露天弃碴场边坡失稳破坏与防治策略研究——以白鹤山隧道弃碴场为例

王余鹏

（福建林业职业技术学院，福建 南平 353000）

露天弃碴场边坡稳定性关系到施工人员和设备的安全，以及工程是否能顺利进行，这一直是建筑技术人员重视的问题。影响弃碴场稳定性的因素较多且复杂，例如边坡位移、倾斜角、地震波、空隙水压、连续降水等，需要系统全面地研究分析各影响因素特点，来判定露天弃碴场失稳的时间、可能发生的区域位置及失稳破坏的规模。

目前，弃碴场稳定性的研究方法主要有LECFAHP极限平衡法、强度折减法、有限元滑移线场法、边坡强度形态优化折减法等［1，3-4，7］。但大多数是以单一的边坡稳定性数值模拟或是以工程实例模型试验仿真。目前研究虽然取得了一定成果，但考虑降雨和地震两项因素对弃碴场稳定性影响的相关研究较少。在极限平衡法、强度折减法等理论发展的同时，数值有限元模拟为解决弃碴场稳定性提供了一种近似解。夏冬等概述了白砺滩煤矿饱水砂质泥岩弱层长期强度计算与边坡稳定性的特点［8］，刘燕燕等描述了土质边坡失稳破坏的双安全系数稳定性分析方法［9］，黄润秋、张妙枝、龙哲、言志信等提出了无黏性土斜坡的倾倒变形特点［15，19，21-22］。除有限元数值模拟外，各种节理岩体强度及变形参数模型试验应用也比较广泛。张程远、刘杰、姜光成、於汝山等对边坡破坏的冲击荷载作用及地震波速度跨尺度转换进行量化和修正［10-13］；吴昊、赵华、李世俊、寇昊等采用离心模型试验模拟了边坡在地震条件下的反应以及反倾边坡倾倒变形演化过程［16-18，20］；王兰民、陈金昌、张泽林等以地震和降雨耦合作用下边坡为例进行滑坡加速度深度放大效应及震后变形模式研究，反演了边坡在地震和降雨耦合作用下的动力响应［23-25］。本文以暴雨或连续降雨+地震工况下的白鹤山隧道弃碴场为研究案例，利用MⅠDAS软件进行稳定性分析及数值模拟，分析多工况下边坡的等效应变、塑性应变、Y方向位移及主应力分布的发展趋势，判定边坡的稳定状态，为露天弃碴场边坡工程提供减灾与避灾的科学依据。

1 露天弃碴场稳定性影响因素

（1）岩土性质。岩土类型、矿物组成、岩土强度及结构是影响边坡裂隙场稳定的重要因素。致密坚硬、矿物质稳定、强度较高的岩土构成的边坡较为稳定。

（2）边坡结构。边坡受结构面影响导致岩体开裂，降低了岩体的整体完整性，使边坡沿着结构面组合边界的边缘产生剪切位移、裂缝、畸形等而造成边坡的崩塌、滑坡、泥石流等灾害。

（3）水文地质条件。暴雨或连续降雨增加了坡体结构面下滑位移；同时暴雨对边坡形成面状、沟状的侵蚀，使边坡失去原有侧向及底部的支撑，并使软夹层和结构水平面抗剪强度降低，导致缝隙水压增大，从而减小滑动面上的有效荷载，造成边坡的失稳。

（4）地震作用。地震作用导致边坡崩塌，主要是产生水平方向附加力的加速度，当地震水平方向的附加力超限时，将导致结构面抗滑力降低，结构层之间的下滑力增大，继而造成边坡失稳。

2 工程案例

2.1 工程概况

九江—景德镇—衢州铁路起自九江站，经铜九铁路从湖口站引出，在景德镇市与皖赣铁路交叉，再向东经婺源县并与合福客运专线交叉，继续向东经德兴市，进入浙江开化县、常山县，止于衢州市，长343 km，共设15 个车站。白鹤山三号隧道出口、丙龙山隧道弃碴场位于浙江省开化县杨林镇中庄自然村北侧。白鹤山隧道弃碴场为白鹤山三号隧道出口和丙龙山隧道共用的弃碴场。原设计的弃碴场位于线路DK227+200右侧40 m左右的山谷内，后堆放场地改做新杭新景高速公路，弃碴场向西北侧偏移，形成近东西向排列的弃碴场，如图1所示。

图1 弃碴场卫星影像

2.2 工程地质条件

（1）气象。属北亚热带季风气候，阴湿寡照，雨量集中在春夏季。根据1958年以来的降水量统计，平均年降水量1 805 mm，一年中降水集中期是4—6 月的梅汛期，根据短历时暴雨图册，工程区最大降水量为 45 mm·h-1。

（2）水文。工程区位于山体斜坡中下部，地表水体不发育。在中庄自然村有一条溪沟。沟宽7～9 m，水深0.3～0.5 m，沟底冲刷较强烈。水量随季节变化明显，一般雨季、洪水期水量较大，旱季水量小，水流常年不息。

（3）弃碴场地形地貌。工程区位于浙江省开化县杨林镇中庄自然村境内，属于浙西低山丘陵，最高点为白鹤山山顶，高程约为364 m，最低点在南部沟溪内，高程约为115 m，当地侵蚀基准面标高107 m。弃碴场库区主要位于山体斜坡中下部，地面高程范围140～180 m（红线范围内），地形坡度8～25°，地形坡度较平缓。工程区汇水面积约86 000 m2。

2.3 周边环境

白鹤山隧道弃碴场位于沟谷边，弃碴场侧缘距离杭新景高速公路路肩43 m，距离东南侧上庄村313 m。

（1）弃碴场岩土参数。现场实测丙龙山隧道进口弃碴场总占地面积12 000 m2，堆方厚度5～19.65 m，总土方量 11.77 万 m3。现场勘查后，共布设5 条剖面，线距25 m，线长300 m。碴体均为碎石块，一般块径5～8 cm，大块径30～50 cm。

（2）防排水及绿化措施。目前，弃碴场表面多已自然复绿，绿化效果较差。弃碴场边缘设置有排水沟，并进行了水泥硬化。另外，碴体顶部平台东北侧分布一南北走向排水沟与坡顶平台相连，排水沟长约25 m，宽约55 cm，深约70 cm。弃碴场表面与平台间未设置截水沟。

（3）支挡及防护措施。弃碴场坡脚挡墙位于南侧沟口附近，地形坡度5～10°，地面高程约150 m。挡墙为浆砌块石重力式挡墙，高约3.8 m，顶宽约2.5 m，平面上呈条带状，搜集资料显示挡墙以中等风化砂岩作为持力层，墙体设置有泄水孔，呈梅花形分布。调查未发现挡墙有明显变形迹象，现状基本稳定。

（4）弃碴场级别。参照文献［6］，弃碴场级别根据堆碴量、最大高度及弃碴场失稳后损失或危害程度确定，如表1所示。

本工程属附属工程，弃碴场堆碴量28.137 万m3，最大堆碴高度18.5 m。但是弃碴场侧缘距离杭新景高速公路隔离栅栏最近处仅5 m，坡脚距离上庄村313 m。弃碴体一旦失稳，可能对杭新景高速公路和周围村庄产生严重危害，因此，综合判定弃碴场的级别为1级。

3 数值分析软件的边坡稳定性计算原理

采用比值定义法计算边坡中结构面上的抗滑能力与滑动能力的比值，如式（1）所示：

表1 弃碴场级别

式中，R为坡体结构面上的抗滑力，S为坡体结构面上的滑动力。

采用应力水平法计算坡体结构面剪切应力的稳定系数，当坡体结构面某点的有效主应力差为以此点作有效主应力差的莫尔圆，并保持圆心位置不变，作与之相切的直径为的破坏应力圆，则整个坡体结构面的稳定系数如式（2）所示：

采用剪应力法计算坡体结构面的稳定系数，如式（3）所示：

采用应力水平加权强度法计算坡体结构面的稳定系数，如式（4）所示：

4 弃碴场边坡稳定三维数值分析

4.1 计算方法

弃碴场边坡稳定性分析的方法有多种，本文对弃碴场边坡稳定性评价采用MⅠDAS软件进行数值分析计算。参照文献［5］，弃碴场安全系数验算按照表2中的4 种工况进行。

（1）工况Ⅰ

正常工况时，仅考虑自重及正常地下水位。在进行弃碴场稳定性分析时首先需要解决研究对象问题，根据陈祖煜［26］的研究，当将浸水土体作为研究对象时，水和土骨架之间的力是系统内力，包括浮力以及渗透力，在计算过程中都不用考虑，土体的水上部位取天然容重，水下部位取饱和容重，滑动体边界还要受到坡外水的压力，对这部分力，又可通过处理方法，将坡外水位以下的土体重量减去同体积水的重量。

表2 安全系数

（2）工况Ⅱ

考虑到当暴雨或连续降雨强度大于地表面吸纳降雨的能力时，地表面的边界处于饱和状态，因而采用MⅠDAS GTS中降雨分析的流量—水头转换功能（面流量＞渗流系数时，总水头=位置水头），将暴雨或连续降雨工况的流量边界（降雨吸纳边界）自动转换为水位条件。其降雨面流量＞渗流系数的边界强度设置为211.7 mm·d-1（根据开化县气象资料，当地100 年一遇的降雨强度为211.7 mm·d-1），持续时间为1天。

（3）工况Ⅲ

弃碴场受到地震惯性作用后，弃碴场边坡整体下滑力加大从而导致弃碴场失稳。如表2所示，判定本工况下弃碴场安全等级为一级，进而将地震计算烈度提高一度，水平地震系数按照地震烈度Ⅵ度取值。数值分析中采用美国圣费尔南多（San Fernando）的地震波作为输入波，其输入波数值见图2，水平峰值加速度取值0.3g，竖向峰值加速度为水平方向的2/3倍，计算时长取10 s，动力计算的时间步长取0.01 s。

图2 San Fernando输入波加速度时程曲线

（4）工况Ⅳ

参照文献［2］，暴雨工况对应的降雨强度对1、2级弃碴场不应小于50 年一遇，对3、4、5级弃碴场不应小于20 年一遇，分析此时弃碴场能否维持自稳，采用MⅠDAS GTS瞬态水位下土体容重、黏聚力、内摩擦角等指标的有效值，并结合位于地震Ⅵ度烈度区的浙江省开化县地质调查数据进行数值分析。

4.2 计算模型与参数

为了减少边界取值对MⅠDAS计算精度的影响，选择露天弃碴场坡脚左侧边界距离为斜面高度的1.5 倍，坡面顶点至右侧的距离为斜面高度的2.5倍。网格划分单元为六面体实体单元，露天弃碴场的底部设置全约束，将边坡的四周边界设置为方向约束［3］，如图 3所示。

图3 弃碴场有限元模型

4.2.1 计算参数

边坡的碴体局部地段目前已被压实，碴体顶部为压实平整的场地，碴体已堆放时间较长，根据当地工程勘察经验，结合同类型弃碴场情况的MⅠDAS数值分析，各参数见表3。

4.2.2 数值结果分析

通过MⅠDAS GTS分析弃碴场的主应力分布（第一、第三主应力）、等效应变、塑性应变、Y方向位移等数值，如图4所示。

表3 弃碴场稳定性计算参数

图4 4种工况下数值结果对比

4.3 计算结果分析

依据文献［5］要求，结合边坡设计工程经验，本边坡评估计算的工况及稳定性安全系数如表5所示。综合考虑地层条件和边坡地形，在地层条件较差、地形上存在较大变异之处，拟定最底层的跛脚区域作为典型剖面，如图3所示，计算得到弃碴场安全系数，如表5所示。

表5 弃碴场安全系数

（1）正常工况

正常工况下，潜在破坏区域主要集中在弃碴场南部坡度较陡的位置，可能出现的破坏模式是南部较陡边坡顶部崩塌、底部剪出。

（2）暴雨或连续降雨工况

暴雨或连续降雨工况下，边坡上部的土体在暴雨作用下逐渐发生水平位移，随着降雨量的增大位移逐渐增大，但位移量未达到破坏状态；其潜在破坏区域主要集中在弃碴场南部坡度较陡处，可能出现的破坏模式是南部较陡边坡顶部崩塌、底部剪出。通过数值分析可知，暴雨或连续降雨作用工况下的边坡整体安全系数为1.712 5，安全储备充足，边坡处于稳定安全状态。

（3）地震工况

在地震工况下，随地震时间增加，弃碴场南部较陡位置的水平及Y方向位移变化增大。由于弃碴属于散体结构，且弃碴场底部更是坐落在素填土层，如果弃碴场的坡面和坡底同时受到剪应力和拉应力作用，南部较陡位置底部的一级边坡必将出现较大的裂缝。如表6所示，其Y方向最大位移8.579 cm。另外根据分析（表5），该工况的边坡整体安全系数为1.120 3，仅比规范1.10的安全系数高出0.020 3，目前处于稳定安全状态，但需加强监测。

表6 地震作用下弃碴场Y方向最大位移

（4）暴雨或连续降雨+地震工况

在暴雨或连续降雨+地震的作用下，弃碴场水平位移随着地震时间增加在迅速扩大，尤其是弃碴场的素填土层。在地震及暴雨作用前，边坡无塑性区，随地震作用，塑性区沿弃碴场素填土底面逐渐形成贯通区；当输入San Fernando的地震波3 s后，弃碴场塑性贯通区形成；在10 s时，弃碴场一级边坡的Y方向最大位移为19.240 cm，如表6所示，即边坡出现开裂变形。由数值模拟结果推断，在地震发生10 s后，弃碴场素填土全部为塑性区，此时安全系数为1.055 2。虽然满足规范1.05的安全系数，但弃碴场局部坡顶位置的沉降及坡脚位置的塑性应变变形较大。为消除此种条件下边坡失稳坍塌的隐患，需提前在弃碴场边缘外设置截水沟，截流坡面汇水，消除坡面积水现象，并对顶部平台进行覆土绿化，种植绿化树进行固土，确保弃碴场的稳定性。

5 结论

（1）根据文献［6］，白鹤山隧道弃碴场级别为1级。正常工况下，弃碴场稳定性系数为2.110 9，大于规范要求的最小安全系数1.45，稳定性达到稳定级别，判定为稳定性良好。同时弃碴场在暴雨或连续降雨作用工况、地震作用工况下可以满足文献［5］的安全系数控制要求。

（2）通过弃碴场支护使用情况建立了空间3D模型，充分考虑复杂水文地质的空间影响，计算了正常工况、暴雨或连续降雨工况、地震工况及暴雨或连续降雨+地震工况对弃碴场的作用。模型分析表明，暴雨或连续降雨+地震的工况对弃碴场稳定性评价影响明显。尤其是南部较陡位置底部的一级边坡出现19.240 cm的Y方向位移。该工况下边坡整体安全系数为1.055 2，仅比规范1.05的安全系数高出0.005 2，需对南部较陡位置采取加固措施。

（3）暴雨或者地震等综合因素致使弃碴场的坡顶沉降及坡脚的塑性变形较大，为防止弃碴场失稳，采用“排水工程+挂网喷锚+抗滑桩”的策略。一方面，可在弃碴场最上级边坡铺筑干砌片石进行坡面雨水的排引，防止雨水入渗，由此防止坡顶位置沉降扩大，保证最上级边坡的坡面稳定。另一方面，弃碴场坡体没有任何支护措施，容易产生蠕滑错动，建议对弃碴场强夯补强后进行挂网喷锚，并适当加入锚杆锚索。同时为降低坡脚位置的坡体推力，建议在最下级边坡坡脚设置一排抗滑桩进行防护，并加强地下水位和裂缝监测工作。