棄渣體潛在失穩(wěn)滑動(dòng)面探討

王 昱 ，閆 賓，曹 暢，柴建峰

（1.國網(wǎng)新源控股有限公司技術(shù)中心，北京市 100073；2.中國電力財(cái)務(wù)有限公司，北京市 100005）

0 引言

大型土建工程會(huì)產(chǎn)生大量的棄渣，棄渣集中堆放形成棄渣體。棄渣場(chǎng)多選址在自然溝谷中或采石坑等低洼處，渣場(chǎng)周圍多有人類活動(dòng)，棄渣場(chǎng)安全穩(wěn)定顯得尤為重要。充分必需的前期勘測(cè)工作、科學(xué)合理設(shè)計(jì)和渣場(chǎng)啟用期的有效管理，可大大減少棄渣隨意堆放等問題，同時(shí)也能減少工程建設(shè)后期對(duì)渣場(chǎng)的重新平整、修坡，避免渣場(chǎng)二次搬家等重復(fù)工作，減少后期運(yùn)行的潛在風(fēng)險(xiǎn)，節(jié)省工程投資和管理運(yùn)行成本。

巖石碎塊、強(qiáng)全風(fēng)化層物質(zhì)多是棄渣體的主要組成成分，其間還會(huì)混有一定量的細(xì)顆粒物質(zhì)。總體上說，棄渣體的內(nèi)摩擦角較高，自穩(wěn)能力較高。若忽略地震和降雨等的影響，棄渣體在自身重力作用下會(huì)逐漸壓實(shí)固結(jié)，自穩(wěn)能力會(huì)逐漸提高。但如渣體設(shè)計(jì)方案和施工措施不合理，且堆放時(shí)缺少碾壓，或者碾壓效果不好，在重力作用下棄渣體固結(jié)變形沉降，往往在后緣形成拉張裂縫。拉張裂縫成了地下水運(yùn)行和儲(chǔ)存的通道，動(dòng)、靜水壓力將降低棄渣體的穩(wěn)定。棄渣體破壞啟動(dòng)，多為后緣渣體先滑動(dòng)失穩(wěn)，推動(dòng)其前緣渣土體，最后形成整體滑動(dòng)破壞。當(dāng)不存在水流掏刷渣體坡腳時(shí)，棄渣的破壞多為推移式[1]。

目前，棄渣體邊坡穩(wěn)定性計(jì)算采用最多的兩種方法是瑞典圓弧法和簡化Bishop法。兩種方法的計(jì)算值存在一定的差異，計(jì)算出的潛在滑裂面位置相近。計(jì)算時(shí)將棄渣體視為均勻體，不考慮棄渣體與原始地表面之間成為潛在軟弱滑動(dòng)面的可能，不考慮穩(wěn)定系數(shù)Fs隨著填渣方式和堆載高度不同而變化的情況。近年來，有學(xué)者研究得出棄渣體的穩(wěn)定系數(shù)受張拉裂縫內(nèi)內(nèi)摩擦角的影響較大，穩(wěn)定系數(shù)隨著內(nèi)摩擦角的增大而增大。內(nèi)摩擦角在5o～20o之間變化時(shí)，坡體的穩(wěn)定系數(shù)跟內(nèi)摩擦角大致成直線變化[2]。這表明，在滑裂面的形狀未改變之前，坡體穩(wěn)定系數(shù)與張拉裂隙內(nèi)的內(nèi)摩擦角大致呈線性關(guān)系。

目前階段，勘測(cè)設(shè)計(jì)工作較少把注意力放到渣場(chǎng)的設(shè)計(jì)上。目前設(shè)計(jì)中，很少考慮渣體沿著其他潛在軟弱面滑動(dòng)的可能，多是用軟件搜索潛在滑動(dòng)面。對(duì)棄渣體進(jìn)行分析時(shí)，均假定整個(gè)滑面同時(shí)處于臨界失穩(wěn)狀體，棄渣體c、φ取值不夠嚴(yán)謹(jǐn)。同時(shí)，對(duì)棄渣體后期變形和渣場(chǎng)的后期運(yùn)行管理關(guān)注較少。

本文先結(jié)合工作中接觸的棄渣場(chǎng)，探討目前勘測(cè)設(shè)計(jì)存在的問題，對(duì)一些關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)的選取做了對(duì)比。然后淺析 “深圳12·20渣場(chǎng)失穩(wěn)事故”的教訓(xùn)和慘痛經(jīng)驗(yàn)，分析了變形體的破壞機(jī)理。最后，總結(jié)歸納了棄渣體前期勘測(cè)設(shè)計(jì)中應(yīng)該著重關(guān)注的幾個(gè)方面，為土建工程渣場(chǎng)設(shè)計(jì)計(jì)算提供一定參考。

1 工作中的認(rèn)識(shí)

現(xiàn)行《水利水電工程水土保持技術(shù)規(guī)范》（SL 575—2012）中10.5.4條，雖對(duì)渣體穩(wěn)定分析計(jì)算提出了明確的要求和技術(shù)方法，但從接觸的多個(gè)工程渣場(chǎng)設(shè)計(jì)資料來看，多有以下特點(diǎn)：

（1）工程渣場(chǎng)設(shè)計(jì)時(shí)多將渣體視為均勻體，棄渣體與原始地表面之間的接觸面有發(fā)展成軟弱滑動(dòng)面的可能性，這種可能性在實(shí)際設(shè)計(jì)中往往不會(huì)考慮到，特別是天然溝谷較陡的山谷型渣場(chǎng)更容易發(fā)生這種情況。對(duì)溝谷地表的處理措施不適當(dāng)時(shí)，就會(huì)存在泥化、泥碳化甚至局部形成囊狀氣體富集等風(fēng)險(xiǎn)。

（2）棄渣體c、φ取值差別較大。7個(gè)抽水蓄能電站渣場(chǎng)的c、φ取值見表1和圖1。棄渣體多為土石混合體，不同項(xiàng)目差別如此明顯，值得商榷。

表1 強(qiáng)度參數(shù)（c、φ）一覽表Table 1 The list of strength parameters (c、φ)

（3）目前的棄渣體穩(wěn)定性計(jì)算時(shí)，多未考慮穩(wěn)定系數(shù)FS的動(dòng)態(tài)變化，即隨著填渣方式和堆載高度的變化，F(xiàn)S也隨之變化。

（4）重視前期精細(xì)化勘察設(shè)計(jì)，加強(qiáng)棄渣場(chǎng)和土石方工程在時(shí)間和空間的匹配。如渣場(chǎng)啟用前，應(yīng)確保渣場(chǎng)對(duì)外的連接道路已經(jīng)完工、渣場(chǎng)地表植被腐殖土等軟弱覆蓋層已經(jīng)清除等，渣場(chǎng)規(guī)劃和設(shè)計(jì)貫穿棄渣場(chǎng)的全壽命期。

圖1 強(qiáng)度參數(shù)（c、φ）統(tǒng)計(jì)散點(diǎn)圖Figure 1 The statistical scatter plot of strength parameter (c、φ)

（5）后續(xù)工程處理措施經(jīng)常和按規(guī)范要求計(jì)算得出的代表性斷面結(jié)果不匹配，即設(shè)計(jì)文件多對(duì)原始地表進(jìn)行工程措施處理，而對(duì)穩(wěn)定性計(jì)算搜索中潛在滑動(dòng)面的關(guān)注較少。計(jì)算程序搜索得出來的滑動(dòng)破壞面多集中于坡體淺部，滑動(dòng)破壞造成的范圍一般不會(huì)很大。

把項(xiàng)目F地形地貌條件作為模擬計(jì)算的基礎(chǔ)，依次代入表1中7個(gè)抽水蓄能電站渣場(chǎng)設(shè)計(jì)中采用的c、φ取值來探討上述問題。項(xiàng)目F棄渣堆積高度在100m左右，棄渣體的坡角為28°，棄渣場(chǎng)所在溝谷折算坡度約8.5°，具有15%的縱坡。設(shè)置0.5m厚的軟弱帶在渣體和原始地表之間，軟弱帶的設(shè)置是反映棄渣體沿著原有地表變形破壞這一潛在風(fēng)險(xiǎn)，軟弱帶的強(qiáng)度參數(shù)為c=10kPa、φ=10°。

分別采用數(shù)值分析的“強(qiáng)度折減法”和理正巖土軟件中的“瑞典圓弧法”對(duì)棄渣體進(jìn)行穩(wěn)定計(jì)算，計(jì)算時(shí)不考慮原始地表弱化現(xiàn)象，同時(shí)將棄渣體視為均質(zhì)體，不考慮地震和地下水作用，滑面是程序自動(dòng)搜索得出[3]。綜上條件進(jìn)行計(jì)算，得出了圖2～圖4的計(jì)算結(jié)果。由圖2可以看出，在不考慮坡面弱化的情況下，瑞典條分法和強(qiáng)度折減法所計(jì)算得出的FS值比較接近。考慮坡面弱化時(shí)，計(jì)算得出FS值就會(huì)有所下降。內(nèi)摩擦角和內(nèi)聚力均較高的B和D項(xiàng)目的FS值較大，該計(jì)算結(jié)果符合常規(guī)設(shè)計(jì)計(jì)算經(jīng)驗(yàn)。對(duì)比圖3和圖4，可見不同c、φ值計(jì)算出來滑面位置差別很大，滑面位置的不同對(duì)確定棄渣體的工程治理方案有著較大的影響。

圖2 FS在不同計(jì)算方法下的對(duì)比關(guān)系曲線Figure 2 FS according to different analytical methods

圖3 棄渣體按均質(zhì)考慮時(shí)的滑面形態(tài)和FS（a）A 渣場(chǎng)（FS=0.95）； （b）B 渣場(chǎng)（FS=1.56）；（c）C 渣場(chǎng)（FS=0.89）； （d）D 渣場(chǎng)（FS=1.51）；（e）E 渣場(chǎng)（FS=1.22）； （f）F 渣場(chǎng)（FS=1.24）Figure 3 Stability coefficients and sliding planes according to different c and φ

圖5所示的FS和滑面形態(tài)為是在考慮在棄渣體和原始地表之間存有軟弱帶/層時(shí)，采用強(qiáng)度折減法獲得的。對(duì)比圖2不難發(fā)現(xiàn)：如果不重視或者不考慮棄渣體的潛在軟弱夾層成為滑面的可能性，而是不加區(qū)別和考慮的照搬規(guī)范相關(guān)條款，是欠安全的，對(duì)后續(xù)工程處理措施的選取也會(huì)有一定的影響。

2 棄渣場(chǎng)失穩(wěn)工程實(shí)例

2.1 事故概況棄渣體變形破壞機(jī)理分析

以下通過分析“深圳12·20渣場(chǎng)事故”，探討棄渣體失穩(wěn)破壞的一些特征。該山頂處有廢棄的采石場(chǎng)，其本身的形狀就是凹陷的，棄渣場(chǎng)就是利用凹陷處形成的。從自然條件方面來說，利用該凹陷形成的棄渣場(chǎng)的封閉條件比較好。如果前期勘測(cè)設(shè)計(jì)工作較完善，后期運(yùn)營管理得當(dāng)，這確實(shí)是一個(gè)較好的棄渣場(chǎng)選址。

圖4 棄渣體按均質(zhì)考慮時(shí)的滑面形態(tài)和FS（a）A 渣場(chǎng)（FS=0.90）； （b）B 渣場(chǎng)（FS=1.47）；（c）C 渣場(chǎng)（FS=0.83）； （d）D 渣場(chǎng)（FS=1.37）；（e）E 渣場(chǎng)（FS=1.17）； （f）F 渣場(chǎng)（FS=1.21）Figure 4 Stability coefficients and sliding planes according to different c and φ

圖5 考慮原始地表弱化時(shí)的滑面形態(tài)和FS（a）A 渣場(chǎng)（FS=0.76）； （b）B 渣場(chǎng)（FS=0.92）；（c）C 渣場(chǎng)（FS=0.74）； （d）D 渣場(chǎng)（FS=0.89）；（e）E 渣場(chǎng)（FS=0.90）； （f）F 渣場(chǎng)（FS=0.88）Figure 5 Stability coefficients and sliding planes according to different c and φ regarding argillization and saprofication between the abandoned dreg and the natural gully

就在2015年12月20日這一天，該棄渣場(chǎng)發(fā)生了失穩(wěn)滑坡，涉及15家公司的22棟廠房在事故中被掩埋。受滑坡影響，事故現(xiàn)場(chǎng)共安全撤離約900人。截至12月26日，75人在滑坡事故發(fā)生后失聯(lián)，事故共造成7人死亡。事故調(diào)查組的結(jié)論：建設(shè)者和經(jīng)營者均沒有在該棄渣場(chǎng)修建完善可靠的導(dǎo)排水系統(tǒng)，在渣場(chǎng)底部大量積水沒有得到有效清除之前就開始堆填建筑渣土，加之在棄渣場(chǎng)周邊泉水和天降雨水的不斷加入，棄渣體內(nèi)部的含水量不斷升高，最后達(dá)到過飽和的狀態(tài)，這就造成棄渣體底部和原始地面之間形成軟弱滑動(dòng)層；另外，棄渣場(chǎng)還存在嚴(yán)重的超高超量加載渣土的現(xiàn)象，大量渣土在自身重力作用下沿南高北低的山勢(shì)滑動(dòng)，破壞力巨大的高勢(shì)能滑坡體在這種情況下就隨之形成了，加之事發(fā)時(shí)沒有采取合適的應(yīng)急處理措施，最后造成重大人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失是不可避免的。

2.2 棄渣體變形破壞機(jī)理分析

事故發(fā)生前后的圖片資料整理如下：圖6為采石坑未填渣前衛(wèi)星圖片[4]；圖7為事故全景圖[5]；圖8為后緣拉裂縫照片[5]；圖9為滑動(dòng)主軸剖面示意圖[5]；圖10為“泥墊托筏效應(yīng)” 機(jī)理示意圖[6]。

圖6 渣場(chǎng)未啟用前衛(wèi)星圖Figure 6 Pre operation satellite map of slag field

通過分析，不難發(fā)現(xiàn)：

（1）本事故棄渣體最高和最低處相差僅50m左右，且坡體較平緩，棄渣體未滑動(dòng)前，前緣坡度約30°，且已經(jīng)完成相應(yīng)的工程處理措施。但在重力豎向固結(jié)變形作用和橫向潛在滑動(dòng)方向的拉張作用下，仍發(fā)生毀滅性的推移式破壞。變形開始于后緣拉裂，拉裂縫進(jìn)水，在動(dòng)靜水壓力作用下，后緣滑動(dòng)先啟動(dòng)，推動(dòng)其前渣體，沿內(nèi)部軟弱面滑動(dòng)。由此可見，即使在封閉條件較好、凹陷的采石坑內(nèi)堆放棄渣，只要在凹陷存在相對(duì)低的出口，棄渣體依然存在沿凹陷較低的出口處失穩(wěn)破壞的風(fēng)險(xiǎn)。

圖7 滑坡體全貌照片F(xiàn)igure 7 A full picture of a landslide

圖8 后緣拉張裂縫照片F(xiàn)igure 8 The picture of a crack in the back edge

（2）失穩(wěn)破壞與水作用緊密，尤其是大量積水未排就開始棄渣，加之深圳降雨量較大，不僅可致使棄渣體飽和強(qiáng)度降低，而且由于棄渣成分復(fù)雜，在浸泡等作用下淤泥化；甚至有機(jī)質(zhì)腐爛可能形成囊狀高壓氣壓帶[6]，在底部或者渣土內(nèi)部形成多個(gè)軟弱滑動(dòng)層帶。

（3）棄渣體滑動(dòng)一旦啟動(dòng)，呈現(xiàn)出超常的高速流動(dòng)性，棄渣體會(huì)向下游高速運(yùn)動(dòng)，整體呈現(xiàn)流動(dòng)性。同時(shí)，處于流動(dòng)狀態(tài)的棄渣體具有氣墊效應(yīng)，當(dāng)遇到障礙物阻礙其流動(dòng)時(shí)，棄渣體就會(huì)呈現(xiàn)出像流體一樣特性繞過障礙物繼續(xù)向前運(yùn)動(dòng)，造成的破壞面積和危害較大。

（4）渣體后緣變形發(fā)生后，前緣的工程治理效果不顯著，雖然該棄渣場(chǎng)前緣已完成了部分馬道和排水工程措施，但效果不明顯。

2.3 滑動(dòng)破壞面特征

棄渣體破壞后的殘留滑面非常平緩，和一般巖土計(jì)算軟件搜索出的潛在滑動(dòng)面差別很大。發(fā)生滑動(dòng)的破壞面極其平緩，角度僅有4°左右[3]，補(bǔ)勘鉆孔資料和事故后調(diào)查都證明了這一點(diǎn)，這也和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查相互吻合（見圖8）。地下水抬升對(duì)棄渣體穩(wěn)定性影響較大，雖然該棄渣場(chǎng)堆積坡度較為平緩，其穩(wěn)定性也隨著地下水位的抬高而大大降低。文獻(xiàn)[6]曾對(duì)上述類型的破壞模式進(jìn)行過分析，稱之為“泥墊托筏效應(yīng)”，即在承壓浮托、泥化地基、臨空滑移和堆載堆擠等綜合作用下形成“人造滑坡”。棄渣體底部和原始地面之間受地下水位上升的影響，接觸處易形成潛在滑動(dòng)面。

圖9 縱剖面示意圖（a）原始縱剖面和地形；（b）滑動(dòng)破壞后的地質(zhì)縱剖面和地形Figure 9 The schematic diagram of longitudinal section

圖10 “泥墊托筏效應(yīng)” 機(jī)理示意圖（a）2014前的采石坑及積水位； （b）持續(xù)進(jìn)行中的填方體及殘存水面；（c）填方體中地下水位持續(xù)上升； （d）填方區(qū)地下泥化面處于臨界點(diǎn)；（e）滑坡后的地形景觀及地下水位Figure10 A schematic diagram of the mechanism of“ mud cushion rafting effect”

這就提醒我們，在實(shí)際工程中應(yīng)關(guān)注：

（1）對(duì)于軟件自動(dòng)搜索出來的潛在滑動(dòng)面和穩(wěn)定系數(shù)要加以甄別。

（2）棄渣體的強(qiáng)度參數(shù)和滑面的強(qiáng)度參數(shù)要合理確定。目前棄渣場(chǎng)設(shè)計(jì)計(jì)算中，多以棄渣體的c、φ值作為輸入條件，利用軟件搜索出潛在滑動(dòng)面，棄渣體沿著其他潛在軟弱面滑動(dòng)的可能性很少考慮。

（3）現(xiàn)有棄渣體穩(wěn)定分析時(shí)，均假定整個(gè)滑面同時(shí)處于臨界失穩(wěn)狀體，然而事實(shí)并非如此，變形破壞有兩類：一是整個(gè)棄渣體破壞沿著軟弱面發(fā)生變形而破壞，二是棄渣體后緣先拉裂變形，沿著下滑力最大，抗滑力最小的軟弱面運(yùn)動(dòng)，推動(dòng)前緣棄渣體，而前緣棄渣體沿著軟弱滑面發(fā)生剪切破壞，或者以軟弱面和棄渣體交替發(fā)生變形破壞[5]，目前規(guī)范推薦的“極限平衡法”往往缺少上述考慮。

3 建議

（1）就計(jì)算分析而言，無論是極限平衡法還是三維有限元等數(shù)值模擬方法，棄渣體的物理力學(xué)參數(shù)直接決定著潛在滑動(dòng)面位置和穩(wěn)定性系數(shù)，建議重視前期測(cè)繪和地質(zhì)勘察工作，棄渣場(chǎng)勘察可按《巖土工程勘察規(guī)范》（GB 50021）“4.5 廢棄物處理工程”相關(guān)要求布置足量的勘察工作量和開展相應(yīng)的工程地質(zhì)評(píng)價(jià)工作。目前，不少棄渣場(chǎng)對(duì)勘測(cè)工作重視不夠。建議根據(jù)地質(zhì)宏觀判斷、現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量數(shù)據(jù)、工程類比、實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)等，綜合考慮各方面因素，謹(jǐn)慎確定棄渣體的各項(xiàng)物理力學(xué)參數(shù)。

（2）棄渣由于物源來源復(fù)雜，堆積時(shí)間長，經(jīng)歷不同的季節(jié)，致使渣體本身的水文地質(zhì)與工程地質(zhì)條件復(fù)雜，其變形機(jī)理和滑坡啟動(dòng)破壞方式更加復(fù)雜。棄渣體穩(wěn)定性分析，應(yīng)考慮棄渣體沿著原有自然坡面等其他潛在軟弱面發(fā)生變形破壞的可能。而非僅通過計(jì)算軟件來確定滑動(dòng)面。

（3）在堆渣前，確保清除原地表的植被，剝離粘性土等相對(duì)軟弱土，消除長期荷載和物理化學(xué)作用下，原植被層的碳化泥化，在棄渣體和原地表之間形成潛在軟弱滑動(dòng)帶/層的潛在風(fēng)險(xiǎn)[7]。

（4）做好棄渣場(chǎng)底部排水和周邊截水設(shè)施，并考慮棄渣體后續(xù)固結(jié)變形對(duì)截排水設(shè)施的影響。

當(dāng)利用現(xiàn)有采石場(chǎng)或礦坑凹陷處設(shè)置棄渣時(shí)，即使棄渣場(chǎng)的封閉條件好且棄渣堆積坡度緩，但如果缺少合理有效的導(dǎo)排水系統(tǒng)，或者導(dǎo)排水系統(tǒng)后期運(yùn)行維護(hù)不善，棄渣體就會(huì)在長期浸泡等作用下致使其自身強(qiáng)度弱化，抗滑能力降低[8]。同時(shí)，棄渣體底部和原始地面之前也較易形成潛在滑動(dòng)面，最終也可能造成大規(guī)模的失穩(wěn)破壞。