黃傲雪，余 雙

（廣西水利電力勘測設(shè)計研究院有限責(zé)任公司，南寧 530023）

0 引言

棄渣場作為生產(chǎn)建設(shè)項目水土保持工作的重要防治對象，其安全穩(wěn)定關(guān)乎人民群眾生命財產(chǎn)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(wěn)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(dāng)堆高不超30 m 時，堆高降低對渣體穩(wěn)定性影響較?。焕罱痂さ萚2]基于正交設(shè)計法對影響邊坡穩(wěn)定性的因素進行敏感性分析，認為黏聚力、坡度、內(nèi)摩擦角對邊坡穩(wěn)定性的影響高度顯著等。目前各因素變化對渣場穩(wěn)定性的影響基本都有了統(tǒng)一的定性認識，土質(zhì)邊坡穩(wěn)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(wěn)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(nèi)摩擦角等4個因素對棄渣場穩(wěn)定評價指標進行敏感性分析，從而識別影響棄渣場穩(wěn)定的重要因素或者關(guān)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(shù)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(yīng)用，但該方法忽略了模型參數(shù)之間的相互作用[4]。通過識別棄渣場穩(wěn)定的重要因素或者關(guān)鍵因素，將有助于水土保持設(shè)計以及施工人員在棄渣場的防治過程中采取更加科學(xué)有效的措施。

1 典型棄渣場概況

百色水庫灌區(qū)設(shè)計灌溉面積為59.2萬畝，屬大（2）型灌區(qū)，工程等別為Ⅱ等，工程建設(shè)內(nèi)容主要為輸水管線及隧洞等。百色水庫灌區(qū)工程共設(shè)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(qū)境內(nèi)，項目區(qū)屬亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，年內(nèi)四季分明，年降雨量在1077～1178 mm，雨量年內(nèi)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(nèi)旱季無水。經(jīng)地質(zhì)專業(yè)調(diào)查分析，該棄渣場區(qū)域為單斜構(gòu)造，未見斷層發(fā)育，覆蓋層為第四系坡殘積含碎石粉質(zhì)黏土，厚度為0.5～10 m，下伏基巖為砂巖夾泥巖，棄渣場基礎(chǔ)承載力在150～220 kPa 之間，周邊巖體構(gòu)造穩(wěn)定，無滑坡、崩塌等不良地質(zhì)現(xiàn)象，區(qū)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(shè)計按兩級堆放，第一級高10 m，第二級高9 m，中間設(shè)2 m寬馬道，堆渣坡比為1∶2.5，坡腳設(shè)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(guān)參數(shù)見表1。

表1 渣料及擋墻計算參數(shù)

2 分析計算方法

本文選取棄渣場抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)K1、擋渣墻基底抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)K2 作為模擬結(jié)果，選取棄渣場設(shè)計過程中十分常規(guī)、難以回避的擋渣墻尺寸、堆渣坡比、堆渣高度、渣土內(nèi)摩擦角等4 個因素作為目標因子進行因素敏感性分析?？紤]到擋渣墻尺寸要素較多，且擋渣墻最優(yōu)斷面需要各尺寸要素協(xié)調(diào)配合，因此本文僅研究擋墻尺寸整體縮放時的棄渣場穩(wěn)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(shè)計研究院編制的巖土系列軟件6.5 PB4 版中的《邊坡穩(wěn)定分析》進行計算，采用等厚土層土坡穩(wěn)定計算模式，軟件中內(nèi)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(wěn)定安全系數(shù)；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(nèi)摩擦角。

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

式中：K2為擋渣墻基底抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)；f為擋渣墻基底摩擦系數(shù)；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(shù)敏感性分析能夠確定參數(shù)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(yīng)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(nèi)擾動（如在±50%范圍內(nèi)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(jié)果，利用相鄰的兩次計算結(jié)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(shù)；Qi+1和Qi分別為第i+1 和第i次計算輸出的結(jié)果，Qa為兩者均值；Pi+1和Pi分別為第i+1 和第i次參數(shù)輸入的數(shù)值，Pa為兩者均值。

本文棄渣場穩(wěn)定計算的參數(shù)以設(shè)計采用值為基準值，基準值為常規(guī)值，±50%變化幅度能有效覆蓋各參數(shù)的取值范圍，同時參考其他學(xué)者的計算方法[5-6]，在基準值基礎(chǔ)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(jié)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(jié)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(wěn)定安全系數(shù)K1、擋渣墻基底抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)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(jié)果均為不敏感。結(jié)果表明：擋渣墻尺寸整體放大縮小時對棄渣場抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)、擋渣墻基底抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)基本沒有影響，擋渣墻尺寸整體放大縮小對渣場安全穩(wěn)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(wěn)定，避免坡腳被雨水風(fēng)浪淘刷，對棄渣場安全穩(wěn)定有利。同時，擋渣墻的建設(shè)對投資影響也較大，因此需注重擋渣墻斷面的優(yōu)化設(shè)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(shè)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(wěn)定安全系數(shù)。

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(shù)越高，敏感性分析結(jié)果均為比較敏感，且K1的敏感度大于K2的敏感度。結(jié)果表明：堆渣坡比是影響K1、K2 的重要因子，對棄渣場安全穩(wěn)定意義重大。

表4 堆渣坡比敏感性分析表

在棄渣場設(shè)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(wěn)定安全系數(shù)、擋渣墻基底抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)都會明顯降低，這就要求增大擋墻尺寸、增大渣體內(nèi)摩擦角等，防護措施要求提高后防護費用也相應(yīng)提高。因此，應(yīng)注重堆渣坡比的控制，要兼顧經(jīng)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(nèi)波動時K1變化很小，K2無變化，敏感性分析結(jié)果均為不敏感。結(jié)果表明：場地地質(zhì)條件允許時，一定范圍內(nèi)增加堆渣高度對渣場安全穩(wěn)定影響不大，這與閆賓等[1]研究結(jié)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(dǎo)致防治措施等級的提高，增加防護措施費用。因此，棄渣場設(shè)計施工過程中，在地形地質(zhì)條件允許，在不突破原棄渣場級別時，可以通過適當(dāng)增加堆渣高度從而消化更多工程棄渣，節(jié)約渣場用地。

表5 堆渣高度敏感性分析表

3.4 土內(nèi)摩擦角敏感性分析

渣土內(nèi)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(nèi)摩擦角變化時K1、K2 隨之有序變化，渣土內(nèi)摩擦角越大，安全系數(shù)越高，敏感性分析結(jié)果K1 為比較敏感，K2 為特別敏感。結(jié)果表明：渣土內(nèi)摩擦角是影響K1、K2的另一個重要因子，對棄渣場安全穩(wěn)定意義重大。影響渣土內(nèi)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(yīng)從多方面綜合考慮來保障和提高渣土內(nèi)摩擦角。施工過程中應(yīng)避免自上而下的棄渣方式，應(yīng)自下而上堆放，讓渣土經(jīng)受汽車碾壓，提高密實度，降低孔隙水壓力，增大渣土內(nèi)摩擦角[7]。降雨是邊坡失穩(wěn)的主要誘因，降雨入滲將導(dǎo)致土體內(nèi)基質(zhì)吸力的喪失，進而影響土體的抗剪強度指標[8]。因此，渣場應(yīng)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(cè)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(nèi)摩擦角。

表6 渣土內(nèi)摩擦角敏感性分析表

4 結(jié)論

本文以百色水庫灌區(qū)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(wěn)定的擋渣墻尺寸、堆渣坡比、堆渣高度、渣土內(nèi)摩擦角等4個因素進行敏感性分析，識別其中的關(guān)鍵因素，得出如下結(jié)論：

（1）擋渣墻尺寸、堆渣坡比、堆渣高度、渣土內(nèi)摩擦角4個因素中，堆渣坡比對K1、K2比較敏感，渣土內(nèi)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(nèi)摩擦角對渣場安全穩(wěn)定相對重要，擋渣墻尺寸、堆渣高度對渣場安全穩(wěn)定相對次要。

（2）擋渣墻尺寸整體放大縮小對渣場安全穩(wěn)定意義不大，擋渣墻設(shè)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(wěn)定安全系數(shù)。

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

（4）棄渣場設(shè)計施工過程中，應(yīng)注重施工工藝，完善配套措施，從而增大和保障渣土內(nèi)摩擦角。如采用自下而上堆放方式，讓渣土經(jīng)受汽車碾壓，增大渣土內(nèi)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?xí)r間、減弱其作用強度，降低渣土含水率，保障渣土內(nèi)摩擦角等。