固体废弃物堆场深层缓倾角推移式破坏实例分析

柴建峰，周喜军，江献玉，刘殿海，王震洲，凌 超，闫 宾，李沁书

（国网新源控股有限公司技术中心，北京市 100053）

0 引言

不同行业对人工固体废弃物堆场的命名有所不同，水电工程称之为弃渣场；冶金和有色金属行业称之为排土场；此外，还有工业废渣堆场和垃圾填埋场等名称。

水电工程弃渣由于物源来源复杂，既有石料，又有覆盖层和全强风化物质，加之施工工期长，可能还混有一定量的生活生产垃圾，堆积时间长，经历不同的季节变化，致使水文地质条件复杂，影响其稳定性的因素主要是水力侵蚀、重力侵蚀和人为活动影响等。排土场（waste dump，spoil dump），即堆放剥离物的场所，也叫废石场，是在矿山采矿排废物集中排放的场所。冶金行业规范主要泛指铁矿山的排土场。有色金属一般指非铁金属，是铁、锰、铬以外的其他金属，主要是指铜、铝、金、银等金属。

随着国家对固体废弃物堆场安全和水土保持等生态环境问题日益重视，弃渣场的勘测设计、堆置过程管理和后期运行监管，必然成为水电站建设管理和运营的重要组成部分之一。

弃渣场/排土场多由岩石碎块、强全风化层物质组成，其间混有细颗粒物质，具有较高的内摩擦角，若选址合适，随着自重压实固结，自稳能力一般逐渐提高。

王运敏等[1]将排土场内发生的滑坡主要分为三类，见图1，其破坏范围大小和影响程度主要由弃渣体物理力学参数、内部软弱夹层和其他外部条件控制（外部条件包括几何尺寸、堆积高度、水文地质条件、外部荷载等），其中后两种类型与地基的岩性和坡度等有关。喻葭临等[2]结合水电工程实践经验，将水电站渣场失稳表现分为4种，即表层塌滑、弧面型滑动以及沿下伏软弱结构面复合型滑动等类型。

图1 排土场滑动破坏模式（据文献1修改）Figure 1 The failure model of waste dump

从接触的多个水电工程渣场设计资料来看，多有以下特点：弃渣场设计时多将渣体视为均匀体，多是用软件搜索潜在滑动面，较少考虑其他潜在滑面；专门针对弃渣场的地勘工作尚不明确。基于工作中的认识和文献分析，以下先主要介绍几个固体废弃物堆场工程实例，并分析其活动诱发原因和其变形机理，最后探讨相应的勘测设计工作关注点。需要说明的是，工程实例主要来自公开出版的专著、论文或博客（王运敏，2011年；殷跃平，2016年；刘传正，2015年；岳仲琦等，2015年）[1-6]。

1 固体废弃物堆场深层缓倾角推移式破坏实例

1.1 俄罗斯库彻金煤矿排土场[1]

当地基中软弱岩土层有一定厚度时，地基变形经常会出现底鼓和土层孔隙水压力急剧升高等变化，如俄罗斯库彻金煤矿排土场地基为含水泥岩，厚度为0.2～20m，排土场台阶高度为20～40m。由于软岩地基的变形破坏和滑动，使排土场产生影响范围达1400m的滑坡。在1.5年内排土场边坡沉降达15m，渣体前地面出现波浪状鼓起高达5～12m，图2为变形破坏示意图。

软弱地基变形初始阶段分布在边坡底前方30～70m范围内，地基出现裂隙、剪切缝、鼓起，地基上鼓起了3条相距40～60m的土埂，高度达4～5m。排土场渣场自重压力不仅使软岩地基产生变形破坏和地形改变，而且对于地基软岩下面的硬岩层产生变形和影响，由于地基受压不均匀产生不均匀沉降，进一步牵引其上方排土场边坡的变形，进而诱发了大规模的整体滑动破坏。

图2 排土场前方软地基鼓起变形示意图（据文献[1]修改）Figure 2 The deformation of waste dump foundation in soft ground stratum

1.2 平朔安太堡煤矿南排土场失稳[1]

1.2.1 排土场及地层概况

平朔安太堡露天煤矿1987年投产，其南排土场设计容量1.16×108m3，原“设计规划”排弃完备后总体坡脚为22°～37°，堆置高度为150m。南排土场滑坡破坏之前，其边坡角仅为18.6°～20.3°，边坡坡高135 m，已排土约9.8×107m3，尚未达到设计容量。

排土场基底为粉质黏土和黄土互层，黄土中黏土矿物以伊利石/蒙脱石为主，含量47%～79%，平均65.3%。伊利石/蒙脱石在遇水情况下，具有较强的吸附水分子于颗粒表面的能力，形成较厚的水化膜，使土体抗剪强度大幅度降低，并增加了黄土的可塑性和塑性变形能力。

1.2.2 排土场破坏变形情况

1991年10月29 日，南侧排土场滑动失稳，滑体最大走向长度1095 m，滑坡体沿主滑方向冲出坡底距离达245 m，滑体宽度约420 m；滑体最大垂向位移135 m，对应高程1315～1450m；滑动体体积约1×107m3，占排土量的百分比×100%=10.2%。

滑坡体上部主动区段，形成多级坐落式台地，深宽裂缝交错发育，滑坡后壁垂直落差达73 m，后缘斜坡长度100多米。在滑坡体的中上部形成巨大深沟，图3为滑动破坏后的工程地质纵断面。滑坡摧毁了一些的采矿设备、场区公路、办公楼等，经济损失严重。

1.2.3 探讨该滑坡发生机理

（1）独特的地下水系统的形成，进而弱化基底深厚黄土层力学参数。

排土场基底为第四系黄土，除了黄土层本身强度较低外，基底深厚黄土层在压密固结的过程中，由于含水量及压力增加发生湿陷作用，湿陷压密后的黄土强度增加、渗透性显著降低，进而形成了相对隔水层和滞水带；由地表渗入的地下水在隔水层（湿陷压密后的黄土）之上的粉土黏土地层中逐渐聚集，形成富水带或滞水区，甚至形成了统一连续的地下水位。事后地质钻孔也发现滑面以上有高度2m左右的地下水位，这表明随着排土场弃料堆积固结，在大气降雨等作用下，排土场中也形成了独特的地下水运移形式，地下水致使大量亲水黏土矿物水化变软，在黄土层中形成了强度极低的软塑层，进而影响排土场的稳定[1]。

该排土场基底黄土（主要为粉质黏土和黏土）力学参数具有如下特点：湿陷性黄土，内聚力48kPa和内摩擦角15.8°；无湿陷性黄土，内聚力57～110kPa和内摩擦角22.5°～25.6°；根据滑坡反分析计算，滑面力学参数内聚力30kPa和内摩擦角7°。可见，亲水性黏土矿物吸水后抗剪强度指标急剧降低。

（2）基底黄土层内软弱滑动面的演化及形成。

该滑坡为沿地基软弱带发生的推移式深层滑坡。软弱滑动层是在上覆排土压力下，黄土的微结构浸水变化而形成的演化软弱层，该层是导致排土场失稳破坏的主要控制因素。

事后数值模拟发现，若不考虑黄土浸水力学性质劣化演化而成的软弱面，则排土场基底黄土内仅有孤立的塑变区出现，塑性区不贯通，可能不会发生大规模滑动破坏；但若考虑软弱面，采用软弱面物理力学参数进行数值模拟，则塑性区明显贯通，贯通形态与滑面形态相符，边坡处于整体不稳定性状态[1]。

图3 安太堡煤矿南排土场滑坡工程地质纵断面图（据文献［1］修改）Figure 3 Longitudinal profile of Nanpai spoil dump

1.3 美国MSW固体垃圾场大滑坡

1.3.1 MSW固体垃圾场概况

1996年3月9 日，美国俄亥俄州辛辛那提市西北郊外15.3km处的城市生活垃圾和工业固体废物堆场MSW发生滑坡，滑坡总量120万m3，横向位移275m，垂直最大位移达61m，图4为滑坡破坏后的地质纵断面图[1]。

该垃圾场基底岩层为页岩和石灰岩，呈缓倾角（1～2m/1000m，0.06°～0.12°）上覆2～5m后的褐色土层，褐色土层由残积土和崩积物组成，黏粒含量较高，总体呈层状结构，多含有碎石岩块。褐色黏土和风化页岩在地下水的浸泡风化作用下，塑性增大，抗剪强度急剧下降，是垃圾场滑动失稳破坏的“内因”条件之一，是导致垃圾场失稳滑动的主要控制因素。

1.3.2 失事原因分析

事后分析资料表明[1]：

（1）公路施工在坡脚处开挖形成临空面，诱发了滑坡体前缘变形，大大降低了整个固体堆场的稳定性。

（2）坡顶处，在滑坡前几个月堆积了约2300t垃圾。

图4 美国MSW固体垃圾场滑动后的纵断面图 （据文献[1]修改）Figure 4 Longitudinal profile of MSW，USA

（3）坡顶的裂缝在滑坡初期出现，并不断张开、加深，进而出现陡坎，这些特征符合“推移式滑坡特征”。

（4）固体废弃物中，形成了连续统一的地下水位线，由高水头垃圾堆流向堆积体前缘坡脚，地下水浸泡弱化了褐色黏土层和风化页岩的抗剪切能力。

（5）测斜仪观测资料揭示饱和褐色黏土层为主要滑动面，滑面在坡脚处的临空面也沿着软黏土层出露。

MSW垃圾场滑坡变形机理是：滑面沿着地基褐色黏土层和风化页岩发生发展，主要原因是地基褐色黏土泡水后剪切强度降低，加之在坡顶再加载（继续堆填垃圾）、临近爆破震动、坡脚开挖等因素诱发下发生的深部推移式滑动破坏[1]。

该固体垃圾中曾经堆置过烂泥等物质，但本次滑动并没有沿着固体废物内部软弱带滑动。市政垃圾料的抗剪强度较高可能与其中的塑料制品和其他材料相互“咬合”等因素有关，这也是一些市政垃圾场边坡坡脚近乎直立状态但可以保持长时间的稳定性的原因之一。

可见评价弃渣场/固体废弃物的稳定性，不仅要重视弃渣弃料的稳定性，还要重要地基的软弱地层力学参数浸水后进一步劣化和潜在的深部滑动破坏。

1.4 深圳 12.20 渣场事故 [3-6]

1.4.1 渣场概况

2015年12月20 日，该弃渣场发生了大规模失稳滑坡，涉及15家公司的22栋厂房在事故中被掩埋，损失惨重。该弃渣场利用山顶处废弃的凹陷采石场堆渣逐渐形成，由于其位于山顶，高程高于周边厂房和居民区，为一典型的“头顶库”。

事故调查组的结论：建设和经营者均没有在该弃渣场修建完善可靠的导排水系统，在渣场底部的大量积水没有得到有效清除之前就开始堆填建筑渣土，加之在弃渣场周边泉水和天降雨水的不断加入，弃渣体内部的含水量不断升高，最后达到过饱和的状态，这就造成弃渣体底部和原始地面之间形成软弱滑动层；另外，弃渣场还存在严重的超高超量加载渣土的现象，大量渣土在自身重力作用下沿南高北低的山势滑动，形成了破坏力巨大的高势能滑坡体。

1.4.2 滑动破坏面特征

弃渣体最高处和最低处相差仅50m左右，且坡体较平缓，未滑动前，前缘坡度约30°，弃渣体破坏后的残留滑面非常平缓，和一般岩土计算软件搜索出的潜在滑动面差别很大，如图5所示为工程地质纵断面图。补勘钻孔资料揭示滑动的破坏面极其平缓，角度仅有4°左右[3]。文献[4]称之为“泥垫托筏效应”，即在承压浮托、泥化地基、临空滑移和堆载堆挤等综合作用下形成“人造滑坡”。

图 5 工程地质纵断面图[3]Figure 5 Longitudinal profile of the landslide[3]

地下水抬升对弃渣体稳定性影响较大，虽然该弃渣场堆积坡度较为平缓，其稳定性也随着地下水位的抬高而大大降低。由此可见，即使在封闭条件较好、凹陷的采石坑内堆放弃渣，只要在凹陷处存在相对低的出口，弃渣体依然存在沿凹陷较低出口处失稳破坏的风险。

其失稳破坏与地下水作用紧密，尤其是大量积水未排就开始弃渣，加之深圳降雨量较大，可致使弃渣体饱和强度降低，加之弃渣成分复杂，在浸泡等作用下淤泥化，在底部或者渣土内部可能形成多个潜在软弱滑动层带[5-6]。

2 固体废弃物堆场的水文地质特征

固体废弃物堆场地下水的补给来源主要是大气降雨或原有地表和地下水补给，作为一个水文地质单元，具有补给、径流和排泄途径。国内许多学者对降雨入渗条件下边坡稳定性进行了研究，获得如下共识：在降雨入渗条件下，非饱和土层中孔隙水压力随之升高、土体重度随之增加；由于水对土体浸泡软化作用使其抗剪强度降低，边坡的稳定安全系数则会随之降低。

固体废弃物堆场不仅是大气降雨的滞水体和和蓄水体，还是地下水的渗流通道，其地下水主要来源有：

（1）大气降雨经过山坡和弃渣表面汇水入渗形成。

（2）原有场地泉水溪水等地下水排泄点，被弃渣覆盖后，但仍然有地下水活动且进入弃渣体。

大气降雨经山坡汇水、原有地下水和渣体表面降雨入渗补给排土场/弃渣场，经弃渣内部径流由高水头流向低水头，在排土场坡脚处排泄，图6为理想状态下地下水运移示意图。

图6 弃渣场地下水补给和排泄示意图（据文献[1]修改）Figure 6 The sketch map of groundwater migration around solid waste depots

目前弃渣场的水文地质条件分析，多未考虑到原有地貌条件下水文地质条件的改变对弃渣场运行的影响，如泉水等对堆渣后水文地质条件的影响。事实上，由于弃渣体为物源复杂的人工堆积体，其内部结构同自然边坡相比更为复杂和随机，自然形成的坡积物、洪积、崩塌堆积等尚有一定规律可循。水电工程弃渣场多种来源的渣料混合堆填一般会导致颗粒级配严重不良，所以实际工程中也很难准确判定和评价渣体内部渗流场。

3 探讨缓倾角深层滑动的发生机理

上述固体堆场失稳实例也说明了岩土力学中的强度和变形问题并不是完全不相关联的，但在土力学中，有关地基变形的计算和地基稳定性（强度）的验算往往是分别讨论的。

地基变形的理论计算一般限制在弹性的范围内，而强度失稳则是土体中塑性剪切变形发展的结果，对于这两类问题分别采用不同的方法来计算，似乎是互不相关的两个问题，但在实际工程案例中，这两个问题并不是截然分开的[7]。在加荷载的过程中，土中应力不断地增大，土体由弹性状态向塑性状态发展，由局部的塑性破坏逐渐扩展，直至完全破坏（见图7）。完全弹性或完全塑性的状态只是两个极端，大部分的过程是两种状态并存、互相关联发展的[7]。

地面的沉降往往掩盖了深层的局部剪切破坏，如果不采取措施，最终可能会酿成整体破坏的事故[7]。尤其对于相对松散弃渣/排土场，由于堆积高度高，变形量大，在稳定性分析时，忽视或不重视堆渣失序分析和相对软弱层的侧向水平位移可能会有较大的安全隐患。

弃渣场底部存有软弱地层，且有发生侧向位移的地形地貌条件时，侧向水平位移大小（多指临空面方向）是一个十分敏感和关键的指标，反映了岩土体中是否发生塑性变形，可将其作为检验地基稳定性的指标之一。

目前弃渣场工程设计措施中对堆渣工程、拦挡工程和排水工程均十分重视，地表和渣体底部设置了综合的截排水设施，如地下盲沟、地表截水沟和排水沟渠等。但对地下水对软弱基座及渣体内夹层的软化或溶蚀、潜蚀等作用考虑得相对较少。

图7 地基破坏过程的几个阶段[7]Figure 7 The characteristic of foundation deformation according to different load

可见，在上覆岩土层（渣体）压力和地下水的浮托和渗透压力等作用下，基底软弱岩层将可能产生塑性流动并向临空面方向挤出，并先在上覆岩土层后缘某处产生拉裂形成陷落带，进而可能形成整体式的侧向扩离，最终形成缓倾滑面的平推式滑坡。

由以上分析可见，上述固体堆场的缓倾角深层推移式破坏可归于边坡的“塑流—拉裂”破坏模式[8]。

4 结论及建议

（1）弃渣场基底岩土层物理力学性质和水文地质条件变化也是影响弃渣场稳定性的重要因素之一。弃渣场勘察设计时，建议关注缓倾角深层滑动破坏模式。

（2）足够的地质勘测工作是一切地质评价、稳定性计算、设计和施工的基础。

1）建议重视弃渣场所在沟谷的地表径流、泉水出露等水文地质条件的调查，并评估堆渣后的水文地质条件变化及对弃渣场稳定性的潜在影响。

2）建议弃渣场勘探时，按“田”字形布置勘探线，勘探点不宜少于9个，主轴勘探线上不宜少于3个控制性钻孔，其深度以查明软弱带与可能的滑动面、渗流等地基稳定性问题为准，钻孔进入中风化岩层的深度不宜小于5m。覆盖层较厚时，钻孔进入密实地层足够深度，“密实地层”是指贯入试验的锤击数大于50的土层。

3）被视为“坝后压坡体”的水电站弃渣场，由于其可能对当地材料坝产生拉拽、影响大坝渗流等不良作用，建议其地质勘察工作量布置和钻孔深度参考其衔接的大坝地勘技术要求。

（3）重视弃渣场变形机理分析[9-11]。“粗略的正确估算和判断，其意义远大于不合实际的精细计算”。

在弃渣场工程设计中应首先根据弃渣场物源、地形地貌和工程地质条件判断可能的滑裂面型式，并结合下伏岩土层地质条件、堆存过程和危险断面、渣场失稳特点等因素合理确定计算断面。科学合理的弃渣场稳定性分析流程应为：渣体特征和堆置要素→潜在破坏模式→确定计算方法→定性分析→定量计算（极限平衡法和数值计算）。

（4） 建议重视弃渣场周围地质环境调查，尤其是高高程位置是否有潜在天然崩塌滑体，崩塌滑体失稳后的巨大冲撞作用可诱发人工弃渣场的失稳滑动。所以，在弃渣场选址时，不仅要考虑弃渣场的稳定性及其对周边环境的影响，还要考虑其周边自然环境潜在的不安全因素对拟建弃渣场的影响。