某抽水蓄能电站堆渣场危险性预测分析

陈丰兰, 杨海明

(青海省有色第三地质勘查院， 西宁 810000)

山区工程建设往往形成大量的岩土体弃渣，这些堆渣体的稳定性对生态环境及工程设施的安全运行均构成威胁。因此，对弃渣场的稳定性进行评价，并对其失稳后的动力过程进行预测分析对于渣场设计和工程设施的科学建设具有重要意义。

弃渣场失稳导致人员伤亡与财产损失的报道并不鲜见[1-5]。2000年菲律宾首都马尼拉一处弃渣场失稳导致278人丧生。2005年7月印度尼西亚万隆洛乌维皮加山弃渣场失稳导致143人与71处房屋被埋[6]。2015年深圳光明新区弃土场滑坡造成77人死亡，33处房屋被毁[7]。然而，由于弃渣场物质组成往往比较复杂，触发因素多样化，在缺乏现场监测数据的条件下很难获取其失稳后的运动特征[8]。因此，确定弃渣场失稳后的潜在危害区域，及其运动路径和运动速度对于减灾防灾将具有重要意义。数值模拟技术是分析滑坡及颗粒材料动力过程的有效方法，根据模拟方法可分为连续介质方法和非连续介质方法。Savage等[9]提出的平均深度积分方法属于连续介质方法，在滑坡碎屑流、水动力过程、岩崩、雪崩等动力分析方面得到了广泛应用[10-12]。离散元方法是非连续介质方法的重要代表，Cundall等[13]基于此方法开发了颗粒流软件(particle flow code，PFC)。众多学者利用该方法再现了滑坡失稳后的动力过程[14-17]。然而，基于该方法开展滑坡或弃渣场动力失稳过程预测分析的研究则鲜见报道。

山西浑源抽水蓄能电站最大的弃渣场位于麻花沟上游沟脑处。堆渣体体积约700×104m3，最大高度240 m。堆渣体主要为地下洞室开挖产生的片麻岩块。麻花沟中下游右岸拟建地面排风平台、地面通风洞出口、地面排风平台。因此，对弃渣场稳定性进行评价，并对其动力失稳过程进行预测分析，对上述工程设施的建设和正常运行具有重要意义。在分析麻花沟渣场区工程地质条件的基础上，现采用离散元软件 PFC 对弃渣场失稳后的动力过程及其对沟内工程设施的影响开展预测分析。这将为渣场与工程设施的合理设计与实施提供重要的科学依据，并为同类工程灾害防治分析提供借鉴。

1 工程地质概况

拟建麻花沟渣场所在区域工程地质图如图1所示。麻花沟渣场位于麻花沟沟脑处，海拔高度1 700～1 940 m。 麻花沟主沟平均坡降15%～20%，支沟平均坡降15%～25%，两侧岸坡坡度25°～60°，多为灌木覆盖，局部基岩裸露，出露基岩主要为片麻岩。沟内位置为残坡积与冲洪积碎石土。该区域断裂构造不发育，岸坡稳定性较好，无滑坡、崩塌等不良地质灾害。麻花沟内有常年性水流，且在雨季易发山洪，并携带少量固体物质堆积于沟口。图2所示为麻花沟沟床裸露的基岩及两岸岸坡堆积的坡崩积物。

图1 麻花沟工程地质图

图2 麻花沟沟谷地貌图

弃渣场物质组成主要为地下洞室开挖形成的岩块与少量坡崩积碎石土，黏聚力低，透水性好，可以当作无黏性土考虑。在弃渣场堆填过程中，大颗粒会首先滚落到沟底，并形成稳定的排水层，这将大大降低堆积体浸润线高度，在一定程度上提高渣场稳定性。堆渣体在自重作用下会产生固结沉降，压实度将有所提高，亦有利于其稳定。然而，不同于水利工程中的堆石坝，弃渣场堆填过程并不会进行分层压实，只有运输机械在堆渣体表面行驶产生的压实作用，且渣场排渣量巨大，原有地层渗透率差，在连续降雨的作用下，仍存在大面积塌陷和失稳的可能性。因此，开展麻花沟渣场失稳动力过程分析仍是十分必要的。

2 三维离散元模拟

2.1 离散元方法概述

数值计算采用商用软件PFC3D(3-dimensional particle flow code)进行。在PFC3D程序中，通过球单元(颗粒)和墙单元构建滑坡模型，每个单元均被认为是一个理想的球体或刚体，相邻单元在它们的接触点处可以重叠，可以模拟任意尺寸球形颗粒的动态运动和相互作用。PFC3D模型的动力过程分析是基于牛顿第二定律和力-位移定律，应用时步算法不断更新颗粒和接触处的力与位移而实现的。与二维模拟方法相比，三维计算可以考虑物质运动过程中横向扩展现象，以及滑体运动过程中的侧向限制作用。

2.2 滚动阻力线性模型

由于麻花沟渣场堆积体主要为碎块石，颗粒之间的相互作用主要是摩擦，而黏聚力可以忽略不计。因此，计算中选择线性接触模型来模拟球与球、球与墙单元之间的相互作用。由于碎块石的形状是不规则的，其发生滚动所需的运动速度明显高于标准圆球颗粒。而PFC软件中岩块颗粒均采用标准球形颗粒模拟，这与实际情况明显不符。为尽可能真实地反映堆渣体失稳后的运动过程，引入滚动阻力线性接触模型。滚动阻力线性接触模型在线性接触模型的基础上，增加了滚动阻力机制，以体现颗粒表面粗糙度与非球度的影响。该模型可以定义在球单元之间和球单元与墙单元接触上，对单元之间的接触机制与相应的能量耗散产生影响。

2.3 数值模型构建

在以往的研究中，对于滑面信息已知的滑坡，通常采用球单元来模拟滑体，墙单元来模拟滑床与滑面。 这种数值模型只需较少的球单元，可以大大减少计算时间[14]。图3所示为计算所采用的三维数值模型及监测点布置图，该模型长度为3 000 m，宽度为1 500 m，原始地面由55 223个三角形墙单元构成，堆渣体由26 500个直径为1.0～1.5 m的球单元构成。其中监测点P1、P2、P3、P5、P8、P10主要对比分析弃渣场前后不同位置速度变化过程；P3、P11、P12、P13主要对比同一位置不同深度处运动速度的差异；P4、P5、P6主要对比堆积体横向不同位置处的运动速度差异。由于PFC中无法模拟孔隙水压力聚集与消散过程，通过降低地面与球单元接触面摩擦因数的方式模拟由于强降雨引起的弃渣体失稳启动过程。计算开始后，通过记录球单元在每个时步的位置和运动速度可以全面反映堆渣体失稳后的动力过程。表1所示为计算采用的参数。考虑强降雨引起坡面摩擦因数降低，结合相关研究将球单元与墙单元接触面摩擦因数设为0.1。

图3 三维计算模型及监测点布置图

表1 微观计算参数

3 结果分析

3.1 弃渣场失稳动力过程

图4所示为麻花沟渣场失稳后的运动堆积过程模拟结果。由于底面摩擦因数降低，弃渣场碎屑物质沿沟谷向下游运动。在失稳后4 min内，渣体碎屑物质基本上沿沟谷直线段移动，然后在直段末端与岸坡碰撞，滑动方向发生变化。随后，碎屑继续沿主谷向前移动，并有少量渣体进入左侧支沟。渣体失稳后约6 min时，移动渣体与主谷的左沟壁碰撞，运动方向再次偏转，偏转角度约为90°。在10 min左右，堆积体前缘到达下水库河道，在随后的5 min内，渣屑继续向前移动，少量渣体在下水库库区堆积。在14 min左右，渣体基本停止运动，大部分渣体堆积在主沟内，堆积体的后缘位于原渣场的坡脚处。渣体与岸坡之间的两次强烈碰撞大大降低了渣体的运动能力，导致渣体运动能力受阻，无法继续前进。

图4 堆渣体失稳动力过程

根据填埋场启动后14 min内的模拟结果，渣体失稳后的影响区(包括源区、径流影响区和沉积区)总面积约为0.32 km2。分析渣体失稳后的路线，麻花沟右侧山坡修建的工程设施将受到碎屑体的冲击，并被碎屑物掩埋。图5所示为渣体失稳后在不同时刻的平面堆积特征。

图5 不同时刻堆渣体平面堆积特征

3.2 运动速度分析

碎屑体运动过程中的冲击能量是受威胁对象防护措施设计的重要依据。图6所示为不同时刻碎屑体运动速度分布图。在弃渣场失稳后0.5 min左右，渣体前缘坡脚出现了较高的运动速度，为9～12 m/s。 这种现象很可能是由滑面较低的摩擦引起的。在弃渣体失稳后2～4 min，碎屑物质与山谷右侧岸坡发生碰撞，碎屑体前缘运动速度降低，并引起中后部运动受阻，碎屑体运动方向发生转变。随后2 min内，碎屑体与左侧山体再次发生碰撞，导致碎屑体速度进一步下降2～5 m/s。碎屑物质运动约10 min后，大部分碎屑物质开始停积在麻花沟内，碎屑体前缘到达下水库。之后的2～4 min内，绝大部分碎屑物质运动速度降至0～2 m/s，基本停止运动。

图6 不同时刻堆渣体速度分布

为了揭示碎屑体中不同位置运动速度变化特征，对初始状态不同位置碎屑颗粒运动速度进行监测，得到相应的速度时程曲线，如图7所示，相应的监测点位置分布情况如图3所示。

位置1代表图3中纵向各监测点，位置2代表图3中横向各监测点，位置3代表图3中不同深度各监测点

在X方向上，碎屑体前缘最大运动速度约出现在失稳后1 min，最大速度约9 m/s，碎屑体中部最大速度约出现在失稳后2 min，最大速度约6 m/s；碎屑体后部最大运动速度约出现在失稳后4 min，最大速度约4 m/s(图9)。 14 min左右，所有颗粒停止运动(速度等于0 m/s)，并形成滑坡坝。

在Y方向上，负速度表示碎屑体向南滑动，正速度表示向北滑动。碎屑体前缘最大速度约发生在失稳后0.5 min时，速度约3.5 m/s； 碎屑体中部最大速度约出现在失稳后2 min时，最大速度约3 m/s，碎屑体后部最大速度约出现在失稳后4 min，约2 m/s。

在Z方向上，负速度表示滑体向上运动(反弹或向上运动行为)；正速度表示滑动质量的向下运动(自由下落或向下滑动行为)。每个部分均有负速度发生，表明颗粒与颗粒之间、颗粒与滑床之间存在明显的碰撞作用，导致部分颗粒有反弹现象。

3.3 工程设施风险性分析

图8所示为渣体失稳后运动过程对麻花沟内工程设施的影响。地面开关站位于麻花沟沟口右岸边坡上，与渣体坡脚水平距离约为1 800 m，平台设计标高为1 392 m。堆渣体失稳后约8 min时，碎屑开始堆积在开关站以下麻花沟山谷内，随后堆积高度逐渐增大。碎屑体失稳后约14 min时，地面开关站位置处，碎屑堆积体顶部高程约为1 390 m，低于地面开关站平台高程1 392 m，因此，碎屑堆积体不会对地面开关站构成严重威胁。

图8 堆渣体失稳过程对沟内构筑物的影响

地面通风洞出口平台位于麻花沟右岸，距渣体坡脚水平距离约1 530 m，平台设计标高1 392 m，位于地面开关站的上游。渣体失稳后约8 min时，碎屑物到达地面通风洞出口平台位置的沟谷内，堆积体顶面高程约为1 400 m，此时地面通风洞出口平台已被淹没，出口将被堆积体堵塞。 此基础上，堆积体的高度逐渐增大，通风平台上堆积体的最大高度约为30 m。

地面排风平台位于麻花沟右岸边坡上，距渣坡脚水平距离约470 m，设计标高1 570 m。当渣体失稳后约2 min时，碎屑岩体堆积在排风平台的沟谷位置，堆积体顶面最大高度约为40 m，排风平台将被完全覆盖。此后，堆积体高度进一步提高，最大堆积高度约70 m，平台上方最大堆积高度约60 m，排风平台将被完全淹没，修复难度很大。

4 结论

山区工程建设所产生的弃渣场的稳定性对生态环境和工程设施的安全运行至关重要。在介绍山西浑源抽水蓄能电站麻花沟弃渣场区工程地质条件的基础上，通过数值模拟方法对弃渣场失稳后的运动过程和及其对麻花沟内拟建工程设施的影响进行了研究，得出如下结论。

(1)麻花沟弃渣场填料主要为地下洞室开挖形成的岩块与少量坡崩积碎石土，黏聚力低，透水性好，可以当作无黏性土考虑。渣场排渣量巨大，原有地层渗透率差，在连续降雨的作用下，仍存在大面积塌陷和失稳的可能性。

(2)弃渣场失稳后，弃渣体滑坡将对麻花沟内拟建工程设施造成严重破坏，地面通风洞出口和地面排风平台将受到滑坡冲击并被堆积体掩埋，其中地面通风洞出口将被40 m高的堆积体掩埋，地面排风平台将被70 m高的堆积体掩埋，沟口处的地面开关站虽未被掩埋，但可能会受到岩体碎屑冲击。

(3)准确预测滑坡失稳后的运动过程是困难的，其中滑坡与坡面摩擦因数是最重要的影响因素之一，如何快速而准确地获取坡面摩擦因数，量化降雨对坡面摩擦因数的影响程度是今后开展滑坡危险性预测的一个重要研究方向。