閆 賓，王 昱，方 舒，李明陽(yáng)

（1.國(guó)網(wǎng)新源控股有限公司抽水蓄能技術(shù)經(jīng)濟(jì)研究院，北京市 100761；2.長(zhǎng)江勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，湖北省武漢市 430010；3.國(guó)網(wǎng)新源控股有限公司，北京市 100161）

0 引言

棄渣場(chǎng)堆存渣體中的巖土體軟弱夾層、地基巖土體性質(zhì)、地表植物、山溝地表徑流等都可能影響棄渣場(chǎng)的穩(wěn)定。棄渣場(chǎng)不但會(huì)發(fā)生滑坡，還可能會(huì)產(chǎn)生泥石流，甚至帶來(lái)嚴(yán)重的安全與環(huán)境問(wèn)題。近年來(lái)，棄渣場(chǎng)失穩(wěn)事故頻發(fā)，比如深圳“12·20”滑坡事件、山西婁煩尖山鐵礦“8·1”特大排土場(chǎng)垮塌事故、巴西布魯馬迪紐潰壩事故等，給人民生命財(cái)產(chǎn)安全帶來(lái)很大威脅。

在上述背景下，選擇典型棄渣場(chǎng)，探討修坡、碾壓、清除原有地面植被、地震、極端天氣、巖土體參數(shù)等不同因素對(duì)棄渣體穩(wěn)定性的影響，可從技術(shù)和管理方面為后續(xù)類似棄渣場(chǎng)規(guī)劃、勘察設(shè)計(jì)、施工和維護(hù)提供非常有必要的經(jīng)驗(yàn)借鑒。

1 典型棄渣場(chǎng)概況

1.1 所在區(qū)域概況

典型棄渣場(chǎng)屬中低山丘陵地貌，屬亞熱帶濕潤(rùn)季風(fēng)氣候，多年平均氣溫為16℃，年相對(duì)濕度為76%，年蒸發(fā)量為1445.2mm，年降水量為1650.1mm，20年一遇平均1h降水量為81.1mm。植被覆蓋狀況良好，林草植被覆蓋度約為75%。

典型棄渣場(chǎng)所在流域徑流主要來(lái)自降水，徑流年內(nèi)分配不均勻，徑流主要集中在3～7月，占全年的78.5%，年徑流深在800～900mm范圍。棄渣場(chǎng)所在區(qū)域年降雨量較大，易出現(xiàn)暴雨等極端天氣，植被覆蓋狀況良好且土體含水量較高，適合用于探討清除原有地面植被、極端天氣等不同因素對(duì)棄渣體穩(wěn)定性的影響。

1.2 堆渣物質(zhì)組成

典型棄渣場(chǎng)位于工程下水庫(kù)右岸坡庫(kù)外，縣道公路西側(cè)一北東向沖溝內(nèi)，棄渣場(chǎng)主溝為北東向，沖溝長(zhǎng)約為800m，地勢(shì)平緩，坡降小，地面高程為280～475m，溝中常年流水，擋渣壩以上匯水面積約為0.4km2；山坡坡度為30°～35°，分水嶺高程為320～475m。

據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，該棄渣場(chǎng)主要堆積為工程籌建期進(jìn)場(chǎng)公路和主體工程下水庫(kù)區(qū)域開挖棄渣、開關(guān)站開挖棄渣、地下輸水發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)出口開挖棄渣。后期在第二平臺(tái)局部堆積有碎塊石料和建筑垃圾，第三平臺(tái)上部后緣靠溝側(cè)堆積有砂石系統(tǒng)篩分過(guò)濾后的石粉石渣。

堆渣區(qū)原有覆蓋層一般不厚，溝底附近厚為0.5～1.5m，岸坡局部基巖裸露?；鶐r裸露巖性為粗粒花崗巖，強(qiáng)風(fēng)化厚度為2～8m。區(qū)內(nèi)無(wú)大的斷層破碎帶通過(guò)，節(jié)理裂隙一般發(fā)育，巖體表部卸荷裂隙較發(fā)育。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)地調(diào)查，堆渣區(qū)未見滑坡、崩塌、泥石流等不良物理地質(zhì)現(xiàn)象，地質(zhì)災(zāi)害不發(fā)育，山體自然斜坡穩(wěn)定。采用Civil 3D還原了原始地形，對(duì)比現(xiàn)狀堆渣全景影像，對(duì)堆渣區(qū)域有個(gè)直觀了解，如圖1所示。

圖1 典型棄渣場(chǎng)原始地形與堆渣形貌圖Figure 1 Original topography of typical spoil ground and morphology map of slag stacking

該棄渣場(chǎng)渣料來(lái)源復(fù)雜，堆渣區(qū)覆蓋層一般不厚，適合用于探討修坡、碾壓、巖土體參數(shù)等不同因素對(duì)棄渣體穩(wěn)定性的影響。

2 修坡和碾壓對(duì)棄渣體穩(wěn)定性影響分析

2.1 堆渣坡度和高度對(duì)穩(wěn)定性影響分析

依據(jù)典型渣場(chǎng)的計(jì)算分析，計(jì)算分析結(jié)果見表1、圖2、圖3，在一定范圍內(nèi)堆渣邊坡的安全系數(shù)同堆渣坡面高度沒有直接相關(guān)性，但當(dāng)堆渣高度增加后，由于棄渣堆置統(tǒng)一變?yōu)橄蛳滦遁d的方式，所以坡面坡度接近于臨界坡比，使得計(jì)算安全系數(shù)明顯降低。與堆渣高度所不同的，堆渣坡比同邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)直線相關(guān)。另外堆渣坡度越緩，邊坡的安全裕度越高。

圖2 邊坡安全系數(shù)同堆渣高度變化規(guī)律Figure 2 Variation law of slope safety factor and slag stacking height

圖3 邊坡安全系數(shù)同堆渣坡度變化規(guī)律Figure 3 Variation law of slope safety factor and slag stacking slope

表1 各級(jí)臺(tái)階邊坡堆高坡比計(jì)算表Table 1 Calculation table of pile height and slope ratio of bench slopes at all levels

2.2 渣體碾壓對(duì)穩(wěn)定性影響分析

渣體碾壓是通過(guò)改變棄渣顆粒間的密實(shí)度來(lái)提升渣體穩(wěn)定性[1]，為充分了解物理力學(xué)參數(shù)對(duì)渣場(chǎng)邊坡穩(wěn)定的影響，對(duì)典型棄渣場(chǎng)的四級(jí)邊坡開展參數(shù)敏感性分析，由于第一臺(tái)階和第二臺(tái)階坡度分別為1:2.5和1:2.1，為一般設(shè)計(jì)坡比，選其為分析對(duì)象，固定黏聚力為5kPa和0kPa，分別計(jì)算渣體邊坡的安全系數(shù)。分析結(jié)果如圖4、圖5所示，結(jié)果表明，渣場(chǎng)邊坡安全系數(shù)同渣體內(nèi)摩擦角參數(shù)密切相關(guān)。當(dāng)考慮渣體內(nèi)部固結(jié)粘聚力時(shí)，減緩坡度將帶來(lái)更高的安全裕度；若依照相關(guān)規(guī)范建議，忽略渣體內(nèi)部的黏聚力，坡度放緩帶來(lái)的安全裕度也會(huì)相對(duì)減小。

圖4 安全系數(shù)隨內(nèi)摩擦角的變化規(guī)律（c=5kPa）Figure 4 Variation of safety factor with internal friction angle （c=5kPa）

圖5 安全系數(shù)隨內(nèi)摩擦角的變化規(guī)律（c=0kPa）Figure 5 Variation of safety factor with internal friction angle （c= 0kPa）

同內(nèi)摩擦角類似的，計(jì)算研究了黏聚力對(duì)渣體穩(wěn)定性的影響，分別選取內(nèi)摩擦角為28°和22°的渣體參數(shù)進(jìn)行計(jì)算。雖然黏聚力與堆渣體穩(wěn)定亦直接相關(guān)，但其反映出的規(guī)律并非呈線性，在黏聚力上升初期，減緩坡度可明顯提高渣場(chǎng)坡度的安全裕度，計(jì)算結(jié)果如圖6、圖7所示。

圖6 安全系數(shù)隨黏聚力的變化規(guī)律（φ=28°）Figure 6 Variation of safety factor with cohesion（φ= 28°）

圖7 安全系數(shù)隨黏聚力的變化規(guī)律（φ=22°）Figure 7 Variation of safety factor with cohesion（φ= 22°）

3 暴雨工況（排水失效）對(duì)堆渣穩(wěn)定性的影響分析

3.1 棄渣場(chǎng)滲流場(chǎng)分析

3.1.1 計(jì)算模型和邊界條件

滲流場(chǎng)計(jì)算模型采用渣場(chǎng)基本穩(wěn)定計(jì)算斷面模型（見圖8），自由劃分網(wǎng)格后作為渣場(chǎng)邊坡穩(wěn)定計(jì)算的前置條件有限進(jìn)行穩(wěn)定滲流場(chǎng)計(jì)算[2]，滲流場(chǎng)邊界條件依據(jù)渣場(chǎng)鉆孔水位監(jiān)測(cè)結(jié)果以及工況假設(shè)推定，假設(shè)兩種極端情況，一是排水溝上游發(fā)生邊坡滑塌淤堵溝床，上游來(lái)水淤積后自渣體后緣直接進(jìn)入渣體；二是排洪溝中段發(fā)生淤堵，上游來(lái)水自渣體側(cè)方進(jìn)入渣場(chǎng)中，各極端工況對(duì)應(yīng)上下游邊界條件如下。

圖8 典型棄渣場(chǎng)滲流及邊坡穩(wěn)定分析模型示意圖Figure 8 Model diagram of seepage and slope stability analysis of typical waste dump

極端工況1：上游邊界取排洪溝底板高程約為393m，約為第三級(jí)臺(tái)階坡頂位置，根據(jù)相對(duì)位置關(guān)系則可推測(cè)下游溢出點(diǎn)高程大致位于第二級(jí)坡面附近。

極端工況2：根據(jù)地質(zhì)勘察的鉆孔水位對(duì)比，上游邊界低于溝兩側(cè)邊坡底部的全風(fēng)化巖層，水頭邊界大約為375m，溢出點(diǎn)高程位于第一級(jí)臺(tái)階下方21.8m。

3.1.2 計(jì)算結(jié)果分析

如圖9所示為典型棄渣場(chǎng)極端工況計(jì)算結(jié)果示意圖。

圖9 典型棄渣場(chǎng)極端工況計(jì)算結(jié)果示意圖Figure 9 Schematic diagram of free surface calculation results of typical dump

極端工況1條件下渣場(chǎng)浸潤(rùn)線出口將位于第三級(jí)臺(tái)階下方，因此三級(jí)臺(tái)階以下的渣體坡面將明顯受到地下水位抬升的影響，相應(yīng)的棄渣處于飽和狀態(tài)，此狀況發(fā)生的概率極小，也出現(xiàn)于極端長(zhǎng)期降雨入滲渣場(chǎng)的模擬。

極端工況2條件下浸潤(rùn)線出口位于第一級(jí)臺(tái)階坡面位置，其主要表現(xiàn)為渣場(chǎng)中部地下水位顯著提高，而現(xiàn)場(chǎng)勘察的結(jié)果顯示渣場(chǎng)中部鉆孔無(wú)地下水出露。所以，該位置可以作為渣場(chǎng)地下水位監(jiān)測(cè)的站點(diǎn)。極端工況2下受影響的坡面僅為第一級(jí)臺(tái)階，由于其位于渣場(chǎng)坡腳，其穩(wěn)定性影響渣體的整體穩(wěn)定，因此不可忽視，需要計(jì)算復(fù)核。

3.2 棄渣場(chǎng)滲流場(chǎng)分析

計(jì)算結(jié)果表明，在極端工況1條件下，渣場(chǎng)2級(jí)臺(tái)階邊坡安全系數(shù)僅為0.696，說(shuō)明其以下邊坡將面臨整體破壞的威脅，該破壞將引起整個(gè)渣場(chǎng)的聯(lián)動(dòng)效應(yīng)，是極端危險(xiǎn)的工況。相對(duì)的，極端工況2條件，降低了第一級(jí)臺(tái)階的安全裕度，但對(duì)邊坡和整體穩(wěn)定性不產(chǎn)生決定性影響。

4 渣體下墊面對(duì)堆渣穩(wěn)定性的影響分析

現(xiàn)場(chǎng)鉆孔取樣進(jìn)行土工試驗(yàn)表明，淋溶效應(yīng)將造成堆填界面的黏聚力和內(nèi)摩擦角明顯下降。當(dāng)渣體下墊面未進(jìn)行清表處理，將殘余大量孔隙和軟弱夾層，在降雨作用下更容易發(fā)生淋濾軟化現(xiàn)象[3]。對(duì)若渣底綜合坡度較陡，未進(jìn)行渣底清表和軟弱層清除，長(zhǎng)期降雨和地下水位抬升的淋濾作用將極大威脅渣場(chǎng)整體穩(wěn)定。因此，在棄渣場(chǎng)場(chǎng)地清理階段，應(yīng)注意做好渣底植被和表層軟土的清理工作[4]，并于渣底設(shè)置合適的盲溝導(dǎo)排措施。

5 邊坡加固對(duì)堆渣穩(wěn)定性的影響分析

5.1 加固結(jié)構(gòu)模擬

根據(jù)渣場(chǎng)堆渣邊坡現(xiàn)狀調(diào)查與基本穩(wěn)定分析結(jié)果，棄渣場(chǎng)第三級(jí)臺(tái)階堆渣邊坡高度大于15m，邊坡坡度陡于1:2，考慮削坡后增加框格梁加錨桿防護(hù)，為驗(yàn)證施加框格梁后堆渣邊坡的防護(hù)效果，邊坡計(jì)算模型邊坡高15m，坡比為1:2。

模型寬度取三排人字形格構(gòu)梁16.8m，該模型單元計(jì)算結(jié)果可反映現(xiàn)狀邊坡整體情況?；炷粮駱?gòu)—插筋護(hù)坡系統(tǒng)如圖10所示，格構(gòu)梁采用Beamset，錨桿采用Cableset[5]，格構(gòu)和插筋采用剛性連接，插筋直徑為28mm，坡底兩層插筋長(zhǎng)9.0m，其余長(zhǎng)6.0m。

圖10 混凝土格構(gòu)-插筋支護(hù)邊坡有限元模型示意圖Figure 10 Schematic diagram of finite element model of concrete lattice bar supported slope

5.2 施加混凝土格構(gòu)梁條件下邊坡穩(wěn)定性分析

5.2.1 計(jì)算參數(shù)及計(jì)算工況

棄渣場(chǎng)渣體物理力學(xué)參數(shù)依據(jù)渣場(chǎng)基本穩(wěn)定計(jì)算參數(shù)敏感性分析臨界值選??；混凝土格構(gòu)—插筋框架體系材料參數(shù)依據(jù)類似項(xiàng)目選取[6]，詳見表2和表3。計(jì)算工況分別選擇正常運(yùn)行、持續(xù)降雨、排水失效共3種工況。

表2 棄渣場(chǎng)巖土體物理力學(xué)參數(shù)表Table 2 Table of physical and mechanical parameters of rock and soil mass in waste dump

表3 混凝土格構(gòu)—插筋框架體系參數(shù)表Table 3 Table of physical and mechanical parameters of rock and soil mass in waste dump

5.2.2 計(jì)算結(jié)果分析

模擬計(jì)算結(jié)果如圖11、圖12所示，可見：

圖11 邊坡防護(hù)體系施加前后效果對(duì)比結(jié)果示意圖Figure 11 Schematic diagram of effect comparison before and after application of slope protection system

圖12 正常工況邊坡（施加格構(gòu)—插筋支護(hù)）穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果示意圖Figure 12 Schematic diagram of stability calculation results of slope under normal conditions （with lattice bar support）

（1）正常工況，當(dāng)邊坡無(wú)支護(hù)體系，計(jì)算安全系數(shù)為1.19，施加支護(hù)體系，計(jì)算安全系數(shù)為1.53，安全系數(shù)提高0.34，有效提高了邊坡安全余度。

（2）降雨工況，當(dāng)邊坡無(wú)支護(hù)體系，計(jì)算安全系數(shù)為1.03，施加支護(hù)體系，計(jì)算安全系數(shù)為1.32，安全系數(shù)提高0.29，防護(hù)效果提升較正常工況小。

（3）排水失效工況，當(dāng)邊坡無(wú)支護(hù)體系，計(jì)算安全系數(shù)為0.93，施加支護(hù)體系，計(jì)算安全系數(shù)為1.19，安全系數(shù)提高0.26，該工況下邊坡可能發(fā)生垮塌，邊坡防護(hù)系統(tǒng)有效地保證了邊坡穩(wěn)定。

綜上可見，施加支護(hù)體系后，邊坡安全系數(shù)明顯提高，各工況均基本滿足規(guī)范要求；但隨著渣體c、φ值下降，混凝土結(jié)構(gòu)—插筋支護(hù)體系提升邊坡穩(wěn)定性的效果會(huì)逐漸減弱，因此，在施加支護(hù)體系的同時(shí)，仍應(yīng)做好相應(yīng)的排水措施。

6 結(jié)束語(yǔ)

本文分別探討了修坡和碾壓、極端暴雨工況（排水失效）、渣體下墊面軟化、地震以及邊坡加固對(duì)渣體穩(wěn)定性的影響。

（1）通過(guò)邊坡坡比和堆高變化說(shuō)明修坡過(guò)程對(duì)渣體穩(wěn)定的影響，計(jì)算結(jié)果表明，當(dāng)坡比由1:2.5降至1:1.14，穩(wěn)定系數(shù)由1.628下降0.966，變化過(guò)程基本為線性；而當(dāng)堆高不超30m時(shí)，堆高降低對(duì)渣體穩(wěn)定性影響較小。

通過(guò)黏聚力和內(nèi)摩擦角的敏感性分析模擬渣場(chǎng)的碾壓過(guò)程，計(jì)算結(jié)果表明內(nèi)摩擦角同邊坡計(jì)算安全系數(shù)表現(xiàn)為線性相關(guān)的關(guān)系。

（2）在排水失效的極端工況下，暴雨對(duì)渣場(chǎng)邊坡和整體穩(wěn)定將帶來(lái)極大威脅，該邊坡安全系數(shù)由1.284驟降至0.696。因此，在棄渣場(chǎng)安全監(jiān)測(cè)內(nèi)容中，應(yīng)該加入渣場(chǎng)地下水位監(jiān)測(cè)，對(duì)地下水位的異動(dòng)高度關(guān)注；另外前期渣場(chǎng)設(shè)計(jì)和施工過(guò)程中，也應(yīng)重視盲溝合理布置，發(fā)揮其疏導(dǎo)地下水的作用。

（3）渣未進(jìn)行渣底清表和軟弱層清除，長(zhǎng)期降雨和地下水位抬升的淋濾作用將極大威脅渣場(chǎng)整體穩(wěn)定。因此，在棄渣場(chǎng)場(chǎng)地清理階段，應(yīng)注意做好渣底植被和表層軟土的清理工作，并于渣底設(shè)置合適的盲溝導(dǎo)排措施。

（4）渣場(chǎng)邊坡的加固模擬表明，混凝土格構(gòu)—插筋框格體系能有效提高棄渣邊坡的抗滑穩(wěn)定性，建議對(duì)類似典型渣場(chǎng)上部局部高陡邊坡采取適當(dāng)?shù)南髌潞瓦吰录庸檀胧?/p>