某水電站塊石料場棄渣堆積體邊坡變形破壞機制分析

潘一茜，胡卸文,2

(1.西南交通大學(xué)地球科學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，成都 610031；2.西南交通大學(xué)抗震工程技術(shù)四川省重點實驗室，成都 610031)

近幾十年來，隨著城市和基礎(chǔ)設(shè)施的快速發(fā)展，導(dǎo)致越來越多的建筑固體廢物(CSW)棄渣場進行堆放。由于巖土工程風(fēng)險控制意識不夠，世界各地發(fā)生了許多棄渣場滑坡事件[1,2]，由此反映了保障棄渣場選址、施工和運營安全的重要性。棄渣堆積體邊坡滑動的原因一般有兩種，一是由于外力作用破壞了堆積體原有的極限平衡狀態(tài)[3]，如路塹開挖、路堤填筑、礦坑開采等造成土體自重發(fā)生改變而發(fā)生失穩(wěn)變形；二是由于氣候因素的改變導(dǎo)致土體干濕突變、凍結(jié)融化、體積脹縮等，從而造成土體抗剪強度的降低、抗滑力減小發(fā)生變形破壞[4]。

棄渣堆積體邊坡變形破壞機理及其穩(wěn)定性的研究涉及散體塊石的組成、土石混合體物理力學(xué)性質(zhì)、最危險滑動面的確定、計算方法的選取等[5]。棄渣體又是一種特殊的工程體，物料含剝離的表土、爆破的巖石等，粒徑大小不等、級配較差，物料松散[6]，在堆放過程中沉降變形逐漸加大，棄渣場滑坡的事例屢見不鮮[7]。因此分析棄渣堆積體邊坡變形破壞特征，揭示其變形破壞機制，對該類邊坡治理對策選擇尤為重要。

西南某水電站塊石料場棄渣堆積體2004年開始堆放，石料主要為塊狀-碎裂狀玄武巖，棄渣堆前緣高程2 240 m，后緣高程2 320 m，相對高差約80 m，初步推算體積約21×104m3。按不同堆放位置，棄渣堆可以分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三個區(qū)域(圖1)。

該棄渣堆前緣未設(shè)支擋結(jié)構(gòu)，伴隨2008年“5.12”汶川地震和2013年“4.20”蘆山地震以及集中暴雨的影響，在I區(qū)棄渣堆中部因前緣臨空，出現(xiàn)棄渣堆頂部下沉、臨空面坡體發(fā)生溜滑等變形現(xiàn)象，整體可分為四級變形所形成的錯臺與陡坎，整個滑坡體范圍內(nèi)可見多處10～30 m的大型裂縫，滑坡兩側(cè)邊界可見明顯剪切錯動跡象。野外勘查顯示，此類棄渣堆積體邊坡失穩(wěn)與集中降雨觸發(fā)更為密切，因此以I區(qū)棄渣堆積體邊坡為例，系統(tǒng)分析其變形破壞機制具有重要的實踐意義和示范價值。

圖1 某水電站棄渣堆航拍全景圖

1 棄渣堆積體邊坡地質(zhì)環(huán)境條件概述

棄渣堆積體邊坡位于某居民集中區(qū)后緣山坡上，原始斜坡中上部為玄武巖基巖，地形坡度50°～60°；棄渣堆放部位為老崩坡積堆積塊碎石土，地形坡度25°～35°，推測松散層厚度一般5～20 m不等，局部可達28.5 m。

受亞熱帶季風(fēng)氣候、西風(fēng)帶氣流影響，場地多年平均降雨量為789.9 mm，最大日降雨量為62.5 mm，年均降雨日數(shù)146.7 d，降雨多集中在5～10月，占全年的85%～90%。

2 棄渣堆積體邊坡變形特征

2.1 邊坡形態(tài)特征

棄渣堆積體位于半節(jié)子溝一側(cè)右岸，空間分布呈不規(guī)則長條狀(圖1、圖2)，地形坡度平均25°，其前緣高程2 240 m，后緣高程2 320 m，相對高差約80 m，縱向長約210 m，橫向?qū)捈s60 m，平均厚約10 m，體積約12.6×104m3。

2.2 邊坡地質(zhì)結(jié)構(gòu)特征

根據(jù)巖性及結(jié)構(gòu)特點，邊坡主要涉及3類成因的地層：

圖2 棄渣堆邊坡工程地質(zhì)平面圖及變形裂縫分布圖

2.3 邊坡變形破壞特征

受2008年“5.12”汶川地震和2013年“4.20”蘆山地震以及集中暴雨的影響，從2014年開始，棄渣堆邊坡開始變形，到2017年變形進一步加劇，整個滑坡體范圍內(nèi)可見多處長10～30 m的大型裂縫，兩側(cè)邊界可見明顯剪切錯動跡象。整個變形區(qū)因前緣臨空，出現(xiàn)棄渣堆頂部下沉、坡體發(fā)生溜滑，并對棄渣堆前緣老堆積土體產(chǎn)生擠壓剪出等變形，整體可分為四級變形所形成的錯臺與陡坎，每級錯臺高度均在10 m以上。各級下錯臺階裂縫延伸較長，如LF07、LF09(圖2(d))，形成最長可達50 m、寬約15 m的錯臺。

現(xiàn)場勘察表明，滑坡前緣剪出口以老堆積體剪出口變形裂縫為界(圖2(a))，后緣以陡崖后壁為界(圖2(f))，左、右兩側(cè)均以料石堆放邊界的剪切裂縫為界，主滑方向248°，體積約12.6×104m3。研究區(qū)變形裂縫統(tǒng)計見表1，各剖面見圖3。

表1 棄渣堆滑坡變形裂縫統(tǒng)計表

圖3 棄渣堆邊坡滑坡變形體工程地質(zhì)剖面圖

3 棄渣堆邊坡變形破壞機制分析

根據(jù)上述變形特點及裂縫分布，棄渣堆滑坡整體屬于推移式滑坡，而每一級平臺棄渣堆表部又具有局部牽引式(后退式)滑移特征。

棄渣堆積體前緣下方為居民集中區(qū)，棄渣堆一旦發(fā)生整體滑坡失穩(wěn)可能會出現(xiàn)以下兩種次生災(zāi)害類型：(1)碎屑流；(2)坡面泥石流。無論哪種災(zāi)害，都會對坡下居民生命財產(chǎn)安全構(gòu)成嚴重威脅。

為了獲取棄渣堆巖土體的滲透性能，現(xiàn)場開展了原位雙環(huán)滲透試驗，得到棄渣體與下伏老堆積體的飽和滲透系數(shù)，結(jié)果見表2、圖4。

表2 棄渣體與老堆積體不同深度滲透系數(shù)

圖4 棄渣堆土體滲透系數(shù)隨時間變化曲線

滲透試驗表明，兩種不同類型土體的飽和滲透系數(shù)都隨著土體深度增加而呈遞減的趨勢，棄渣體表層的滲透系數(shù)為1.41×10-1cm/s，而埋深1 m時減小到2.00×10-2cm/s，但是下伏老堆積體的滲透系數(shù)因壓密要小得多，其表層飽和滲透系數(shù)僅為1.88×10-3cm/s，埋深1 m時5×10-4cm/s?？梢姉壴w表層的滲透性能是老堆積體表層的75倍，埋深1 m時也相差40倍，這說明棄渣滑坡體由棄渣堆石料組成，滲透系數(shù)相當大，持續(xù)降水會很快入滲至下伏老堆積體表面，由于老堆積體滲透性差，這部分水形成滯水富水帶而軟化新老堆積體界面，導(dǎo)致其強度參數(shù)急劇降低，再加之水的浮托力作用，導(dǎo)致棄渣堆積體易沿新老堆積體界面下滑。

4 降雨對邊坡穩(wěn)定性的影響

為了研究降水持續(xù)時長對棄渣堆滑坡穩(wěn)定性的影響，運用SLOPE/W模塊計算邊坡穩(wěn)定性系數(shù)，疊加SEEP/W模塊中計算孔隙水壓力的結(jié)果，模擬不同時間下持續(xù)降雨對棄渣堆積體邊坡穩(wěn)定性的影響。

模型共劃分為3個區(qū)域，從上到下分別為棄渣體、老堆積體和基巖。且考慮各層巖土體均質(zhì)各向同性，通過取樣試驗，同時結(jié)合參數(shù)反演和經(jīng)驗類比得到各層巖土體的抗剪強度指標(表3)。

表3 邊坡物理力學(xué)參數(shù)建議值表

查閱《中國暴雨統(tǒng)計參數(shù)圖集》，得到該棄渣堆所在地區(qū)的1 h、6 h、24 h、48 h、72 h狀態(tài)下暴雨量及暴雨強度如表4所示。

表4 降雨參數(shù)統(tǒng)計值

選取棄渣堆積體滑坡主滑方向1-1′剖面為例，分布在0 h、1 h、6 h、24 h、48 h、72 h持續(xù)降雨的作用下穩(wěn)定性計算結(jié)果如圖5所示。

圖5 1-1′剖面在持續(xù)降雨作用下相應(yīng)穩(wěn)定性系數(shù)

由圖6(a)可知，邊坡穩(wěn)定性系數(shù)隨降雨時間的增長呈非線性降低趨勢，而降雨歷時對坡體穩(wěn)定性的影響隨時間的增長而逐漸趨于變緩。降雨前坡體穩(wěn)定性系數(shù)為1.080，處于基本穩(wěn)定狀態(tài)。降雨1 h后驟減到1.029，處于欠穩(wěn)定狀態(tài)。隨著持續(xù)降雨，雨水不斷入滲，坡體穩(wěn)定性系數(shù)繼續(xù)降低。降雨72 h后，坡體穩(wěn)定性系數(shù)大幅減小至0.969，處于不穩(wěn)定狀態(tài)。在降雨24 h過程中，穩(wěn)定性系數(shù)降低的速率最大，每24 h可降低0.102 mm，之后降低速率趨于穩(wěn)定，每24小時降低0.004 5 mm。從圖6(b)也可見，穩(wěn)定性系數(shù)變化率隨降雨歷時的增長趨于平緩。但在24 h內(nèi)，影響仍然顯著，表明降雨入滲依然是影響邊坡穩(wěn)定性的主要因素。

圖6 1-1′剖面在持續(xù)降雨作用下穩(wěn)定性隨時間變化趨勢

5 結(jié)論

(1) 由粗顆粒組成的棄渣體邊坡與其下伏老堆積土體由于密實程度的差異，兩者滲透系數(shù)差異明顯，埋深1 m時前者為2.00×10-2cm/s，后者相應(yīng)部位為5×10-4cm/s，棄渣體是老堆積土體的40倍。

(2) 由于滲透差異，持續(xù)降雨進入棄渣堆后會很快入滲至下伏老堆積體表面，由于老堆積體滲透性能差，這部分水形成滯水富水帶而軟化新老堆積體界面，導(dǎo)致其強度參數(shù)急劇降低，再加之水的浮托力作用，導(dǎo)致棄渣堆積體易沿新老堆積體界面下滑。

(3) 基于Geo-Studio軟件中的SLOPE/W和SEEP/W模塊分析了棄渣堆積體穩(wěn)定性隨降雨時效的影響，表明穩(wěn)定性系數(shù)隨降雨時間的增長呈非線性降低趨勢。

[1] Colomer-Mendoza et al. Influence of the design on slope stability in solid waste landfills [J]. Earth,2013,Sci 2(2):31-39.

[2] Huang Y et al. SPH-based numerical simulations of flow slides in municipal solid waste landfills [J]. Waste Manage Res,2013,(31):256-264.

[3] 李鏡培,趙春風(fēng).土力學(xué)[M].北京:高等教育出版社,2008:4.

[4] 馬曉燕,邸利,傅志娥,等.朱岔峽水電站2號棄渣場邊坡穩(wěn)定度分析與水土保持措施[J].中國水土保持,2011,5(5):53-55.

[5] 李林,夏祿清.礦山排土場穩(wěn)定性研究的若干問題探討[J].云南冶金,1998,27(5):9-13+31.

[6] 廖建.金元水電站10#渣場堆載過程中邊坡穩(wěn)定性演化分析[D].成都理工大學(xué), 2013.

[7] 黃廣龍,周建,龔曉南.礦山排土場散體巖土的強度變形特性[J].浙江大學(xué)學(xué)報(工學(xué)版),2000,34(1):56-61.