弃渣场复杂工况下稳定性分析研究

闫 宾，王 昱，方 舒，李明阳

（1.国网新源控股有限公司抽水蓄能技术经济研究院，北京市 100761；2.长江勘测规划设计研究有限责任公司，湖北省武汉市 430010；3.国网新源控股有限公司，北京市 100161）

0 引言

弃渣场堆存渣体中的岩土体软弱夹层、地基岩土体性质、地表植物、山沟地表径流等都可能影响弃渣场的稳定。弃渣场不但会发生滑坡，还可能会产生泥石流，甚至带来严重的安全与环境问题。近年来，弃渣场失稳事故频发，比如深圳“12·20”滑坡事件、山西娄烦尖山铁矿“8·1”特大排土场垮塌事故、巴西布鲁马迪纽溃坝事故等，给人民生命财产安全带来很大威胁。

在上述背景下，选择典型弃渣场，探讨修坡、碾压、清除原有地面植被、地震、极端天气、岩土体参数等不同因素对弃渣体稳定性的影响，可从技术和管理方面为后续类似弃渣场规划、勘察设计、施工和维护提供非常有必要的经验借鉴。

1 典型弃渣场概况

1.1 所在区域概况

典型弃渣场属中低山丘陵地貌，属亚热带湿润季风气候，多年平均气温为16℃，年相对湿度为76%，年蒸发量为1445.2mm，年降水量为1650.1mm，20年一遇平均1h降水量为81.1mm。植被覆盖状况良好，林草植被覆盖度约为75%。

典型弃渣场所在流域径流主要来自降水，径流年内分配不均匀，径流主要集中在3～7月，占全年的78.5%，年径流深在800～900mm范围。弃渣场所在区域年降雨量较大，易出现暴雨等极端天气，植被覆盖状况良好且土体含水量较高，适合用于探讨清除原有地面植被、极端天气等不同因素对弃渣体稳定性的影响。

1.2 堆渣物质组成

典型弃渣场位于工程下水库右岸坡库外，县道公路西侧一北东向冲沟内，弃渣场主沟为北东向，冲沟长约为800m，地势平缓，坡降小，地面高程为280～475m，沟中常年流水，挡渣坝以上汇水面积约为0.4km2；山坡坡度为30°～35°，分水岭高程为320～475m。

据现场调查，该弃渣场主要堆积为工程筹建期进场公路和主体工程下水库区域开挖弃渣、开关站开挖弃渣、地下输水发电系统进出口开挖弃渣。后期在第二平台局部堆积有碎块石料和建筑垃圾，第三平台上部后缘靠沟侧堆积有砂石系统筛分过滤后的石粉石渣。

堆渣区原有覆盖层一般不厚，沟底附近厚为0.5～1.5m，岸坡局部基岩裸露。基岩裸露岩性为粗粒花岗岩，强风化厚度为2～8m。区内无大的断层破碎带通过，节理裂隙一般发育，岩体表部卸荷裂隙较发育。根据现场实地调查，堆渣区未见滑坡、崩塌、泥石流等不良物理地质现象，地质灾害不发育，山体自然斜坡稳定。采用Civil 3D还原了原始地形，对比现状堆渣全景影像，对堆渣区域有个直观了解，如图1所示。

图1 典型弃渣场原始地形与堆渣形貌图Figure 1 Original topography of typical spoil ground and morphology map of slag stacking

该弃渣场渣料来源复杂，堆渣区覆盖层一般不厚，适合用于探讨修坡、碾压、岩土体参数等不同因素对弃渣体稳定性的影响。

2 修坡和碾压对弃渣体稳定性影响分析

2.1 堆渣坡度和高度对稳定性影响分析

依据典型渣场的计算分析，计算分析结果见表1、图2、图3，在一定范围内堆渣边坡的安全系数同堆渣坡面高度没有直接相关性，但当堆渣高度增加后，由于弃渣堆置统一变为向下卸载的方式，所以坡面坡度接近于临界坡比，使得计算安全系数明显降低。与堆渣高度所不同的，堆渣坡比同边坡稳定安全系数直线相关。另外堆渣坡度越缓，边坡的安全裕度越高。

图2 边坡安全系数同堆渣高度变化规律Figure 2 Variation law of slope safety factor and slag stacking height

图3 边坡安全系数同堆渣坡度变化规律Figure 3 Variation law of slope safety factor and slag stacking slope

表1 各级台阶边坡堆高坡比计算表Table 1 Calculation table of pile height and slope ratio of bench slopes at all levels

2.2 渣体碾压对稳定性影响分析

渣体碾压是通过改变弃渣颗粒间的密实度来提升渣体稳定性[1]，为充分了解物理力学参数对渣场边坡稳定的影响，对典型弃渣场的四级边坡开展参数敏感性分析，由于第一台阶和第二台阶坡度分别为1:2.5和1:2.1，为一般设计坡比，选其为分析对象，固定黏聚力为5kPa和0kPa，分别计算渣体边坡的安全系数。分析结果如图4、图5所示，结果表明，渣场边坡安全系数同渣体内摩擦角参数密切相关。当考虑渣体内部固结粘聚力时，减缓坡度将带来更高的安全裕度；若依照相关规范建议，忽略渣体内部的黏聚力，坡度放缓带来的安全裕度也会相对减小。

图4 安全系数随内摩擦角的变化规律（c=5kPa）Figure 4 Variation of safety factor with internal friction angle （c=5kPa）

图5 安全系数随内摩擦角的变化规律（c=0kPa）Figure 5 Variation of safety factor with internal friction angle （c= 0kPa）

同内摩擦角类似的，计算研究了黏聚力对渣体稳定性的影响，分别选取内摩擦角为28°和22°的渣体参数进行计算。虽然黏聚力与堆渣体稳定亦直接相关，但其反映出的规律并非呈线性，在黏聚力上升初期，减缓坡度可明显提高渣场坡度的安全裕度，计算结果如图6、图7所示。

图6 安全系数随黏聚力的变化规律（φ=28°）Figure 6 Variation of safety factor with cohesion（φ= 28°）

图7 安全系数随黏聚力的变化规律（φ=22°）Figure 7 Variation of safety factor with cohesion（φ= 22°）

3 暴雨工况（排水失效）对堆渣稳定性的影响分析

3.1 弃渣场渗流场分析

3.1.1 计算模型和边界条件

渗流场计算模型采用渣场基本稳定计算断面模型（见图8），自由划分网格后作为渣场边坡稳定计算的前置条件有限进行稳定渗流场计算[2]，渗流场边界条件依据渣场钻孔水位监测结果以及工况假设推定，假设两种极端情况，一是排水沟上游发生边坡滑塌淤堵沟床，上游来水淤积后自渣体后缘直接进入渣体；二是排洪沟中段发生淤堵，上游来水自渣体侧方进入渣场中，各极端工况对应上下游边界条件如下。

图8 典型弃渣场渗流及边坡稳定分析模型示意图Figure 8 Model diagram of seepage and slope stability analysis of typical waste dump

极端工况1：上游边界取排洪沟底板高程约为393m，约为第三级台阶坡顶位置，根据相对位置关系则可推测下游溢出点高程大致位于第二级坡面附近。

极端工况2：根据地质勘察的钻孔水位对比，上游边界低于沟两侧边坡底部的全风化岩层，水头边界大约为375m，溢出点高程位于第一级台阶下方21.8m。

3.1.2 计算结果分析

如图9所示为典型弃渣场极端工况计算结果示意图。

图9 典型弃渣场极端工况计算结果示意图Figure 9 Schematic diagram of free surface calculation results of typical dump

极端工况1条件下渣场浸润线出口将位于第三级台阶下方，因此三级台阶以下的渣体坡面将明显受到地下水位抬升的影响，相应的弃渣处于饱和状态，此状况发生的概率极小，也出现于极端长期降雨入渗渣场的模拟。

极端工况2条件下浸润线出口位于第一级台阶坡面位置，其主要表现为渣场中部地下水位显著提高，而现场勘察的结果显示渣场中部钻孔无地下水出露。所以，该位置可以作为渣场地下水位监测的站点。极端工况2下受影响的坡面仅为第一级台阶，由于其位于渣场坡脚，其稳定性影响渣体的整体稳定，因此不可忽视，需要计算复核。

3.2 弃渣场渗流场分析

计算结果表明，在极端工况1条件下，渣场2级台阶边坡安全系数仅为0.696，说明其以下边坡将面临整体破坏的威胁，该破坏将引起整个渣场的联动效应，是极端危险的工况。相对的，极端工况2条件，降低了第一级台阶的安全裕度，但对边坡和整体稳定性不产生决定性影响。

4 渣体下垫面对堆渣稳定性的影响分析

现场钻孔取样进行土工试验表明，淋溶效应将造成堆填界面的黏聚力和内摩擦角明显下降。当渣体下垫面未进行清表处理，将残余大量孔隙和软弱夹层，在降雨作用下更容易发生淋滤软化现象[3]。对若渣底综合坡度较陡，未进行渣底清表和软弱层清除，长期降雨和地下水位抬升的淋滤作用将极大威胁渣场整体稳定。因此，在弃渣场场地清理阶段，应注意做好渣底植被和表层软土的清理工作[4]，并于渣底设置合适的盲沟导排措施。

5 边坡加固对堆渣稳定性的影响分析

5.1 加固结构模拟

根据渣场堆渣边坡现状调查与基本稳定分析结果，弃渣场第三级台阶堆渣边坡高度大于15m，边坡坡度陡于1:2，考虑削坡后增加框格梁加锚杆防护，为验证施加框格梁后堆渣边坡的防护效果，边坡计算模型边坡高15m，坡比为1:2。

模型宽度取三排人字形格构梁16.8m，该模型单元计算结果可反映现状边坡整体情况。混凝土格构—插筋护坡系统如图10所示，格构梁采用Beamset，锚杆采用Cableset[5]，格构和插筋采用刚性连接，插筋直径为28mm，坡底两层插筋长9.0m，其余长6.0m。

图10 混凝土格构-插筋支护边坡有限元模型示意图Figure 10 Schematic diagram of finite element model of concrete lattice bar supported slope

5.2 施加混凝土格构梁条件下边坡稳定性分析

5.2.1 计算参数及计算工况

弃渣场渣体物理力学参数依据渣场基本稳定计算参数敏感性分析临界值选取；混凝土格构—插筋框架体系材料参数依据类似项目选取[6]，详见表2和表3。计算工况分别选择正常运行、持续降雨、排水失效共3种工况。

表2 弃渣场岩土体物理力学参数表Table 2 Table of physical and mechanical parameters of rock and soil mass in waste dump

表3 混凝土格构—插筋框架体系参数表Table 3 Table of physical and mechanical parameters of rock and soil mass in waste dump

5.2.2 计算结果分析

模拟计算结果如图11、图12所示，可见：

图11 边坡防护体系施加前后效果对比结果示意图Figure 11 Schematic diagram of effect comparison before and after application of slope protection system

图12 正常工况边坡（施加格构—插筋支护）稳定计算结果示意图Figure 12 Schematic diagram of stability calculation results of slope under normal conditions （with lattice bar support）

（1）正常工况，当边坡无支护体系，计算安全系数为1.19，施加支护体系，计算安全系数为1.53，安全系数提高0.34，有效提高了边坡安全余度。

（2）降雨工况，当边坡无支护体系，计算安全系数为1.03，施加支护体系，计算安全系数为1.32，安全系数提高0.29，防护效果提升较正常工况小。

（3）排水失效工况，当边坡无支护体系，计算安全系数为0.93，施加支护体系，计算安全系数为1.19，安全系数提高0.26，该工况下边坡可能发生垮塌，边坡防护系统有效地保证了边坡稳定。

综上可见，施加支护体系后，边坡安全系数明显提高，各工况均基本满足规范要求；但随着渣体c、φ值下降，混凝土结构—插筋支护体系提升边坡稳定性的效果会逐渐减弱，因此，在施加支护体系的同时，仍应做好相应的排水措施。

6 结束语

本文分别探讨了修坡和碾压、极端暴雨工况（排水失效）、渣体下垫面软化、地震以及边坡加固对渣体稳定性的影响。

（1）通过边坡坡比和堆高变化说明修坡过程对渣体稳定的影响，计算结果表明，当坡比由1:2.5降至1:1.14，稳定系数由1.628下降0.966，变化过程基本为线性；而当堆高不超30m时，堆高降低对渣体稳定性影响较小。

通过黏聚力和内摩擦角的敏感性分析模拟渣场的碾压过程，计算结果表明内摩擦角同边坡计算安全系数表现为线性相关的关系。

（2）在排水失效的极端工况下，暴雨对渣场边坡和整体稳定将带来极大威胁，该边坡安全系数由1.284骤降至0.696。因此，在弃渣场安全监测内容中，应该加入渣场地下水位监测，对地下水位的异动高度关注；另外前期渣场设计和施工过程中，也应重视盲沟合理布置，发挥其疏导地下水的作用。

（3）渣未进行渣底清表和软弱层清除，长期降雨和地下水位抬升的淋滤作用将极大威胁渣场整体稳定。因此，在弃渣场场地清理阶段，应注意做好渣底植被和表层软土的清理工作，并于渣底设置合适的盲沟导排措施。

（4）渣场边坡的加固模拟表明，混凝土格构—插筋框格体系能有效提高弃渣边坡的抗滑稳定性，建议对类似典型渣场上部局部高陡边坡采取适当的削坡和边坡加固措施。