暴雨條件下棄土場穩(wěn)定性分析

王衍飛

【摘 要】?隨著交通工程的增多，開挖場地后堆積形成的棄土場越來越成為危害工程環(huán)境的隱患。文章通過對某棄土場的工程地質(zhì)調(diào)查和室內(nèi)外試驗(yàn)選取參數(shù)，運(yùn)用Geostudio軟件SEEP/W模塊和SLOPE/W模塊，對棄土體邊坡自然工況和暴雨工況進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。結(jié)果表明，在合理支護(hù)措施下，棄土場能在不利工況下保持穩(wěn)定，但仍需要加強(qiáng)監(jiān)測和排水措施。

【關(guān)鍵詞】棄土場; Geostudio; 暴雨滲流; 穩(wěn)定性

棄土場作為現(xiàn)代交通基礎(chǔ)建設(shè)附屬工程，因?yàn)槠涮罘讲牧隙酁樗淼罈壴吐穳q挖方，往往與下覆地層工程特性出現(xiàn)較大差異，而不穩(wěn)定的棄土場則嚴(yán)重危害周邊人民群眾生命財(cái)產(chǎn)安全。因此對棄土場的穩(wěn)定性研究具有極其重要的意義，需要發(fā)現(xiàn)其危險(xiǎn)性因素并給出相應(yīng)的治理防護(hù)措施。

本文以某棄土場為例，結(jié)合許多學(xué)者對不同邊坡穩(wěn)定性的分析[1-6]，運(yùn)用Geo-Studio軟件，在對擬定工況滲流場進(jìn)行非飽和滲流分析基礎(chǔ)上，對不同工況邊坡穩(wěn)定情況進(jìn)行數(shù)值計(jì)算和潛在滑體模擬，以期對棄土場治理措施提出提供可靠依據(jù)。

1 工程概況

本文研究的棄土場屬于某鐵路沿線附屬工程，所在區(qū)域?yàn)榍鹆昃徠碌孛玻貏萆杂衅鸱?，植被發(fā)育，多為喬木、低矮灌木，西高東低，自然高程259～309 m，相對高差40～50 m，山坡自然坡度約為15～30°。屬于溫濕亞熱帶氣候，最高氣溫達(dá)39.6 ℃，極端最低氣溫達(dá)-8.5 ℃，多年平均氣溫16.6 ℃。歷年最大降雨量1 734.1 mm（1970年），一般年降雨量1 268.9 mm，年蒸發(fā)量1 371.0 mm，年日照時(shí)數(shù)1 421.4 h，年平均濕度80 %～83 %，無霜期355天，百年一遇24 h降雨量269.0 mm。

研究區(qū)域分布的地層由上往下為填筑土（Q4ml），第四系殘坡積（Q4el+dl）、元古宙板溪群（Ptnwb）板巖，分布厚度介于20～35 m。最表層為人工棄土，碎石土，碎石成分為褐黃色泥質(zhì)砂巖，黏土充填。占地面積3.39 hm2，棄土方量22.48×104 m3，最大堆渣高度43 m。

綜合棄土場區(qū)域工程地質(zhì)資料、鉆孔資料以及對研究區(qū)現(xiàn)場地質(zhì)測繪，未發(fā)現(xiàn)較大斷裂構(gòu)造，查閱相關(guān)文獻(xiàn)，研究區(qū)無明顯新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)。根據(jù)勘察資料，棄土場區(qū)域地表水弱發(fā)育，僅局部存在小水塘。地下水類型主要為孔隙水及基巖裂隙水，孔隙水主要賦存于全風(fēng)化巖層中，不發(fā)育;基巖裂隙水主要賦存于強(qiáng)～弱風(fēng)化的基巖之中，不發(fā)育;地下水埋深4.0～8.0 m。

根據(jù)GB 18306-2015《中國地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖》，研究區(qū)地震動(dòng)參數(shù)為地震動(dòng)峰值加速度為0.05g，地震動(dòng)反應(yīng)譜特征周期為0.35 s，地震基本烈度為VI級(jí)，可采取一般抗震措施。

2 模型構(gòu)建與參數(shù)選取

本文應(yīng)用Geostudio分析棄土場滑體穩(wěn)定性，模擬自然條件以及降雨條件下棄土場可能變形失穩(wěn)情況。根據(jù)棄土場地質(zhì)原型和工程地質(zhì)條件，建立沿棄土場主滑方向典型剖面生成的數(shù)值模型，見圖1。本文按實(shí)際工程情況將計(jì)算模型總體分為3層：人工棄土、強(qiáng)風(fēng)化板巖和弱風(fēng)化板巖。

2.1 邊界條件設(shè)定

滲流分析中，模型邊界常常按兩類邊界條件設(shè)定。第一類邊界條件為給定一個(gè)節(jié)點(diǎn)場變量，地下水位以下均為第一類邊界條件;第二類邊界條件為給定單元邊水流速率，地下水位以上入滲及降雨表面邊界按流通量邊界處理，即第二類邊界條件。場變量參數(shù)為水頭高度，水頭差是水流流動(dòng)的主要?jiǎng)恿Α?/p>

依據(jù)滲流分析原理，將模型左邊界設(shè)置為水頭邊界，給定0 m高的水頭，將右邊界及底部邊界設(shè)置為零通量邊界，模型表面為入滲面，作為流量邊界。

2.2 工況與參數(shù)

根據(jù)棄土場工程地質(zhì)條件，主要分為自然工況和不同持續(xù)時(shí)間暴雨工況（1 h、6 h、24 h、72 h）研究棄土場的穩(wěn)定性。依據(jù)《中國暴雨統(tǒng)計(jì)參數(shù)圖集》，由格網(wǎng)圖可以得到棄土場區(qū)域百年一遇雨量值。經(jīng)過入滲折算后的暴雨入滲強(qiáng)度見表1。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及相關(guān)工程類比，綜合確立了棄渣場的物理力學(xué)參數(shù)。如表2所示。

3 棄渣場滑坡穩(wěn)定性分析

根據(jù)破壞模式分析結(jié)果和現(xiàn)場調(diào)查情況，棄土場發(fā)生滑坡的可能情況為：①沿基底接觸面滑動(dòng);②沿邊坡內(nèi)部潛在滑面的滑動(dòng)。因此，在進(jìn)行棄土場穩(wěn)定性計(jì)算分析時(shí)，應(yīng)該對棄土場進(jìn)行沿基底接觸面滑動(dòng)的整體穩(wěn)定性分析和沿棄土體邊坡內(nèi)部潛在滑面滑動(dòng)的棄土體邊坡穩(wěn)定性分析。

3.1 整體穩(wěn)定性分析

根據(jù)表2參數(shù)采用傳遞系數(shù)法計(jì)算邊坡體剩余推力來確定自然、暴雨兩種條件下的整體穩(wěn)定性系數(shù)。表3為天然工況和暴雨工況下各剖面采用不平衡推力傳遞系數(shù)法計(jì)算得到的棄土體整體穩(wěn)定性系數(shù)。

3.2 邊坡穩(wěn)定性分析

運(yùn)用極限平衡條分法對模型進(jìn)行刻畫，選取SEEP/W模塊進(jìn)行滲流場模擬，同時(shí)在SLOPE/W模塊計(jì)算滑坡安全系數(shù)。材料分類選取類似工況體積含水量函數(shù)與滲透系數(shù)函數(shù)?；路€(wěn)定性計(jì)算使用包括瑞典圓?。∣rdinary）法、畢肖普（Bishop）法和摩根斯坦-普賴斯（Morgenstern-Price）法對棄土場進(jìn)行對比分析。

3.2.1 天然工況下棄土場穩(wěn)定性

Geo-Studio的SLOPE/W模塊可自動(dòng)搜索圓弧滑面，展示最危險(xiǎn)滑弧范圍并計(jì)算棄土場剖面的穩(wěn)定性系數(shù)。表4為在天然工況下以三種方法計(jì)算得到棄土體邊坡穩(wěn)定性系數(shù)結(jié)果及其穩(wěn)定性狀態(tài)。三種方法中，Bishop法計(jì)算安全系數(shù)最大，偏安全;Ordinary法計(jì)算安全系數(shù)最小，偏不安全。而Morgenstern-Price法數(shù)值介于兩者之間，也最為適用該棄土場沿基覆界面的土石質(zhì)滑坡，圖2展示了天然工況下采用Morgenstern-Price法計(jì)算得到的棄土體邊坡穩(wěn)定性最危險(xiǎn)滑弧。結(jié)果表明，在給了一定邊坡支護(hù)（擋墻）后，天然工況下棄土場邊坡具有較好的穩(wěn)定性。

3.2.2 暴雨工況下棄土場穩(wěn)定性

根據(jù)SEEP/W模塊計(jì)算得到的棄土場暴雨工況下的滲流場分布，采用SLOPE/W模塊計(jì)算棄土場邊坡穩(wěn)定性，并展示出棄土體邊坡最危險(xiǎn)滑動(dòng)圓弧。在暴雨工況下三種方法計(jì)算得到棄土體邊坡穩(wěn)定性系數(shù)結(jié)果及其穩(wěn)定性狀態(tài)如表5所示，圖3為各暴雨工況下采用Morgenstern-Price法計(jì)算得到的棄土體邊坡穩(wěn)定性最危險(xiǎn)滑弧。結(jié)果表明，在擋墻支護(hù)作用下，棄土場穩(wěn)定性隨降雨時(shí)長并未出現(xiàn)較大的變化，穩(wěn)定性系數(shù)均大于要求范圍。棄土體邊坡最危險(xiǎn)滑弧范圍隨時(shí)間明顯增大，在24 h時(shí)達(dá)到最大，此時(shí)在雨水持續(xù)入滲下，棄土場上部積水嚴(yán)重，易誘發(fā)滑坡等自然災(zāi)害。

4 結(jié)論

（1）采用Geostudio對棄土場在不同工況下進(jìn)行了穩(wěn)定性分析，得出棄土體在天然工況下穩(wěn)定性系數(shù)最小為1.68;暴雨工況下（72 h）穩(wěn)定性系數(shù)最小為1.209。表明在擋墻支護(hù)下棄土場處于穩(wěn)定狀態(tài)。

（2）持續(xù)暴雨工況下，棄土場高坡出現(xiàn)清晰滑面，并隨時(shí)間范圍擴(kuò)大，伴隨積水量增加，內(nèi)部穩(wěn)定性的降低，坡體滑動(dòng)幾率增加。

（3）暴雨條件下潛在滑體集中于坡體前緣，因此對坡腳支護(hù)要求較高，可適當(dāng)采取相應(yīng)的防治措施， 如修建截排水溝，在邊坡坡腳外一定距離適當(dāng)位置處布置必要的消能、沉沙設(shè)施等。

參考文獻(xiàn)

[1] 員海，謝凱.貴州某高速公路棄土場邊坡穩(wěn)定性分析[J].吉林水利，2021（2）：16-20.

[2] 張大權(quán)，江興元，鄒妞妞，羅炳佳.降雨滲流對堆積型滑坡穩(wěn)定性影響的數(shù)值模擬——以貴州大榕滑坡為例[J].科學(xué)技術(shù)與工程，2019，19（26）：338-344.

[3] 蔣翰.基于Geo-Studio的棄碴場穩(wěn)定性分析[J].四川建筑，2020，40（4）：136-137.

[4] 童建波，何坤.基于Geo-Slope的土質(zhì)滑坡穩(wěn)定性分析[J].成都大學(xué)學(xué)報(bào)： 自然科學(xué)版，2014，33（4）：394-397.

[5] 黃偉，張震，袁鵬，等.暴雨工況下棄土場高邊坡安全穩(wěn)定性分析[J].交通節(jié)能與環(huán)保，2020，16（3）：86-89.

[6] 何重陽.小尖山隧道棄碴場穩(wěn)定性分析[J].山西建筑，2019，45（17）：61-62.

3192501908287