基于扰动分析法的弃渣场稳定影响因素敏感性分析

黄傲雪，余 双

（广西水利电力勘测设计研究院有限责任公司，南宁 530023）

0 引言

弃渣场作为生产建设项目水土保持工作的重要防治对象，其安全稳定关乎人民群众生命财产安全，也很大程度决定了项目水土流失防治效果的好坏。影响弃渣场安全稳定的因素较多，前人已进行了比较多的观测研究，闫宾等[1]认为，当堆高不超30 m 时，堆高降低对渣体稳定性影响较小；李金瑜等[2]基于正交设计法对影响边坡稳定性的因素进行敏感性分析，认为黏聚力、坡度、内摩擦角对边坡稳定性的影响高度显著等。目前各因素变化对渣场稳定性的影响基本都有了统一的定性认识，土质边坡稳定性主要受滑动面的抗剪强度指标c、φ值控制[3]等，但各因素变化程度对渣场稳定性的影响程度的研究分析却比较少见。本文利用扰动分析法，选取了挡渣墙尺寸、堆渣坡比、堆渣高度、渣土内摩擦角等4个因素对弃渣场稳定评价指标进行敏感性分析，从而识别影响弃渣场稳定的重要因素或者关键因素。扰动分析法由美籍华裔教授何毓琦等人于1980 年提出，该方法能识别参数对模型的敏感性，从而确定模型重要因子，因为简单快捷、可操作性强，被广泛应用，但该方法忽略了模型参数之间的相互作用[4]。通过识别弃渣场稳定的重要因素或者关键因素，将有助于水土保持设计以及施工人员在弃渣场的防治过程中采取更加科学有效的措施。

1 典型弃渣场概况

百色水库灌区设计灌溉面积为59.2万亩，属大（2）型灌区，工程等别为Ⅱ等，工程建设内容主要为输水管线及隧洞等。百色水库灌区工程共设有27个弃渣场，均为沟道型，渣场级别均为5 级，本文选取其中堆渣高程常见、渣料成分比较中和的一个弃渣场作为典型弃渣场。

典型弃渣场位于百色市右江区境内，项目区属亚热带季风气候区，年内四季分明，年降雨量在1077～1178 mm，雨量年内分配不均，一般集中在4～9 月，占全年降雨量的75%～79%。该弃渣场所在地为丘陵地貌，四周山顶高程为229～283 m，沟底高程190 m左右，四周山体坡度17°～29°，植被丰茂。弃渣场沟底平缓，沟底综合坡降约4%，集雨面积0.13 km2，沟内旱季无水。经地质专业调查分析，该弃渣场区域为单斜构造，未见断层发育，覆盖层为第四系坡残积含碎石粉质黏土，厚度为0.5～10 m，下伏基岩为砂岩夹泥岩，弃渣场基础承载力在150～220 kPa 之间，周边岩体构造稳定，无滑坡、崩塌等不良地质现象，区域地震基本烈度为Ⅵ度。

该弃渣场渣料主要为输水管线及输水隧洞开挖料，渣料为土石混合料。弃渣场占地面积3.70 hm2，计划堆渣量37.3 万m3，堆渣高度19 m，堆渣边坡长度47 m。弃渣场设计按两级堆放，第一级高10 m，第二级高9 m，中间设2 m宽马道，堆渣坡比为1∶2.5，坡脚设浆砌石挡墙。挡渣墙墙顶宽0.5 m，墙面直立，墙背坡比1∶0.5，墙高出地面1.0 m，墙趾和墙踵各挑出0.4 m，墙体埋入地面以下0.5 m，总墙高1.5 m。渣料及挡墙相关参数见表1。

表1 渣料及挡墙计算参数

2 分析计算方法

本文选取弃渣场抗滑稳定安全系数K1、挡渣墙基底抗滑稳定安全系数K2 作为模拟结果，选取弃渣场设计过程中十分常规、难以回避的挡渣墙尺寸、堆渣坡比、堆渣高度、渣土内摩擦角等4 个因素作为目标因子进行因素敏感性分析。考虑到挡渣墙尺寸要素较多，且挡渣墙最优断面需要各尺寸要素协调配合，因此本文仅研究挡墙尺寸整体缩放时的弃渣场稳定变化情况。

本文仅对正常工况下K1、K2 的变化情况进行计算和研究分析。K1 采用北京理正软件设计研究院编制的岩土系列软件6.5 PB4 版中的《边坡稳定分析》进行计算，采用等厚土层土坡稳定计算模式，软件中内置算法为刚体极限平衡法中的瑞典条分法，计算公式如下：

式中：K1为弃渣场抗滑稳定安全系数；c为土的黏聚力，kPa；L为单个土条的滑动面长度，m；W为条块重力，kN；θ为条块的重力线与通过此条块底面中点半径之间的夹角；φ为土的内摩擦角。

K2 采用北京理正软件设计研究院编制的岩土系列软件6.5 PB4 版中的《挡土墙设计》进行计算，计算公式如下：

式中：K2为挡渣墙基底抗滑稳定安全系数；f为挡渣墙基底摩擦系数；ΣG为作用在挡土墙上全部垂直于水平面的荷载，kN；ΣP为作用在挡土墙上全部水平于基底面的荷载，kN。

模型参数敏感性分析能够确定参数对模型输出的重要性及贡献度，一般可分为局部分析法和全局分析法[4]。本文敏感性分析方法采用扰动分析法[5-6]，扰动分析法是应用较广泛的局部灵敏性分析方法，即在其他因子都不变的情况下，在一定范围内扰动（如在±50%范围内多次改动）目标因子的取值，进行多次模拟，选n次不同的计算结果，利用相邻的两次计算结果计算相对敏感性的一个值，然后取n-1次的平均值，如式（3）所示：

式中：S为相对敏感度；n为模拟次数；Qi+1和Qi分别为第i+1 和第i次计算输出的结果，Qa为两者均值；Pi+1和Pi分别为第i+1 和第i次参数输入的数值，Pa为两者均值。

本文弃渣场稳定计算的参数以设计采用值为基准值，基准值为常规值，±50%变化幅度能有效覆盖各参数的取值范围，同时参考其他学者的计算方法[5-6]，在基准值基础上对4 个目标因子分别增减10%、20%、30%、50%，共8 次，分别计算出结果，按式（1）求出相对敏感度S，敏感性分级见表2。

表2 敏感性分级表

3 结果与讨论

3.1 挡墙尺寸敏感性分析

本文挡渣墙尺寸采用整体放大缩小的方式进行变化。挡渣墙尺寸变化时弃渣场抗滑稳定安全系数K1、挡渣墙基底抗滑稳定安全系数K2 的变化情况如表3 所示。由表3 可以看出，挡渣墙整体放大缩小时K1、K2无变化，敏感性分析结果均为不敏感。结果表明：挡渣墙尺寸整体放大缩小时对弃渣场抗滑稳定安全系数、挡渣墙基底抗滑稳定安全系数基本没有影响，挡渣墙尺寸整体放大缩小对渣场安全稳定意义不大。

表3 挡墙尺寸敏感性分析表

挡渣墙是弃渣场的重要建筑物，能防止堆渣过程中渣料滑塌或散落，能够确保后期坡脚稳定，避免坡脚被雨水风浪淘刷，对弃渣场安全稳定有利。同时，挡渣墙的建设对投资影响也较大，因此需注重挡渣墙断面的优化设计。挡渣墙整体放大时，一方面增大了自重，提高了挡墙基底抗滑力；另一方面增大了与渣土的接触面积，挡墙承受的土压力同比例增大，因此，挡渣墙设计时选用“矮胖”型断面，有利于增大挡渣墙基底抗滑力和墙体滑动力的比值，从而提高挡渣墙基底抗滑稳定安全系数。

3.2 堆渣坡比敏感性分析

堆渣坡比变化时K1、K2 的变化情况如表4 所示。由表4 可以看出，堆渣坡比变化时K1、K2 随之有序变化，坡比越小，安全系数越高，敏感性分析结果均为比较敏感，且K1的敏感度大于K2的敏感度。结果表明：堆渣坡比是影响K1、K2 的重要因子，对弃渣场安全稳定意义重大。

表4 堆渣坡比敏感性分析表

在弃渣场设计及施工过程中，增大堆渣坡比能够减小渣场占地面积、增大渣场容量，从而减少弃渣场用地成本，但坡比变大弃渣场抗滑稳定安全系数、挡渣墙基底抗滑稳定安全系数都会明显降低，这就要求增大挡墙尺寸、增大渣体内摩擦角等，防护措施要求提高后防护费用也相应提高。因此，应注重堆渣坡比的控制，要兼顾经济和安全，在减少渣场占地的同时要格外注意不能突破安全的坡比值。

3.3 堆渣高度敏感性分析

堆渣高度变化时K1、K2 的变化情况如表5 所示。由表5 可以看出，堆渣高度在一定范围内波动时K1变化很小，K2无变化，敏感性分析结果均为不敏感。结果表明：场地地质条件允许时，一定范围内增加堆渣高度对渣场安全稳定影响不大，这与闫宾等[1]研究结果一致。随着渣场高度增加，渣场失事对周边的危害程度也越大，且渣场高度的增加可能让渣场级别提高，从而导致防治措施等级的提高，增加防护措施费用。因此，弃渣场设计施工过程中，在地形地质条件允许，在不突破原弃渣场级别时，可以通过适当增加堆渣高度从而消化更多工程弃渣，节约渣场用地。

表5 堆渣高度敏感性分析表

3.4 土内摩擦角敏感性分析

渣土内摩擦角变化时K1、K2的变化情况如表6所示。由表6 可知，渣土内摩擦角变化时K1、K2 随之有序变化，渣土内摩擦角越大，安全系数越高，敏感性分析结果K1 为比较敏感，K2 为特别敏感。结果表明：渣土内摩擦角是影响K1、K2的另一个重要因子，对弃渣场安全稳定意义重大。影响渣土内摩擦角的因素较多，包括渣土成分、施工工艺、渣土含水率等。因此，应从多方面综合考虑来保障和提高渣土内摩擦角。施工过程中应避免自上而下的弃渣方式，应自下而上堆放，让渣土经受汽车碾压，提高密实度，降低孔隙水压力，增大渣土内摩擦角[7]。降雨是边坡失稳的主要诱因，降雨入渗将导致土体内基质吸力的丧失，进而影响土体的抗剪强度指标[8]。因此，渣场应做好场地截排水措施，包括场地周边截排水沟、渣体边坡排水沟、底部盲沟、渣体顶部向外侧平整等，从而减少外部来水作用于渣体的时间、减弱其作用强度，降低渣土含水率，保障渣土内摩擦角。

表6 渣土内摩擦角敏感性分析表

4 结论

本文以百色水库灌区工程典型弃渣场为研究对象，利用扰动分析法对影响弃渣场安全稳定的挡渣墙尺寸、堆渣坡比、堆渣高度、渣土内摩擦角等4个因素进行敏感性分析，识别其中的关键因素，得出如下结论：

（1）挡渣墙尺寸、堆渣坡比、堆渣高度、渣土内摩擦角4个因素中，堆渣坡比对K1、K2比较敏感，渣土内摩擦角对K1比较敏感、对K2特别敏感，挡墙尺寸及堆渣高度对K1、K2不敏感。堆渣坡比、渣土内摩擦角对渣场安全稳定相对重要，挡渣墙尺寸、堆渣高度对渣场安全稳定相对次要。

（2）挡渣墙尺寸整体放大缩小对渣场安全稳定意义不大，挡渣墙设计时选用“矮胖”型断面，有利于增大挡渣墙基底抗滑力和墙体滑动力的比值，从而提高挡渣墙基底抗滑稳定安全系数。

（3）弃渣场设计施工过程中，在地形地质条件允许时，一定范围内增加堆渣高度对渣场安全稳定影响不大，在不突破原弃渣场级别时，可以通过适当增加堆渣高度从而消化更多工程弃渣，节约渣场用地，通过减小坡比来节约渣场用地时风险较大。

（4）弃渣场设计施工过程中，应注重施工工艺，完善配套措施，从而增大和保障渣土内摩擦角。如采用自下而上堆放方式，让渣土经受汽车碾压，增大渣土内摩擦角；做好场地截排水措施，从而减少外部来水作用于渣土时间、减弱其作用强度，降低渣土含水率，保障渣土内摩擦角等。