chǎng)邊緣外設(shè)置截水溝，截流坡面匯水，消除坡面積水現(xiàn)象，并對(duì)頂部平臺(tái)進(jìn)行覆土綠化，種植綠化樹進(jìn)行固土，確保棄碴場(chǎng)的穩(wěn)定性。

5 結(jié)論

（1）根據(jù)文獻(xiàn)［6］，白鶴山隧道棄碴場(chǎng)級(jí)別為1級(jí)。正常工況下，棄碴場(chǎng)穩(wěn)定性系數(shù)為2.110 9，大于規(guī)范要求的最小安全系數(shù)1.45，穩(wěn)定性達(dá)到穩(wěn)定級(jí)別，判定為穩(wěn)定性良好。同時(shí)棄碴場(chǎng)在暴雨或連續(xù)降雨作用工況、地震作用工況下可以滿足文獻(xiàn)［5］的安全系數(shù)控制要求。

（2）通過(guò)棄碴場(chǎng)支護(hù)使用情況建立了空間3D模型，充分考慮復(fù)雜水文地質(zhì)的空間影響，計(jì)算了正常工況、暴雨或連續(xù)降雨工況、地震工況及暴雨或連續(xù)降雨+地震工況對(duì)棄碴場(chǎng)的作用。模型分析表明，暴雨或連續(xù)降雨+地震的工況對(duì)棄碴場(chǎng)穩(wěn)定性評(píng)價(jià)影響明顯。尤其是南部較陡位置底部的一級(jí)邊坡出現(xiàn)19.240 cm的Y方向位移。該工況下邊坡整體安全系數(shù)為1.055 2，僅比規(guī)范1.05的安全系數(shù)高出0.005 2，需對(duì)南部較陡位置采取加固措施。

（3）暴雨或者地震等綜合因素致使棄碴場(chǎng)的坡頂沉降及坡腳的塑性變形較大，為防止棄碴場(chǎng)失穩(wěn)，采用“排水工程+掛網(wǎng)噴錨+抗滑樁”的策略。一方面，可在棄碴場(chǎng)最上級(jí)邊坡鋪筑干砌片石進(jìn)行坡面雨水的排引，防止雨水入滲，由此防止坡頂位置沉降擴(kuò)大，保證最上級(jí)邊坡的坡面穩(wěn)定。另一方面，棄碴場(chǎng)坡體沒(méi)有任何支護(hù)措施，容易產(chǎn)生蠕滑錯(cuò)動(dòng)，建議對(duì)棄碴場(chǎng)強(qiáng)夯補(bǔ)強(qiáng)后進(jìn)行掛網(wǎng)噴錨，并適當(dāng)加入錨桿錨索。同時(shí)為降低坡腳位置的坡體推力，建議在最下級(jí)邊坡坡腳設(shè)置一排抗滑樁進(jìn)行防護(hù)，并加強(qiáng)地下水位和裂縫監(jiān)測(cè)工作。