浅析弃渣体设计参数

李明阳，柴建峰

（国网新源控股有限公司技术中心，北京市 100161）

1 引言

抽水蓄能的发展已有100多年历史，现今随着全球能源互联网、雾霾治理、绿色能源和智能坚强电网等的规划，抽水蓄能在中国才得以大力发展。抽水蓄能电站上、下库多在复杂地形地质条件下筑坝与成库，输水发电系统开挖规模较大，同时上下库连接道路开挖等众多因素导致工程弃渣量较大。加之抽水蓄能电站多临近电力负荷中心，自然和人文环境复杂，则其弃渣场选址和设计，基建期的填筑和后期安全运行，显得十分重要。

弃渣体多由岩石碎块、强全风化层物质组成，其间混有细颗粒物质，具有较高的内摩擦角，随着压实固结，自稳能力逐渐提高。但如果前期堆放时，缺少碾压，或者碾压效果不好，在重力作用下变形沉降，往往在后缘形成拉裂缝，拉张裂缝成了地下水运行和储存的通道，将降低弃渣体稳定性。弃渣体变形破坏，多为后缘先失稳，推动前缘渣土体，形成整体滑动。物源来源复杂，使用时间长，经历不同的季节，致使渣体内部地质条件复杂，变形破坏呈现多样化[1-7]。

2 强度参数敏感性分析

2.1 模型简介

强度参数显著影响着渣体的失稳破坏模式，相关研究较多。目前工程设计中常用强度设计参数是内聚力和内摩擦角，以下主要探讨这两个参数，通过固定一个强度参数，只改变另一个强度参数，分析强度参数的变化对边坡安全系数的和滑面位置的影响。通过FLAC3D的强度折减法可获得安全系数FS和滑面形态，其结果和经典条分法具有较好的一致性。

模型几何尺寸：坡体高度为20m，坡角45°，边界条件为下部固定，左右两侧水平约束，上部为自由边界，采用Mohr-Coulomb准则，初始应力场按自重应力场考虑。

内聚力依次为：0、5、10、20、40、60和 80 kPa，φ=30°；

内摩擦角依次为 ：0°、5°、10°、20°、30°、40°和 50°，c=10kPa。

2.2 敏感性分析结果

（1）内聚力对滑面形态的影响。

由图1和图2（a）可见，随着内聚力c的增大，安全系数随之增加，由浅层滑动向深层滑动转变，潜在滑动体的体积也增大。

（2）内摩擦角对滑面形态的影响。

由图3和图2（b）可见，随着内摩擦角φ的增大，安全系数随之增加，但由深层滑动向浅层滑动转变，滑动体的体积随之减少。摩擦角越大，滑面越浅。

综上所述，强度参数的取值直接影响滑面形态和安全系数，进而影响工程处理措施的选择，所以在工程实践中，选择和弃渣体固结变形相吻合的设计参数显得尤为重要。

3 工程实例分析

随机选取4个抽蓄工程渣场设计专题，其强度参数见表1和图4，可见不同项目的强度参数差别较明显，这一现象值得进一步研究。此外，考虑到弃渣体多为土石混合体，经历一定的固结后，完全忽略内聚力也得商榷。

图1 内聚力对滑面形态的影响（a）c=0，FS=0.66 ；（b）c=5kPa，FS=1.03（c）c=20kPa，FS=1.69 ；（d）c=60kPa，FS=3.06Fig．1 Sliding planes according to different c

图2 强度参数和FS关系曲线（a）c—FS；（b）φ—FSFig．2 The relation between mechanical parameters and FS

选用乙、丁两个项目的强度参数值，假定渣体堆积坡度均为30°，采用通用商业软件-理正岩土中的瑞典条分法，不考虑地下水，图5和图6为程序搜索出的滑面，可见滑面形态差别较大，这将影响工程防护方案。虽然地域有差别，但弃渣体多为土石混合体，参数和滑面差异如此明显，同样值得进一步研究。

表1 渣场强度设计参数一览表Tab.1 List of c and φ according to different projects

图3 摩擦角对滑面形态的影响（a）φ=0°，FS=0.26 ；（b）φ=10°，FS=0.66（c）φ=20°，FS=0.97 ；（d）φ=40°，FS=1.64Fig．3 Sliding planes according to different φ

图4 c和φ散点图Fig．4 Scatter graphs of c and φ

图5 乙项目滑面形态Fig．5 Sliding planes of project B

图6 丁项目滑面形态Fig．6 Sliding planes of project D

4 结论和建议

（1）加强行业之间的交流和资料共享，如设计单位之间的技术交流。

（2）规模和影响较大的渣场，除了查阅相关手册和工程类比之外，尽可能采用试验等手段，获得渣体物理力学参数。结合实践经验、现场调查和地质宏观判断等，综合判定和取舍。

（3）除了关注内摩擦角、内聚力，还应关注弃渣体的变形参数。现有规范和计算方法，均未考虑岩土体的变形参数，而弃渣体在重力作用下差异固结变形，往往在后缘形成拉张裂缝，成为地下水运行和储存的通道，进而降低弃渣体的稳定性。

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