某水电站块石料场弃渣堆积体边坡变形破坏机制分析

潘一茜，胡卸文,2

(1.西南交通大学地球科学与环境工程学院，成都 610031；2.西南交通大学抗震工程技术四川省重点实验室，成都 610031)

近几十年来，随着城市和基础设施的快速发展，导致越来越多的建筑固体废物(CSW)弃渣场进行堆放。由于岩土工程风险控制意识不够，世界各地发生了许多弃渣场滑坡事件[1,2]，由此反映了保障弃渣场选址、施工和运营安全的重要性。弃渣堆积体边坡滑动的原因一般有两种，一是由于外力作用破坏了堆积体原有的极限平衡状态[3]，如路堑开挖、路堤填筑、矿坑开采等造成土体自重发生改变而发生失稳变形；二是由于气候因素的改变导致土体干湿突变、冻结融化、体积胀缩等，从而造成土体抗剪强度的降低、抗滑力减小发生变形破坏[4]。

弃渣堆积体边坡变形破坏机理及其稳定性的研究涉及散体块石的组成、土石混合体物理力学性质、最危险滑动面的确定、计算方法的选取等[5]。弃渣体又是一种特殊的工程体，物料含剥离的表土、爆破的岩石等，粒径大小不等、级配较差，物料松散[6]，在堆放过程中沉降变形逐渐加大，弃渣场滑坡的事例屡见不鲜[7]。因此分析弃渣堆积体边坡变形破坏特征，揭示其变形破坏机制，对该类边坡治理对策选择尤为重要。

西南某水电站块石料场弃渣堆积体2004年开始堆放，石料主要为块状-碎裂状玄武岩，弃渣堆前缘高程2 240 m，后缘高程2 320 m，相对高差约80 m，初步推算体积约21×104m3。按不同堆放位置，弃渣堆可以分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三个区域(图1)。

该弃渣堆前缘未设支挡结构，伴随2008年“5.12”汶川地震和2013年“4.20”芦山地震以及集中暴雨的影响，在I区弃渣堆中部因前缘临空，出现弃渣堆顶部下沉、临空面坡体发生溜滑等变形现象，整体可分为四级变形所形成的错台与陡坎，整个滑坡体范围内可见多处10～30 m的大型裂缝，滑坡两侧边界可见明显剪切错动迹象。野外勘查显示，此类弃渣堆积体边坡失稳与集中降雨触发更为密切，因此以I区弃渣堆积体边坡为例，系统分析其变形破坏机制具有重要的实践意义和示范价值。

图1 某水电站弃渣堆航拍全景图

1 弃渣堆积体边坡地质环境条件概述

弃渣堆积体边坡位于某居民集中区后缘山坡上，原始斜坡中上部为玄武岩基岩，地形坡度50°～60°；弃渣堆放部位为老崩坡积堆积块碎石土，地形坡度25°～35°，推测松散层厚度一般5～20 m不等，局部可达28.5 m。

受亚热带季风气候、西风带气流影响，场地多年平均降雨量为789.9 mm，最大日降雨量为62.5 mm，年均降雨日数146.7 d，降雨多集中在5～10月，占全年的85%～90%。

2 弃渣堆积体边坡变形特征

2.1 边坡形态特征

弃渣堆积体位于半节子沟一侧右岸，空间分布呈不规则长条状(图1、图2)，地形坡度平均25°，其前缘高程2 240 m，后缘高程2 320 m，相对高差约80 m，纵向长约210 m，横向宽约60 m，平均厚约10 m，体积约12.6×104m3。

2.2 边坡地质结构特征

根据岩性及结构特点，边坡主要涉及3类成因的地层：

图2 弃渣堆边坡工程地质平面图及变形裂缝分布图

2.3 边坡变形破坏特征

受2008年“5.12”汶川地震和2013年“4.20”芦山地震以及集中暴雨的影响，从2014年开始，弃渣堆边坡开始变形，到2017年变形进一步加剧，整个滑坡体范围内可见多处长10～30 m的大型裂缝，两侧边界可见明显剪切错动迹象。整个变形区因前缘临空，出现弃渣堆顶部下沉、坡体发生溜滑，并对弃渣堆前缘老堆积土体产生挤压剪出等变形，整体可分为四级变形所形成的错台与陡坎，每级错台高度均在10 m以上。各级下错台阶裂缝延伸较长，如LF07、LF09(图2(d))，形成最长可达50 m、宽约15 m的错台。

现场勘察表明，滑坡前缘剪出口以老堆积体剪出口变形裂缝为界(图2(a))，后缘以陡崖后壁为界(图2(f))，左、右两侧均以料石堆放边界的剪切裂缝为界，主滑方向248°，体积约12.6×104m3。研究区变形裂缝统计见表1，各剖面见图3。

表1 弃渣堆滑坡变形裂缝统计表

图3 弃渣堆边坡滑坡变形体工程地质剖面图

3 弃渣堆边坡变形破坏机制分析

根据上述变形特点及裂缝分布，弃渣堆滑坡整体属于推移式滑坡，而每一级平台弃渣堆表部又具有局部牵引式(后退式)滑移特征。

弃渣堆积体前缘下方为居民集中区，弃渣堆一旦发生整体滑坡失稳可能会出现以下两种次生灾害类型：(1)碎屑流；(2)坡面泥石流。无论哪种灾害，都会对坡下居民生命财产安全构成严重威胁。

为了获取弃渣堆岩土体的渗透性能，现场开展了原位双环渗透试验，得到弃渣体与下伏老堆积体的饱和渗透系数，结果见表2、图4。

表2 弃渣体与老堆积体不同深度渗透系数

图4 弃渣堆土体渗透系数随时间变化曲线

渗透试验表明，两种不同类型土体的饱和渗透系数都随着土体深度增加而呈递减的趋势，弃渣体表层的渗透系数为1.41×10-1cm/s，而埋深1 m时减小到2.00×10-2cm/s，但是下伏老堆积体的渗透系数因压密要小得多，其表层饱和渗透系数仅为1.88×10-3cm/s，埋深1 m时5×10-4cm/s。可见弃渣体表层的渗透性能是老堆积体表层的75倍，埋深1 m时也相差40倍，这说明弃渣滑坡体由弃渣堆石料组成，渗透系数相当大，持续降水会很快入渗至下伏老堆积体表面，由于老堆积体渗透性差，这部分水形成滞水富水带而软化新老堆积体界面，导致其强度参数急剧降低，再加之水的浮托力作用，导致弃渣堆积体易沿新老堆积体界面下滑。

4 降雨对边坡稳定性的影响

为了研究降水持续时长对弃渣堆滑坡稳定性的影响，运用SLOPE/W模块计算边坡稳定性系数，叠加SEEP/W模块中计算孔隙水压力的结果，模拟不同时间下持续降雨对弃渣堆积体边坡稳定性的影响。

模型共划分为3个区域，从上到下分别为弃渣体、老堆积体和基岩。且考虑各层岩土体均质各向同性，通过取样试验，同时结合参数反演和经验类比得到各层岩土体的抗剪强度指标(表3)。

表3 边坡物理力学参数建议值表

查阅《中国暴雨统计参数图集》，得到该弃渣堆所在地区的1 h、6 h、24 h、48 h、72 h状态下暴雨量及暴雨强度如表4所示。

表4 降雨参数统计值

选取弃渣堆积体滑坡主滑方向1-1′剖面为例，分布在0 h、1 h、6 h、24 h、48 h、72 h持续降雨的作用下稳定性计算结果如图5所示。

图5 1-1′剖面在持续降雨作用下相应稳定性系数

由图6(a)可知，边坡稳定性系数随降雨时间的增长呈非线性降低趋势，而降雨历时对坡体稳定性的影响随时间的增长而逐渐趋于变缓。降雨前坡体稳定性系数为1.080，处于基本稳定状态。降雨1 h后骤减到1.029，处于欠稳定状态。随着持续降雨，雨水不断入渗，坡体稳定性系数继续降低。降雨72 h后，坡体稳定性系数大幅减小至0.969，处于不稳定状态。在降雨24 h过程中，稳定性系数降低的速率最大，每24 h可降低0.102 mm，之后降低速率趋于稳定，每24小时降低0.004 5 mm。从图6(b)也可见，稳定性系数变化率随降雨历时的增长趋于平缓。但在24 h内，影响仍然显著，表明降雨入渗依然是影响边坡稳定性的主要因素。

图6 1-1′剖面在持续降雨作用下稳定性随时间变化趋势

5 结论

(1) 由粗颗粒组成的弃渣体边坡与其下伏老堆积土体由于密实程度的差异，两者渗透系数差异明显，埋深1 m时前者为2.00×10-2cm/s，后者相应部位为5×10-4cm/s，弃渣体是老堆积土体的40倍。

(2) 由于渗透差异，持续降雨进入弃渣堆后会很快入渗至下伏老堆积体表面，由于老堆积体渗透性能差，这部分水形成滞水富水带而软化新老堆积体界面，导致其强度参数急剧降低，再加之水的浮托力作用，导致弃渣堆积体易沿新老堆积体界面下滑。

(3) 基于Geo-Studio软件中的SLOPE/W和SEEP/W模块分析了弃渣堆积体稳定性随降雨时效的影响，表明稳定性系数随降雨时间的增长呈非线性降低趋势。

[1] Colomer-Mendoza et al. Influence of the design on slope stability in solid waste landfills [J]. Earth,2013,Sci 2(2):31-39.

[2] Huang Y et al. SPH-based numerical simulations of flow slides in municipal solid waste landfills [J]. Waste Manage Res,2013,(31):256-264.

[3] 李镜培,赵春风.土力学[M].北京:高等教育出版社,2008:4.

[4] 马晓燕,邸利,傅志娥,等.朱岔峡水电站2号弃渣场边坡稳定度分析与水土保持措施[J].中国水土保持,2011,5(5):53-55.

[5] 李林,夏禄清.矿山排土场稳定性研究的若干问题探讨[J].云南冶金,1998,27(5):9-13+31.

[6] 廖建.金元水电站10#渣场堆载过程中边坡稳定性演化分析[D].成都理工大学, 2013.

[7] 黄广龙,周建,龚晓南.矿山排土场散体岩土的强度变形特性[J].浙江大学学报(工学版),2000,34(1):56-61.