考虑堆填界面软化及地下水位波动的大型弃渣场边坡稳定性分析

林文华 叶诚耿 王浩

（1.福建仙游抽水蓄能有限公司，福建莆田 351267；2.地质工程福建省高校工程研究中心，福州 350116）

弃渣场广泛存在于铁路、公路、水电等行业，是基础设施建设中的重要附属设施。2015 年深圳光明新区红坳弃土场滑坡灾难引发公众广泛关注弃渣场边坡稳定与安全［1］。拟建的川藏铁路路线总长的80%以隧道通过，存在大量的隧道洞渣需要堆填处理，如何在高山峡谷地区进行弃渣场选址和建设，保障弃渣场边坡稳定性及其在降雨和渗流作用下的长期安全性的问题备受关注。

近年来，铁路系统逐步关注山区铁路建设过程中弃渣场边坡稳定问题。王明慧等［2］结合渝万铁路特点，提出山区高速铁路弃渣场选址、设计和建造的基本原则。田永铸、董智慧、王光辉、毛雪松等［3-6］分别对4 个山区铁路沿线大型弃渣场边坡开展了稳定性分析评价、降雨和长期渗流条件下变形预测，并提出弃渣场病害防治对策。公路系统也开展了类似的工作。陈武［7］针对山区高速公路弃渣场边坡开展了渗流稳定性分析研究；刘浩等［8］采用正交试验设计和方差分析理论分析了坡率、黏聚力、内摩擦角、坡高、渣体重度、下伏基岩倾角6个因素对宜巴高速公路咸池沟弃渣场的敏感性影响。在弃渣场边坡失效机理方面，肖志红［9］基于PFC 颗粒离散元的研究发现，随着颗粒粒径增大弃渣体的潜在滑动半径也相应增大，稳定性相对提高；刘建伟等［10］研究揭示新形成的弃渣场坡面由上而下，其土体内摩擦角逐渐增大，而土体黏滞系数的变化与弃渣场坡面形成过程关系密切；吴谦等［11］对弃渣体边坡稳定性的可靠度分析表明，稳定系数对渣体内摩擦角的变异最敏感，其次为黏聚力，对渣体重度变化敏感性最低；杨建强［12］的研究发现弃渣场安全系数、位移、应变的变化随堆载过程不同而有所区别。

上述研究涉及弃渣场坡度、力学参数、堆载位置、堆载顺序等影响因素，也初步讨论了降雨入渗对弃渣场稳定性的影响，但对弃渣场堆填界面在降雨和长期渗流作用下的软化规律及其诱发弃渣场在地下水位波动条件下稳定性弱化机制的研究还较为鲜见。深圳光明新区红坳弃土场滑坡灾难成因调查揭示，工程弃土的湿化、泥化甚至稀化，特别是堆填界面积水软化和地下水位上升是平缓地形条件下弃渣体实现远程奔涌和漫流平铺的原因，应给予重视［1］。

本文基于一大型弃渣场边坡在地质补勘、岩土试验和变形监测的基础上，采用有限元数值模拟方法，对堆填界面软化和地下水位波动条件下弃渣场边坡稳定性衰减规律作定量分析，从而评价和预测其长期运营的安全性，并与实际监测成果相互印证。

1 弃渣场边坡工程背景

1.1 弃渣场边坡概况

弃渣场位于水库主坝坝后，下伏基岩为侏罗系上统南园组第三段英安质晶屑凝灰熔岩，弃渣来源主要是水库和库区公路建设弃方，总占地12.7万m2，堆渣容量约320 万m3，最大堆填高度约60 m，于2012 年堆填完成运行至今。该区域属于南亚热带海洋性季风气候，年平均气温20.6 ℃，年平均降雨量1 300 ～2 300 mm。地下水以土体孔隙水和基岩裂隙水为主，补给较为充分，虽然设计了较好的基底排水设施，但闽南地区长期集中降雨导致的地表冲刷造成了弃渣体边坡临空面的局部溜坍变形，是否存在深层变形值得关注。因此，需要开展弃渣场边坡稳定性评估及其在堆填界面软化和地下水位波动条件下的变形趋势研究。

1.2 弃渣场边坡变形特征

为监控该边坡是否存在深层变形，在弃渣场边坡临空面坡面、坡顶和坡顶后方布设了3 孔柔性测斜仪和渗压计，进行边坡深部位移及地下水孔压动态监测，监测点具体位置见图1。

图1 弃渣场边坡地质模型

CK1 监测孔中渗压计放置深度约43 m，柔性测斜仪底端位于39 m 深处；CK2 监测孔中渗压计放置深度约45 m，柔性测斜仪底端位于41 m 深处；CK3 监测孔中渗压计放置深度约48 m，柔性测斜仪底端位于44 m 深处；柔性测斜仪与渗压计之间空隙以填砂处理。该监测设施于2019年3月20日开始采集数据，在2019 年5 月初即发现一段持续的地下水位上涨过程，在5 月18 日发现CK1 监测孔的柔性测斜仪在距孔口37 m 深处有0.6 mm 的轻微蠕动变形，虽然变形量值不大，但变形特征较典型；而CK2 和CK3 均未发现蠕动迹象。目前的监测数据显示该弃渣场边坡总体是稳定的。

2 弃渣场堆填初期边坡稳定性分析

2.1 岩土力学参数及数值模拟方法

根据前期设计资料及监测孔安装过程的补勘地质报告，选取弃渣厚度最大的典型剖面进行研究，其地质模型参见图1，上部由渣体堆填形成，临空坡面以1∶1.8 放坡，堆填高度约60 m，下伏基岩为凝灰熔岩，渣体和基岩之间为相对薄层的强风化层。现场勘察显示水位距孔口31.9 ～39.5 m，结合渗压计监测数据，在图1中绘制枯水期的地下水位。

基于Phase 2.0 岩土工程有限元软件进行数值建模，采用三角形网格将计算区域划分为2 060 个单元，弃渣体和下伏岩土体均采用Mohr-Coulomb 本构模型。岩土物理力学参数见表1。

表1 岩土体物理力学参数

2.2 堆填初期弃渣场边坡稳定性分析

采用有限元强度折减法对堆填初期弃渣场边坡枯水期进行稳定性分析，图2 和图3 是弃渣场边坡临界状态下的最大剪切应变云图和总位移云图。可知，在强度折减条件下，弃渣场边坡在临空侧距坡顶20 m 范围内产生松动变形，潜在变形体以圆弧形破坏模式在弃渣体内贯穿，在坡脚附近剪出，变形体厚度约为23 m；计算得到边坡稳定系数为1.343。根据DL/T 5353—2006《水电水利工程边坡设计规范》，Ⅰ级边坡正常状态下安全系数应达到1.25 ～1.30。因此，该边坡稳定性符合规范设计要求。

图2 弃渣场边坡最大剪应变云图

图3 弃渣场边坡总位移云图

3 考虑堆填界面软化的弃渣场边坡稳定性分析

3.1 堆填界面软化效应及强度衰减规律

大量研究发现，除了弃渣体内剪切变形失稳之外，堆填界面经常是弃渣体边坡失稳破坏的重要依附界面。其主要原因在于弃渣场在长期运行过程中，由于降雨入渗影响，极易在渣体中产生淋溶效应，颗粒较细的黏粒随着地下水渗流在粗颗粒孔隙中迁移运动，最后依附堆填界面积聚充填，形成控制弃渣体稳定性的软弱界面。本文研究区域雨量极为充沛，弃渣体颗粒粗细不均，具有大孔隙特征，淋溶效应尤为突出。

监测发现该弃渣场地下水位长期位于堆填界面以上。堆填界面在地下水长期浸泡条件下，易发生崩解或水解，造成结构损伤，大大降低堆填界面岩土层的力学强度。对该弃渣场补勘钻孔采集的土样进行土工试验，软化带附近的土样在天然快剪试验条件下黏聚力为17 kPa，内摩擦角为16°。内摩擦角比堆填界面以上土体物质结构类似的全风化凝灰熔岩低9°，表明堆填界面在长期淋溶和浸润条件下具有明显的软化效应。

3.2 考虑堆填界面软化的边坡稳定性分析

为客观反映堆填界面软化效应对弃渣体稳定性的影响，将位于地下水位以下的全风化凝灰熔岩的参数调整为试验得到的堆填界面软化带的强度，地下水位以上仍取原值，采用有限元强度折减法对弃渣场边坡稳定性进行比较研究，强度折减至破坏条件下的最大剪应变、总位移云图分别如图4、图5所示。可见，临界状态下弃渣场边坡在坡顶的松动变形范围扩大到35 m 左右，潜在变形体厚度也增加至约37 m。其下部变形明显依附堆填界面产生剪应变集中，并延伸扩展贯通在坡脚剪出，变形模式为上部弃渣体内弧形破坏与堆填界面相组合的复合型。计算得到的边坡稳定系数为1.202，较堆填初期明显下降。

图4 考虑堆填界面软化弃渣场边坡最大剪应变云图

图5 考虑堆填界面软化弃渣场边坡总位移云图

研究结果表明，弃渣场边坡在长期渗流淋溶和浸水软化条件下，由于堆填界面的软化效应，其潜在变形破坏可能由弃渣体内圆弧破坏模式转化为弃渣体上部圆弧和下部堆填界面组合式破坏模式，边坡稳定性降低，虽然仍能保持总体稳定，但对照规范要求，存在设防安全系数不符合规范规定的可能。

4 考虑地下水位波动的弃渣场边坡稳定性分析

4.1 弃渣场边坡地下水位波动特征

现场地下水位监测数据显示，CK1 在枯水期水位距孔口34.96 m，丰水期水位距孔口32.96 m，涨幅约1.94 m；CK2 在枯水期水位距孔口41.53 m，丰水期水位距孔口41.05 m，涨幅约0.48 m；CK3 在枯水期水位距孔口40.32 m，丰水期水位距孔口39.03 m，涨幅约1.29 m。

由监测数据可知，地下水位在雨季变化幅度约2 m；对照该期间降雨量监测数据，该水位上涨是由于2019年5月梅雨季节仙游地区连续大暴雨引起。根据地下水位上涨约2 m 来模拟丰水期边坡变形破坏特征以及稳定性变化，并与前文采用枯水期地下水位监测数据为基准的研究进行对比分析。

4.2 考虑地下水位波动的边坡稳定性分析

基于考虑堆填界面软化的边坡稳定性分析模型，将地下水位调整至丰水期高度，同样开展强度折减有限元分析，得到临界条件下边坡最大剪应变、总位移云图分别如图6、图7 所示。可知，在地下水位小幅上升约2 m 的情况下，边坡失稳破坏模式和潜在变形范围与图4 和图5 显示的结果十分类似，但计算得到边坡稳定系数为1.184，较枯水期考虑堆填界面软化模型计算得到的安全系数下降0.160。因此，降雨诱发的地下水位上升将导致边坡稳定状态继续下降，进一步削弱了弃渣场边坡的设防安全性，其后续演变趋势值得重视，需要进一步开展研究。

图6 考虑雨季及堆填界面软化弃渣场边坡最大剪应变云图

图7 考虑雨季及堆填界面软化弃渣场边坡总位移云图

5 问题讨论

5.1 边坡变形破坏模式验证分析

在考虑堆填界面软化效应情况后，弃渣场边坡在旱季与雨季的变形破坏模式均为沿着软弱带呈组合型破坏。现场监测数据显示，强降雨期间弃渣场边坡的CK1 孔曾发生深层的轻微蠕动，其监测数据曲线见图8，深度37 m 处变形量值为0.6 mm，39 m 处变形量值为0.1 m，在39 m处以下仍有变形，但后续期间该处位移未继续增加。CK2 和CK3 的监测数据变形值均小于0.1 mm，在监测误差范围之内，代表性不强，但需进一步加强监测跟踪。

图8 CK1深部位移变化曲线

比较模拟分析得到的图7所示的边坡总位移云图和弃渣场深部位移监测得到的图8所示的深度位移变化曲线，发现数值模拟结果与CK1 监测孔捕捉到的轻微蠕变的变形位置相同，模拟效果与监测数据吻合，表明弃渣场边坡在长期运行过程中，存在因地下水位波动依附堆填界面软化带变形蠕动的可能。

5.2 堆填界面软化规律对边坡稳定性的影响

现场补勘钻孔的土工试验揭示由于淋溶效应和浸润软化，堆填界面的黏聚力下降3 kPa，内摩擦角下降9°。造成这种情况的原因是软化带在淋溶过程产生土体结构性崩解破坏，并被伴随地下水流动过程迁移而来的黏粒所充填，导致堆填界面岩土颗粒细化和力学强度弱化。

为描述此过程对弃渣体边坡稳定性的影响，假定弃渣场边坡堆填界面软化带的强度成梯度衰减，设定该软化带黏聚力每下降1 kPa，内摩擦角即下降3°，设置4 组不同堆填界面软化带力学强度参数，并将此4组强度参数代入边坡稳定性计算模型，得到相应软化条件下的边坡稳定系数，见表2。可知，伴随堆填界面强度软化过程，边坡稳定系数总体呈线性降低规律。

表2 不同软化带强度条件下边坡稳定系数

5.3 地下水位波动对边坡稳定性影响

监测数据显示地下水位在3—5 月期间变化约2 m，尚不能完整揭示台风暴雨期或排水设施失效诱发地下水位进一步上浮的极端不利工况。为充分研究地下水位波动对弃渣场边坡稳定性影响，以现有监测数据显示的地下水位波动范围为参考，进一步将地下水位分别提升2 m 和4 m 进行边坡稳态发展趋势的数值模拟预测，得到边坡稳定系数见表3。

表3 不同地下水位条件下边坡安全系数表

根据DL/T 5353—2006 规定，Ⅰ级边坡在强降雨条件下边坡安全系数要求为1.15 ～1.25。而本节的计算结果表明，随着暴雨期的地下水位继续抬升，该弃渣场边坡稳定系数降至1.125，达不到规范规定在暴雨工况下的设防要求。

6 结论

为研究堆填界面软化和地下水位波动对弃渣场边坡稳定性的影响，在地质补勘、岩土试验和变形监测的基础上，采用强度折减有限元法模拟研究了一大型弃渣场的典型失稳机制和稳态演化规律。主要结论如下：

1）在长期淋溶效应和地下水浸润条件下弃渣场的堆填界面存在明显的软化效应，诱发依附堆填界面产生应变局部化，从而导致边坡潜在失稳模式的转变、松动区的扩大和边坡稳态的下降。弃渣场设计与运行过程中，应对堆填界面软化效应予以重视。

2）该弃渣场的监测数据显示雨季地下水位上浮约2 m，导致边坡稳定系数降低；若遭遇极端降雨事件或排水设施失效诱发地下水位进一步抬升，可能导致边坡安全储备不足。因此，应加强地下水位监测和地下排水设施维护，保障弃渣场的长期稳定与安全。