渣土填埋场滑坡风险等级评估＊——以杭州某渣土场为例

张 帅，王帅茸，雷孟麟，代 聪，詹良通

（浙江大学建筑工程学院，浙江 杭州 310058）

0 引言

城镇化快速发展产生了巨量的工程渣土。据统计，我国工程渣土堆积量在1.0×1010t 以上，每年以超过3.0×108t 的速度增长［1］。渣土类型复杂，多堆填处置。然而，由于不健全的渣土场风险管控体系，堆填速度快、超容量堆填等不规范的处置方式时有发生，极易造成堆填场失稳［2］。2009年7 月24 日，四川康定县某弃渣场发生了1 起由于强降雨导致的特大滑坡灾害，导致54 人死亡［3］。2015 年12 月20 日，深圳光明新区渣土场发生1 起灾难性滑坡，导致33 栋建筑物被毁，77人死亡［4］。2022 年6 月4 日，贵州1 辆移动的高速列车撞击上由不规范堆积的渣土引起的泥石流堆积物，该事件导致1 名司机死亡，12 人受伤［5］。

滑坡是渣土场失稳的主要灾害形式。针对天然滑坡，其诱发因素主要为降雨和地震，渣土场滑坡则还受到工程措施和渣土自身性质的影响［2］，例如，渣土场在未压实和快速堆填情况下，堆积土体呈现松散、压实度低和固结程度差的特点［2］；在盲沟等排水设施不完善的情况下，可能会出现超静孔隙水压力，降低堆体内有效应力和抗剪强度［4］，增加失稳风险；同时，抛填的渣土性质各异，空间分布复杂［6］，渣土物理参数在时间上也会随着自身的固结沉降不断改变；而且对于高含水率的渣土，其摩擦角小，边坡失稳后的流动性很强［7］，滑坡风险很难把握。因此，多重因素会对渣土场滑坡产生影响，使渣土场滑坡风险评估变得复杂。

目前很少有研究能综合地进行渣土场滑坡风险评估，而多针对边坡稳定性、运移距离等风险评估的各个子项进行分析，例如，Xu 等［8］考虑不同的浸润线水位对深圳光明渣土场进行了稳定性分析；Ouyang 等［9］利用深度积分法，考虑孔压系数重新模拟了深圳光明滑坡的运移过程；Liu 等［7］通过模拟深圳光明滑坡与建筑物的冲击过程，量化了建筑物的易损性。少部分综合的渣土场风险评估研究仅将来自表层环境的致灾因子作为风险评估的关注点，未能反映滑坡风险评估的物理过程，例如，栾婷婷等［10］应用未确知测度理论，选取坡度、降雨量、下游人数和财产等指标，建立了矿山排土场的滑坡风险评价模型；Che 等［11］基于径流系数和集水区面积，利用遥感技术建立了铁矿堆场的安全风险评估方法。考虑到渣土场滑坡风险评估的复杂性和需求的迫切性，本研究的主要目的是建立一种集成的渣土场滑坡风险评估实用性方法，将渣土特性和滑坡特点考虑在滑坡风险评估的各个物理过程中，并为提升渣土场风险防控，提出风险管控的相关对策，最后以杭州某渣土场为例，详细说明该评估方法在实际场地的应用。

1 评估方法

渣土场滑坡风险评估可分成危险性分析、危害性分析和风险评估3 个流程［6］。危险性分析主要包括失稳概率评估和滑坡影响范围分析［12-13］。危害性指易损性指标与承灾体价值的乘积，易损性指标为承灾体在某强度灾害破坏下的物理损伤程度［14-15］，表征范围为0～1。承灾体为受滑坡潜在影响的人员、建筑物和基础设施等。

1.1 危险性分析

1.1.1 失稳概率评估

渣土场边坡失稳概率评估与边坡稳定性分析相关，失稳概率可以通过考虑土体参数的变异性或者降雨等诱发因素的不确定性，利用可靠度分析方法来评估［6，16-17］，但失稳概率求解需要详细地表征土参数空间分布的统计数据，并且计算非常消耗时间，不利于工程应用。本研究根据确定性稳定性分析结果来建立安全系数与失稳概率的关系，GB 50330—2013 建筑边坡工程技术规范［18］规定了4 种边坡稳定性状态，在此基础上，确定各安全系数对应的失稳概率等级，见表1。

表1 边坡失稳概率等级划分［18］Table 1 Classification of failure probability levels of slope［18］

渣土场边坡稳定性分析需考虑孔压对安全系数计算的影响，由于堆填体可能受到快速施工等因素影响处于不固结不排水状态，产生的孔压会降低有效应力和抗剪强度，削弱边坡稳定性［4］。但堆填体内部孔压存在时间和空间上的变化，如果没有足够且持续的勘查数据，无法掌握堆体内部孔压分布以及浸润线水位，则可以利用总应力法进行边坡稳定性分析。部分渣土场坡面存在台阶和拐角，复杂的坡面形式导致在三维空间上存在对边坡安全响应有影响的凹形夹持或凸形发散效应［20］，使二维边坡稳定性分析不能反映实际情况，对形状复杂的渣土场需开展三维稳定性分析。安全系数求解方法可采用有限元法、有限差分法或简化Bishop 法、Morgenstern-Price 法。

1.1.2 滑坡影响范围评估

滑坡影响范围评估是圈定承灾体危害性分析范围的关键，常基于经验统计的方法进行估计。经验统计法指表征滑坡基本特征（如坡高、体积、坡角）与运动距离关系的经验公式［12］。由于渣土场等固废滑坡通常具有很强的流动能力［7］，Hunter 等［21］统计了56 个高速远程的固废堆填场滑坡案例，发现滑坡接触角的正切值tanα与滑源下部边坡坡角的正切值tanβ存在相关关系，如式（1）所示。

式中：H和L分别为滑源最高点到最远运移点的竖直高度与水平距离；ε为残差，其均值为0，标准差为0.068。进行渣土场滑坡运移距离估算时，可生成1 组ε的随机变量，根据H和β进行运移距离L的估计［22］。

1.2 危害性分析

危害性分析包括易损性指标确定和承灾体价值估算。易损性定量评估非常复杂，多采用定性评估，根据工程经验、专家判别和对已有灾害损失的统计分析，对各类承灾体进行易损性赋值。本研究易损性指标参考地质灾害风险调查评价技术要求（1∶50 000）［23］中的易损性建议值，见表2。

表2 滑坡影响范围内易损性指标建议值［23］Table 2 Suggestion value of vulnerability index in the landslide-affecting area［23］

上述承灾体可分为两类：一是以经济损失为价值的建筑物承灾体，包括表2 中的房屋、交通设施和重要工程；二是以伤亡数量为价值的人员承灾体。需要指出由于建筑物等内部的一些资源设施的易损性指标和经济价值很难估计［24］，且缺乏研究支撑，本研究暂未将其考虑在内。建筑物承灾体经济价值依据工作区的经济水平确定。人员承灾体价值以影响区内的人口数量确定。确定承灾体价值和易损性指标后，相乘得到两类承灾体的危害结果。根据工作区地质灾害危害性接受准则，可对危害结果进行分级。本研究结合地质灾害防治条例［25］中规定的地质灾害分级，给出渣土场滑坡危害性等级划分建议，见表3。如果人员与建筑物承灾体都存在，可取两类承灾体中危害等级高的类型参与后续风险评价。

表3 渣土场滑坡危害性等级划分建议［25］Table 3 Suggestion for damage levels classification of landslides in landfill［25］

1.3 风险评估

在滑坡风险评估方法中，风险评估矩阵是一种实用方法［12］。根据上文建立的边坡失稳概率等级和危害性等级的4 级分类标准，并参考诸多风险等级划分研究［12-13，23］，建立一种4×4 的渣土场滑坡风险等级划分矩阵，见表4。该方法在案例分析中可操作性强、简单实用，例如，当渣土场边坡失稳概率等级为中、危害性等级为低时，渣土场滑坡风险评级为低等级。

表4 渣土场滑坡风险评价建议Table 4 Suggestion of landslide risk assessment for landfill

1.4 风险管控

滑坡风险管控是在滑坡风险分析与评估的基础上，采用适宜的管控措施，最大程度地降低风险的管理过程。渣土场滑坡风险管控贯穿渣土场建设的全过程，涉及渣土场选址、建设和治理、监测和预警、应急响应4 个部分。

1）渣土场选址：恰当的渣土场选址能规避后期渣土场产生高等级的滑坡风险。渣土场应选择良好的地形条件，如深坑型、凹地型、平地型，避免选择坡地型和沟谷型；应避开不良地质条件，如滑坡、泥石流、塌陷、软弱地层等；应选择补排水条件良好以及地下富水性较差的场地。选址应避开密集城镇区域，保证周边环境的承灾体价值低。

2）建设和治理：渣土场各项设施建设应符合相关规定，建设中及封场前应进行滑坡风险评估，根据评估结果采取相应治理措施，如通过改善边坡支挡手段（增加挡墙、抗滑桩、锚杆等）来增强挡土结构抵抗能力；完善地表水截排（增加截水沟和排水渠）和地下水导排（增加盲沟、涵管）设施。

3）监测和预警：在雨季，堆体内浸润线短时间升高，导致滑坡风险等级提升。为应对短时间内滑坡风险陡增的情况，应对堆体内水位和孔压进行监测，对堆填体、挡土结构表面和深层水平位移进行监测，当相关指标超过对应阈值时，应向有关部门发出预警。

4）应急响应：收到预警后，应根据滑坡影响范围内的承灾体情况制定灾害的应急措施，明确巡逻方案、人员疏散路线、抢险救灾措施以及组织机构和抢险救灾队伍等。该应灾预案在平时应对公众进行宣传，提高群众的防灾意识和滑坡来临下的自救能力。

2 研究案例

杭州正处于基础设施建设的忙碌期，亚运会建设以来，城市地铁全面开建，亚运场馆持续落地，从2014 年至2022 年产生渣土总量约7.0×108m3，其中2019 年渣土量约高达1.6×108m3［26］。地铁开挖的淤泥质土是杭州渣土的主要成分。淤泥质土含水量大、强度低，本研究场地主要堆填此种渣土。该渣土场位于杭州市临安区，渣土运转由下游1 条二级公路（A 线）承担，见图1（a）。场区占地面积约46 000 m2，分为堆渣区域和挡渣坝，西北侧3 个点用于倾倒废土。设计堆填量为7.0×105m3，2020 年12 月填埋至3.0×105m3，2021年12 月填埋完成，分别见图1（b）和图1（c）。根据GB 51018—2014［19］中弃渣场分级规定，该渣土场工程安全等级为二级。由于该渣土场堆填的淤泥质土抗剪强度低、方量大，一旦发生滑坡，可能破坏下游的A 线公路，威胁乘车人员的生命，须明确渣土场在堆填结束后的滑坡风险程度。

图1 杭州某渣土场Figure 1 A landfill in Hangzhou

3 结果与讨论

该渣土场滑坡风险评估分为危险性分析、危害性分析以及风险评估3 部分。

3.1 危险性分析

3.1.1 失稳概率等级评估

考虑到该渣土场坡面形状复杂，本研究基于无人机航测的三维数字高程模型（DEM）进行三维边坡稳定性分析，图2 为2021 年12 月获取的堆填结束后的DEM。根据前期场地钻孔勘察范围，将挡渣坝和大部分堆渣区域作为稳定性分析的研究区域（115 m×350 m），见图2 和图1（c）中的黑色方框。

图2 渣土场数字高程模型Figure 2 Digital elevation model of the landfill

根据研究区DEM，利用ArcGIS 和Rhino 软件建立三维表面，结合前期钻孔勘察得到的地质剖面，生成含有岩土层的三维模型，并导入到FLAC3D中，基于强度折减法进行三维边坡稳定性分析，结果如图3 所示。堆渣区主要为淤泥质填土，表层堆填了1 层黏土质填土；挡渣坝内部主要为黏土质填土，外部主要为碎石夹黏土质填土，场区底部为中风化粉砂岩。

图3 渣土场研究区域三维边坡模型Figure 3 3D slope model of the landfill study area

根据前期场地勘察结果，堆填场内没有承压水出现，主要堆填的淤泥质土含水量大，平均含水率为41.4%，渗透系数小。对此，考虑不固结不排水情况，进行各种填土原状样下的快速直剪试验，确定正常工况下的抗剪强度；考虑研究区可能受到降雨影响，对各种填土饱和工况下进行快速直剪试验，并确定强度指标。体积模量和剪切模量由杨氏模量和泊松比转换而来，各个土层的杨氏模量和泊松比参考文献［27-30］。根据GB 51018—2014［19］规定，将正常工况和饱和工况作为正常和非正常运行两种情况，利用总应力法进行边坡稳定性分析。两种工况下各土体参数见表5。

表5 两种工况下各土体参数Table 5 Parameters of each soil layer in two conditions

图3 模型坡面设自由边界，底部设固定约束，四周设侧向约束，赋予各材料Mohr-Coulomb 本构模型。经计算，正常和非正常工况下的安全系数分别为1.24 和1.06，两种工况下边坡滑动面形状和位置大体一致。图4（a）为正常工况下三维滑动面分布，滑动面从坝顶后侧的堆渣区域滑入，从坝体台阶A 和B 处滑出，滑动面沿边坡y方向的滑动范围扩大，如图4（b）～图4 （d）所示。3个剖面的滑入位置大体一致，距离坝顶位置约87 m，滑出位置从剖面A-A’至B-B’更加向前发育。根据GB 51018—2014［19］规定，工程安全等级为二级的渣土场在正常和非正常条件下的抗滑稳定安全系数Fst分别为1.30 和1.15。根据表1 关系，两种工况下边坡安全系数1.24 和1.06 对应的边坡失稳概率等级均为中。

图4 正常工况下渣土场边坡的滑动面Figure 4 Sliding surface of landfill slope in normal condition

3.1.2 滑坡影响范围评估

本节根据式（1）确定渣土场滑坡的可能运移距离。渣土场1-1’剖面至下游A 线公路的横截面简化示意如图5（a）所示。考虑两种工况下滑动面位置一致，假定各自对应的滑坡运移距离相同。滑源区域的高度H约为58 m，滑源下部边坡坡角β的正切值约为0.3，生成10 000 组ε值，根据式（1），得到可能的运移距离L的频数分布，如图5（b）所示。经计算，滑坡运移距离超过A 线公路右侧，即L＞（278+21）m 的概率为0.025。在滑坡运移的宽度上，假定滑坡宽度等同于渣土场宽度，即115 m。综上，一旦该渣土场发生滑坡，有2.5%的概率掩埋长度为115 m 的A 线公路。

图5 滑坡运移距离Figure 5 Landslide runout distance

3.2 危害性分析

渣土场滑坡承灾体主要为下游公路115 m 范围内的乘车人员和公路。滑坡影响范围内的乘车人员数量与移动车辆数量有关。在一段距离内，车辆数量服从泊松分布［22］，车辆的平均数量N可以表示为：

式中：γj为车型j的流量密度，计算方法为γj=wj×Q/v，其中wj表示车型j占比，Q为每小时交通密度，即每小时经过该线路的车辆数（辆/h），v为每小时车速（km/h）；la为影响路段的长度，即115 m。

经统计，A 线公路的交通密度Q为309 辆/h，车速v为60 km/h，主要车辆类型为轿车、卡车和面包车，比例分别为0.5、0.2 和0.3。经计算可得出3 种车型在影响路段出现的平均数量，即0.30、0.12 和0.18，考虑每种车辆人员数量分别为4、2、6 人，则对应的人员数量分别为1.20、0.24、1.08人，总人数为2.52 人。考虑人在车辆被掩埋的特殊情况下难以生存，假设人员易损性指标为1.0，另外，由于滑坡运移到A 线公路的概率为2.5%，则可能的平均伤亡人数为2.52×1.0×2.5%=0.063 人（表6）。

表6 渣土场滑坡危害性评估结果Table 6 Evaluation result of landslide hazard in the landfill

根据浙江省物价水平，路基宽为21 m 的二级公路造价约为400～500 万元/km，则长度为115 m公路的经济价值约为46.0～57.5 万元。A 线属于城市道路，其易损性指标赋值为0.3（表2）。同理考虑2.5%的滑坡影响概率，最后计算的可能公路经济损失为0.3～0.4 万元，见表6。最后，根据表3确定人员和公路的危害性等级，两者均为低。

3.3 风险评估与管控

当正常和非正常条件下渣土场边坡失稳概率均为中，且滑坡危害性等级为低时，根据表4 确定两种工况下滑坡风险等级均为低，表明该渣土场对周边安全隐患小。但在非正常工况下，降雨导致边坡安全系数降低至1.06，这使滑坡灾害风险等级接近中等，为避免强降雨可能引发的滑坡严重后果，最好在渣土场潜在滑动面区域设置地下水位、孔压和变形等监测，时刻把握渣土场的滑坡动态。

4 结论

1）通过将渣土自身特性和滑坡特点考虑在滑坡风险评估的各个物理过程中，建立了一种渣土场滑坡风险等级评估方法，使渣土场边坡失稳概率等级与危害性等级各分为极高、高、中、低4级，并建立4×4 的风险等级划分矩阵；提出贯穿渣土场建设全过程的滑坡风险管控对策，涉及渣土场选址、建设和治理、监测和预警、应急响应4个部分。

2）以杭州某渣土场为例，利用该评估方法，对其堆填结束后的风险进行了评估，其中边坡稳定性分析表明正常和非正常工况下的边坡安全系数分别为1.24 和1.06，边坡失稳概率等级均为中；渣土场滑坡影响到下游公路的概率为2.5%，可能造成0.063 人伤亡，0.3～0.4 万元财产损失，危害性等级为低。最终，两种工况下的滑坡风险等级均为低。

3）渣土场滑坡风险评估是一个很复杂的过程，以定性和半定量的方式确定滑坡风险等级，在工程应用上更加实用，但还需进一步发展定量的渣土场全概率风险评估方法，量化工程措施等因素对渣土物理性质、失稳概率和滑坡运移距离等的影响，开发出快速的渣土场滑坡风险评估模型。