基于AutoBank防滲渣場抗滑穩(wěn)定性研究

王 河，吳維興，馬 俊，程 功

(中國電建集團貴陽勘測設計研究院有限公司，貴州 貴陽 550081)

0 引 言

近年來，隨著國家社會經(jīng)濟持續(xù)快速增長，第二類工業(yè)固體廢物及危險廢物的產(chǎn)生量日益加大，所帶來的環(huán)境問題也日益突出。尤其是廢渣中的有害物質(zhì)經(jīng)雨水淋浸后發(fā)生的滲濾液如果得不到有效處理將對周邊環(huán)境及地下水造成極大污染。根據(jù)相關(guān)法律法規(guī)及規(guī)程規(guī)范，要求未綜合利用的第二類工業(yè)固體廢物及危險廢物必須建設防滲渣場集中堆存和控制，避免發(fā)生環(huán)境污染。

在防滲渣場抗滑穩(wěn)定作為其建成后的運營過程中的關(guān)鍵因素，一旦發(fā)生抗滑穩(wěn)定安全事故，防滲渣場將變?yōu)榧形廴驹?，對周邊環(huán)境產(chǎn)生巨大影響，因此必須對防滲渣場的抗滑穩(wěn)定予以充分重視和重點研究。

當前，對防滲渣場抗滑穩(wěn)定性的研究，往往是參考相關(guān)規(guī)范要求，針對某工程的具體情況進行滲流穩(wěn)定分析，并沒有針對影響防滲渣場抗滑穩(wěn)定性的各種影響因素進行系統(tǒng)的分析與研究。為此，該文結(jié)合防滲渣場的特點，在已有研究的基礎上，以灰渣貯灰場為例，針對在防滲渣場中渣體材料參數(shù)、防滲材料、初期壩、堆積壩等影響其抗滑穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素，進行系統(tǒng)分析與研究，并對全渣場鋪設防滲膜和滿足抗滑穩(wěn)定要求情況下，初期壩壩高、堆積壩壩高和坡比進行推薦，旨在為今后防滲渣場的建設提供依據(jù)和參考。

1 抗滑穩(wěn)定數(shù)值模擬

1.1 抗滑穩(wěn)定分析模型

利用AutoBank7.7軟件采用有限元法對防滲渣場進行滲流模擬，并在滲流模擬結(jié)果的基礎上采用簡化畢肖普進行抗滑穩(wěn)定計算。防滲渣場抗滑穩(wěn)定分析有限元模型控制變量為初期壩高度、堆積壩高度和堆積壩坡比。

在模型建立時，防滲渣場基礎應結(jié)合相關(guān)地形地質(zhì)條件經(jīng)簡化后建立；同時參考GB50863《尾礦設施設計規(guī)范》等規(guī)程規(guī)范的規(guī)定，防滲膜采取2.0 mm厚HDPE膜，在防滲渣場全區(qū)域鋪設；初期壩設置應滿足自身穩(wěn)定需要，壩型采用土石壩，上游坡比設置為1：2.0，下游坡比設置為1：2.5；堆積壩采用灰渣壩；防滲渣場初期壩高度、堆積壩高度和堆積壩坡比為變量，根據(jù)研究情況可進行控制和調(diào)整。

此外，應根據(jù)防滲渣場堆積壩排水設施的設置情況，在初期壩壩頂高程處設置30 m寬滲透系數(shù)不小于0.05 cm/s的排滲設施。

圖1 防滲渣場抗滑穩(wěn)定計算模型

1.2 材料參數(shù)

在采用AutoBank7.7軟件對防滲渣場模型不同區(qū)域進行材料滲透系數(shù)與物理力學參數(shù)的選取時，由于防滲膜滲透系數(shù)較小，可將其視為不透水材料，同時不考慮地下水對材料參數(shù)的影響。材料的水上、水下參數(shù)在輸入數(shù)值后，可在抗滑穩(wěn)定計算時，通過選擇浸潤線作為設計水位線后，由軟件自動選取。防滲渣場抗滑穩(wěn)定分析計算材料參數(shù)詳見表1。

1.3 求解設置

防滲渣場滲流分析采用有限元法求解穩(wěn)定滲流場，模型采用純?nèi)切尉W(wǎng)格進行單元劃分，單元控制尺寸為5 m；滲流分析時最高洪水位為調(diào)洪允許最高水位(防滲渣場干灘對應水位)，上游進水面為最高洪水位高程以下渣體表面，下游自由出逸面為堆積壩下游坡面。

防滲渣場抗滑穩(wěn)定計算采用簡化畢肖普法求解最危險圓弧滑面，最高水位線取穩(wěn)定滲流分析計算結(jié)果中的浸潤線，受力僅考慮自重，最危險滑弧搜索范圍設定在堆積壩坡面及上游一定范圍內(nèi)，計算工況采用洪水工況。

此外，根據(jù)GB50863《尾礦設施設計規(guī)范》等規(guī)程規(guī)范的規(guī)定，防滲渣場堆積壩綜合坡比不陡于1：3.0，隨著堆積坡度的放緩，安全系數(shù)增加，但庫容急劇減少，經(jīng)濟性變差，因此綜合堆積壩綜合坡比也不宜緩于1：4.5。經(jīng)統(tǒng)計，工業(yè)固廢防滲渣場總壩高大多在60～80 m。因此，防滲渣場抗滑穩(wěn)定計算時應充分考慮上述情況及要求，并在上述情況及要求的基礎上進行相關(guān)影響因素控制變量參數(shù)的選取。

表1 抗滑穩(wěn)定計算材料參數(shù)表

2 結(jié)果與分析

2.1 防滲膜對抗滑穩(wěn)定的影響分析

在計算分析防滲膜對防滲渣場抗滑穩(wěn)定的影響時，應控制渣體參數(shù)不變；總壩高控制在60 m(三等工程)；初期壩壩高控制在5～35 m，級差為5 m；堆積壩壩高根據(jù)總壩高和初期壩壩高調(diào)整，堆積壩坡比控制在1：3.5。

由圖2和圖3可知，當初期壩壩高15 m時，最危險圓弧通過膜渣界面的薄弱區(qū)域，即當初期壩壩高小于15 m時，防滲膜是防滲渣場抗滑穩(wěn)定的最大影響因素；當初期壩壩高20 m時，最危險圓弧主要通過渣體區(qū)域，僅在臨近初期壩壩頂處通過膜渣界面的薄弱區(qū)域，即當初期壩壩高大于20 m時，防滲膜對渣場穩(wěn)定的影響較小，渣體自身材料參數(shù)指標成為影響防滲渣場抗滑穩(wěn)定的最大因素；當初期壩壩高介于15～20 m之間時，影響防滲渣場抗滑穩(wěn)定的因素由膜渣界面的薄弱區(qū)域逐漸過渡為渣體自身的材料參數(shù)指標。此外，防滲膜對防滲渣場抗滑穩(wěn)定的影響僅通過初期壩壩高起作用，與防滲渣場其他因素無關(guān)。

因此，當初期壩壩高較低時，進行防滲渣場抗滑穩(wěn)定分析必須充分考慮防滲膜的影響。同時為降低防滲膜對防滲渣場抗滑穩(wěn)定的影響，初期壩壩高不宜低于20 m。

圖2 初期壩高15m時抗滑穩(wěn)定計算結(jié)果圖

圖3 初期壩高20m時抗滑穩(wěn)定計算結(jié)果圖

2.2 渣體參數(shù)對抗滑穩(wěn)定的影響分析

在計算分析渣體參數(shù)對防滲渣場抗滑穩(wěn)定的影響時，渣體參數(shù)中容重、粘聚力和內(nèi)摩擦角變化范圍均為0、±10 %、±20 %；總壩高應控制在60 m(三等工程)；初期壩壩高控制在20 m；堆積壩壩高控制在40 m，堆積壩坡比控制為1：3.5。

由圖4可知，防滲渣場安全系數(shù)與渣體參數(shù)呈正相關(guān)，隨著渣體參數(shù)的增大，防滲渣場安全系數(shù)逐漸增大；但渣體參數(shù)中容重、粘聚力和內(nèi)摩擦角引起的防滲渣場安全系數(shù)的變化程度不同，其中渣體內(nèi)摩擦角變化引起安全系數(shù)的變化最大，渣體容重次之，渣體粘聚力最小，即渣體參數(shù)中內(nèi)摩擦角是影響防滲渣場抗滑穩(wěn)定的最關(guān)鍵因素。因此，在防滲渣場建設尤其是運營階段，必須對入場渣體加以控制，如對入場渣體進行預處理或入場后進行碾壓處理，以增大入場渣體材料參數(shù)，提高防滲渣場安全裕度，確保防滲渣場抗滑穩(wěn)定安全性能。

2.3 初期壩對抗滑穩(wěn)定的影響分析

在計算分析初期壩對防滲渣場抗滑穩(wěn)定的影響時，應控制渣體參數(shù)不變；總壩高控制在60 m(三等工程)；初期壩壩高控制在5～35 m，級差為5 m；堆積壩壩高根據(jù)總壩高和初期壩壩高調(diào)整，堆積壩坡比控制為1：3.0～4.5，級差為0.5。

由圖5可知：在防滲渣場總壩高60 m時，如果堆積壩坡度一定，則防滲渣場安全系數(shù)與初期壩壩高近似呈正線性關(guān)系；隨著初期壩壩高的增加，安全系數(shù)逐漸增大且增幅大致相同，即初期壩每增高1 m，安全系數(shù)約提高0.019～0 020；在初期壩壩高較小(20 m以下)時，由于受到防滲膜的影響，防滲渣場安全系數(shù)較小，不能滿足《尾礦設施設計規(guī)范》(GB50863)等規(guī)程規(guī)范規(guī)定的三等工程的安全系數(shù)(1.20)要求。因此，從防滲渣場安全性的角度看，初期壩壩高亦不宜過低。

圖4 渣體參數(shù)與安全系數(shù)的關(guān)系圖

此外，若初期壩壩高過高，雖然能增加防滲渣場庫容和安全性能，卻會額外增加工程投資，造成工程的不經(jīng)濟。因此，應在滿足防滲渣場庫容和最低安全性能要求并預留一定安全裕度的前提下，盡量降低初期壩的壩高。結(jié)合防滲渣場中防滲膜對安全系數(shù)的影響，經(jīng)綜合考慮，初期壩壩高不應低于20 m，若總壩高低于20 m時，應考慮采用一次筑壩。

2.4 堆積壩對抗滑穩(wěn)定的影響分析

由防滲膜、初期壩對防滲渣場抗滑穩(wěn)定的影響分析可知，初期壩壩高不宜過低，亦不宜過高，經(jīng)綜合考慮，宜取20 m。在分析堆積壩壩高對防滲渣場抗滑穩(wěn)定的影響時，應在初期壩壩高為20 m的基礎上進行計算分析。

同時結(jié)合求解設置的要求，在計算分析堆積壩對抗滑穩(wěn)定的影響時，應控制渣體參數(shù)不變；初期壩壩高控制在20 m；堆積壩壩高逐漸加高直至防滲渣場抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)不滿足要求為止，堆積壩坡比控制為1：3.0～4.5，級差為0.5。

圖5 初期壩壩高與安全系數(shù)關(guān)系圖

由圖5和圖6可知，當初期壩壩高和總壩高(60 m)一定時，防滲渣場安全系數(shù)與堆積坡比近似呈反線性關(guān)系；隨著堆積壩坡比的增加，安全系數(shù)逐漸減小且減小的速率亦逐漸減小。

當總壩高60m且初期壩壩高不低于20 m時，防滲渣場除在初期壩壩高20 m和堆積壩坡比1：3.0時安全系數(shù)(1.16)不滿足規(guī)范對三等工程安全系數(shù)要求(1.20)外，在其他初期壩壩高和堆積壩坡比下安全系數(shù)均滿足規(guī)范要求。

圖6 堆積壩坡比與安全系數(shù)關(guān)系圖

由圖7可知，在初期壩壩高與堆積壩坡比一定時，防滲渣場安全系數(shù)與堆積壩壩高亦近似呈反線性關(guān)系；隨著堆積壩壩高的增加，安全系數(shù)逐漸減小且減小的速率亦逐漸減?。划敹逊e壩壩高增加到一定高度后，防滲渣場安全系數(shù)不再滿足規(guī)范要求，此時的堆積壩壩高即為堆積壩坡比對應的最大堆積壩高度。

由圖8可知，初期壩壩高一定時，最大堆積壩壩高隨著堆積壩坡比的增大逐漸減小且減小的幅度越來越?。欢逊e壩坡比1：3.0、1：3.5、1：4.0和1：4.5對應的最大堆積壩壩高分別為39 m、43 m、49 m和57 m。

圖7 堆積壩壩高與安全系數(shù)關(guān)系圖

圖8 堆積壩坡比與最大堆積壩高關(guān)系圖

綜上分析，堆積壩壩高與坡比皆對防滲渣場的抗滑穩(wěn)定產(chǎn)生影響，其與防滲渣場安全系數(shù)呈反比，即堆積壩高度越低、坡度越緩，防滲渣場越安全，此時防滲渣場庫容也較小，從工程投資上看，工程不經(jīng)濟。因此，應在滿足安全、庫容要求及工程經(jīng)濟三者的平衡下，選擇適當?shù)亩逊e壩坡高與坡比。

當防滲渣場工程等別一定時，即在防滲渣場庫容和規(guī)范要求最低安全系數(shù)，并裕留一定的庫容和安全裕度的前提下，為滿足工程經(jīng)濟性，當初期壩壩高選定為20 m時，貯灰場堆積壩坡度宜不陡于1：3.5時，此時對應的防滲渣場安全系數(shù)皆滿足規(guī)范要求。因此，貯灰場堆積壩坡比應選擇1：3.5，最大堆積壩壩高為49 m。

3 結(jié) 論

1)為減小防滲膜對防滲渣場抗滑穩(wěn)定的影響，增強防滲渣場抗滑穩(wěn)定性能，初期壩不宜低于20 m；若總壩高低于20 m時，應考慮采用一次筑壩。

2)在防滲渣場渣體材料中，內(nèi)摩擦角是影響防滲渣場抗滑穩(wěn)定的最關(guān)鍵因素，必須給予充分重視。

3)為滿足貯灰場抗滑穩(wěn)定要求，初期壩壩高20 m時，堆積壩坡比宜為1：3.5，最大堆積壩高不宜超高49 m；若要增加堆渣高度必須增加初期壩壩高或放緩堆積壩坡比。