某隧道出口棄渣場邊坡穩(wěn)定性分析

柏淼

（中煤科工集團(tuán)沈陽設(shè)計研究院有限公司，遼寧 沈陽 110015）

某隧道出口棄渣場邊坡穩(wěn)定性分析

柏淼

（中煤科工集團(tuán)沈陽設(shè)計研究院有限公司，遼寧 沈陽 110015）

針對某隧道出口棄渣場存在安全隱患，采取Geoslope巖土計算棄渣場穩(wěn)定性，并提出具體保證穩(wěn)定性措施，再通過MIDAS-NX數(shù)值模擬對治理后的渣場進(jìn)行評價，驗證了該方案安全可靠，為類似工程積累了經(jīng)驗。

邊坡；數(shù)值模擬；暴雨；治理措施

1 工程概況

某棄渣場位于本溪市境內(nèi)，大頂山隧道東南側(cè)，渣量約50萬m3，渣場地勢東高西低，有一處沖溝貫穿場區(qū)。邊坡前緣高度為15～36 m，坡度約18°～31°，邊坡頂?shù)钠脚_寬度為100～190 m，邊坡平臺后緣大部分延伸至原始地面標(biāo)高，東北側(cè)渣場尾部有6 m高差坡面，形成一階平臺，平臺底延伸至沖溝地面。棄渣場邊坡前緣坡腳處為高度不等的漿砌片石擋墻，擋墻最高為8 m，擋墻與坡頂之間為人工形成的3個臺階，臺階及坡面已種草復(fù)綠。棄渣場前緣地勢低洼呈“V”形溝谷，溝谷兩邊高，中間低，形成高度不等的斜坡，向棄渣場垂直延伸下游方向約150 m后形成地勢相對開闊區(qū)域。溝谷內(nèi)存在自然村莊，由于溝內(nèi)居民房屋距棄渣場前緣較近，需對該棄渣場邊坡穩(wěn)定新進(jìn)行評價，已保障居民安全。

2 區(qū)域地形地貌及氣象條件

棄渣場邊坡位于遼寧省本溪市南芬區(qū)金坑村，區(qū)內(nèi)總趨勢是中部低，向周邊逐漸升高，最高點位于棄渣場東北部，海拔408.8 m，最低點位于棄渣場前緣溝谷內(nèi)，海拔182 m。區(qū)內(nèi)地形切割較強(qiáng)烈，地形復(fù)雜。根據(jù)區(qū)域地貌形態(tài)類型劃分為低山丘陵和溝谷兩個地貌單元。其中低山丘陵廣泛分布于渣堆區(qū)域，被枝狀溝谷所切割。多呈長脊?fàn)?，少?shù)呈渾圓狀，坡角一般15°～25°，地表植被發(fā)育優(yōu)良。表層巖性主要為第四系表土、坡積物、風(fēng)化巖層。溝谷呈東南-西北向，多呈樹枝狀分布，主溝斷面多呈“V”型。區(qū)內(nèi)最大溝谷由東南向西北穿過棄渣場，溝谷寬5～30 m。棄渣場所處的南芬區(qū)屬北溫帶大陸性季風(fēng)氣候，處于中溫帶濕潤區(qū)，四季分明，日照充足。年降雨量850～900 mm，年蒸發(fā)量450～500 mm，大氣降水多集中在6—8月，占全年降水量的60%以上，且多暴雨。區(qū)內(nèi)無霜期為110～150 d。

3 區(qū)域地質(zhì)及工程地質(zhì)條件

工程地質(zhì)經(jīng)過明挖探槽的方法查明棄渣場地層主要由渣料、坡積物、風(fēng)化基巖構(gòu)成，現(xiàn)就探槽所揭露的地層情況描述如下：

1）渣料。雜色，該渣料為隧道開挖剝離的泥灰?guī)r、頁巖、碎石土組成，粒徑不均，一般在10～50mm左右，局部粒徑大于400 mm，該層填土粒徑粗大，內(nèi)摩擦角約為25°～33°。

2）坡積物。黃褐色，灰褐色，主要為粉質(zhì)黏土組成，夾卵石、頁巖碎塊，局部為泥灰?guī)r殘積物。該層土內(nèi)摩擦角較大，約在18°～21°，黏聚力較小，厚度一般在5.0～6.0 m。

3）風(fēng)化基巖。主要為泥灰?guī)r，全-強(qiáng)風(fēng)化，較破碎，走向南偏北178°，傾角15°～25°。

4 棄渣場邊坡穩(wěn)定性分析

棄渣場邊坡穩(wěn)定性受多種因素影響，如棄渣場底地層工程地質(zhì)條件，巖層賦存狀況，基底巖層強(qiáng)度，排棄物的物理力學(xué)特性，邊坡潛在的破壞模式，邊坡的幾何參數(shù)和邊坡的服務(wù)年限等主要因素。棄渣場邊坡不同巖體的組合順序可能導(dǎo)致邊坡穩(wěn)定性不同，可以說棄渣場邊坡穩(wěn)定性很大程度是由排棄物決定的。

根據(jù)對現(xiàn)有棄渣場周圍的現(xiàn)場調(diào)查，結(jié)合經(jīng)驗，可以初步判斷影響該邊坡穩(wěn)定性主要因素為邊坡坡腳擋墻的自身穩(wěn)定、坡面臺階的留設(shè)問題。針對此情況，采取Geoslope巖土計算棄渣場穩(wěn)定性，并提出具體保證穩(wěn)定性措施，再通過MIDAS-NX數(shù)值模擬對治理后的渣場進(jìn)行評價。

4.1 Geoslope巖土計算棄渣場穩(wěn)定性

通過Geoslope巖土軟件，采用極限平衡法中的M-P法 、Sarma法和 ordinary法分別計算出不同典型剖面的安全系數(shù)，對比GB50330—2013建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范中的穩(wěn)定性判定安全系數(shù)，得到穩(wěn)定性評價結(jié)論。

4.1.1 計算剖面的選取

綜合分析該渣場周邊環(huán)境，最典型的邊坡斷面分別為擋墻最高且處于地形溝底的1-1′剖面，渣場前緣距離附近村民房屋最近的2-2′剖面和3-3′剖面。計算剖面布置如圖1所示。

圖1 計算剖面布置

4.1.2 巖土物理力學(xué)參數(shù)選取

針對布設(shè)的3個邊坡剖面進(jìn)行穩(wěn)定性分析計算，首先對3個剖面進(jìn)行整體穩(wěn)定性計算，再對每個剖面最危險滑動面進(jìn)行自動搜索，并確定其穩(wěn)定系數(shù)。計算參數(shù)選取見表1，計算結(jié)果見表2、表3。

表1 巖土物理力學(xué)參數(shù)

表2 指定滑動面整體滑動法穩(wěn)定性安全系數(shù)

表3 自動搜索最危險滑動面法穩(wěn)定性安全系數(shù)

經(jīng)過對剖面的穩(wěn)定性計算，結(jié)果表明3個剖面的最小整體穩(wěn)定性安全系數(shù)為3.01，遠(yuǎn)滿足一級邊坡安全要求，排除了邊坡整體滑動的可能。通過3個自動搜索滑動面的計算結(jié)果表明3個剖面安全系數(shù)均大于1，潛在最危險滑動面出口均為邊坡前緣。1-1′和2-2′剖面的穩(wěn)定系數(shù)Fs〈1.35不滿足一級邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)；3-3′剖面的穩(wěn)定系數(shù)Fs〉1.35滿足一級穩(wěn)定性要求[2]。說明邊坡整體處于基本穩(wěn)定狀態(tài)，但局部安全儲備不足，存在一定安全隱患，應(yīng)采取相應(yīng)預(yù)防控制措施。

4.2 邊坡穩(wěn)定治理措施

通過對該棄渣場邊坡的分析，主要采取新建支擋擋墻和修筑完整排水系統(tǒng)的方式進(jìn)行治理。對渣場前緣采取局部新建衡重式擋墻的措施保障邊坡穩(wěn)定性。根據(jù)現(xiàn)場地形條件，將東北側(cè)渣場尾部區(qū)域洼地標(biāo)高填至與周圍排水系統(tǒng)相連接，修筑完整排水系統(tǒng)。

4.3 治理方案的MIDAS-NX數(shù)值模擬

通過采用MIDAS-NX軟件，采用強(qiáng)度折減算法（SRM）。它是在理想彈性有限元計算中，將邊坡巖土抗剪強(qiáng)度參數(shù)逐漸降低，指導(dǎo)其達(dá)到破壞狀態(tài)為止，即破壞滑動面（塑性應(yīng)變和位移突變的地帶），同時，得到邊坡的強(qiáng)度儲備安全系數(shù)F。通過調(diào)整折減系數(shù)對邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行分析，求得邊坡的最小安全系數(shù)，同時，強(qiáng)度折減法計算表明，泊松比對安全系數(shù)的計算結(jié)果沒有影響，強(qiáng)度折減法可以直接得出不需要事先假設(shè)滑裂面的形式和位置，還可以考慮邊坡的漸進(jìn)過程，此方法對于有限元全面的滿足了靜力許可、應(yīng)變相容和應(yīng)力-應(yīng)變之間的本構(gòu)關(guān)系，因此不必引入假定條件，保證嚴(yán)密的理論體系，而且采用數(shù)值分析，可以不受邊坡幾何形狀的不規(guī)則和材料的不均勻性的限制，是邊坡分析比較理想的方法。

4.3.1 數(shù)值模型的構(gòu)建

根據(jù)邊坡地質(zhì)資料，在模型的構(gòu)建過程中，力求盡量符合與反映實際工程，從幾何邊界條件、地質(zhì)邊界條件、材料邊界條件等方面綜合考慮來建立合理的邊坡地質(zhì)力學(xué)模型。

本次模型包括棄渣場壓占范圍以及壓占范圍以外原地貌50～100 m。其中模型剖面1-1′共剖分了6 857個單元，7079個節(jié)點，剖面2-2′共剖分了5 378個單元，5 285個節(jié)點，剖面3-3′共剖分了4 284個單元，4 454個節(jié)點。

4.3.2 模擬結(jié)果

通過對邊坡進(jìn)行數(shù)值模擬分析，可以得出邊坡由其自身重力產(chǎn)生鉛直應(yīng)力和水平應(yīng)力，并在坡腳擋墻處產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，滑裂面均在坡腳擋墻前剪出。1-1’剖面的穩(wěn)定系數(shù)為1.375，2-2’剖面的穩(wěn)定系數(shù)為 1.393，3-3’剖面的穩(wěn)定系數(shù)為1.395，3個典型剖面的安全系數(shù)均大于一級邊坡1.35的要求。說明邊坡處于穩(wěn)定階段，驗證了治理方案的可靠性。模擬結(jié)果見表4。

表4 治理后安全系數(shù)計算結(jié)果

4.3.3 極端暴雨工況模擬

該棄渣場邊坡屬于永久性邊坡，破壞后會造成人員及財產(chǎn)的損失，考慮到設(shè)計的百年大計，如果遇到暴雨極端情況，勢必渣場邊坡的穩(wěn)定性會降低，存在滑坡的可能。因此采取按連續(xù)2天極端暴雨，暴雨降雨量228.6 mm/d(歷史最大降雨量，發(fā)生在1960年8月4日)進(jìn)行數(shù)值模擬，模擬結(jié)果見表5。

表5 極端暴雨情況模擬結(jié)果

通過對暴雨模擬結(jié)果分析，可以看出隨降雨的時間持續(xù)，邊坡內(nèi)水位會持續(xù)升高，3個典型剖面的安全系數(shù)有所降低，但仍滿足邊坡安全穩(wěn)定性要求。

5 結(jié)論

通過采用Geoslope軟件計算分析，該棄渣場邊坡不會發(fā)生整體滑移，目前處于基本穩(wěn)定狀態(tài)。但局部安全儲備不足，需采取一定的安全措施；結(jié)合當(dāng)?shù)亟?jīng)驗及周邊環(huán)境，給出了新建擋墻和修筑完整排水系統(tǒng)的治理方案，并運(yùn)用MIDAS-NX軟件，對治理后的邊坡進(jìn)行一般工況及極端暴雨工況的數(shù)值模擬，驗證了治理方案的可靠性，為類似工程提供了寶貴經(jīng)驗。

［1］ 中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.GB50330—2013建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范［S］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2013.

［2］ 中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.GB50021—2001巖土工程勘察規(guī)范［S］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2009.

［3］ 上官，曾蔚.邊坡開挖的有限元數(shù)值模擬分析［J］.公路交通科技，2006.23（5）：31-35.

［4］ 朱嫕.極限平衡有限元法在邊坡穩(wěn)定分析中的應(yīng)用［J］.上海水務(wù)，2014.30（2）：17-20.

［5］ 闕云，胡昌斌，姚曉琴.降雨入滲下殘積土坡失穩(wěn)因素的敏感程度分析［J］.廣西大學(xué)學(xué)報，2009，34（4）：469-472.

［6］ 薛中洲，曾田，吳逢春.降雨滲流對邊坡穩(wěn)定性的影響分析［J］.路基工程，2008（5）：132-133.

［7］ 邵龍譚，唐洪祥，韓國城.有限元邊坡穩(wěn)定分析方法及應(yīng)用［J］.計算力學(xué)學(xué)報，2001，18（1）：31-35.

［8］ 劉曉燕，王興國，閆坤伐，等.基于Midas/GTS滇西紅層高邊坡抗震穩(wěn)定性分析［J］.路基工程，2016（5）：187191.

【責(zé)任編輯：陳 毓】

Slope stability analysis of abandon slag field at tunnel exit

BAI Miao
(China Coal Technology and Engineering Group Shenyang Design&Research Institute,Shenyang 110015,China)

Aiming at the hidden dangers of abandon slag field at tunnel exit,Geoslope geomaterials were used to calculate the stability of spoil,and the measures to ensure stability were put forward.Then,the dregs field will be evaluated by MIDAS-NX numerical simulation.The program is safe and reliable,which accumulates experience for similar projects.

slope;numerical simulation;rainstorm;control measure

TD824.7

B

1671-9816（2017）04-0081-03

10.13235/j.cnki.ltcm.2017.04.024

柏淼.某隧道出口棄渣場邊坡穩(wěn)定性分析［J］.露天采礦技術(shù)，2017，32（4）：81-83.

2016-12-27

柏 淼（1985—），男，遼寧阜新人，工程師，碩士，2010年畢業(yè)于東北大學(xué)資源與土木工程專業(yè)，主要從事巖土勘察與設(shè)計工作，