弃渣场扩容条件下渣体边坡稳定性影响因素研究

2021-09-17刘志明

铁道建筑技术 2021年8期

刘志明

（中铁第四勘察设计院集团有限公司湖北武汉 430063）

1 引言

基础设施施工过程中常涉及大量的挖填方工程，产生较大的废弃渣土，由于受堆渣场地的限制，需要对既有弃渣场进行扩容堆填。以往的扩容堆渣常沿原有渣体坡面进行堆填，但此堆填方法形成的渣体边坡稳定性较差，极易发生垮塌，如深圳红坳弃土场滑坡灾难，造成极大人员、财产损失，社会影响恶劣［1］。由于弃渣体失稳垮塌往往会影响垮塌方向范围内敏感地区的安全［2］，所以相关部门也对弃渣场的场址选择和堆高高度进行技术规范要求［3］，弃渣场则须满足边坡安全稳定和水土流失防治原则［4］。

近年来针对弃渣场边坡安全性评估及稳定性分析已有一定的研究成果。刘浩等［5］利用方差分析和正交试验方法分析了内摩擦角、黏聚力、坡率、堆高、渣体重度和下伏倾角等六个因素对弃渣场敏感性影响。吴振君等［6］采用可靠度分析方法进行边坡稳定影响因素敏感性分析。Bai［7］通过研究认为降雨强度与边坡稳定性有很大关系。彭立等［8］对山区弃渣场选址进行分类，并对渣体边坡进行稳定性计算。徐有飞等［9］提出山区弃土场设计原则和思路。王明慧等［10］针对渝万铁路提出山区弃渣场设计、选址及建造的基本原则。Lei［11］研究降雨入渗细颗粒迁移对边坡稳定性的影响。刘建伟等［12］通过研究发现新形成的弃渣体坡面自上而下其内摩擦角逐渐增大。

上述研究主要从弃渣场力学参数、渣体坡度、场址选取、渗流特征等影响因素进行研究，但对于弃渣场扩容条件下其堆填方式、降雨情况以及地震条件对其稳定性影响分析研究鲜有报道。在现有的工程建设过程中受地形条件限制及建设用地紧张等问题，考虑在既有弃渣场的基础上进行弃渣场扩容堆填十分必要，对于弃渣场扩容过程中相关影响因素研究具有重要意义。

本文以既有渣场扩容堆填为研究对象，在现场调查和理论分析的基础上，采用Geo-Studio软件研究扩容堆填条件下渣体边坡稳定性的影响因素，得到最优堆填方案和控制因素，以期对类似工程提供借鉴。

2 弃渣场边坡工程概况

本弃渣场位于福建省龙岩市，场区地形狭长，坡面冲刷强烈，沟底出露地层以全风化及强风化粉砂岩为主，该区域地表水受大气降水影响，地下水以孔隙潜水为主。原有弃渣来源于邻近工程施工弃渣，以石质弃渣为主，弃渣方量为39万m3，最大堆填高度为83 m。因原渣场附近发生滑坡，需对滑坡体进行清载，清载方量为26.7万m3，受弃渣场地限制需在原弃渣体的基础上进行滑坡体的弃方堆填。

3 稳定性计算模型及参数选取

3.1 计算模型

弃渣场失稳通常分为两种，一种是弃渣体沿渣体与地层接触面发生整体滑移，另一种是由于渣体内部形成滑动面而造成渣体边坡局部失稳。

（1）对于沿基底滑动的整体稳定性本文采用传递系数法进行计算，求解公式：

式中：Ri＝Nitg φi＋ cili；Fs为稳定性系数；Ri为作用于第i块段的抗滑力（kN／m）；φi为第i块段滑带体的内摩擦角（°）；ci为第 i块段滑带体的黏聚力（kPa）；li为第 i块段滑动面长度（m）；Ti为作用于第i块滑动面上的滑动分力（kN／m）；Ψj为传递系数。

（2）对于沿边坡内部滑移失稳，本文采用Geo-Studio的SLOPE／W和SEEP／W模块考虑在渗流条件下搜索弃渣体内部圆弧滑面，建立弃渣场稳定性计算模型，见图1。

3.2 计算工况

本文计算在不同工况条件下不同扩容堆填方式弃渣场的稳定性，不同工况包括天然工况、非正常工况Ⅰ（降雨工况）和非正常工况Ⅱ（降雨、地震工况）。降雨强度按照本地区百年一遇极端暴雨值进行计算，见表1。在弃渣体边坡顶部及斜坡表面设置降雨边界条件，计算得到弃渣场暴雨工况下的渗流场分布；暴雨、地震工况则在设置降雨边界条件的前提下，施加水平地震荷载，水平地震作用修正系数取值0.25。

表1 弃渣场区域百年一遇雨量值

3.3 边界条件

降雨强度和表层土体渗透系数是制约雨水渗流的主要影响因素。当表层土体渗透系数大于降雨强度时，雨水渗流速率即为暴雨强度，边界条件表示为式（2）：

当表层土体渗透系数小于降雨强度时，雨水沿坡面部分流失，此时渗流速率为岩土体自身入渗能力，边界条件表示为式（3）：

3.4 岩土物理力学参数

原状弃渣体以块砾石为主，扩容弃渣体以土质为主，两阶段堆渣体力学指标存在一定差异。采用材料模型为Mohr-Coulomb模型，渣体物理力学参数通过参数反演法及地区经验值综合考虑选取，见表2。

表2 岩土体物理力学参数

3.5 稳定性控制标准

参考《建筑边坡工程技术规范》（GB 50330—2013）、《水土保持工程设计规范》（GB 51018—2014）以及《水利水电工程边坡设计规范》（SL 386—2007）中相关规定，结合本弃渣场的规模、周边敏感点分布、边坡失稳后危害程度，确定本工点各种工况条件下稳定安全系数控制标准，见表3。

表3 弃渣场抗滑稳定安全系数

4 考虑堆填位置的弃渣场边坡稳定性研究

本文对弃渣场扩容稳定性评价主要从原渣场稳定性和扩容堆渣后渣场整体和局部稳定性进行评估，根据评估计算结果得到最优堆渣方案。评估流程见图2。

4.1 堆填方案

在确认堆渣场地满足地质条件稳定、经济合理、容量科学等可行性初判条件的基础上，为更好地反映弃渣场扩容堆填对弃渣场边坡稳定的影响，本文结合常规弃渣场堆填形式，将堆填方式分为a坡顶覆盖加高式、b坡面扩展推移式和c分散式三种形式，其中a、b两种堆填方式为常见类型。

a坡顶覆盖加高式将二次弃渣物质全部堆放于原弃渣场渣体之上，此方法可以较好保留原有弃渣体边坡坡率；b坡面扩展推移式将二次弃渣物质顺原有渣体边坡堆放至坡脚处，可充分利用原渣场地形条件；c分散填筑式将坡顶覆盖式和压坡脚式两种堆填位置相结合，分散堆填。各堆填方式剖面见图3。

4.2 堆填方案选取

渣场整体稳定性采用传递系数法进行计算，原渣场整体稳定性系数计算结果分别为2.51（天然工况）、1.83（暴雨工况）和1.74（暴雨＋地震工况），均满足稳定标准。

边坡局部稳定性采用Geo-Studio计算得到考虑圆弧滑面的毕肖普（Bishop）法安全系数以及考虑任意形状滑面的摩根斯坦－普赖斯（Morgenstem-Price）法安全系数，将两种计算结果中的最小值与控制标准比较，得到其判定结果见表4。

表4 原渣场局部稳定性计算结果

从表4可以看出，原渣场稳定性满足相关控制标准，且稳定性较高，适合开展渣场扩容堆填。

4.3 扩容堆填后边坡稳定性分析

分别计算在不同工况条件下三种堆填方式形成弃渣体的整体稳定性和局部稳定性。边坡整体稳定性和局部稳定性计算均采用同样的计算方法。

（1）扩容堆填后边坡整体稳定性分析

根据计算结果，绘制弃渣体边坡整体稳定安全系数随不同工况条件的变化曲线，见图4。可以看出，在三种不同堆填方式下弃渣体边坡整体稳定性均大于1.30，稳定性较好。

（2）扩容堆填后边坡局部稳定性分析

根据边坡局部稳定性计算结果，绘制边坡局部安全系数随不同工况的变化曲线，见图5。

可以看出，在天然工况下三种堆填方式边坡稳定性安全系数均大于1.3。在暴雨或暴雨＋地震工况条件下，采用常规的a坡顶覆盖加高式和b坡面扩展推移式边坡局部稳定安全系数均小于1.15，边坡处于不稳定状态；采用c分散式堆填方式边坡局部稳定安全系数大于1.15，边坡处于稳定状态。

由以上计算结果显示，采取分散式堆填具有较高安全稳定性，而采取a坡顶覆盖加高式和b坡面扩展推移式两种常规堆填方法，在遭遇恶劣工况条件下安全稳定性普遍较低，存在较大失稳风险。

5 弃渣体边坡稳定性影响因素分析

（1）堆填方式的影响

结合图4和图5曲线可知，不同堆填方式对渣体边坡稳定性具有较大影响，边坡安全系数关系为：分散式＞坡面扩展推移式＞坡顶覆盖加高式，在暴雨＋地震工况下采用分散式堆积相较于坡顶覆盖式堆积其边坡整体稳定性提高66.4%，局部稳定性提高7.7%。

坡顶覆盖加高式在原渣体渣顶基础上堆渣，一方面增大原渣体下滑力，另一方面在扩容渣体与原渣体接触面处容易形成滑动面，增大渣体下滑风险。坡面扩展推移式在原渣体坡面基础上向坡脚堆填，受坡脚堆填空间及扩容渣体方量控制，其渣体边坡较陡，容易发生垮塌。分散式堆积结合坡面扩展推移式和坡顶覆盖加高式堆填方法，在坡脚堆积可对原渣体形成坡脚反压，坡顶堆积可扩展堆渣容量，边坡较缓，稳定性较高。

（2）工况条件的影响

从图4和图5曲线可知，暴雨因素对弃渣体稳定影响较大。在暴雨工况条件下相较于天然工况弃渣体边坡整体稳定性降低26.1%，局部稳定性降低23.2%。可见暴雨因素是影响边坡稳定性的主要因素。

持续强降雨导致地表水大量下渗，沿坡降方向形成浅表径流导致渣土体由天然工况下的非饱和状态转化为暴雨工况下的饱和状态，其容重增加，黏聚力、内摩擦角等抗滑指标降低，渣体抗滑强度衰减显著，受重度增加影响，渣体下滑力增加，导致渣体稳定性系数降低。

综上，暴雨条件对边坡稳定性的影响权重最大，其次为扩容渣体堆填方式。因此在扩容堆填过程中应充分考虑暴雨等恶劣工况和堆填方式的影响，加强渣场边坡排水结构措施及扩容渣体堆填位置选择。通过对不同堆填位置条件下边坡安全系数的计算，推荐采用分散式堆填方法。