某堆渣场地稳定性分析及治理措施研究

2021-03-26王小波杨玉川张永清

水电站设计 2021年1期

王小波，杨玉川，张永清

(中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，四川成都 610072)

0 前言

在西南高山峡谷地区水电工程的修建过程中，由于施工设施的布置往往需要大量的场地，而由于天然平地较少，往往需要堆渣来制造场地。水电工程的建设周期往往维持数年，有些人工堆筑的施工场地在长期使用过程中会出现变形破坏的情况。为了避免堆渣场地出现滑坡灾害，造成较大的经济损失及人员伤亡，设计人员必须合理评价堆渣场地的稳定性并进行有针对性的治理。

目前，国内外学者对边坡稳定性评价及治理措施进行了大量的研究，并取得了许多成果[1-3]。在研究过程中，许多学者将工程地质学、土力学及岩土力学应用于边坡稳定研究中，在边坡稳定研究的理论、方法和综合治理技术方面取得了许多成就[4-6]。杜九博等[7]通过建立三维边坡开挖模型，采用基于强度折减法的三维有限元软件对西藏某水利工程边坡进行了稳定性分析；杨玉川等[8]基于传压原理，利用极限平衡方法分析了喷锚支护边坡的稳定性；王孝哲和刘林林[9]应用强度折减法，分析了倾斜微型桩群加固堆积层边坡，研究了桩倾角与支护效果间规律等。工程中常用的分析方法有：费伦纽斯(Fellenius)法、毕肖普(Bishop)法、泰勒(Taylor)法、简布(Janbu)法、摩根斯顿-普赖斯(Morgenstern-Price)法、剩余推力和楔形体法等[10-11]。

目前，由于对堆渣场地的加固治理研究相对还比较少，那么根据场地的变形情况进行参数的反演分析，并结合反演结果进行加固措施的研究对人工堆渣场地的安全均至关重要。本文利用西南山区某人工堆渣场地的加固治理研究过程，提出了一套场地边坡的稳定分析及加固治理方案，最后通过实际治理效果检验该研究思路的合理性。

1 堆渣场地概况

本文研究的堆渣场地位于某水电工程坝址右岸下游约2 km的冲沟内，冲沟底部为下游低线混凝土生产系统。该冲沟在公路施工阶段堆积大量施工弃渣，渣体采取防护措施后形成约4 000 m2平台，曾作为施工场地利用，部分区域通过少量开挖和渣料回填形成，修建有引水发电系统工程标前方指挥中心，具体位置如图1所示。

图1 场地平整示意

该场地长期受降雨及不均匀沉降影响后被发现，场地前缘下方浆砌石挡墙已出现一处竖向裂缝、多条水平裂缝，平台前缘地面出现多处裂缝；临边护坡出现多处浆砌石起翘、开裂情况，如图2所示。

图2 场地治理前的变形破坏情况

该场地变形较大，且变形在每年汛期均有缓慢增长，同时土工格栅下方浆砌石挡墙出现沉降、裂缝、起翘等情况，问题较突出。建设单位要求根据该场地原平整设计情况及近年来场地变形情况，综合评估该场地作为电厂永久场地的稳定性，并依据该场地稳定性评价结果提出永久的治理方案。

2 场地稳定评价基础资料

2.1 工程地质情况

勘探揭示，场地覆盖层分为人工堆渣及原始覆盖层两层：人工堆渣主要位于场平部位，垂直深度3～12 m，组成物质主要为灰色(孤)块碎石土，结构松散，另平台外侧沟内存在少量人工挂渣；原始覆盖层垂直深度10～25 m，组成物质为冲洪积及坡积灰色～褐黄色块碎石土，结构相对较紧密。场地基岩岩性主要为粉砂质板岩，局部夹变质砂岩。勘探揭示岩体强卸荷，弱上风化垂直深度10～25 m；岩体弱卸荷，弱下风化垂直深度15～30 m。

2.2 计算模型

场地原平整加固方案中，场地前缘采用“衡重式浆砌石挡墙+土工格栅加筋土边坡”的形式。衡重式浆砌石挡墙高度小于6 m，土工格栅加筋土边坡高度在20 m以内，断面形式为“土工格栅加筋土边坡(1:0.1)+底部衡重式挡墙”。自坡顶往下每10 m设2 m宽马道，场地顶面以下5.0 m范围内压实系数不小于0.90；5.0 m范围以外区域压实系数不小于0.85；场地后缘开挖边坡坡比为1:0.75，浆砌石护坡，厚度50 cm，坡脚及场地周边设置排水沟，其平面布置及典型剖面如图3所示。

图3 场地的平面布置及典型剖面

2.3 计算参数

该场地岩体物理力学参数采用坝区相关参数，覆盖层参数结合物质组成及其成因，通过工程类比后确定堆渣场地边坡计算参数(见表1)。

表1 堆渣场地计算参数取值

3 场地边坡稳定性分析

3.1 计算方法

本次计算采用刚体极限平衡原理对场地堆渣体边坡进行稳定性定量评价。分析采用Rocsience公司的Slide程序，该程序是岩土分析软件中一个计算边坡稳定性的软件。其原理采用刚体极限平衡法，包含简化Bishop法、Janbu修正法、Spencer法、M-P法等，目前在全国大型水电工程中得到了广泛运用。本次边坡稳定计算分析采用圆弧滑动面的简化Bishop法和Morgenstern-Price法。

3.2 计算工况

根据相关规定并结合工程的实际情况，且由于场地地下水埋藏较深，计算范围内未见连续地下水出露，因此未考虑连续地下水的作用，本次计算选择了其中三种工况进行稳定性计算分析。

(1)持久工况——自重。考虑岩土体天然自重，荷载组合为自重。

(2)短暂工况——“自重+暴雨”作用。在持久工况的基础上，考虑暴雨下渗，荷载组合为“自重+暴雨”。暴雨工况在软件Slide中采用Ru系数，考虑孔压的简单方法，孔压大小定义为条带竖直方向地应力的比例，根据相关工程实例，模拟暴雨工况并取值0.08。

(3)偶然工况——“自重+地震”作用。在持久工况的基础上考虑地震荷载，荷载组合为“自重+地震”作用。地震荷载计算时不考虑其沿高程放大，不考虑竖向地震作用，采用拟静力法，考虑0.25效应折减系数。

3.3 场地治理前稳定性计算

本场地原加固方案采用土工格栅TGDG200，其材料拉伸强度为200.0 kN/m。由边坡治理范围可知，需要复核天然状况下剖面(1-1、2-2、3-3、4-4、5-5)的稳定性，如图3(a)。本次场地边坡稳定复核计算中材料的物理力学参数采用地质建议参数(见表1)，计算结果如图4所示。

图4 场地的典型剖面边坡稳定计算成果(治理前)

由图4可知，1-1剖面、4-4剖面和5-5剖面的最小滑动面绝大部分位于覆盖层上，其稳定性受覆盖层力学参数控制；而2-2剖面和3-3剖面的最小滑动面绝大部分位于人工堆渣上，其稳定性受人工堆渣力学参数控制。而根据计算结果可知，采用类比参数计算的边坡安全系数偏小，滑裂面基本位于人工堆渣及覆盖层上，除1-1剖面和4-4剖面边坡安全系数Fs稍大于1以外，其他三个剖面边坡最小安全系数均小于1，未达到边坡稳定安全系数要求的最小值1.05。

另外，根据现场实际及监测数据可知，该场地作为临时场地已经安全使用多年，虽然浆砌石挡墙出现裂缝、沉降、变形等问题(变形的主要原因为雨季受降水影响，挡墙基础承载力不足和挡墙砂浆充填不饱满所导致)，但该场地边坡并未出现大的滑动变形问题，整体仍处于稳定状态。由此可知，类比确定的人工填渣及覆盖层物理参数偏小，若以此作为边坡治理计算参数不合理。另外，由于场地D-A堆渣体不同剖面的稳定分别受覆盖层及人工渣体参数控制，因此需要根据边坡实际运行情况对人工堆渣及覆盖层取值进行参数反演，从而选择合理的物理力学参数。

3.4 力学参数反演

根据力学参数反演的相关规定以及该场地的设计资料，基于边坡稳定的现场实际情况，将上述各断面边坡稳定安全系数最小值控制在不低于1.05[12]。首先，基于地质提供的力学参数进行敏感性分析，由图4和表2可知，2-2剖面和3-3剖面的稳定性只需要将3-3剖面稳定系数控制在不低于1.05即可，而1-1剖面、4-4剖面和5-5剖面的稳定性只需要将5-5剖面稳定系数控制在不低于1.05即可。利用Slide软件的稳定性、敏感性分析模块，最终该场地的力学参数反演结果如表2所示。

表2 场地物理力学参数反演结果

为验证反演参数的合理性，采用表2中的材料参数对典型剖面边坡的稳定性进行重新复核，得到该场地堆渣体边坡各剖面的稳定安全系数(见表3)。

表3 场地典型剖面边坡稳定重新复核成果

考虑到该场地后期将作为永久场地，其边坡性质由临时边坡变为永久边坡，因此永久边坡的安全系数需要进一步提高。根据计算结果得知，该场地堆渣体边坡虽满足临时边坡稳定要求，但难以满足永久边坡稳定要求。因此，该场地需要采取相应措施进行加固处理，才能满足规范要求的永久边坡安全系数。

4 场地治理

4.1 锚索支护

根据场地堆渣体边坡现状及边坡稳定复核成果，结合相关工程边坡成功治理经验，采用单排锚索支护方案对堆渣体进行加固处理。由上述各典型断面边坡的最小滑弧位置可知，在边坡下部采用锚索支护对相应滑动面进行支护。另外，为了保证锚索入岩具有一定的锚固深度，基于各剖面覆盖层的不同深度，确定1-1剖面与4-4剖面之间的锚索长度为40 m，锚固段长度为10 m，而4-4剖面与5-5剖面之间的锚索长度为60 m，锚固段长度为20 m，所有剖面上均施加100 t的预应力锚索，锚索的间距为5 m。为了提高挡墙及边坡的稳定性，锚索直接打到墙身上面，计算施加单排锚索后的边坡加固效果。将锚索参数添加到相应计算模型中，计算三种工况下的边坡安全系数，计算结果见表4。