基于Geo- Studio 的降雨条件下隧道弃渣场边坡稳定性分析

许贵生

（通辽市交通工程局，内蒙古 通辽028006）

弃渣场具有强度低、非确定性大等特点，特别是山区隧道弃渣场，多布设在天然的沟道内，大量的降雨和汇水冲刷入渗弃渣坡体，更易出现滑坡灾害，因此对暴雨入渗时的隧道弃渣稳定性进行研究具有重要意义。

以往对降雨入渗等条件时的边坡稳定性研究中，银晓鹏[1]分析了降雨入渗条件下甘肃地区土坡的稳定性，认为该区域坡度对边坡稳定性的影响比降雨更大。潘思渝[2]对土质边坡渗流场进行分析发现，降雨引起土坡安全系数降低，且和降雨时间及强度相关。王保林[3]则认为降雨入渗条件对多层顺层软弱夹层土坡的稳定问题具有牵引性和突变性。马吉倩等[4]通过有限元法分析了东南沿海土质边坡在降雨条件时的渗流特征。胡庆国等[5]专门针对不同降雨类型，分别研究了相同降雨量时的渗流特征和边坡稳定性，为降雨滑坡提供了参考。唐岩岩等[6]采用ABAQUS 模拟渗流作用下的岩质边坡稳定性会降低，通过可靠度对比分析，验证了其结论。目前专门针对隧道弃渣场在降雨入渗条件下的边坡稳定性研究较少，刘建伟[7]针对弃渣场边坡的细沟侵蚀问题，研究了弃渣土的内摩擦角和粘滞系数与其稳定性的相关性，认为饱和导水率和细粒物质含量对弃渣边坡稳定性影响最大。田永铸[8]对中南某黄土隧道弃渣场进行了稳定性评价，结合室内外试验分析，为此类弃渣场防治提供了参考。柏淼[9]对隧道口渣场进行了MIDAS-NX 模拟，评价其边坡治理效果。吴谦等[10]借助Monte Carlo 算法对降雨入渗条件的隧道弃渣场稳定性可靠度进行了研究，得出暴雨条件下该弃渣场边坡局部处于非稳定状态的概率为16. 8%。王光辉[11]针对铁路沿线隧道弃渣场,通过试验和模拟研究弃渣场的工程地质条件特征等情况,分析了该弃渣场在降雨条件下的边坡稳定性。毛雪松等[12]研究了新堆积弃渣场的渗流稳定性，通过Geo-studio 软件模拟计算，得到孔隙水压和稳定性系数随降雨入渗条件得变化规律。

本文针对某项目隧道弃渣场，以室内外试验和有关资料为基础，使用Geo-Studio 软件来分析其渗流场，该软件将极限平衡理和有限元法相结合进行数值模拟，最后得出该弃渣场边坡的稳定性，为工程实际提供参考。

1 工程概况

1.1 弃渣场简介

该隧道弃渣场位于内蒙古自治区乌兰察布市，弃渣于2011～2013 年由自然密实方式堆积，形成隧道路基弃渣场。弃渣方量60 万m3，堆渣面积124 亩，形成了长约290m，高约15m 的人工边坡。弃渣场区域地形图如图1 所示。

图1 弃渣场区域地形图

1.2 工程地质条件

弃渣边坡主要由开挖隧道而排出的松散土体、碎石等物质组成。该弃渣场区为丘间洼地，地形切割较强烈，弃渣场区域地层为单斜构造，节理裂隙发育。岩层产状为320°∠40°。地震基本烈度为Ⅵ度。弃渣场区出露的地层有第四系上更新统坡残积层（Q3dl+el）、石炭系下统岩关阶邵东段（C1y1）、泥盆系上统锡矿山组上段（D3x3）。根据该区域地质资料可知，弃渣场所在区域地质围岩节理发育，并存在岩溶不利地质现象。同时，地质资料表明该弃渣场区域存在断层破碎带。其岩土施工工程分级如表1所示。

1.3 水文气象条件

乌兰察布市属典型的干旱半干旱大陆性温带气候区，四季分明，冬季严寒漫长而少雪，春季干旱多风沙，夏季短促炎热，秋季气温剧降。全年平均气温6.3-6.4℃。全市年平均降水281.2-353.1mm，降雨多集中在7、8 两个月，且多暴雨。该弃渣场地下水为第四系孔隙潜水、基岩裂隙水，地下水主要受大气降水及地表水入渗补给，地下水的排泄途径主要是蒸发和径流。各月平均降水量和累年各月最大日降水量分布如图2 所示，从降雨量可知该弃渣场区域雨季集中，7、8 月降雨量较大。

表1 弃渣场区岩土工程分级及基本承载力

表2 弃渣场弃渣天然含水率、堆积密度及坡角

表3 弃渣的最优含水量和最大干密度

表4 弃渣强度参数取值

图2 1981 年-2015 年月平均降水量

2 弃渣场稳定性影响因素分析

2.1 弃渣场边坡滑坡的类型

从产生滑坡位置及其机理分析，可将弃渣场划分为弃渣内部滑坡、沿基底接触面滑坡和软弱地基底鼓滑坡。弃渣内部滑坡主要取决于弃渣堆积体自身性质，而后两种滑坡与弃渣场下伏地基的岩性及产状有很大关系。

2.1.1 弃渣内部滑坡

弃渣场的地基岩层良好，因为弃渣材料的自身力学性质不足，或排土工艺问题，或者降雨和外界的荷载作用等情况下产生的弃渣场边坡失稳滑坡。

2.1.2 沿基底接触面滑坡

弃渣沿着原有斜坡基岩表面发生滑动，此种滑坡因为原始斜坡坡度过大、表层水侵入、地下水入渗等，造成弃渣自身抗剪强度超过了接触面强度，导致弃渣滑坡。

2.1.3 软弱地基底鼓滑坡

弃渣场基底若为软弱岩层而且力学性质低于弃渣场物料的力学性质时，基底在弃渣荷载作用下产生底鼓或滑动，导致此种弃渣场滑坡。

2.2 弃渣场边坡滑坡的影响因素

弃渣场较其他边坡有一定的特殊性，其稳定性受到场地地质条件、自身物理力学性质、排土工艺和外界条件等许多因素共同影响，主要影响因素有：

2.2.1 排土工艺和弃渣边坡高度

不同的排土工艺和高度对稳定性影响较大，排土工序、工艺、设备、物料压实度、弃渣高度等都应合理，避免产生潜在滑动面。尤其需要注重弃渣堆置顺序，在弃渣底部优先排弃结构良好的硬岩石块，起到垫层或透水层的作用。

2.2.2 弃渣场下伏基岩顶面的倾斜程度及其自身物理力学特性

弃渣场地形、地貌是决定弃渣场边坡稳定性的一个重要因素。弃渣场多位于地势陡峭位置，通常用自上而下排土，坡角由弃渣自然安息角决定，地势越陡，则弃渣场稳定性越差。另外地基接触面强度不足或其自身较软，都易产生滑坡。

2.2.3 地表水与地下水

弃渣场物料中的含水量高低、湿度、受水浸润程度、降雨及地表水量、地下水作用等都对其力学性质和稳定性有较大影响。水的作用主要表现在对弃渣的浸润作用和冲蚀携带作用逐步失稳产生滑坡。

2.2.4 弃渣的力学性质

弃渣场的物料一般是隧道、路堑开挖的风化岩石及亚粘土、黄土等，这些弃渣的性质是弃渣场稳定性的先决条件。弃渣物料的力学性质（粘结力和内摩擦角）与其块度组成、分布状况、岩石与土壤构成比例、湿度或含水量等有关，还与岩块的形状和表面粗糙度以及岩石遇水风化、水解等因素有关。

2.2.5 排水设施

过大雨量甚至暴雨是导致排土场滑坡的重要诱因。当暴雨且排水不及时情况下，雨水渗入弃渣内部，待其充水饱和，增大了荷载重量，同时降低内部潜在滑动面的摩擦力，因此诱发弃渣场滑坡。

3 弃渣场边坡稳定性分析

3.1 弃渣物理参数测定

在现场弃渣场边坡进行土样采集，以进行室内弃渣物理力学特性试验。取样点编号分别为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ。采用烘干法和环刀法测定土样物理参数，结果见表2。通过击实试验，测定土的干密度和含水量关系，确定最大干密度和相应最佳含水量，可获得弃渣场深部土体在一定荷载作用下压实后的密度。试验结果如表3，击实曲线如图3 所示。

图3 渣土击实曲线

通过颗粒组成分析得到该弃渣场土样的颗粒级配如图4，结果表明，该弃渣场土样为砾类土。经计算，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ号土样的不均匀系数Cu分别为：117.7、139.5、30.0；土曲率系数CC 分别为：4.9、0.9、2.9。

图4 弃渣颗分曲线

研究表明，对于粗粒土，其强度的来源是摩擦力而非粘聚力，对于无粘性松散堆积体，内摩擦角与天然休止角近似相等目前已基本达到普遍认可[13]。而且对质量和含水率近似的同类堆积体，休止角始终大于内摩擦角，且都大于滑动摩擦角,因此对于该砾类土弃渣的强度参数取值，粘聚力c 按0 kPa 考虑[14]，内摩擦角φ 按原位直剪试验测得，具体数值如表4 所示。

3.2 弃渣场边坡渗流场分析

选取的典型弃渣场剖面，结合实际地形以及弃渣填筑厚度与弃渣面坡度，在GeoStudio 中建立计算模型，如图5。在暴雨强度为4.65×10-5m/s，降雨历时3h，总历史96h 降雨条件下进行数值模拟计算。弃渣场边坡工况降雨前的如图6 所示，暴雨1 小时、3 小时的孔隙水压力分布如图7、8，雨后24h、48h、96h 后的孔隙水压力分布分别如图9～11 所示。

图5 弃渣场典型剖面计算模型

图6 考虑地下水稳态渗流（不考虑降雨）孔隙水压力分布

图7 暴雨1h 后孔隙水压力分布

图8 暴雨3h 后孔隙水压力分布

图9 暴雨结束后24h 孔隙水压力分布

图10 暴雨结束后48h 孔隙水压力分布

图11 暴雨结束后96h 孔隙水压力分布

比较图6 与图7 可以看出，暴雨初期雨水主要沿坡面流走，渗入坡内的量很少，湿润峰发展仅处于浅坡范围，结合图8 可知，3h 内雨水入渗深度尚浅，因此坡体内孔隙水压力变化不明显。图9～图11 显示，表层区域降雨强度大，而弃渣的渗透系数相比之下较小，表层入渗的孔隙水压力最大。而渗透能力与降雨强度相差无几时，弃渣表层就会变为暂饱和状态，随着湿润峰的前移，弃渣的孔压力进一步提高，渗水能力和渗水效率也随之提高，经过一段时间的发展后，弃渣上层的含水量又重新回归稳定。

结合瞬态渗流模型计算结果，选取x=100m 截面对暴雨条件下边坡的渗流场进行分析，结果如图12 所示。

图12 孔隙水压力随时间变化曲线

由图12 可知，t=0 至t=3h 的孔隙水压力曲线在最大高程处逐步向右变化，在3hr 时偏转幅度最大。这是因为暴雨持续过程中雨水快速从弃渣表层入渗，上层弃渣含水量的突增导致了其基质吸力骤减。而且曲线的偏移折点位置逐渐下移。暴雨后（t＞3h）的孔压曲线最大高程处从右往左回偏，这是因为，雨停后的表层水经下渗、汇流、蒸发等过程，坡体弃渣的含水量较降雨时下降所致，此时的基质吸力又较之前有所回升。由曲线变化还可看出各条曲线的拐点随时间升高而逐渐向坐标轴右下方偏移，拐点高程逐渐下降，这是由于弃渣表层水入渗到更深层，造成中下层弃渣含水量增大，吸力降低所致。这一曲线特征说明雨后中下部弃渣基质吸力的变化滞后于上表层弃渣。可以看出，暴雨对弃渣场的影响基本在浅表层，即60m～72m 的高程范围内。

3.3 弃渣场稳定性分析

由于弃渣与基岩的物理力学性质存在差异，弃渣与原地基刚度不一，在接触面存在界面效应，如若浸水，界面软化形成软弱层，当弃渣与原地基接触面之间的摩擦强度小于弃渣内部的抗剪强度时，可能沿原地面产生滑坡[12]，因此分析弃渣边坡稳定性时，应选两个不同滑动面计算其整体稳定性和局部稳定性。针对降雨前、降雨1～3h 和雨后1～4 天的不同工况，采用极限平衡法进行边坡稳定性计算，分别采用圆弧滑动法、考虑圆弧滑动面的Bishop 法，考虑任意形状滑动面的Janbu 法、Morgenstern-Price 法四种方法计算，得到该弃渣场边坡的稳定性系数，如图13、14 所示。

图13 弃渣局部稳定性系数

图14 弃渣整体稳定性系数

从图14、15 可知，暴雨1～3h 时，入渗对边坡稳定性的影响不显著。这是由于降雨时间短且入渗深度浅，湿润峰才到达浅层弃渣范围内，此时的大量降水沿弃渣场坡面流走，并未对弃渣坡体深处的孔隙水压力造成较大的影响。在停雨后48h 内，弃渣稳定性持续下降，这是因为破体汇集的雨水继续向深部入渗，这些部位的岩土孔隙水压力发生变化，含水率提高，导致其强度软化。降雨后4 天时弃渣边坡的稳定系数已经开始增加，坡体稳定性增强。总的来看，弃渣边坡得稳定性系数在降雨开始时下降，并在降雨结束的2 天内保持渗流并持续降低，稳定性系数总趋势为先减小再增大。综上所述，在正常和暴雨1～3h 工况下，计算所得的弃渣场边坡安全系数均大于规范所规定的边坡允许安全系数，综合考虑弃渣边坡强度、渗透特性及雨季该区降水特征等因素，可认为此弃渣场边坡稳定性较好，且具有一定的安全储备。

4 结论

通过室内外试验研究，对该隧道弃渣场的稳定性分析和计算，得到以下结论：

4.1 颗粒组成分析试验表明，该弃渣场土样为砾类土。原位直剪试验测得该砾类土弃渣的强度参数为粘聚力c=0 kPa，内摩擦角φ 均值为43.1°。

4.2 通过数值模拟分析了弃渣场边坡暴雨3h 时的渗流场，发现在降雨过后的一段时间内雨水还在缓慢的向边坡内部迁移。总的来看，降雨条件下该隧道弃渣场边坡的降雨影响深度在12m 左右的范围。

4.3 对弃渣场边坡的整体稳定性和局部稳定性进行验算，发现弃渣场边坡的安全系数在暴雨结束时并不是最低的，降雨过程的结束并不意味着渗流过程的结束，在雨后水分的入渗过程中，边坡安全系数呈先减小再增加的趋势，总的来看降雨对边坡的安全系数影响不大。

4.4 无论是整体还是局部，在正常和降雨条件下的安全系数均大于规范要求，弃渣场处于稳定状态，稳定性较好且具有一定安全储备。