工程渣土堆填场边坡稳定性数值计算分析

高文杰GAO Wen-jie

（上海建科工程咨询有限公司，上海 200032）

0 引言

渣土堆填场是工程中极其重要的一部分，是工程建设过程中产生的余泥、渣土等废弃物的堆积场所。堆填场一旦出现事故，例如边坡失稳出现滑坡时，不但会影响工程的正常开展，严重时还有可能造成人员伤亡，这都会造成巨大的经济损失。欧孝夺等人[1]针对拜耳法工艺生产赤泥的特点，分析了平果铝赤泥堆场的特征以及堆场内赤泥的物理力学指标；结合干法排放、堆存赤泥所引起的堆场表面裂缝问题，阐述了裂缝产生的具体成因，并采用Geo-Slope 软件中的SLOPE/W 模块计算裂缝条件下赤泥堆积坝边坡稳定性。李毅等人[2]分析哈尔滨市东部生活垃圾堆场生活垃圾固体成分，判断填埋区的稳定性,为哈尔滨市生活垃圾简易填埋场修复和场地再利用提供理论依据。童有全等人[3]采用渗流分析方法确定坡面尾矿砂在不同时段连续降水的条件下的浸润范围，据此进行相应的稳定性分析，得到了较为可靠的结论。卢萍等人[4]以小河边尾渣干堆场为例，根据工程地质情况，对该堆排状况进行了边坡稳定性数值模拟分析。李瑞祥等人[5]对肚子坑西侧堆浸场经渗流场分析与边坡稳定性分析。陈卫东等人[6]针对凡口铅锌矿废石堆场边坡，利用极限平衡法中的瑞典圆弧法及数值模拟方法中的有限差分法对废石堆场边坡进行了稳定性分析。李锡斌等人[7]为防止矿堆发生滑坡，确保周围设施及人员安全，采用极限平衡法对堆场现状边坡进行了安全稳定性分析。石兴国等人[8]以乌海市露天煤矿为例，对露天煤矿的顺倾层状边坡进行优化设计分析，并对选取的工程模型边坡稳定性进行分析。王春彭等人[9]讨论了几种边坡稳定性的分析方法。哈斯也提·依米提等人[10]以某边坡为例，基于PLAXIS3D 数值有限元软件对该边坡进行分析，基于当地实时降水量监测数据，采用数值分析的方法分析了不同强度降水条件下，边坡孔隙水压力的变化规律、边坡的变形特征以及锚杆的应力变化等规律。

本文采用极限平衡法原理，Geo-Studio 数值模拟软件中的SLOPE/W、QUAKE-W、SEEP/W 模块分别对自然，地震及降雨工况下不同压实度的堆填场边坡进行稳定性分析，为现场施工提供了指导。

1 计算模型与参数

作为堆放工程渣土半永久性场所，堆填场是一个重要的近永久性附属设施，与人员安全和正常生产活动密切相关，而近年来堆填场边坡丧失稳定性所引发的安全事故时有发生，因此必须对边坡稳定性进行分析。堆填场边坡的截面最大高度为85m，呈阶梯状，共四层台阶，阶梯高22m（最顶层高19m）；台阶坡面角32°，边坡最终坡面角采场侧25.5°，安全平台宽度为25m。设计参数如表1 所示。

表1 工程渣土堆填场设计主要参数

在软件模拟过程中，需要分别分析边坡在自然、地震及降雨工况的稳定性。根据室内试验测定三种不同工程渣土的基本物理力学性质，取两个试验参数进行模拟。场地属区域稳定地段，不会因地基承载力不足导致地基底鼓诱发牵引式滑坡，因此基岩组取一种物理参数进行分析。在经过室内工程渣土和基岩物理力学特性试验后，得到工程渣土和基岩各项物理参数，见表2。

表2 堆填场边坡各项物理参数表

2 计算结果与分析

2.1 自然工况稳定性分析

自然工况是指边坡在正常条件下运行时只需要考虑自重作用，可以不考虑地下水、降雨、地震等外界影响因素的干扰，是一种最普通最常见的工况。截面边坡在采用Morgenstern-Price 法进行分析计算后，所得到两组试验参数条件下对应的最危险滑移面安全系数均处于1.501-1.885 之间，如图1，图2 所示。

图1 截面自然工况下临界滑移面①

图2 截面自然工况下临界滑移面②

在图1-图2 的两幅图片中，绿色区域均代表的是最有可能发生滑移的临界位置，就滑移面的位置分布来看，堆填场本体滑坡是最危险的滑移，并且发生滑坡时，剪出口也位于堆填场坡面上。使用两组试验参数计算所得的安全系数在1.501-1.885 之间，均大于规范所要求的1.15-1.20，这说明截面边坡在自然工况下将会处于稳定状态，且安全性较好，不容易发生失稳现象。

2.2 地震工况稳定性分析

此次地震工况的稳定性分析部分使用Geo-Studio 软件其中的QUAKE-W 模块对堆填场边坡进行建模和计算分析，由此可以求得此堆填场边坡的最危险滑弧所在位置及最小抗滑安全系数。在这一数值模拟的过程中需要使用QUAKE/W 模块对边坡的动应力响应展开研究，并以其作为上级目录，在Geo-Studio 数值模拟软件中再建立一个SLOPE/W 模块，利用QUAKE/W 所得的结果进行进一步的计算分析，最后以上述SLOPE/W 模块为上级目录，使用New-mark 模块建立模型，进行计算，分析在地震作用下，堆填场边坡的稳定性变化。在下列的计算结果分析图中，①-②依次为选用试验参数一至试验参数二的备注编号。

本次设计地震设防裂度为6 度，峰值地震加速度为0.05g，地震烈度为6 度时，边坡的安全系数将随着地震加速度的变化而变化，图3 为输入地震波的加速度时程曲线。

图3 输入地震加速度时程曲线

图4，图5 为不同条件下断面所有滑移面的分布图，表3 中表示的是两种试验参数下边坡临界滑移面安全系数的两项代表值，当压实度较低时，如选用试验参数二的情况，其临界滑移面在地震荷载作用下综合安全系数为1.496，且在地震作用时某一时刻的最低安全系数也达到了1.230，符合堆填场在地震工况下的安全稳定性标准，边坡可基本保持稳定；当压实度较高时，如选用试验参数一的情况，临界滑移面综合安全系数达到了1.871，地震作用时某一时刻最低安全系数为1.573，均大于规范所要求的1.10，完全可以保持堆填场的稳定状态。

表3 地震工况下选用各试验参数时的边坡临界滑面安全系数表

图4 地震工况下断面的所有滑移面①

图5 地震工况下断面的所有滑移面②

综上所述，该堆填场边坡在地震模拟的10s 内的任一时刻临界滑移面安全系数都相对较大，满足了堆填场边坡的稳定性要求，无滑坡风险。

综上所述，该堆填场边坡在地震模拟的10s 内的任一时刻临界滑移面安全系数都相对较大，满足了堆填场边坡的稳定性要求，无滑坡风险。

2.3 降雨及地下水工况稳定性分析

降雨及地下水工况下的边坡稳定性分析采用Geo-Studio 软件中的SEEP/W 模块对堆填场边坡进行建模和计算分析，得出该堆填场回弹边坡入渗条件中孔隙水压力的分布及渗流特征。在数值模拟的过程中，将SEEP/W 模块作为上级目录，在其下建立SLOPE/W 模块，使用SEEP/W 模块计算出的结果继续进行计算，最终得出最危险滑弧所在位置和最小抗滑安全系数。在下列计算结果分析图中，①-②为选用试验参数一至试验参数二的备注编号。

在边坡的渗流分析中，需要确定正确的边界条件，然后才能进行计算和分析获得较为符合实际情况的结果。在初始静态水位的计算中，根据相关地质资料并结合剖面的具体特征，初步设定位置总水头边界在标高-65m 处。边坡表面为降雨边界，以20年一遇的1998 年大暴雨为降雨工况的模拟条件，图6 表示的是此工况的降雨量变化情况。

图6 降雨量随时间的变化曲线

经计算分析，工程渣土堆填场边坡在降雨及地下水工况的前提条件下通过Geo-Studio 软件采用Morgenstern -Price法测得三组不同试验参数在10d 的降雨条件下对应临界滑移面的安全系数如图7，图8 所示，所得到的安全系数分布在1.162-1.746 之间；图中绿色的区域代表的是边坡最有可能产生滑移的临界位置。由规范可知：在降雨及地下水工况下，边坡能保持稳定的最低标准是安全系数大于1.10。

图7 10d 临界滑移面①

图8 10d 临界滑移面②

由此可以得出以下结论：在此种降雨及地下水工况下，该堆填场边坡任一时刻的安全系数均大于1.10，边坡处于稳定状态，不易发生失稳现象。

3 结论

①在自然条件下堆填场本体坡面滑动为此边坡最可能出现的破坏模式，堆填场边坡的安全系数在1.501—1.885 之间，任一滑动面的最小安全系数均大于1.15，满足了边坡的稳定性要求，即在自然条件下边坡能够保持稳定状态，不会发生失稳破坏现象。②在地震工况下下边坡最可能出现的破坏模式为堆填场本体坡面滑动，堆填场边坡的综合安全系数在1.230-1.871 之间，且在地震模拟10s的历程内任一滑动面的最小安全系数均大于1.10，满足了边坡的稳定性要求，即在地震工况下边坡能够保持稳定状态，不会发生滑坡现象。③在降雨及地下水工况下边坡最可能出现的破坏模式为堆填场本体坡面滑动，当压实度在60%-100%之间时，堆填场边坡的安全系数在1.162-1.746之间，任一时刻边坡的最小安全系数均大于1.1，满足了边坡的稳定性要求。