多维度弃渣场稳定性评估研究

常志兵 黄斌 刘洋洋 张爱静

摘要：为了科学合理地评价南水北调中线干线工程弃渣场的稳定性，减少水土流失对周围环境的影响，以南水北调中线工程陶岔至沙河以南段为例，对该段52个弃渣场的稳定性进行了多维度评估，分别运用刚体极限平衡法和强度折减法对其中5个弃渣场进行计算，并用FLAC3D软件分析了正常工况、降雨工况和地震工况及有无格构-插筋护坡系统对弃渣场边坡稳定性的影响。结果表明：所有弃渣场的边坡稳定性均达到规定值，符合边坡安全稳定性要求;有格构-插筋护坡系统的弃渣场在不同工况下都有较好的安全稳定性。所使用的多维度弃渣场稳定性评估方法能够科学合理地评估南水北调中线干线工程弃渣场边坡的稳定性，对类似工程建设评估具有借鉴意义。

关键词：弃渣场稳定性; 多维度评估; 南水北调中线工程; 陶岔至沙河南

中图法分类号：TV68 文献标志码：A DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2022.04.011

文章编号：1006 - 0081（2022）04 - 0067 - 07

0 引 言

南水北调中线干線工程从丹江口水库陶岔引水，跨长江、淮河、黄河、海河四大流域，总干渠途经河南、河北、天津、北京等4省（直辖市）的53个市县，穿越大小河流655条，至终点北京市团城湖，全长1 432 km。工程以2010年为规划水平年，工程任务以北京、天津、河北、河南等省（直辖市）的城市生活、工业供水为主，兼顾生态和农业用水。

南水北调工程施工建设会对原地貌造成大范围的扰动，产生大量弃渣土;由弃渣土堆积而成的弃渣场结构疏松、坡面陡峭[1]。这些弃渣场在实际建设过程中容易发生事故，对人的生命安全造成了很大的威胁[2]。另外，弃渣场所引起的水土流失会对其周围环境造成恶劣影响。为保护环境、减轻水土流失、保障弃渣场的安全，需要对弃渣场进行稳定性评估[3]。自2005年开始，科学、正确评估弃渣场的安全稳定性是水土保持专项验收的重要技术保障和必不可少的内容[4-5]。

对弃渣场边坡稳定性进行治理和研究具有重要的学术和工程意义[6-7]。在弃渣场堆积阶段，弃渣场破坏变形的表现形式为失稳和坍塌。如果让弃渣场保持良好的复耕状态，对弃渣场的稳定性进行科学合理的评估和监测，可保障弃渣场长期整体稳定性[8]。南水北调中线陶岔至沙河以南段弃渣场共有52个，其规模大、数量多，堆积形式多样。通过分析不同类型弃渣场在不同工况下的稳定性指数、多维度评估其稳定性，可对南水北调工程的弃渣场边坡稳定性做出科学可靠的评估，并为其他水利工程弃渣场边坡稳定性评估提供参考。

1 项目概况

南水北调中线一期工程陶岔至沙河以南段总干渠位于河南省南阳市境内，起自于河南省淅川县陶岔渠首（桩号K0+300），至后三里河村西北的三里河北岸、方城县与叶县交界处（桩号K185+545），全长185.245 km。位于南阳市境内的陶岔至沙河以南段总干渠，主要包括淅川县段、南阳市段、南阳市膨胀土试验段、镇平县段和方城县段。在该段的52个弃渣场中，淅川县段弃渣场共14个，镇平县段弃渣场共11个，南阳市段弃渣场共8个，南阳膨胀土试验段弃渣场共2个，方城县段弃渣场共17个。该段总干渠占整个南水北调一期总干渠长度的13.05%，此标段范围内采用明渠输水，沿线共布置各类大小建筑物315座。根据地方配套工程规划，复核了该段总干渠分段流量规模，渠首桩号K0+000至K44+504段设计流量350 m3/s，加大流量420 m3/s;方城段终点设计水位135.717 m，设计流量330 m3/s，加大流量400 m3/s。

该段位于秦祁褶皱系一级构造单元的南襄拗陷二级构造单元北部。新构造运动分区主要属秦岭-大别山隆起区，构造形迹隐伏于第四系覆盖层下，其主要断裂走向为北西西向，呈一般隐伏状横穿渠线。项目区地处北亚热带北缘，受季风进退影响，四季分明，夏季炎热潮湿，冬季干燥寒冷，多年平均气温14.4 ℃～15.1 ℃，多年平均风速1.9～3.1 m/s，多年平均年降雨量703～816 mm，交叉河流的洪水由暴雨形成。该区域在中国森林植被分区上为北亚热带常绿阔叶、落叶阔叶混交林带，地带性植被以壳斗科、松科等落叶和常绿种为主构成。项目区内土壤以黄棕壤为主，其次是潮土、砂姜黑土，局部分布有棕壤、紫色土、褐土、水稻土、红黏土、石质土及粗骨土等，弃渣主要由弱-中膨胀土、碎石土等组成。根据SL 190-2007《土壤侵蚀分类分级标准》，该区属北方土石山区，水土流失相对较轻，土壤侵蚀等级以轻度为主，但生态环境较为脆弱。

2 弃渣场稳定性评估方法

2.1 计算方法

一般采用刚体极限平衡法评估弃渣场稳定性，对于部分钢筋混凝土框格加固的弃渣场则采用强度折减法。详细计算方法参考秦鹏飞[9]的论述，并参照GB 51018-2014《水土保持工程设计规范》，采用FLAC3D计算分析。

2.1.1 刚体极限平衡法

该方法通过分析渣体在破坏时的临界平衡条件来求解安全系数。简化毕肖普法、瑞典圆弧法、改进圆弧法、摩根斯顿-普赖斯法[10]是工程中分析边坡稳定问题常用的几种极限平衡方法。使用摩尔-库伦破坏准则计算，即：

[τf=c+σtanφ=c+（σ-u）tanφ]     （1）

式中：[τf]为破坏面上的剪应力，kPa;[c] 为渣体的有效黏聚力，kPa; [σ] 为破坏面上的法向有效应力，kN;[σ] 为破坏面上的法向总应力，kN;[φ]为渣体的有效内摩擦角，（°）。

2.1.2 强度折减法

本工程段弃渣场加固方案中，局部滑坡区采取了钢筋混凝土格构-插筋系统[11]护坡，需采取强度折减法进行评估。通过快速拉格朗日差分软件FLAC3D[12]建立边坡三维有限元模型，采用强度折减法模拟格构-锚杆框架系统实施前后的膨胀土边坡稳定情况。强度折减法的要点是利用下列公式来调整岩土体的强度指标黏聚力c和内摩擦角φ，然后对边坡稳定性进行数值分析，通过不断地增加折减系数，反复计算，直至达到临界破坏状态，此时得到的折减系数即为安全系数Fs。

cF = c/Ftrial                                  （2）

[φF=tan-1（（tanφ）/Ftrial）]                     （3）

式中：cF为折减后的黏聚力，φF为折减后的内摩擦角，Ftrial为折减系数。

2.2 计算工况

计算工况分为正常运用工况和非正常运用工况。正常运用工况是弃渣场处于最终弃渣状态，结合现场查勘情况以及平地型弃渣场特点，不考虑渣体内稳定渗流。

非正常运用工况又分为地震工况和连续降雨工况。 地震工况是弃渣场在正常运用条件下遭遇Ⅶ度以上（含Ⅶ度）地震。大庄村弃渣场B区位于地震Ⅶ度区，考虑地震工况，地震加速度0.1 g;本文中其余棄渣场位于地震Ⅶ度区以下，故不考虑地震工况。连续降雨工况是各弃渣场均计算连续降雨期间弃渣场的抗滑稳定情况。

2.3 计算参数

该段的弃渣土主要由粉质黏土、粉质壤土、砂性土、砂砾岩、砾质土和建筑垃圾（石块及混凝土块）等组成，弃渣场岩（土）体物理力学性质参数主要有重度、黏聚力、内摩擦角[13]等，实验土体样的采取参考GB 50021-2009《岩土工程勘察规范》、GB 50487-2008《水利水电工程地质勘察规范》和GB/T 51297-2018《水土保持工程调查与勘测标准》等，并将采取的土体进行室内土工试验[14]以得到准确可靠的参数。本文所选取的弃渣场详细计算参数如表1～4所示。

2.4 弃渣场防护措施

本文所选取的5个弃渣场的防护措施如表5所示，其中对于大庄村弃渣场B区的局部滑坡区，采取了钢筋混凝土格构-插筋系统护坡的加固方案。弃渣场防护具体设计技术标准参考（水咨环移[2018]25号）《南水北调中线一期工程（陶岔渠首至古运河以南段）弃渣场稳定性评估技术规定》，弃渣场防护措施标准按照批复设计文件执行。

3 弃渣场稳定性分析

52个弃渣场中，共有18个弃渣场为回填取料场和坑塘，不会发生渣体塌滑等情况，故不对其做稳定性分析。另26个弃渣场经一般勘察和调查，堆渣高度均不高，不存在软弱夹层，且地形相对平缓，不会发生整体滑动;剩下的8个弃渣场中，下部均不存在软弱夹层，且场地坡度较小，不会发生整体滑动，但部分弃渣场的局部堆渣坡面为松散的散粒结构体，易形成局部较小的崩塌和滑动。

详勘的8个弃渣场中：废弃石膏坑弃渣场、大庄村弃渣场A区、大庄村弃渣场B区及十里庙弃渣场均位于地震Ⅶ度区，且边坡稳定性较差，容易产生滑坡等现象，加固方案中局部滑坡区采用了钢筋混凝土人字形格构护坡，故本文以其中安全稳定性最低的大庄村弃渣场B区为例，用强度折减法对其进行分析;而刘沟弃渣场、小薛岗弃渣场、八里岔弃渣场、张庄弃渣场没有用钢筋混凝土格构加固，处于地震带上，下部均不存在软弱夹层，但自身边坡稳定性较差，故本文以此4个弃渣场为例，用刚体极限平衡法对其进行稳定性分析。

3.1 刚体极限平衡法对弃渣场的稳定性计算

3.1.1 计算模型

经详勘的4个弃渣场的计算断面如图1～4所示。弃渣体为混合料，假定渣体渣料单一均匀。以堆渣边坡和最大堆高作为基本参数建立相应模型，将基础地层简化为一层，刘沟和小薛岗弃渣场上部直接简化为弃渣体，八里岔和张庄弃渣场中间还夹杂碎砾石土。分别通过刚体极限平衡法计算4个弃渣场稳定性。

3.1.2 计算结果

由表6可知，刘沟弃渣场、小薛岗弃渣场、八里岔弃渣场和张庄弃渣场的堆渣边坡在正常工况下的稳定性指数比规范值高很多，在连续降雨工况下稳定性指数也均满足规范的要求。因此，4个堆渣体均能满足边坡稳定要求，安全稳定性较好。分析认为，降雨工况下，雨水会渗入弃渣土，降低非饱和土的基质吸力，使边坡安全稳定性降低[15];当雨水渗透到一定深度时，便会使土体含水量增加，强度指标降低，弃渣场失稳[16]。若对弃渣场采取多种防护措施，减少雨水渗流，则经过长时间的自然沉降和外力碾压，弃渣体会趋于更加稳定的状态[17]。

3.2 强度折减法对堆渣边坡的稳定性计算

3.2.1 计算模型

考虑各弃渣场的堆渣边坡现状和修整后的边坡坡比，以大庄村弃渣场B区为典型进行分析计算，假定渣体渣料单一均匀。加固膨胀土边坡高度为8～15 m，坡比范围1∶2～1∶3。选择最危险的状况，即计算模型边坡高15 m，坡比按1∶2进行模拟。模型宽度取三排人字形格构梁宽度16.8 m，该模型单元计算结果可反映边坡整体现状。为对比分析格构-插筋系统对边坡稳定的影响，分别建立无支护边坡模型和格构-插筋支护边坡模型，如图5所示。采用Beamset格构梁、Cableset锚杆，格构和插筋采用刚性连接，插筋直径为28 mm，坡底两层插筋长9.0 m，其余长6.0 m。

3.2.2 计算结果

模拟计算结果如图6～8所示。当大庄村弃渣场B区的边坡处于不施加支护体系的自然状态，其正常工况、降雨工况、地震工况下的安全系数分别为1.19， 0.93， 1.03;当边坡施加支护体系后，正常工况、降雨工况、地震工况下的安全系数分别为1.53， 1.19， 1.32。根据计算结果分析如下。

当边坡处于自然状态、不施加防护，各工况下的边坡安全系数较低，均不满足规范要求;对边坡施加支护体系后，边坡安全系数明显提高，各工况均满足规范要求;可见施加格构-插筋支护措施能够有效减小地震和降雨对边坡带来的不利影响，对边坡稳定性的提高有较大作用。这与马磊[18]所研究的结论基本一致，合理应用抗滑桩可以提高边坡稳定性。随着土体c，φ值下降，混凝土-插筋支护体系提升边坡稳定性的效果会逐渐减弱[19]，因此在施加支护体系的同时，还要做好相应的排水措施。

4 结论与建议

（1） 南水北调中线陶岔渠首至沙河以南段的52个弃渣场中，有18个弃渣场为回填取料场和坑塘，不存在边坡失稳的问题;26个弃渣场经一般勘察，稳定性较好，均达到要求;8个弃渣场经详细勘察，边坡稳定性也都达到要求。

（2） 降雨工况下边坡稳定性较差，雨水渗流对弃渣场稳定性有较大影响。对未用钢筋混凝土框格加固的刘沟弃渣场、小薛岗弃渣场、八里岔弃渣场和张庄弃渣场的刚体极限平衡法稳定性分析结果表明，4个弃渣场正常工况下的稳定性数值均比降雨工况下的高。

（3） 施加格构-插筋支护措施能够有效提高边坡稳定性，降低地震和降雨工况对弃渣场稳定的不利影响。对用钢筋混凝土框格加固的大庄村弃渣场B区进行强度折减法边坡稳定性分析的结果表明：自然状态下的渣场比施加支护体系的渣场在不同工况下的边坡稳定性都要低;且在施加和未施加支护体系状态下，渣场边坡稳定性从高到低依次为正常工况、地震工况和降雨工况。施加格构-插筋支护对边坡稳定性的提高有较大作用。但是随着时间的推移，在重力作用下，当边坡的下滑力超过其强度，或支护结构强度不足以抵抗下滑力时，边坡会失去其稳定性，因此还需要采取多种措施相结合的方式来保障弃渣场的长久稳定。

（4） 关于南水北调中线陶岔至沙河以南段弃渣场的防护措施，建议在运行过程中加强截排水沟的清理、修复等维护，若弃渣场的现状条件改变，则建议重新对弃渣场的稳定性进行评估。该段52个弃渣场防护措施均较为完善，但部分弃渣场的防护措施对弃渣场的稳定有一定影响，建议加强运行期间对各弃渣场的管护，禁止坡面毁林开垦、滥采乱挖等行为，确保弃渣场水土保持措施完整且正常运行，避免影响弃渣场边坡稳定性。对于工况复杂、安全隐患大的弃渣场可用格构-插筋支护系统处理，以提高弃渣场的稳定性，降低安全风险。

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（编辑：高小雲）

Multi-perspectives stability evaluation of spoil disposal yard

—— taking Taocha-Shahenan section of Middle Route Project of

South-to-North Water Diversion as an example

CHANG Zhibing1， HUANG Bin2， LIU Yangyang1， ZHANG Aijing1

（1. South-to-North Water Transfer Middle Route Engineering Construction Administration， Beijing 100038， China; 2. Changjiang Institute of Survey， Planning， Design and Research Co. Ltd.， Wuhan 430071， China）

Abstract：In order to scientifically and reasonably evaluate the stability of the spoil disposal yard of Middle Route Project of South-to-North Water Diversion and reduce the impact of soil and water loss on the surrounding environment， the Taocha-Shahenan section of the Middle Route Projec tof South-to-North Water Diversion was taken as an example for research. The stability of 52 spoil disposal yards in this section were evaluated with multi-perspectives， and 5 spoil disposal yards of them were selected and were calculated by rigid body limit equilibrium method and strength reduction method respectively. FLAC3D software was used to analyze the influence of normal working condition， rainfall condition and earthquake condition， as well as the presence or absence of lattice joint reinforcement slope protection system on the slope stability of spoil disposal yards. The results showed that： the slope stability of all spoil disposal yard reached the specified value and met the requirements of slope safety and stability， and the spoil disposal yard with lattice reinforced slope protection system was safe and stable under different working conditions. The multi-perspectives stability evaluation method of spoil disposal yard used in this paper could scientifically and reasonably evaluate the slope stability of spoil disposal yard for the middle Route Project of South-to-North Water Diversion ，so as to improve the stability of spoil disposal yard. It could also be a reference for the construction evaluation of other water conservancy projects.

Key words： stability of spoil disposal yard; multi-perspectives; Middle Route Project of South-to-North Water Diversion; Taocha-Shahenan section