数字模拟弃渣场极端条件下失稳分析评价

朱 才

(云南省地质矿产勘查开发局第一地质大队，云南 曲靖，655000)

云南北部在建华坪至丽江高速公路(简称华丽高速)是国家公路网G42上海至成都高速公路中成都至丽江联络线的一段，是云南高速公路网“三纵三横，九大通道”北部华坪-丽江-兰坪-六库的重要组成部分。也是连接京昆高速(G5)和大丽高速(G5611)、西丽高速(G0613)重要路段。K0+000-K15+500段属于华坪至丽江中段，具有高程大和落差大的特点。

华丽高速地处横断山区域东侧，也是三江并流区金沙江流域区，是世界上著名的滑坡泥石流等地质灾害高易发区[1-3]，表现为高寒山区冰雪冻融作用地质灾害特征，具有高纵坡高位远程高势能等特点，其形成具阶段性与周期性特征，与青藏高原阶段性隆起和亚洲季风气候有直接关系[4-5]，受内外动力作用，催生了众多崩滑流链式灾害[3，6-7]。加之华丽高速沿营盘山南缘半山展布，沿途多以隧道和桥梁连接，隧道施工弃渣多堆放在隧道两侧山坳处形成弃渣场。具有量大、高程大、坡度陡、组成物松散、密实度低等特点，将来运营中若受到坡脚开挖、坡顶堆载等人为工程活动、地质活动以及高位松散堆积物影响，尤其是大量降雨造成水体侵蚀作用或发生地震等极端条件下极易发生坍塌，诱发泥石流、滑坡等地质灾害[8]，危害下游人员财产损失等。国内已有很多学者对很多弃渣场可能引发的地质灾害进行了研究分析[9，10]，部分学者也对松散堆积体或矿渣尾矿堆场进行了数值模拟或模拟分析等[11-13]。本文综合华丽高速公路K0+000-K15+500段地形地质特征和各弃渣场堆放及其拦挡工程等情况，利用数字模拟对该区域典型弃渣场(3#-2合同段1号渣场)进行极端条件下弃渣场失稳分析评价，以预防高位地质灾害和链式地质灾害发生。

1 研究区自然地理地貌

拟建线路K0+000～K15+500段地处云贵高原西缘横断山系接壤地带，受构造控制山脉走向以南北向为主。地表崎岖，高原峡谷、山地、河谷平原和山间盆地相互交错。组成一系列高山河谷相互重叠的地形地貌，地势总体西北高南东低，一般山体海拔400m～2500m，相对高差1000m～1500m。路线走廊带内为中低山碳酸盐岩构造侵(溶)蚀区、中低山构造侵蚀剥蚀地貌区、河流侵蚀阶地区和山麓斜坡松散沉积物堆积区。

3#-2合同段1号渣场研究区位于中低山碳酸盐岩构造侵(溶)蚀区山地缓坡。为道路周边白云质灰岩夹泥质砂岩、砂岩山体。斜坡坡面覆盖层厚度较小，多为第四系残坡积粉质黏土、碎石层。

2 研究区水文气象特征及工程地质背景

研究区气候特征表现为高原性气候，气候垂直分带特征明显。区内溪流众多，属金沙江上段水系左岸一级支流。弃渣场主要为沿线新庄河地表水及其树枝状支流水系，主要依靠上游河水和大气降水补给，通过地表径流、地下水沿地层渗透向低洼地段径流及向上蒸发垂直排泄。各弃渣场场区内均干燥无流水。区内年降雨主要集中于每年7月至9月汛期，河水水位受降水影响明显，流量悬殊。新庄河距各渣场位置均较远，3#-2合同段1号渣场汇水面积约0.06km2，对弃渣场稳定性影响不大；最大影响水体为雨季大气降水，完善弃渣场截排水措施后对其稳定性影响较小。地下水形成受岩性、构造、地貌、岩溶、新构造运动、水文气象、植被等综合因素所控制，各弃渣场地下水均埋藏较深，对渣场稳定性影响不大。

研究区位于松潘-甘孜地槽这褶皱系与扬子准地台衔接过渡部位，横跨中甸褶皱带、盐源-丽江台缘褶皱带和康滇地轴等三个二级单元[8]。震旦纪以来，经历了不同范式的多次构造变动，地质构造极为复杂。构造线以深大断裂南北向为主，北东北西向次之，中生代以来地质、地貌发展起着决定性的控制作用。弃渣场附近属于华坪-六德短轴褶皱区，受程海-宾川断裂控制，青藏高原隆升作用，新构造运动活跃，并引发了多次地震，地震烈度为8度区，峰值加速度为0.20g。

图1 研究弃渣场(3#-2合同段1号)区域地质简图

3 华丽高速公路3#-2合同段1号渣场赋存特征

3.1 弃渣场赋存情况

图2 研究弃渣场(3#-2合同段1号)区域影像图

弃渣场位于丽江市华坪县中心镇下黑者，东经101.2294°，北纬26.5704°，分布于华丽高速K5+900右侧50m，弃渣堆放于低中山地貌单元缓坡处，属坡地型弃渣场。图2。弃渣场现已停止弃渣，渣场占地面积16.0亩，呈不规则多边形，纵向长约150m，横向宽约270.0m，渣场坡向92°，渣场顶标高约1264m，底标高1202m，堆渣高度62.0m。设计堆渣量15万m3，实际堆渣量约44.5万m3。弃渣场原始地形属山地缓坡地段，两侧为山岭，挡渣墙位于地势狭窄地段，地形对渣场有利。

弃渣场区域地表为第四系残坡积层红黏土，半固结硬塑状，厚度0m～1.2m，原地形较陡位置缺失，下伏震旦系上统灯影组白云质灰岩，均具一定力学强度，对渣场稳定有利。

弃渣场渣体主要来源为华丽高速2合同段沿线路堑边坡挖方弃方，以碎石土为主，成分主要以白云岩、白云质灰岩，少量泥岩、泥质粉砂岩为主，含量约80%，局部块石，块径约1m～1.5m，含量约20%，分选性较差，部分黏性土充填，结构松散，固结较差。渣场上游汇水区域小，原冲沟内无地下水溢出点且无长流水通过。弃渣完成后，渣场坡面进行分台放坡处理，渣场东侧已修筑一段排水沟，渣场下游修筑有挡渣墙。渣场整体未发现有失稳变形迹象。

弃渣场现状已进行分台放坡处理，渣场坡脚采用拦石网对渣体拦挡。渣场东西两侧修筑有沟宽2.0m，深2.0m排水沟，非雨季沟内干燥无流水。渣场下游修筑有长约29.2m，可见最大高度2.6m，坝体顶宽2.0m挡渣墙，未遭破坏，墙体完整。主要安全隐患在弃渣场下游居民房屋，渣场东侧最近距离约20m的1户民房，下游2户民房距挡渣墙约150m，往下为村庄，距离渣场1.5km。图3。

3.2 弃渣场原设计和现状治理措施对比

弃渣场原设计：渣场共分4台，放坡坡比为1：2，平台宽度约10m～50m，渣场底脚设置重力式挡渣墙，墙高7m，顶宽2m，面坡倾斜坡率1：0.25，背坡倾斜坡率1：0.5，渣场次级放坡平台设置钢筋石笼，渣场两侧设置截水沟，截水沟尺寸为2m×2m，渣场底部设置片石盲沟，盲沟尺寸2m×2m，堆填完成后需进行绿化(复垦)。

现状治理措施：现状渣场共分12台，放坡坡率为1：1.66～1：0.84，平台宽度3.6m～5.9m，渣场坡脚已修筑拦石网对渣体拦挡，渣场东侧修筑有一道排水沟，沟宽2.0m，深2.0m。渣场下游修筑有挡渣墙，长约29.2m，可见最大高度2.6m，坝体顶宽2.0m，渣场底部沿沟谷处设置2m×2m片石盲沟，现状堆渣坡面局部地段已生长有灌木。

3.3 剖面测绘确定

弃渣场沿缓坡沟谷堆积而成，为不规则多边形。渣场剖面测绘方向92°，最大填方厚度约26m，堆渣高度约62m，图4、图5。

4 极端条件下弃渣场失稳分析评价

4.1 极端条件下弃渣场形成滑坡的分析评价

弃渣场汇水面积均较小，结合弃渣场稳定性计算结果，各弃渣场发生碎屑流可能性较小，破坏模式主要为坐落-滑移式滑坡。按《冶金矿山排土设计规范》(GB51119-2015)第5.4条确定弃渣场安全防护距离。弃渣场破坏后滑动距离受滑动路径(纵向坡率、横向几何形状、障碍物)、滑动路径覆盖层物理力学参数、排土场散体物料物理力学参数、排土场规模影响，得出滑塌范围标准化公式：

L=H/tanθ=(β+φ)/2

式中L-坡顶塌滑区外缘至坡底边缘水平投影距离(m)，H-弃渣场堆渣高度；β-坡面与水平面夹角；φ-弃渣场堆渣摩擦角。

3#-2合同段1号渣场相关因素：堆渣高度H(62m)、坡面与水平面夹角β(34°)、弃渣场堆渣摩擦角φ(35°)、滑塌范围L(90.21m)，计算正常自然情况下，渣场主要危害对象为民房，据渣场、民房空间平面位置关系，堆渣体东侧渣体前缘距离约20m的1户民房、挡渣墙距离下游约150m的2户民房。渣场汇水面积小，失稳运移距离104.5m，小于下游2户民房，大于东侧1户民房及乡村道路(65m)，最大堆积高度约1.23m，滑坡及泥石流对民房、道路有一定威胁。弃渣场因渣体堆放整形放坡形成不同的分级较松散台坡，且存在部分边坡植被护坡未覆盖，现状下不良地质及水文条件下主要存在破坏现象为坡面型碎屑堆，诱发滑坡可能性较小，危害等级低。

4.2 极端条件下弃渣场形成泥石流的数字计算分析

3#-2合同段1号渣场堆渣体主要为灰色、褐色碎石、粘土，岩性以白云岩，灰岩，粉砂岩为主和粘性土等。潜在泥石流体碎石含量较高，估计最大块径约1.4m，据相关资料分析，弃土型泥石流多为稀性泥石流，泥石流容重大约在1.3t/m3～1.8t/m3。固体物重度泥石流堆积物以碎石、块石、角砾等粗颗粒为主，成分为白云岩，灰岩，粉砂岩为主，经验取γH=1.5t/m3为泥石流流体重度建议值。

泥石流流体容重往往决定其性质，影响流体规模。一般地，容重越大，其规模也就越大。其测试方法主要有现场调查试验法和形态调查法，此外还可根据泥石流易发程度数量化评分与重度关系，作为确定泥石流重度的依据之一。

该弃渣场极端条件下失稳采用数值模型法分析，碎屑流峰值流量计算采用雨洪修正法，同时对其总量分析计算。

1.碎屑流峰值流量(雨洪修正法)：Qm=Qw(1+ф)Dm，式中Qm-碎屑流最大流量(m3/s)；Qw-设计清水流量(m3/s)；Ф-碎屑流修正系数；Dm-碎屑流堵塞系数；

2.一次碎屑流过程总量：Wm=0.26TQm，式中Wm-通过断面一次碎屑流总量(m3)；T-碎屑流历时(s))；

3.一次碎屑流冲出的固体物质总量计算：Ws=CmWm=(ρm-ρw)Wm/(ρs-ρw)，式中Ws-通过断面固体物质总量(m3)；Cm-碎屑流修正系数；Ф-碎屑流修正系数；Dm-碎屑流堵塞系数；ρm、ρw、ρs-分别为碎屑流流体密度、清水密度、碎屑流中固体物质密度(t/m3)。

(1)设计清水洪峰流量

按中国水科院提出的经验公式计算地表水汇水流量。当汇水面积F≥3km2时计算公式：Qp=1.1×ψF2/3s；当汇水面积F<3km2时计算公式：Qp=1.1×ψFs，Qp-暴雨洪峰流量(m3/s)；ψ-暴雨径流系数，取0.6；F-汇水面积(km2)；s-小时雨强(mm/h)，查《云南水文手册》取1小时最大降水量均值。不同重现期降雨量倍比系数查《云南水文手册》。求得3#弃土场暴雨洪峰流量值见表1。

表1 弃土场不同频率下暴雨清水洪峰流量结果表(水文手册法、水科院推理公式)

从计算结果分析，云南省水文手册计算结果适中，水科院推理公式法结果偏大，设计中推荐采用偏保守的水科院推理公式法计算结果。

(2)泥石流峰值流量

泥石流洪峰流量是防治工程设计的重要参数，本次对弃土场冲沟泥石流流量计算方法为雨洪法。频率为P的泥石流洪峰流量Qc按下式计算：QC=(1+φ)QpDc，式中Qc-泥石流洪峰流量(m3/s)；Qp-暴雨洪峰流量(m3/s)；φ-泥石流泥砂修正系数；φ=(γc-γw)/(γH-γC)，γc-泥石流重度(t/m3)；γw-清水的重度(t/m3)；γH-泥石流中固体物质比重(t/m3)，取2.6；Dc-泥石流堵塞系数，查规范取值，Dc=2.5)

(3)泥石流流速计算

a.泥石流流速：泥石流动力学性质重要参数之一。目前泥石流流速计算公式为半经验或经验公式。弃土场潜在泥石流为稀性特性，采用《泥石流灾害防治工程勘查规范》(T/CAGHP 006-2018)附录中有关铁二院(西南地区)稀性泥石流流速经验公式：Vc=1/√(γHφ+1)×1/n×Hc2/3×Ic1/2

式中，Vc-泥石流流速；γH、φ如上；1/n清水河床糙率系数取值6.5；Hc-平均泥深(m)；Ic-泥位纵坡率，以沟道纵坡率代替，√根号。泥石流过流断面面积和平均泥深主要依据已发生过泥石流沟谷调查的平均泥深和断面平均宽度确定。泥沙修正系数按照不同频率计算。泥石流流速值见表2。

表2 雨洪法计算泥石流流量汇总表、流速计算表

b.泥石流中石块运动速度：以堆积后泥石流冲出物最大粒径，推求石块运动速度经验公式：Vs=α√dmax，Vs-泥石流中大石块移动速度(m/s)；dmax-泥石流堆积物中最大石块粒径(m)，取1，4m；α-全面考虑的摩擦系数(泥石流容重、石块比重、石块形状系数、沟床比降等因素)，3.5≤α≤4.0，取4.0)。根据实测块石最大粒径情况，泥石流中最大石块运动速度计算结果：Vs(m/s)=4.23(m/s)。

(4)泥石流冲击力

(5)泥石流最大冲起高度

4.3 弃土场失稳风险综合评价

3#-2合同段1号渣场下游20m距离1户民房，另150m处2户民房；提高危害等级后评价，按理论模型计算值104m，其弃渣场失稳影响较严重，现状下弃渣场失稳滑塌形成泥石流后运移距离为104m，因此渣体失稳后对渣体前缘20m处民房有影响，对乡道有一定威胁，对150m的民房有一定威胁。在极端条件下，提高安全等级后，渣体完全下滑形成泥石流后，威胁到(渣场滑体堆积前缘)有两户居民，故而失稳后，弃渣体将对下游两户居民构成一定影响，对拦渣墙前缘沟谷及两侧耕地影响较大，其危害的可能性较大。

5 结 论

通过对弃渣场整体稳定性分析。评估采用定性分析和定量分析相结合方法，定性方法查明场地周边情况，对弃渣场现存情况做前期的评估。定量计算方法，将采集到的数据电子化并生成模型，3#-2合同段1号渣场弃渣场现状坡面已放坡分台处理，挡渣墙完整，现状未遭受破坏，处于稳定状态。该渣场上游汇水面积小，在极端条件下，因下游分布有两户居民点，需提高评价等级，渣场受水浸或汇水破坏形成泥石流后，将威胁到(渣场滑体堆积前缘)1户居民，对挡碴墙下游2户居民构成一定影响，对拦渣墙前缘沟谷及两侧耕地影响较大，其危害的可能性较大，建议对其进行搬迁，未搬迁前建议制定相应的应急预案。