基于Geo Studio的弃土场稳定性评估

向文贤，许万忠，罗益辉，严铁军，何迪环

(昆明理工大学国土资源工程学院，云南昆明 650093)

1 弃土场概况

2 弃土场工程地质条件

2.1 地形地貌

该弃土场位于路线K55+600右侧，其所在区域属于构造剥蚀中山地貌区，受构造运动(褶皱、断裂)及风化作用影响，地形破碎，沟谷纵横交错，表现为褶皱山和断块山，山脊与山间盆地、洼地相间。地形起伏大，属越岭线，高差约463 m。山脊为猪背脊或单面山，山间盆地、洼地规模不大，面积1×104～2×104m2，沟谷多为“V”型谷，坡度30～65 °，植被发育。

2.2 区域地层岩性

该弃土场处于构造剥蚀中山地貌区，地形起伏大，属越岭线，高差约463 m，植被发育。地表覆盖薄层为第四系残坡积(Q4e1+dl)，岩性为黏性土夹碎石，黄褐色，可塑性较差，局部可见。下伏地层为下第三系宁灌组二段(E2n2)：紫红色泥岩、砂岩，固结程度低，表层风化成土状，稳定性差。

3 气候、水文地质条件

3.1 气候

丽江地处云贵高原西北部，横断山脉与滇西北高原接壤地带，总体地势中部高两端低，气候特征表现为高原性气候，气候垂直分带特征明显。冬春干旱，夏秋多雨，南部热旱，北部暖湿。年平均蒸发量2 238.5 mm，年平均相对湿度69.31 %，年平均降雨量936.4 mm，82 %的降水集中在6～9月，干湿季分明，属半湿润气候。

3.2 水文地质条件

该区域内地表水分布不均，受地形控制。低洼坝区地表水丰富，山区地表水匮乏，雨季及化雪季有短暂流水。根据地下水水理性质、岩石类型及赋存条件划分，路线区内地下水类型主要为第四系松散岩类孔隙水、基岩裂隙水、岩溶水[2]。地下水主要靠大气降水和地表水补给。

4 弃土场现状及物理力学参数

4.1 弃土场现状调查

该弃土场内弃渣未达到设计填筑高度，但已有一定的弃土量。主要成分为黏性土、泥岩、砂岩、少量碎石。施工现场暂无浅表层溜坍迹象；截洪沟、挡渣墙还在施工中。弃土场剖面图见图1。

图1 弃土场剖面设计(单位:m)

4.2 物理力学参数

弃土体的物理参数主要包括土体的天然重度、内摩擦角、粘聚力等，可通过现场试验和室内大型直剪试验得知，原始边坡的物理力学参数可由该位置勘察设计成果提供的岩土参数，物理参数见表1。

5 弃土场稳定性分析与评价

5.1 弃土场稳定性影响因素

弃土场稳定性的稳定性主要取决于弃土的物理力学性质、弃土场地基的倾角及其岩土性质、弃土工艺和弃土场边坡高度以及水文地质条件，具体为：

表1 弃土场边坡物理力学参数

(1)弃土的物理力学性质：弃土容重随着弃土堆高度的增加而增大，而弃土的黏结力和内摩擦角通常也随密度的增加而增大，弃土场的稳定性会有所提高。

以上测定均取3次独立实验结果的平均值，数据用平均值 ± 标准差(SD)表示。使用Origin 9.0软件对数据进行双总体t检验。差异显著性以P < 0.05表示。

(2)弃土场地基的倾角及其岩土性质：弃土场的稳定性受原始坡面的地形坡度影响。

(3)弃土工艺和弃土场边坡高度：弃土堆放工艺不同，则弃土场受到的荷载不同，得到压实程度不同。弃土场高度对稳定性评价影响明显，当弃土场高度较高时，容易在堆积的填土内产生内部滑动面。

(4)弃土场水文地质条件：地表水和地下水的存在，不仅会造成弃土场基地存在很大的静水压力，提高弃土材料的饱和度，增大下滑力，而且会降低弃土体的强度指标[3]。

5.2 弃土场破坏模式

根据前人对弃土场进行过的大量研究[4]，通过对工程地质勘查与分析，在弃土场滑坡中，按滑动面位置及其滑动产生的原因，可以将弃土场的滑坡分为四类：弃土场内部滑动面的滑坡；沿基底接触面的滑坡；沿地基软弱层的滑坡和沿弃土场表层局部坍塌和错动。

5.3 弃土场计算工况与计算模型

弃土场所在区域抗震烈度为8度，基本地震加速度为0.20g，根据规范要求[5]，地震烈度为六度及以上地区，应研究分析地震对边坡稳定性的影响，因此本次计算设置三种工况：

(1)一般工况对应的天然状态下边坡稳定性；计算参数选用天然状态下的容重、粘聚力和内摩擦角。

(2)暴雨工况对应的边坡稳定性；连续暴雨条件，土体达到饱和，计算参数选用饱和状态下的容重、粘聚力和内摩擦角。

(3)地震工况对应的边坡稳定性(该地区抗震设防烈度为8度，基本地震加速度为0.2g)。

5.4 弃土场局部稳定性分析

极限平衡法的边坡稳定分析是最早应用并直至目前仍然普遍使用的一种定量方法。将有滑动趋势范围内的边坡岩体按照某种规则划分为一系列的小块体，通过建立块体的力和力矩平衡条件进行边坡分析[6]。目前，常用的方法有：Morgenstern-Price法，简化Bishop法，Fellenius法， Sarma法，Janbu法， Spencer法和传递系数法等。弃土场土体类型多为黏性土夹少量碎石，边坡滑裂面多以圆弧形为主，因此本文以适用于圆弧滑动的Bishop法和适用任意滑面的Morgenster-Price法来分析计算弃土场边坡的稳定性。稳定性计算结果见表2，局部滑裂面见图2～图4。

表2 弃土体局部稳定性安全系数

图2 天然工况下弃土体边坡最危险滑弧计算

图3 暴雨工况下弃土体边坡最危险滑弧计算

图4 地震工况下弃土体边坡最危险滑弧计算

由表2可知，弃土场边坡在正常工况和非正常工况下安全系数Fs≥Fst，边坡处于稳定状态。最危险滑弧均在拦渣坝右方浅层土层，不会从挡渣墙上方剪出，对周围环境不存在潜在危险。

5.5 弃土场整体稳定性分析

弃土场边坡稳定性包含局部弃土的平衡稳定和整体边坡稳定，既不会从堆砌体内部滑移，也不会从滑床内部滑移。由于组成滑床的主要成分为泥岩和砂岩，固结度较低，滑移面仍以圆弧滑动为主，因此，分析方法同样采用Morgenster-Price法和Bishop法。弃土场整体稳定性计算结果见表3。整体滑移面见图5～图7。

图5 天然工况下整体边坡最危险滑弧计算

图6 暴雨工况下整体边坡最危险滑弧计算

图7 地震工况下整体边坡最危险滑弧计算

由表3可知，弃土场边坡正常工况和暴雨工况下安全系数Fs>Fst，边坡处于稳定状态，不会对周围环境产生潜在危险，但是在地震工况下，边坡处理临界状态，仍需注意不能过量堆载。

表3 弃土场整体稳定性安全系数

Morgenster-Price法在一般条分法的基础上，不但考虑了法向力与切向力的平衡，而且还考虑了每一土条力矩的平衡，适用于任意形状的滑面。Bishop法考虑条块的力矩平衡而不考虑条块的静力平衡，适用于圆弧形滑坡。因此，通过两种方法对边坡稳定性进行计算，计算的安全系数基本一致，结果可靠。

5.6 弃土场边坡稳定性评价

通过Geo-Studio软件SLOP/W模块对弃土场整体和局部稳定性进行计算[7]，结果表明弃土场在正常工况和暴雨工况下的安全系数均大于1.30，地震工况下安全系数均大于1，边坡处于稳定状态，出现局部滑移和整体滑移的可能性较低，可以按照设计要求进行堆积弃土。

6 结论

本文通过资料分析、现场踏勘以及建模分析，对宁蒗至永胜高速公路路线K55+600右侧30 m处弃土场的稳定性进行分析评价，得出以下结论：

(1)宁蒗至永胜高速公路8号弃土场场地危险性评估结果为安全；该弃土场建设用地的适宜性为基本适宜，弃土场建设方案及主体防护工程设计合理。综合判定该弃土场建设安全性评估结果为安全。

(2)弃土场边坡主要由第四系坡残积黏性土夹碎石和紫红色泥岩，砂岩组成，压实度较高，固结度较低，表层分化成土状，建议做好坡面的绿化及排水工程，防止水土流失，定期对弃土堆进行经常性维护。

(3)通过Geo Studio软件对弃土体边坡定量分析，结果表明弃土场在正常工况和非正常工况下的安全系数均大于临界条件，不会出现局部滑移和整体失稳的情况，但是弃土场在地震工况下的整体安全系数仍处于临界状态，仍需注意弃土场的堆积量，不能过量堆载。