基于Geo Studio弃土场稳定性评估

郑鹤丹，陈 强，王 超，周志鸿

(1.西南交通大学地球科学与环境工程学院，四川成都 610031；2.中铁第四勘察设计院集团有限公司，湖北武汉 430063)

1 弃土场概况

弃土场位于广东省阳江市阳东区大沟镇许村，深茂铁路DK259+420右侧路堑边坡外30 m，弃土场长轴方向与线路近似平行。弃土场为1～2级边坡，其中东北侧边坡设计为二级边坡，一级边坡坡度为37 °，坡高7.5 m，平台宽4～4.5 m；二级边坡坡度为30 °，坡高4.5 m。该弃土场占地面积0.972 3 km2，弃土方量为10×104m3，最大堆土高度约为16 m。

2 弃土场工程地质条件

2.1 地形地貌

弃土场所在地区为丘陵地貌和丘间谷地，丘坡地形起伏较大，自然坡角5～25 °相对高差10～30 m。地表植被较发育，多为灌木、桉树、荔枝树，谷地地势较平缓，多为菜地及水田。弃土体堆积于丘陵鞍部位置，确定弃土场为坡谷型弃土场，弃土顶部平缓，边坡高度较高。

2.2 区域地层岩性

利用弃土场现场钻孔资料，评估区域分布的地层主要为人工填土(Q4ml)、第四系坡残积(Q4el+dl)粉质黏土、燕山期(γ52)花岗岩。人工填土(Q4ml)：黄褐色，稍湿，欠压实，由粉质黏土夹碎石组成，局部夹少量块石，层厚0～15.7 m。第四系坡残积(Q4el+dl)粉质黏土：褐红色，硬塑，以粉粒为主，层厚约4.70 m。燕山期(γ52)全风化花岗岩：褐红色-褐黄色-褐灰色，层厚约10.10 m。燕山期(γ52)强风化花岗岩：褐红色-褐灰色，裂隙发育，岩芯破碎，岩芯多呈碎块状，少呈块状。

2.3 水文地质

该弃土场所在区域内谷地地表水发育，多为沟谷水、水田水、水塘水；谷地地下水较发育，主要为孔隙水，富存于第四系地层和基岩全风化层中，地下水水位埋深0.4～2.1 m，接受大气降雨补给。丘坡地表水不发育；地下水弱发育，主要为孔隙潜水。

3 弃土体现状及物理力学参数

3.1 弃土体现状

据了解，弃土场弃土来源于区间路基、路堑边坡开挖，主要成分为粉质黏土夹碎石，局部夹少量块石，粒径在1～20 cm不等，密实度为欠密实。根据现场调查，弃土体未被村民利用。

3.2 物理力学参数

岩土体物理力学参数主要包括弃土、基底土层及岩土体的重度、抗剪强度、含水量、渗透系数等。在对弃土场调查、钻探的基础上，结合邻近铁路工程的勘察资料，通过文献[1-3]和参数反演法综合考虑确定稳定性计算参数。岩土体物理力学参数见表1。

4 边坡稳定性分析

4.1 边坡分级

弃土场的稳定性控制标准应根据弃土场失稳可能造成破坏后果(危及人的生命、造成经济损失、产生社会不良影响)的严重性、边坡类型和坡高等进行安全等级划分。根据GB 51018-2014《水土保持工程设计规范》[4]，弃土场抗滑移稳定安全系数不应小于表2规定的数值。

根据GB 51018-2014《水土保持工程设计规范》[4]弃土(渣)场级别应根据堆土(渣)量、堆土(渣)最大高度以及弃土(渣)场失事后对主体工程或环境造成危害程度确定，该弃土方量为9.73×104m3，最大堆土高度为15.70 m。弃土场北侧约30 m为深茂铁路干线，弃土场南侧为施工便道及涵洞，涵洞洞口距离弃土场约35 m。弃土场堆土可能会对铁路路堑边坡稳定性造成影响。根据以上情况，综合判定弃土场的级别为三级。正常工况时弃土场稳定安全系数为1.25，非正常工况稳定安全系数为1.10。

表1 弃土场及基底地层物理力学指标

表2 弃土场抗滑稳定安全系数

4.2 计算原理

稳定性分析采用极限平衡法，因已有不少学者应用极限平衡法分析潜在滑面已经取得较好的效果[5]。基于极限平衡法的边坡稳定分析是最早应用并直至目前仍然比较普遍使用的一种定量方法，这种方法经过长期的工程实践证明是一种有效的工程实用的方法[6]。首先假设滑面，确定极限抗滑能力，进而求得安全系数。安全系数最小值所对应的破坏面为最危险滑面。

在大多数情况下，极限平衡法求解边坡稳定问题是不定的，常会引入假设。目前，常用的方法有：Fellenius法，简化Bishop法，Sarma法，Janbu法，Morgenstern-Price法，Spencer法和传递系数法等。由于Morgenstern-Price法[7]可计算任意形状滑面，垂直条分，适用于土质和岩质边坡。故本次评估分析利用Geo Stodio软件[8]采用Morgenstern-Price法进行弃土场稳定性评估分析，

4.3 计算工况

根据GB 18306-2015《中国地震动参数区划图》[9]及GB 51018-2014《水土保持工程设计规范》[4]，本弃土场所处位于Ⅶ地震度烈度区，需考虑地震对弃土场稳定性的影响。故选取以下工况进行弃土场的稳定性分析。

(1)正常工况(即天然工况)：分析弃土场边坡能否维持自稳，视弃土场勘查时所处的状态为现时状态，亦指弃土场内无水的情况，当弃土场堆土体堆土不均匀时，容易在弃土场内部发生滑坡的工况；采用天然状态下土体容重、黏聚力、内摩擦角值进行分析计算。

(2)非正常工况1(即暴雨工况)：弃土场的稳定性应能抵抗当地各类暴雨，考虑弃土场边坡处于暴雨或连续降雨条件，此时视堆土体全部处于饱水状态，在暴雨工况下对弃土体边坡进行稳定性计算。本工点分别采用连续24 h暴雨工况，计算弃土自重+暴雨下渗条件下边坡的稳定性情况。经气象资料显示，该区域百年一遇暴雨24 h降雨量为600 mm。根据地表径流系数经验值，弃土场地表径流系数为0～0.3，取用0.3，则降雨入渗比例为0.7。对暴雨量进行入渗折算，得到24h暴雨工况设计入渗雨量为420 mm，入渗强度为17.5 mm/h。

(3)非正常工况2(即地震工况)：考虑弃土场在正常工况下遭遇Ⅶ度以上(含Ⅶ度)地震。

4.4 边坡稳定性分析

采用极限平衡条分法理论，运用Geo-Studio软件的SLOPE/W模块和SEEP/W模块，使用摩根斯坦-普赖斯(Morgenstern-Price)法对弃土体的稳定现状进行计算分析。现将弃土体按照其堆积形态划分为两个剖面，弃土体长轴方向为A-A’剖面，短轴方向为B-B’剖面。

4.4.1 天然工况

极限平衡法稳定性分析需要试算多个滑面，以找出安全系数最低的滑面[10]。采用Geo-Studio的SLOPE/W模块搜索圆弧滑面，计算天然工况下弃土场各剖面的稳定性。天然工况下采用Morgenstern-Price法计算得到的弃土体边坡稳定性系数结果及所处状态如图1～图4所示。

图1 天然工况下弃土体边坡最危险滑弧计算(A-A’ 右侧)

图2 天然工况下弃土体边坡最危险滑弧计算(A-A’左侧)

图3 天然工况下弃土体边坡最危险滑弧计算(B-B’右侧)

图4 天然工况下弃土体边坡最危险滑弧计算(B-B’左侧)

从图1～图4中可以看出，该弃渣场最危险滑面位于弃渣体上部浅层区域。在正常工况下试算的得到的安全系数均大于GB 51018—2014《水土保持工程设计规范》[4]规定的弃渣场抗滑稳定系数，其稳定状态详见表3。

表3 天然工况弃土体边坡稳定结果

4.4.2 暴雨工况

采用Geo-Studio的SEEP/W模块，暴雨工况设计入渗雨量强度表选取降雨入渗强度，在弃土体边坡顶部及斜坡表面设置降雨边界条件，计算得到弃土场暴雨工况下的渗流场分布，进一步采用Geo-Studio中的SLOPE/W模块计算弃土场边坡稳定性，搜索各剖面的最危险滑动圆弧。暴雨工况下采用Morgenstern-Price法计算得到的弃土体边坡稳定性系数结果及所处状态如图5～图8所示。

图5 暴雨工况下弃土体边坡最危险滑弧计算(A-A’右侧)

图6 暴雨工况下弃土体边坡最危险滑弧计算(A-A’左侧)

图7 暴雨工况下弃土体边坡最危险滑弧计算(B-B’右侧)

图8 暴雨工况下弃土体边坡最危险滑弧计算(B-B’左侧)

从图5～图8中可以看出，弃渣场最危险滑面位于弃渣体上部浅层区域。在暴雨工况下算得到弃土体边坡稳定性系数结果及所处状态如表4所示，得到的安全系数均大于GB 51018-2014《水土保持工程设计规范》[4]规定的弃渣场抗滑稳定系数。

表4 暴雨工况弃土体边坡稳定性结果

4.4.3 地震工况

采用Geo-Studio的SLOPE/W模块搜索圆弧滑面，计算地震工况下弃土场各剖面的稳定性。暴雨工况下采用Morgenstern-Price法计算得到的弃土体边坡稳定性系数结果及所处状态如图9～图12所示。

图9 地震工况下弃土体边坡最危险滑弧计算(A-A’右侧)

图10 地震工况下弃土体边坡最危险滑弧计算(A-A’左侧)

图11 地震工况下弃土体边坡最危险滑弧计算(B-B’右侧)

图12 地震工况下弃土体边坡最危险滑弧计算(B-B’左侧)

从图9～图12中可以看出，弃渣场最危险滑面位于弃渣体上部浅层区域。在地震工况下算得到弃土体边坡稳定性系数结果及所处状态如表5所示，得到的安全系数均大于GB 51018-2014《水土保持工程设计规范》[4]规定的弃渣场抗滑稳定系数。

采用Geo Studio软件通过自动搜索法对弃渣场最危险滑面稳定性分析表明，该弃渣场最危险滑面位于弃渣体上部浅层区域。所选两剖面(A-A’，B-B’)在正常工况、非常工况(暴雨工况、地震工况)下的抗滑稳定性系数均大于GB 51018-2014《水土保持工程设计规范》[4]规定的弃渣场抗滑稳定系数，弃渣场在不同工况下均处于稳定状态。

表5 地震工况弃土体边坡稳定结果

5 结果分析及评价

(1)弃土体堆积于丘陵鞍部位置，确定弃土场为坡谷型弃土场，弃土顶部平缓，边坡高度较高。据调查了解，目前弃渣场边坡未发生过滑坡现象。

(2)采用Geo Studio软件对弃土场典型剖面进行在正常工况、非常工况(暴雨工况、地震工况)下弃土体边坡稳定性计算和最危险滑弧面搜索。计算结果表明该弃土场边坡稳定安全系数在天然工况下均大于1.858，非常工况下均大于1.389(暴雨工况下大于1.389，地震工况下大于1.421)。参照前文的稳定性控制标准，该弃土场边坡目前处于稳定状态，且在非常工况下发生滑移失稳的可能性较小。