劉志明

（中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司 湖北武漢 430063）

1 引言

基礎(chǔ)設(shè)施施工過程中常涉及大量的挖填方工程，產(chǎn)生較大的廢棄渣土，由于受堆渣場地的限制，需要對既有棄渣場進(jìn)行擴(kuò)容堆填。以往的擴(kuò)容堆渣常沿原有渣體坡面進(jìn)行堆填，但此堆填方法形成的渣體邊坡穩(wěn)定性較差，極易發(fā)生垮塌，如深圳紅坳棄土場滑坡災(zāi)難，造成極大人員、財(cái)產(chǎn)損失，社會影響惡劣［1］。由于棄渣體失穩(wěn)垮塌往往會影響垮塌方向范圍內(nèi)敏感地區(qū)的安全［2］，所以相關(guān)部門也對棄渣場的場址選擇和堆高高度進(jìn)行技術(shù)規(guī)范要求［3］，棄渣場則須滿足邊坡安全穩(wěn)定和水土流失防治原則［4］。

近年來針對棄渣場邊坡安全性評估及穩(wěn)定性分析已有一定的研究成果。劉浩等［5］利用方差分析和正交試驗(yàn)方法分析了內(nèi)摩擦角、黏聚力、坡率、堆高、渣體重度和下伏傾角等六個(gè)因素對棄渣場敏感性影響。吳振君等［6］采用可靠度分析方法進(jìn)行邊坡穩(wěn)定影響因素敏感性分析。Bai［7］通過研究認(rèn)為降雨強(qiáng)度與邊坡穩(wěn)定性有很大關(guān)系。彭立等［8］對山區(qū)棄渣場選址進(jìn)行分類，并對渣體邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性計(jì)算。徐有飛等［9］提出山區(qū)棄土場設(shè)計(jì)原則和思路。王明慧等［10］針對渝萬鐵路提出山區(qū)棄渣場設(shè)計(jì)、選址及建造的基本原則。Lei［11］研究降雨入滲細(xì)顆粒遷移對邊坡穩(wěn)定性的影響。劉建偉等［12］通過研究發(fā)現(xiàn)新形成的棄渣體坡面自上而下其內(nèi)摩擦角逐漸增大。

上述研究主要從棄渣場力學(xué)參數(shù)、渣體坡度、場址選取、滲流特征等影響因素進(jìn)行研究，但對于棄渣場擴(kuò)容條件下其堆填方式、降雨情況以及地震條件對其穩(wěn)定性影響分析研究鮮有報(bào)道。在現(xiàn)有的工程建設(shè)過程中受地形條件限制及建設(shè)用地緊張等問題，考慮在既有棄渣場的基礎(chǔ)上進(jìn)行棄渣場擴(kuò)容堆填十分必要，對于棄渣場擴(kuò)容過程中相關(guān)影響因素研究具有重要意義。

本文以既有渣場擴(kuò)容堆填為研究對象，在現(xiàn)場調(diào)查和理論分析的基礎(chǔ)上，采用Geo-Studio軟件研究擴(kuò)容堆填條件下渣體邊坡穩(wěn)定性的影響因素，得到最優(yōu)堆填方案和控制因素，以期對類似工程提供借鑒。

2 棄渣場邊坡工程概況

本棄渣場位于福建省龍巖市，場區(qū)地形狹長，坡面沖刷強(qiáng)烈，溝底出露地層以全風(fēng)化及強(qiáng)風(fēng)化粉砂巖為主，該區(qū)域地表水受大氣降水影響，地下水以孔隙潛水為主。原有棄渣來源于鄰近工程施工棄渣，以石質(zhì)棄渣為主，棄渣方量為39萬m3，最大堆填高度為83 m。因原渣場附近發(fā)生滑坡，需對滑坡體進(jìn)行清載，清載方量為26.7萬m3，受棄渣場地限制需在原棄渣體的基礎(chǔ)上進(jìn)行滑坡體的棄方堆填。

3 穩(wěn)定性計(jì)算模型及參數(shù)選取

3.1 計(jì)算模型

棄渣場失穩(wěn)通常分為兩種，一種是棄渣體沿渣體與地層接觸面發(fā)生整體滑移，另一種是由于渣體內(nèi)部形成滑動面而造成渣體邊坡局部失穩(wěn)。

（1）對于沿基底滑動的整體穩(wěn)定性本文采用傳遞系數(shù)法進(jìn)行計(jì)算，求解公式：

式中：Ri＝Nitg φi＋ cili；Fs為穩(wěn)定性系數(shù)；Ri為作用于第i塊段的抗滑力（kN／m）；φi為第i塊段滑帶體的內(nèi)摩擦角（°）；ci為第 i塊段滑帶體的黏聚力（kPa）；li為第 i塊段滑動面長度（m）；Ti為作用于第i塊滑動面上的滑動分力（kN／m）；Ψj為傳遞系數(shù)。

（2）對于沿邊坡內(nèi)部滑移失穩(wěn)，本文采用Geo-Studio的SLOPE／W和SEEP／W模塊考慮在滲流條件下搜索棄渣體內(nèi)部圓弧滑面，建立棄渣場穩(wěn)定性計(jì)算模型，見圖1。

3.2 計(jì)算工況

本文計(jì)算在不同工況條件下不同擴(kuò)容堆填方式棄渣場的穩(wěn)定性，不同工況包括天然工況、非正常工況Ⅰ（降雨工況）和非正常工況Ⅱ（降雨、地震工況）。降雨強(qiáng)度按照本地區(qū)百年一遇極端暴雨值進(jìn)行計(jì)算，見表1。在棄渣體邊坡頂部及斜坡表面設(shè)置降雨邊界條件，計(jì)算得到棄渣場暴雨工況下的滲流場分布；暴雨、地震工況則在設(shè)置降雨邊界條件的前提下，施加水平地震荷載，水平地震作用修正系數(shù)取值0.25。

表1 棄渣場區(qū)域百年一遇雨量值

3.3 邊界條件

降雨強(qiáng)度和表層土體滲透系數(shù)是制約雨水滲流的主要影響因素。當(dāng)表層土體滲透系數(shù)大于降雨強(qiáng)度時(shí)，雨水滲流速率即為暴雨強(qiáng)度，邊界條件表示為式（2）：

當(dāng)表層土體滲透系數(shù)小于降雨強(qiáng)度時(shí)，雨水沿坡面部分流失，此時(shí)滲流速率為巖土體自身入滲能力，邊界條件表示為式（3）：

3.4 巖土物理力學(xué)參數(shù)

原狀棄渣體以塊礫石為主，擴(kuò)容棄渣體以土質(zhì)為主，兩階段堆渣體力學(xué)指標(biāo)存在一定差異。采用材料模型為Mohr-Coulomb模型，渣體物理力學(xué)參數(shù)通過參數(shù)反演法及地區(qū)經(jīng)驗(yàn)值綜合考慮選取，見表2。

表2 巖土體物理力學(xué)參數(shù)

3.5 穩(wěn)定性控制標(biāo)準(zhǔn)

參考《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》（GB 50330—2013）、《水土保持工程設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 51018—2014）以及《水利水電工程邊坡設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL 386—2007）中相關(guān)規(guī)定，結(jié)合本棄渣場的規(guī)模、周邊敏感點(diǎn)分布、邊坡失穩(wěn)后危害程度，確定本工點(diǎn)各種工況條件下穩(wěn)定安全系數(shù)控制標(biāo)準(zhǔn)，見表3。

表3 棄渣場抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)

4 考慮堆填位置的棄渣場邊坡穩(wěn)定性研究

本文對棄渣場擴(kuò)容穩(wěn)定性評價(jià)主要從原渣場穩(wěn)定性和擴(kuò)容堆渣后渣場整體和局部穩(wěn)定性進(jìn)行評估，根據(jù)評估計(jì)算結(jié)果得到最優(yōu)堆渣方案。評估流程見圖2。

4.1 堆填方案

在確認(rèn)堆渣場地滿足地質(zhì)條件穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)合理、容量科學(xué)等可行性初判條件的基礎(chǔ)上，為更好地反映棄渣場擴(kuò)容堆填對棄渣場邊坡穩(wěn)定的影響，本文結(jié)合常規(guī)棄渣場堆填形式，將堆填方式分為a坡頂覆蓋加高式、b坡面擴(kuò)展推移式和c分散式三種形式，其中a、b兩種堆填方式為常見類型。

a坡頂覆蓋加高式將二次棄渣物質(zhì)全部堆放于原棄渣場渣體之上，此方法可以較好保留原有棄渣體邊坡坡率；b坡面擴(kuò)展推移式將二次棄渣物質(zhì)順原有渣體邊坡堆放至坡腳處，可充分利用原渣場地形條件；c分散填筑式將坡頂覆蓋式和壓坡腳式兩種堆填位置相結(jié)合，分散堆填。各堆填方式剖面見圖3。

4.2 堆填方案選取

渣場整體穩(wěn)定性采用傳遞系數(shù)法進(jìn)行計(jì)算，原渣場整體穩(wěn)定性系數(shù)計(jì)算結(jié)果分別為2.51（天然工況）、1.83（暴雨工況）和1.74（暴雨＋地震工況），均滿足穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)。

邊坡局部穩(wěn)定性采用Geo-Studio計(jì)算得到考慮圓弧滑面的畢肖普（Bishop）法安全系數(shù)以及考慮任意形狀滑面的摩根斯坦 －普賴斯（Morgenstem-Price）法安全系數(shù)，將兩種計(jì)算結(jié)果中的最小值與控制標(biāo)準(zhǔn)比較，得到其判定結(jié)果見表4。

表4 原渣場局部穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果

從表4可以看出，原渣場穩(wěn)定性滿足相關(guān)控制標(biāo)準(zhǔn)，且穩(wěn)定性較高，適合開展渣場擴(kuò)容堆填。

4.3 擴(kuò)容堆填后邊坡穩(wěn)定性分析

分別計(jì)算在不同工況條件下三種堆填方式形成棄渣體的整體穩(wěn)定性和局部穩(wěn)定性。邊坡整體穩(wěn)定性和局部穩(wěn)定性計(jì)算均采用同樣的計(jì)算方法。

（1）擴(kuò)容堆填后邊坡整體穩(wěn)定性分析

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，繪制棄渣體邊坡整體穩(wěn)定安全系數(shù)隨不同工況條件的變化曲線，見圖4?？梢钥闯?，在三種不同堆填方式下棄渣體邊坡整體穩(wěn)定性均大于1.30，穩(wěn)定性較好。

（2）擴(kuò)容堆填后邊坡局部穩(wěn)定性分析

根據(jù)邊坡局部穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果，繪制邊坡局部安全系數(shù)隨不同工況的變化曲線，見圖5。

可以看出，在天然工況下三種堆填方式邊坡穩(wěn)定性安全系數(shù)均大于1.3。在暴雨或暴雨＋地震工況條件下，采用常規(guī)的a坡頂覆蓋加高式和b坡面擴(kuò)展推移式邊坡局部穩(wěn)定安全系數(shù)均小于1.15，邊坡處于不穩(wěn)定狀態(tài)；采用c分散式堆填方式邊坡局部穩(wěn)定安全系數(shù)大于1.15，邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)。

由以上計(jì)算結(jié)果顯示，采取分散式堆填具有較高安全穩(wěn)定性，而采取a坡頂覆蓋加高式和b坡面擴(kuò)展推移式兩種常規(guī)堆填方法，在遭遇惡劣工況條件下安全穩(wěn)定性普遍較低，存在較大失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)。

5 棄渣體邊坡穩(wěn)定性影響因素分析

（1）堆填方式的影響

結(jié)合圖4和圖5曲線可知，不同堆填方式對渣體邊坡穩(wěn)定性具有較大影響，邊坡安全系數(shù)關(guān)系為：分散式＞坡面擴(kuò)展推移式＞坡頂覆蓋加高式，在暴雨＋地震工況下采用分散式堆積相較于坡頂覆蓋式堆積其邊坡整體穩(wěn)定性提高66.4%，局部穩(wěn)定性提高7.7%。

坡頂覆蓋加高式在原渣體渣頂基礎(chǔ)上堆渣，一方面增大原渣體下滑力，另一方面在擴(kuò)容渣體與原渣體接觸面處容易形成滑動面，增大渣體下滑風(fēng)險(xiǎn)。坡面擴(kuò)展推移式在原渣體坡面基礎(chǔ)上向坡腳堆填，受坡腳堆填空間及擴(kuò)容渣體方量控制，其渣體邊坡較陡，容易發(fā)生垮塌。分散式堆積結(jié)合坡面擴(kuò)展推移式和坡頂覆蓋加高式堆填方法，在坡腳堆積可對原渣體形成坡腳反壓，坡頂堆積可擴(kuò)展堆渣容量，邊坡較緩，穩(wěn)定性較高。

（2）工況條件的影響

從圖4和圖5曲線可知，暴雨因素對棄渣體穩(wěn)定影響較大。在暴雨工況條件下相較于天然工況棄渣體邊坡整體穩(wěn)定性降低26.1%，局部穩(wěn)定性降低23.2%?？梢姳┯暌蛩厥怯绊戇吰路€(wěn)定性的主要因素。

持續(xù)強(qiáng)降雨導(dǎo)致地表水大量下滲，沿坡降方向形成淺表徑流導(dǎo)致渣土體由天然工況下的非飽和狀態(tài)轉(zhuǎn)化為暴雨工況下的飽和狀態(tài)，其容重增加，黏聚力、內(nèi)摩擦角等抗滑指標(biāo)降低，渣體抗滑強(qiáng)度衰減顯著，受重度增加影響，渣體下滑力增加，導(dǎo)致渣體穩(wěn)定性系數(shù)降低。

綜上，暴雨條件對邊坡穩(wěn)定性的影響權(quán)重最大，其次為擴(kuò)容渣體堆填方式。因此在擴(kuò)容堆填過程中應(yīng)充分考慮暴雨等惡劣工況和堆填方式的影響，加強(qiáng)渣場邊坡排水結(jié)構(gòu)措施及擴(kuò)容渣體堆填位置選擇。通過對不同堆填位置條件下邊坡安全系數(shù)的計(jì)算，推薦采用分散式堆填方法。

6 結(jié)論

本文通過對坡頂覆蓋加高式、坡面擴(kuò)展推移式以及分散式三種渣體擴(kuò)容堆填方式進(jìn)行穩(wěn)定性計(jì)算分析，得出如下結(jié)論：

（1）通過對邊坡穩(wěn)定性安全系數(shù)計(jì)算，采取分散式擴(kuò)容堆填方式相較于常規(guī)堆填擴(kuò)容方式安全穩(wěn)定性明顯提高。

（2）采取a坡頂覆蓋加高式和b坡面擴(kuò)展推移式兩種常規(guī)堆填方法，在惡劣工況條件下安全穩(wěn)定性普遍較低，存在較大的失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)。

（3）棄渣體邊坡穩(wěn)定性影響因素中，暴雨對邊坡穩(wěn)定性的影響最大，其次為擴(kuò)容渣體堆填方式。

因此，在加強(qiáng)渣場邊坡排水結(jié)構(gòu)措施的基礎(chǔ)上應(yīng)充分考慮采用分散堆填的方法對原棄渣場進(jìn)行擴(kuò)容。