山谷型干灰场边坡稳定敏感性分析和对策

饶俊勇，彭德刚，汪 彪

(中国电力工程顾问集团西南电力设计院有限公司，四川 成都 610021)

0 引言

在国内的电源构成中，燃煤火电依然占60%以上的发电量，如此大规模的燃煤发电，必然产生大量的粉煤灰。虽然目前大部分粉煤灰已被利用, 但每年仍约有上亿方的粉煤灰无法综合利用，需贮存在灰渣场中[1]。特别是在西南、西北经济不发达、交通不便地区，粉煤灰综合利用率低，需建设贮灰场以存放暂时无法利用的粉煤灰。由于灰场体量需求巨大，而山谷型灰场因为堆灰高、占地少、库容大，对周围影响小而成为首选。山谷型灰场通常的做法是选一条山沟，在下游侧修建初期坝(粘土坝、石渣坝等)，利用两侧山坡和上游较高的地形形成贮灰场。当初期坝形成的库容堆满后，可在初期坝上利用粉煤灰加高，形成新的挡灰坝继续贮灰，如此反复，直到规划的最终堆灰高程。

山谷型干灰场的下游是由初期坝(石渣、粘土等)和其上碾压灰渣形成的人工挡灰体(灰坝)。由于高度高达数十米甚至一百多米，边坡安全就至关重要，一旦失事，大量粉煤灰和水构成的类似泥石流的混合体携带巨大动能冲击下游，后果不堪设想。和水库坝相比，灰坝既挡水还挡灰，工作环境更复杂；由于粉煤灰遇雨水，产生的渗滤液含有一些有害物质，有一定污染作用，故灰场及灰坝建设受环保、水保等多方面的制约，如某些排渗措施无法实施。再加上灰坝(初期坝和后期灰渣堆积坝)虽然很高，规模较大，但监测设施和监测工作没有大型水库大坝那样完善。后期灰渣堆积坝，是在运行过程中形成，往往就是将灰渣运到指定地点堆积碾压形成，并非正规施工单位施工，施工质量可靠性差。虽然目前灰场出现较大事故不多，但由于以上各方面原因，造成灰场边坡稳定可靠性并不高，而且一旦出现事故，影响巨大，损失惨重[2]。故根据现行的灰场设计、施工、运行管理流程和现状，分析山谷型干灰场边坡稳定影响因素，找出核心危险源，采取对策、降低风险有重要意义。

1 山谷型干灰场边坡稳定影响因素识别和选择

关于边坡稳定影响因素分析，其他学者也做了很多研究。陈理[3]等分析了土质边坡稳定的影响因素，研究了坡高、坡度、土层内摩擦角、黏聚力和边坡稳定安全系数的关系，得出结论：土体的内摩擦角和粘聚力的变化会引起安全系数的大幅变化，对安全系数的影响比坡高和坡度更明显。黄安平[4]、叶帅华等对高填方边坡进行了研究，研究结果表明内摩擦角、卸荷平台宽度和黏聚力是影响高填方边坡稳定性的最主要因素。顾良军[5]等对公路岩质边坡进行了分析，发现影响边坡稳定性的因素主要有边坡高度、坡角、土体性质、岩体性质、边坡后缘张拉裂隙的位置、裂隙水埋深、结构面黏聚力与倾角等，其中坡高、坡角敏感度比较高。综合上述，一般认为坡高、坡比、材料的内摩擦角、粘聚力等是影响边坡稳定的主要因素。

山谷型干灰场的下游是由初期坝(石渣、粘土等)和其上碾压灰渣形成的人工边坡组成的，故部分稳定影响因素和普通土质边坡有相似性，坡高、坡比和地基、边坡材料(粉煤灰)的容重、内摩擦角、黏聚力等物理力学指标是对灰场边坡稳定影响较大的因素。但和其它土质边坡不同，灰场内地下水位是对灰场边坡稳定影响较大的因素。其中，坡高和坡度对边坡稳定是影响比较大的因素，但灰场边坡的坡高是根据规划确定，就是按照灰场贮灰容积确定，不会为满足边坡稳定而减小坡高。为充分利用灰场地形资源，在有限的用地范围内，尽量多贮灰，在保证稳定的前提下，一般会采用尽量陡的坡比。而且在灰场规划时，都会要求勘测部门在试验的基础上提供地基、初期坝材料的物理力学指标，并进行稳定计算，稳定安全系数满足相应的要求后才能规划灰场。故地基土层、初期坝的物理力学指标虽然对灰场边坡稳定有影响，但在试验等技术手段保证下，是比较可靠，其对灰场边坡的影响不会产生实际风险。

灰场设计时，电厂还没开始运行，没有粉煤灰产生，无法进行粉煤灰的物理力学指标检测试验，故灰渣的物理力学指标是没有试验值，而是预估值，预估值的准确性对灰场边坡稳定有影响。故粉煤灰的物理力学指标估计是否准确，是影响灰场边坡稳定的风险因素。

灰场内地下水位，是影响灰场边坡稳定的另外一个因素。对此观点，有学者否认干灰场内会有地下水，但笔者曾经在2个山谷灰场取样试验中发现山谷型干灰场中有稳定的地下水位。

基于上述分析，选粉煤灰的物理力学指标和地下水位是影响灰场边坡稳定的风险因素。

2 敏感性计算

为分析山谷型干灰场边坡稳定影响因素，选用某典型灰场为计算模型。该灰场初期石渣坝高6 m，其上为三级特殊碾压灰渣体，高度分别为10 m，10 m和6 m。灰场库底和初期坝内侧铺设有防渗膜，地基为粘土。主要土层指标见表1所列。

表1 土层力学指标

灰场内地下水位在末端取为最高堆灰线下6 m；在初期坝处，考虑到灰场库底及初期坝内侧铺设有防渗膜，且连为一体，水位线在初期坝坝顶标高处。计算模型如图1所示。 根据前述分析，选用选粉煤灰的容重、内摩擦角、粘聚力和地下水位，作为灰场边坡稳定的影响因素，采用GEO-STUDIO软件对边坡进行敏感性分析。

图1 灰场边坡计算模型

GEO-STUDIO软件是岩土计算软件。稳定敏感性分析是将变量按照均匀概率分布函数来有序选择的。在本例中，粉煤灰内摩擦角以22°为中位值，按照负偏移2个，正偏移2个，总共 5个值，每个偏移差1°，即20°、21°、22°、23°、24°分别计算稳定安全系数，绘制安全系数—敏感性范围曲线。按照单变量进行敏感性分析的，就是当一个变量变化时，其余变量保持不变[6]。本例中，内摩擦角变化时，粉煤灰粘聚力、容重、水位等其余变量都保持不变。将所有变量参数都归一化到0到1的区间，0代表最小值， 1代表最大值，如粉煤灰的内摩擦角，0代表20°， 1代表24°，故斜率即代表了敏感度，斜率越大越敏感，即该变量的变化会引起稳定系数较大 变化。

由图2可见，地下水位、粉煤灰容重和稳定安全系数负相关，即地下水位越高，粉煤灰容重越大，稳定安全系数越小；粉煤灰内摩擦角、粘聚力和稳定安全系数正相关，即粉煤灰内摩擦角越大，粘聚力越高，稳定安全系数越大，反之亦然。各影响因素中，地下水位曲线的斜率最大，故影响边坡稳定最敏感因素为地下水位，其余依次是粉煤灰内摩擦角、粘聚力和容重。

图2 敏感性计算结果

3 影响因素分析

山谷干灰场边坡稳定影响因素有粉煤灰内摩擦角、粘聚力、容重和灰场内地下水位。虽然在灰场设计时，电厂还没开始运行，没有粉煤灰产生，无法进行粉煤灰的物理力学指标检测试验，灰场设计是依据预估值，预估值的准确性对灰场边坡稳定有一定风险。但经过多个工程积累后，粉煤灰的物理力学指标(容重、内摩擦角、粘聚力)预估值偏差不会太大。而且，一般也要求在电厂投运后，进行粉煤灰物理力学指标进行检测，并通知原设计单位复核，若预估值和检测值差别比较大，会通过调整灰场边坡坡率等方式处理。所以粉煤灰内摩擦角、粘聚力、容重对边坡稳定性的影响可控。

真正对边坡稳定影响较大的危险因素是灰场内地下水位。因为灰场内地下水位对边坡稳定敏感度高，灰场内地下水位又不容易监测，故山谷型干灰场边坡稳定最危险的因素就是灰场内地下水位。

部分学者认为干灰场内没地下水，也有充足的理由支持这个结论：因为根据环保要求，灰场库底满堂铺设有防渗膜防止灰场渗滤液下渗污染地下水，防渗膜同时也截断了地下水渗入灰场的通道，故地下水不能进入灰场内；灰渣由电厂运到灰场时，为防止扬灰造成环境污染，会将粉煤灰加水调湿，但调湿灰含水量一般为25%左右，含水率很低，考虑到灰场的蒸发作用，不应该有水在灰场内聚积；灰场内水的另外一个可能来源就是降水(雨或雪)，根据文献[7]的结论，目前有记录的最大、最长降雨，灰表面能形成饱和区深度不超过1.5 m,在蒸发作用下，该降雨也不大可能造成灰场内地下水位的上升；部分灰场的下游边坡处，设置了测压管等监测灰场在下游边坡处浸润线，实际工程中也基本没发现过浸润线。

笔者在参加2个位于四川、重庆的灰场内取样试验中，均在灰面下8～10 m发现了稳定的地下水位，取出的粉煤灰处于饱和状态，取样处贮灰厚度大约20 m左右，也就是说地下水位上升了10～12 m左右。初步分析可能是这两个项目因为地处湿润地区，降水丰富，天然地下水位比较高，在灰场建设时多处发现泉水。虽然在灰场建设时处理了这些泉水，并在灰场内铺设了防渗膜，但部分间歇性泉水无法发现。在天然山谷地下水位比较高时，间歇性泉水渗出，在土工膜下流淌，遇到防渗膜有缺陷的地方后，穿过土工膜，渗入灰体，形成灰场内地下水。虽然该分析目前无法证实，但山谷型干灰场内可能有地下水是在计算边坡稳定时必须考虑的。

4 降低灰场内地下水位对策

根据以上分析，灰场内的地下水位是灰场边坡稳定最危险的影响因素。可采取一些切实可行的工程措施，想办法降低灰场内地下水位，灰场边坡的稳定性将大幅提高。

一种可行的方法就是在防渗膜下设置地下水排水设施。目前大部分灰场没有设地下水排水设施。在灰场建设时，按照环保规定，需用防渗土工膜覆盖全灰场。这样会使灰场内的渗滤液不能下渗污染地下水，但同时，灰场内防渗膜下的地下水无法排出，水位越积越高，一旦遇到防渗膜缺陷即进入灰场，造成灰场内较高的地下水位。若在防渗土工膜下设地下水排水设施，将防渗膜下地下水引导到灰场外，则土工膜下地下水位不会过多聚积，也不会进入灰场抬高灰场内浸润线高度，危及灰场边坡安全。可行的防渗膜下地下水导排设施就是盲沟，用土工布包裹碎石，在碎石中设排水软管，地下水通过土工布、碎石后进入软管排走。排水盲沟的主盲沟应沿灰场的主沟设置，并在灰场各支沟或隔一定距离设置支盲沟，形成完整的地下水导排系统，将灰场内防渗膜下地下水排到灰场外，降低灰场内浸润线高度，提供灰场边坡安全性。另一种措施就是增加防渗土工膜厚度。目前灰场的防渗土工膜厚度较薄，往往只有0.75 mm甚至只有0.5 mm，在施工过程中缺陷较多，不利于灰场防渗。若将防渗土工膜厚度提高到1.5 mm，缺陷水平将大幅降低，避免大量地下水进入灰场。

5 结论

通过分析，得到以下结论：

1)对于山谷型干灰场，对边坡稳定有实际影响的因素有粉煤灰的物理力学指标(容重、内摩擦角和粘聚力)和灰场内地下水位高低。

2)在影响边坡稳定的各因素中，地下水位最敏感，其余依次是粉煤灰内摩擦角、粘聚力和容重。

3)在诸多对边坡稳定有影响的因素中，灰场内地下水位是最危险的影响因素。

4)建议增加防渗土工膜厚度，并在防渗膜下设置地下水导排设施，以降低灰场内地下水位，提高灰场边坡稳定性。