STAB在弃渣场边坡稳定性分析中的应用

常 胜

（新疆水利水电勘测设计研究院,新疆 乌鲁木齐 830000）

随着水利水电工程的建设,施工期间往往产生大量土石方弃料,这些弃料会被临时性或永久性堆存于弃渣场。弃渣场作为一种大型人工堆积体；具有孔隙多,非均质,密实性差,结构松散,强度低等特点；这些特点使得弃渣场边坡在外界诱因的影响下（如降雨,地震,人为活动扰动等）易发生滑塌,存在一定安全隐患。国家从监管层面越来越重视弃渣场稳定性评估工作,水利部水土保持司2016 年3 月印发了《水土保持设施验收技术评估工作要点》[1],对堆渣量超过50 万m3或最大堆渣高度超过20 m的弃渣场,在水土保持设施验收技术评估时,要求项目建设单位提供相应弃渣场的稳定性评估报告。大型弃渣场稳定性分析从前期设计中弃渣场规划,到实施过程施工控制和动态监测,再到最后的竣工验收评估,这项工作基本贯穿了整个项目建设期,其重要性不言而喻。

业内专家学者针对弃渣场稳定性分析作了大量工作和研究。例如罗雷等[2]理论分析认为临时堆放渣体,在坡度小于土壤内摩擦角和无暴雨,大风的情况下,能处于稳定的状态。毛雪松等[3]基于GeoStudio软件SEEP/W和SLOPE/W模块对某弃渣场渗流场及不同工况稳定性进行分析。吴谦等[4]借助Monte Carlo算法对边坡稳定性可靠度进行了研究。肖志红[5]从微观参数角度,运用颗粒流、重度增加法及边坡的监测算法,对比研究不同颗粒粒径对弃渣场稳定性的影响。陈瑜[6]利用理正岩土计算软件,计算分析引洮供水一期工程弃渣场不同工况下边坡安全稳定情况。

中国水利水电科学研究院自主开发的STAB软件,主要用于土质边坡和土石坝边坡稳定分析,多年来已成功应用于国内的许多大型水利水电工程。本文将STAB软件运用于新疆某水电站3 级弃渣场边坡稳定性分析。

1 工程概况

新疆某水电站为径流式电站,工程任务是水力发电；装机容量80 MW,综合多年平均年发电量2.8 亿kW·h,为中型Ⅲ等工程。工程由引水枢纽（土石坝段,泄洪坝段和进水闸）、引水建筑物（引水渠道、压力前池、压力管道,泄水陡坡和渠系建筑物）、发电厂房（电站厂房和尾水渠）三大部分组成。4#弃渣场渣场位于河道右岸Ⅲ级阶地上,渠道末端北侧区域。所处地势北高南低,地形起伏较大；小型冲沟发育,沟深20 m~30 m,沟底宽5 m~10 m,呈“V”型,在降雨时有暂时性流水通过,平时干枯。弃渣场占地面积9.6 万m2,弃渣量144 万m3,弃渣场级别3 级。主要承担引水隧洞、渠道、前池、泄水陡槽和压力钢管等建筑物开挖料弃渣；弃渣料岩性为风积黄土及砂卵砾石人工堆积混合料,厚度大于15 m,结构松散。渣场基础岩性为风积黄土,厚度15 m~20 m,黄土具有强湿陷性。

2 计算原理

边坡稳定定量分析方法主要包括以瑞典条分法、毕肖普法、美国陆军师团法和Morgenstern-Price法为代表的刚体极限平衡法和以有限元法、离散元和块体理论为代表的数值分析方法等。其中又以刚体极限平衡法应用最早,范围最为广泛,发展最为完善。刚体极限平衡法,以Mohr-Coulomb抗剪强度理论为基础,将滑块划分为若干条块,通过直接对某些多余未知量做出假定,建立作用在这些条块上力的平衡方程式,使方程的数量和未知数的数量相等,方程变为静定问题,求解安全系数[7]。

根据《水土保持工程设计规范》（GB 51018-2014）[8]弃渣场抗滑稳定计算可采用不计条块间作用力的瑞典圆弧滑动法,见图1；对于均质堆渣体,宜采用计及条块间作用力的简化毕肖普法；对有软弱夹层的弃渣场,宜采用满足力和力矩平衡的摩根斯-普赖斯法进行抗滑稳定计算；对于存在软基的弃渣场,宜采用改良圆弧法进行抗滑稳定计算。考虑到渣料和渣场物理力学特性,4#弃渣场抗滑稳定计算选用瑞典圆弧法。

图1 闸站枢纽图

瑞典圆弧法：

式中：b为条块宽度,m；W为条块重力,kN；W1为在边坡外水位以上的条块重力,kN；W2为在边坡外水位以下的条块重力,kN；Q、V分别为水平和垂直地震惯性力（向上为负,向下为正）,kN；u为作用于土条底面的孔隙压力,kPa；α为条块的重力线与通过此条块底面中点的半径之间的夹角,（°）；c'、φ'分别为土条底面的有效应力抗剪强度指标；Mc为水平地震惯性力对圆心的力矩,kN·m；R为圆弧半径,m；K为抗滑稳定安全系数。

基于以上原理,采用中国水利水电科学研究院的土质边坡稳定分析程序（STAB2005 版）,计算弃渣场堆渣体边坡稳定安全系数。根据《水土保持工程设计规范》（GB 51018-2014）条文5.7.4.2,运用瑞典圆弧法计算时,3 级弃渣场对应的正常运用工况和非常运用工况抗滑稳定安全系数下限分别为1.20 和1.05。采用瑞典圆弧法、改良圆弧法计算时,抗滑稳定安全系数不应小于表1 规定的数值。

表1 弃渣场抗滑稳定安全系数表

3 研究分析

3.1 计算断面

考虑到弃渣场级别、地形、地质条件,并结合弃渣堆置形式,堆高,渣料组成,物理力学参数等因素；渣场边坡稳定分析的断面选取上,最终选定位于弃渣场西北侧A-A断面,见图2 ~图3。 A-A断面地面高程1797.5 m~1804.5 m,长度约216 m,地面纵坡1/30.86；弃渣场顶部高程1809 m,最大堆高11.5 m,边坡综合坡比1/4.60 。

图2 某水电站4#渣场平面布置图

图3 A-A剖面

3.2 主要地质条件

弃渣料岩性为风积黄土、及砂卵砾石人工堆积混合料。弃渣料参数建议值,天然状态：天然容重15.2 g/cm3,粘聚力c=2.5 kPa,内摩擦角φ=17°；饱和状态：饱和容重13.6 cm3/g~16.1 cm3/g,粘聚力c=0,内摩擦角φ=15°。弃渣场基础岩性为风积黄土。基础参数建议值,天然状态：容重15.4 g/cm3, 粘聚力c=4.95 kPa,内摩擦角φ=19.05°；饱和状态：容重13.6 g/cm3~16.1 g/cm3,粘聚力c=2.5 kPa~10 kPa,内摩擦角φ=17°~21°,承载力建议值80 kPa。

表2 弃渣场地质参数表

3.3 计算工况

根据《水土保持工程设计规范》（GB 51018 -2014）,并结合本工程特征,4#弃渣场边坡稳定性分析主要考虑以下3种工况：

（1）正常运用工况指的是弃渣场在正常和持久的条件下运用,弃渣场处在最终弃渣状态时,渣体无渗流或稳定渗流的工况。

（2）非常运用工况Ⅰ：弃渣场在正常工况下遭遇Ⅶ度以上（含Ⅶ度）地震。据1/400 万《中国地震烈度区划图》（GB 18306-2015）,该工程区处在地震动峰值加速度值为0.3g区域内,其对应的地震烈度为Ⅷ度。

（3）非常运用工况Ⅱ：弃渣场边坡处于暴雨或连续降雨状态下的工况。工程区所在流域的降水分布特点为：迎风坡大于背风坡、山区大于平原,年降水量垂直分带明显。工程区临近水文站多年平均降水量588.3 mm,降水量在年内主要集中在4 月~9 月,占全年降水量的72%,其中7月降水最多,月平均降水量为71.2 mm,2 月降水最少,月平均降水量为13 mm。因此考虑连续降雨条件下,渣体处于饱和状态时边坡抗滑稳定计算。

3.4 计算结果

（1）正常运用工况

从AutoCAD中将几何信息导入STAB2005中,采用STAB计算正常运用工况下A-A剖面边坡稳定结果,见图4；A-A剖面（综合纵坡i=1/4.6）边坡抗滑稳定安全系数为1.636,满足规范要求。

图4 泥岩蠕变速率曲线

图4 A-A剖面（正常运用工况）

（2）非常运用工况Ⅰ

非常运用工况Ⅰ下A-A剖面边坡稳定结果,见图5；A-A剖面（综合纵坡i=1/4.6）边坡抗滑稳定安全系数为1.219 ,满足规范要求。

图5 A-A剖面（非常运用工况Ⅰ）

（3）非常运用工况Ⅱ

通过STAB软件对渣体和弃渣场基础均处在饱和状态下A-A剖面边坡稳定分析,经计算得到抗滑稳定安全系数为0.966,该值小于规范允许最小值1.05,见图6。结合图3可以发现实测断面A-A剖面综合坡度虽为i=1/4.60,但其坡度大致可以分为三段（自下而上）坡度分别为i1=1/3.58,i2=1/4.30,i3=1/6.26。不稳定滑坡面基本处于坡度为i1=1/3.58边坡范围内,并未沿坡面向渣顶延续；初步分析得出,坡度i=1/3.58无法满足非常运用工况Ⅱ条件下抗滑稳定计算。为进一步证实该结论,又分别计算上述3个边坡处于饱和状态下的安全系数和不稳定滑坡面,结果见图7~图9；得到相应抗滑稳定安全系数K1=0.984,K2=1.174,K3=1.698。除K1外,其余安全系数均满足规范要求。

图6 A-A剖面（非常运用工况Ⅱ）（i综合=1/4.60）

图7 A-A剖面（非常运用工况Ⅱ）（i1=1/3.58）

图8 A-A剖面（非常运用工况Ⅱ）（i2=1/4.43）

图9 A-A剖面（非常运用工况Ⅱ）（i3=1/6.26）

上述计算结果可以发现,坡度i2=1/4.30 时抗滑稳定安全系数计算值K2=1.174,不仅满足规范要求且有一定富余值。因此初步判断,坡度安全取值应介于1/3.58 ~1/4.30 之间。假定该值为1/4.0,作进一步边坡稳定分析试算。先对A-A断面部分尺寸调整,保持原有边坡高度和长度不变,坡度调整为单一坡度i=1/4.0,试算断面见图10。堆渣体,渣场基础参数和STAB软件计算模块的选取与上述保持一致。计算结果见图11,抗滑稳定安全系数K=1.075 大于规范值1.05,因此i=1/4.0 坡度边坡稳定。A-A剖面局部边坡（i≥1/3.58）不能满足非常运用工况Ⅱ条件下抗滑稳定计算,连续降雨或暴雨可能导致边坡失稳,存在安全隐患。建议对边坡做修整处理,坡度建议值i=1/4.0。

图10 A-A试算剖面

图11 A-A试算剖面（非常运用工况Ⅱ）

4 结论

根据新疆某水电站4#渣场边坡稳定分析,结论如下：

（1）4#弃渣场边坡正常运用工况下和非常运用工况Ⅰ（Ⅷ度地震）边坡稳定安全系数均满足规范要求值。4#弃渣场边坡非常运用工况Ⅱ下,即使综合纵坡满足i<1/4.0；局部纵坡陡于该值,边坡仍然可能出现失稳情况。建议边坡单一坡度不陡于i=1:4.0。

（2）STAB软件在运用弃渣场边坡稳定性分析具有较好可操作性,可为类似工程的弃渣场选址和放坡提供借鉴参考。