基于AutoBank防渗渣场抗滑稳定性研究

王 河，吴维兴，马 俊，程 功

(中国电建集团贵阳勘测设计研究院有限公司，贵州 贵阳 550081)

0 引 言

近年来，随着国家社会经济持续快速增长，第二类工业固体废物及危险废物的产生量日益加大，所带来的环境问题也日益突出。尤其是废渣中的有害物质经雨水淋浸后发生的渗滤液如果得不到有效处理将对周边环境及地下水造成极大污染。根据相关法律法规及规程规范，要求未综合利用的第二类工业固体废物及危险废物必须建设防渗渣场集中堆存和控制，避免发生环境污染。

在防渗渣场抗滑稳定作为其建成后的运营过程中的关键因素，一旦发生抗滑稳定安全事故，防渗渣场将变为集中污染源，对周边环境产生巨大影响，因此必须对防渗渣场的抗滑稳定予以充分重视和重点研究。

当前，对防渗渣场抗滑稳定性的研究，往往是参考相关规范要求，针对某工程的具体情况进行渗流稳定分析，并没有针对影响防渗渣场抗滑稳定性的各种影响因素进行系统的分析与研究。为此，该文结合防渗渣场的特点，在已有研究的基础上，以灰渣贮灰场为例，针对在防渗渣场中渣体材料参数、防渗材料、初期坝、堆积坝等影响其抗滑稳定性的关键因素，进行系统分析与研究，并对全渣场铺设防渗膜和满足抗滑稳定要求情况下，初期坝坝高、堆积坝坝高和坡比进行推荐，旨在为今后防渗渣场的建设提供依据和参考。

1 抗滑稳定数值模拟

1.1 抗滑稳定分析模型

利用AutoBank7.7软件采用有限元法对防渗渣场进行渗流模拟，并在渗流模拟结果的基础上采用简化毕肖普进行抗滑稳定计算。防渗渣场抗滑稳定分析有限元模型控制变量为初期坝高度、堆积坝高度和堆积坝坡比。

在模型建立时，防渗渣场基础应结合相关地形地质条件经简化后建立；同时参考GB50863《尾矿设施设计规范》等规程规范的规定，防渗膜采取2.0 mm厚HDPE膜，在防渗渣场全区域铺设；初期坝设置应满足自身稳定需要，坝型采用土石坝，上游坡比设置为1：2.0，下游坡比设置为1：2.5；堆积坝采用灰渣坝；防渗渣场初期坝高度、堆积坝高度和堆积坝坡比为变量，根据研究情况可进行控制和调整。

此外，应根据防渗渣场堆积坝排水设施的设置情况，在初期坝坝顶高程处设置30 m宽渗透系数不小于0.05 cm/s的排渗设施。

图1 防渗渣场抗滑稳定计算模型

1.2 材料参数

在采用AutoBank7.7软件对防渗渣场模型不同区域进行材料渗透系数与物理力学参数的选取时，由于防渗膜渗透系数较小，可将其视为不透水材料，同时不考虑地下水对材料参数的影响。材料的水上、水下参数在输入数值后，可在抗滑稳定计算时，通过选择浸润线作为设计水位线后，由软件自动选取。防渗渣场抗滑稳定分析计算材料参数详见表1。

1.3 求解设置

防渗渣场渗流分析采用有限元法求解稳定渗流场，模型采用纯三角形网格进行单元划分，单元控制尺寸为5 m；渗流分析时最高洪水位为调洪允许最高水位(防渗渣场干滩对应水位)，上游进水面为最高洪水位高程以下渣体表面，下游自由出逸面为堆积坝下游坡面。

防渗渣场抗滑稳定计算采用简化毕肖普法求解最危险圆弧滑面，最高水位线取稳定渗流分析计算结果中的浸润线，受力仅考虑自重，最危险滑弧搜索范围设定在堆积坝坡面及上游一定范围内，计算工况采用洪水工况。

此外，根据GB50863《尾矿设施设计规范》等规程规范的规定，防渗渣场堆积坝综合坡比不陡于1：3.0，随着堆积坡度的放缓，安全系数增加，但库容急剧减少，经济性变差，因此综合堆积坝综合坡比也不宜缓于1：4.5。经统计，工业固废防渗渣场总坝高大多在60～80 m。因此，防渗渣场抗滑稳定计算时应充分考虑上述情况及要求，并在上述情况及要求的基础上进行相关影响因素控制变量参数的选取。

表1 抗滑稳定计算材料参数表

2 结果与分析

2.1 防渗膜对抗滑稳定的影响分析

在计算分析防渗膜对防渗渣场抗滑稳定的影响时，应控制渣体参数不变；总坝高控制在60 m(三等工程)；初期坝坝高控制在5～35 m，级差为5 m；堆积坝坝高根据总坝高和初期坝坝高调整，堆积坝坡比控制在1：3.5。

由图2和图3可知，当初期坝坝高15 m时，最危险圆弧通过膜渣界面的薄弱区域，即当初期坝坝高小于15 m时，防渗膜是防渗渣场抗滑稳定的最大影响因素；当初期坝坝高20 m时，最危险圆弧主要通过渣体区域，仅在临近初期坝坝顶处通过膜渣界面的薄弱区域，即当初期坝坝高大于20 m时，防渗膜对渣场稳定的影响较小，渣体自身材料参数指标成为影响防渗渣场抗滑稳定的最大因素；当初期坝坝高介于15～20 m之间时，影响防渗渣场抗滑稳定的因素由膜渣界面的薄弱区域逐渐过渡为渣体自身的材料参数指标。此外，防渗膜对防渗渣场抗滑稳定的影响仅通过初期坝坝高起作用，与防渗渣场其他因素无关。

因此，当初期坝坝高较低时，进行防渗渣场抗滑稳定分析必须充分考虑防渗膜的影响。同时为降低防渗膜对防渗渣场抗滑稳定的影响，初期坝坝高不宜低于20 m。

图2 初期坝高15m时抗滑稳定计算结果图

图3 初期坝高20m时抗滑稳定计算结果图

2.2 渣体参数对抗滑稳定的影响分析

在计算分析渣体参数对防渗渣场抗滑稳定的影响时，渣体参数中容重、粘聚力和内摩擦角变化范围均为0、±10 %、±20 %；总坝高应控制在60 m(三等工程)；初期坝坝高控制在20 m；堆积坝坝高控制在40 m，堆积坝坡比控制为1：3.5。

由图4可知，防渗渣场安全系数与渣体参数呈正相关，随着渣体参数的增大，防渗渣场安全系数逐渐增大；但渣体参数中容重、粘聚力和内摩擦角引起的防渗渣场安全系数的变化程度不同，其中渣体内摩擦角变化引起安全系数的变化最大，渣体容重次之，渣体粘聚力最小，即渣体参数中内摩擦角是影响防渗渣场抗滑稳定的最关键因素。因此，在防渗渣场建设尤其是运营阶段，必须对入场渣体加以控制，如对入场渣体进行预处理或入场后进行碾压处理，以增大入场渣体材料参数，提高防渗渣场安全裕度，确保防渗渣场抗滑稳定安全性能。

2.3 初期坝对抗滑稳定的影响分析

在计算分析初期坝对防渗渣场抗滑稳定的影响时，应控制渣体参数不变；总坝高控制在60 m(三等工程)；初期坝坝高控制在5～35 m，级差为5 m；堆积坝坝高根据总坝高和初期坝坝高调整，堆积坝坡比控制为1：3.0～4.5，级差为0.5。

由图5可知：在防渗渣场总坝高60 m时，如果堆积坝坡度一定，则防渗渣场安全系数与初期坝坝高近似呈正线性关系；随着初期坝坝高的增加，安全系数逐渐增大且增幅大致相同，即初期坝每增高1 m，安全系数约提高0.019～0 020；在初期坝坝高较小(20 m以下)时，由于受到防渗膜的影响，防渗渣场安全系数较小，不能满足《尾矿设施设计规范》(GB50863)等规程规范规定的三等工程的安全系数(1.20)要求。因此，从防渗渣场安全性的角度看，初期坝坝高亦不宜过低。

图4 渣体参数与安全系数的关系图

此外，若初期坝坝高过高，虽然能增加防渗渣场库容和安全性能，却会额外增加工程投资，造成工程的不经济。因此，应在满足防渗渣场库容和最低安全性能要求并预留一定安全裕度的前提下，尽量降低初期坝的坝高。结合防渗渣场中防渗膜对安全系数的影响，经综合考虑，初期坝坝高不应低于20 m，若总坝高低于20 m时，应考虑采用一次筑坝。

2.4 堆积坝对抗滑稳定的影响分析

由防渗膜、初期坝对防渗渣场抗滑稳定的影响分析可知，初期坝坝高不宜过低，亦不宜过高，经综合考虑，宜取20 m。在分析堆积坝坝高对防渗渣场抗滑稳定的影响时，应在初期坝坝高为20 m的基础上进行计算分析。

同时结合求解设置的要求，在计算分析堆积坝对抗滑稳定的影响时，应控制渣体参数不变；初期坝坝高控制在20 m；堆积坝坝高逐渐加高直至防渗渣场抗滑稳定安全系数不满足要求为止，堆积坝坡比控制为1：3.0～4.5，级差为0.5。

图5 初期坝坝高与安全系数关系图

由图5和图6可知，当初期坝坝高和总坝高(60 m)一定时，防渗渣场安全系数与堆积坡比近似呈反线性关系；随着堆积坝坡比的增加，安全系数逐渐减小且减小的速率亦逐渐减小。

当总坝高60m且初期坝坝高不低于20 m时，防渗渣场除在初期坝坝高20 m和堆积坝坡比1：3.0时安全系数(1.16)不满足规范对三等工程安全系数要求(1.20)外，在其他初期坝坝高和堆积坝坡比下安全系数均满足规范要求。

图6 堆积坝坡比与安全系数关系图

由图7可知，在初期坝坝高与堆积坝坡比一定时，防渗渣场安全系数与堆积坝坝高亦近似呈反线性关系；随着堆积坝坝高的增加，安全系数逐渐减小且减小的速率亦逐渐减小；当堆积坝坝高增加到一定高度后，防渗渣场安全系数不再满足规范要求，此时的堆积坝坝高即为堆积坝坡比对应的最大堆积坝高度。

由图8可知，初期坝坝高一定时，最大堆积坝坝高随着堆积坝坡比的增大逐渐减小且减小的幅度越来越小；堆积坝坡比1：3.0、1：3.5、1：4.0和1：4.5对应的最大堆积坝坝高分别为39 m、43 m、49 m和57 m。

图7 堆积坝坝高与安全系数关系图

图8 堆积坝坡比与最大堆积坝高关系图

综上分析，堆积坝坝高与坡比皆对防渗渣场的抗滑稳定产生影响，其与防渗渣场安全系数呈反比，即堆积坝高度越低、坡度越缓，防渗渣场越安全，此时防渗渣场库容也较小，从工程投资上看，工程不经济。因此，应在满足安全、库容要求及工程经济三者的平衡下，选择适当的堆积坝坡高与坡比。

当防渗渣场工程等别一定时，即在防渗渣场库容和规范要求最低安全系数，并裕留一定的库容和安全裕度的前提下，为满足工程经济性，当初期坝坝高选定为20 m时，贮灰场堆积坝坡度宜不陡于1：3.5时，此时对应的防渗渣场安全系数皆满足规范要求。因此，贮灰场堆积坝坡比应选择1：3.5，最大堆积坝坝高为49 m。

3 结 论

1)为减小防渗膜对防渗渣场抗滑稳定的影响，增强防渗渣场抗滑稳定性能，初期坝不宜低于20 m；若总坝高低于20 m时，应考虑采用一次筑坝。

2)在防渗渣场渣体材料中，内摩擦角是影响防渗渣场抗滑稳定的最关键因素，必须给予充分重视。

3)为满足贮灰场抗滑稳定要求，初期坝坝高20 m时，堆积坝坡比宜为1：3.5，最大堆积坝高不宜超高49 m；若要增加堆渣高度必须增加初期坝坝高或放缓堆积坝坡比。