降雨入滲條件下棄渣場穩(wěn)定計(jì)算方法探討

姜楠 朱天平 趙繼偉 張立強(qiáng)

摘?要：降雨入滲對棄渣場穩(wěn)定性的不利影響具有普遍性，有關(guān)規(guī)范對連續(xù)降雨期棄渣場穩(wěn)定計(jì)算的工況等未作具體規(guī)定，各設(shè)計(jì)、評估單位采用的計(jì)算方法不盡一致，為此，對降雨入滲情況下棄渣場穩(wěn)定計(jì)算方法進(jìn)行了探討。通過對降雨特征進(jìn)行分析，認(rèn)為對季風(fēng)氣候區(qū)的棄渣場均應(yīng)核算連續(xù)降雨期邊坡的抗滑穩(wěn)定性。在進(jìn)行降雨入滲條件下的棄渣場穩(wěn)定分析計(jì)算時(shí)，可首先基于水量平衡關(guān)系，采用水文分析法計(jì)算設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)暴雨的降雨入滲量，然后將降雨入滲工況計(jì)算條件概化成棄渣場上層為連續(xù)降雨造成的飽和土、下部仍為自然狀態(tài)，根據(jù)降雨入滲量計(jì)算飽和土層的厚度，最后按照地質(zhì)勘察資料中的天然土、飽和土物理力學(xué)參數(shù)，采用摩根斯頓-普萊斯法計(jì)算降雨入滲條件下棄渣邊坡的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)。對南水北調(diào)中線一期工程鶴壁段某棄渣場進(jìn)行實(shí)例分析計(jì)算，表明該方法具有較好的可操作性，可供類似工況條件下棄渣場穩(wěn)定計(jì)算時(shí)參考。

關(guān)鍵詞：季風(fēng)氣候區(qū);降雨入滲;棄渣場;穩(wěn)定計(jì)算;水土保持

中圖分類號：S157.9?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2020.10.020

Discussion on Stability Calculation Method of Spoil Ground Under Rainfall Infiltration Conditions

JIANG Nan1 ， ZHU Tianping2， ZHAO Jiwei3， ZHANG Liqiang1

（1.Henan Water & Power Engineering Consulting Co.， Ltd.， Zhengzhou 450016， China;

2.Yellow River Engineering Consulting Co.， Ltd.， Zhengzhou 450003， China;

3.North China University of Water Resources and Electric Power， Zhengzhou 450046， China）

Abstract：Generally， rainfall infiltration has adverse effect on the stability of spoil ground， however， there is a lack of relevant specifications for the specific working conditions of the stability calculation of spoil ground in the continuous rainfall period， the calculation methods adopted by various design institutes and evaluation units are inconsistent. Therefore， it is necessary to study the stability calculation method of spoil ground under the condition of rainfall infiltration. Based on the analysis of the rainfall characteristics， it was considered that the anti-sliding stability of the slope in the continuous rainfall period should be calculated for the spoil ground in the monsoon climate area. When analyzing and calculating the stability of spoil ground under the condition of rainfall infiltration， the rainfall infiltration amount of the rainstorm under the design standard could be calculated by the hydrological analysis method based on the water balance relationship， then the calculation condition of rainfall infiltration condition was generalized as the saturated soil caused by continuous rainfall in the upper layer of spoil ground， and the lower layer of spoil ground was still in natural state， the thickness of saturated soil layer was calculated according to the rainfall infiltration， finally， according to the physical and mechanical parameters of natural soil and saturated soil in the geological survey data， the Morgenston Price method was used to calculate the safety factor of anti-sliding stability of spoil ground under the condition of rainfall infiltration. Based on the analysis and calculation of the spoil ground in Hebi section of the first phase of the Middle Route of South-to-North Water Transfer Project， it is shown that the method has good operability and can be used as a reference for the stability calculation of spoil ground under similar working conditions.

Key words： monsoon climate area; rainfall infiltration; spoil ground; stability calculation; soil and water conservation

隨著經(jīng)濟(jì)社會的快速發(fā)展，各地基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)投入不斷加大，各類生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目在施工過程中對原地貌造成劇烈擾動并產(chǎn)生大量棄渣，若防護(hù)不力，就會造成嚴(yán)重水土流失、破壞生態(tài)環(huán)境。2015年深圳市“12·20”特大滑坡事故發(fā)生后，國家更加重視棄渣場的穩(wěn)定性評估工作，水利部水土保持司于2016年3月印發(fā)了《水土保持設(shè)施驗(yàn)收技術(shù)評估工作要點(diǎn)》[1]，對堆渣量超過50萬m3或最大堆渣高度超過20 m的棄渣場，在水土保持設(shè)施驗(yàn)收技術(shù)評估時(shí)，要求項(xiàng)目建設(shè)單位提供相應(yīng)棄渣場的穩(wěn)定性評估報(bào)告。《水土保持工程設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 51018—2014）[2]規(guī)定：對多雨地區(qū)的棄渣場，除按正常運(yùn)用、非常運(yùn)用兩種工況分析棄渣場抗滑穩(wěn)定性外，還應(yīng)核算連續(xù)降雨期邊坡的抗滑穩(wěn)定性。由于該規(guī)范未對“多雨地區(qū)”進(jìn)行定義，因此在進(jìn)行棄渣場穩(wěn)定計(jì)算時(shí)，無法確定棄渣場是否位于多雨地區(qū)，是否應(yīng)進(jìn)行連續(xù)降雨期邊坡的抗滑穩(wěn)定計(jì)算，此外，該規(guī)范對連續(xù)降雨期棄渣場邊坡抗滑穩(wěn)定計(jì)算的工況也未作明確規(guī)定。為了探索降雨入滲情況下棄渣場穩(wěn)定計(jì)算的工作過程和方法，本文嘗試初步確定需要進(jìn)行連續(xù)降雨期棄渣場邊坡抗滑穩(wěn)定計(jì)算的區(qū)域，進(jìn)而對降雨入滲條件下的棄渣場穩(wěn)定計(jì)算方法進(jìn)行探討，并結(jié)合南水北調(diào)中線一期工程鶴壁段某棄渣場進(jìn)行實(shí)例分析，以期為類似工況條件下的棄渣場穩(wěn)定計(jì)算提供參考。

1?應(yīng)分析連續(xù)降雨期棄渣場邊坡抗滑穩(wěn)定性的區(qū)域

我國氣候類型主要分為溫帶大陸性氣候、高原山地氣候和季風(fēng)氣候三大類[3]，西北地區(qū)（大興安嶺—陰山—賀蘭山—祁連山—昆侖山一線以西、以北）屬溫帶大陸性氣候區(qū)，青藏高原地區(qū)（昆侖山—祁連山—橫斷山一線以南、以西，喜馬拉雅山以北）屬高原山地氣候區(qū)，其他地區(qū)（大興安嶺—陰山—賀蘭山—橫斷山一線以東、以南）屬季風(fēng)氣候區(qū)。

季風(fēng)氣候區(qū)具有冬季低溫干燥、夏季雨熱同期的顯著特點(diǎn)，降雨多集中在5—9月，即使在多年平均降水量小于800 mm的華北、東北地區(qū)，夏季也經(jīng)常遭遇連續(xù)強(qiáng)降雨，如：2016年7月18—21日，華北、東北地區(qū)普遍出現(xiàn)連續(xù)強(qiáng)降雨，河南、河北兩省部分地區(qū)降雨量超過500 mm;2018年8月17—20日，受臺風(fēng)“溫比亞”影響，華北多地出現(xiàn)連續(xù)強(qiáng)降雨，部分地區(qū)降雨量超過500 mm，河南、山東、安徽、江蘇4省共有15個地市日降雨量超過歷史極值。連續(xù)強(qiáng)降雨易引發(fā)洪澇災(zāi)害，影響棄渣場邊坡穩(wěn)定。季風(fēng)氣候區(qū)覆蓋了我國絕大部分經(jīng)濟(jì)社會快速發(fā)展地區(qū)，區(qū)域內(nèi)城鎮(zhèn)、村莊星羅棋布，人口稠密，各類生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目棄渣場數(shù)量眾多，棄渣場邊坡一旦發(fā)生滑塌，將對周邊環(huán)境和人民群眾的生產(chǎn)生活產(chǎn)生較大影響，因此對季風(fēng)氣候區(qū)的棄渣場，均應(yīng)核算其連續(xù)降雨期邊坡的抗滑穩(wěn)定性。

2?降雨入滲條件下棄渣場穩(wěn)定計(jì)算方法

2.1?降雨對棄渣場穩(wěn)定性的不利影響分析

降雨對棄渣場穩(wěn)定性的不利影響包括3種情況：①造成地下水位抬高，地基土強(qiáng)度指標(biāo)降低;②造成河（湖、水庫）水位上升，臨河（湖、水庫）棄渣場場區(qū)部分土體浸水，土體強(qiáng)度指標(biāo)降低;③降雨入滲導(dǎo)致一定深度范圍內(nèi)的土體含水量增加、強(qiáng)度指標(biāo)降低。

針對上述第①②種情況，可根據(jù)地質(zhì)勘察資料中的地下水位數(shù)據(jù)及水文計(jì)算（實(shí)測）的水位數(shù)據(jù)對棄渣場進(jìn)行穩(wěn)定計(jì)算，實(shí)現(xiàn)定量化計(jì)算的軟件較多;針對上述第③種情況，由于降雨入滲量的確定較為困難，因此尚無明確且統(tǒng)一的計(jì)算方法。按照《水土保持工程設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 51018—2014）、《生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目水土保持技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50433—2018）[4]和《水利水電工程水土保持技術(shù)規(guī)范》（SL 575—2012）[5]的要求，大部分工程項(xiàng)目在棄渣場布設(shè)時(shí)已盡量避開了河道、湖泊管理范圍和水庫淹沒區(qū)，因此在地下水位較低的廣大地區(qū)，上述第③種情況即降雨入滲對棄渣場穩(wěn)定性產(chǎn)生的不利影響具有普遍性，是連續(xù)降雨期棄渣場穩(wěn)定計(jì)算的重點(diǎn)和難點(diǎn)。

2.2?棄渣場穩(wěn)定計(jì)算方法研究現(xiàn)狀

近年來，眾多學(xué)者針對棄渣場穩(wěn)定分析計(jì)算開展了研究[6-18]，其中：喻葭臨等[11]推薦采用簡化畢肖普法或摩根斯頓-普萊斯法，認(rèn)為在滑裂面近似圓弧的情況下簡化畢肖普法比瑞典圓弧滑動法具有更高的計(jì)算效率和精度，而摩根斯頓-普萊斯法則具有更完備的理論基礎(chǔ)且適用于各種滑裂面;郭健等[12]在對某渣場邊坡堆載過程中的穩(wěn)定性進(jìn)行研究時(shí)，根據(jù)室內(nèi)試驗(yàn)和工程類比獲取了暴雨?duì)顟B(tài)下的渣土體、覆蓋層和基巖的物理力學(xué)參數(shù)，這種方式選取的參數(shù)較為可靠，但獲取難度較大，難以在棄渣場設(shè)計(jì)、穩(wěn)定性評估等工作中普及。

陳偉等編著的《水工設(shè)計(jì)手冊：征地移民、環(huán)境保護(hù)與水土保持》[19]列舉了位于四川、廣東、山西、河南、浙江等5省共10個棄渣場設(shè)計(jì)案例，其中僅對四川省某電站項(xiàng)目小壩溝棄渣場進(jìn)行了連續(xù)降雨期棄渣場的穩(wěn)定計(jì)算，工況條件為“排水不暢導(dǎo)致水深3 m”，未考慮降雨入滲影響。

2017年南水北調(diào)中線干線工程建設(shè)管理局組織多家大型勘察設(shè)計(jì)單位開展了南水北調(diào)中線一期工程陶岔渠首—古運(yùn)河段沿線共計(jì)176個棄渣場的穩(wěn)定性評估工作，針對降雨入滲條件下的棄渣場穩(wěn)定計(jì)算，各評估單位所采用的計(jì)算條件、參數(shù)和方法不完全統(tǒng)一。在參數(shù)選取方面，有些評估單位采用渣土、地基土在飽和狀態(tài)下的物理力學(xué)指標(biāo)進(jìn)行計(jì)算，雖然參數(shù)易獲取，但過于保守，與棄渣場遭遇連續(xù)降雨時(shí)的實(shí)際狀態(tài)有一定差異;有些評估單位根據(jù)經(jīng)驗(yàn)設(shè)定折減系數(shù)，對渣土、地基土在自然狀態(tài)下的物理力學(xué)指標(biāo)修正后再進(jìn)行計(jì)算，或根據(jù)經(jīng)驗(yàn)直接設(shè)定連續(xù)降雨造成的棄渣場上層飽和土厚度，對下部土體仍視為自然狀態(tài)，按復(fù)雜土層進(jìn)行計(jì)算，但此兩種算法對參數(shù)的經(jīng)驗(yàn)設(shè)定均帶有一定的主觀性。在穩(wěn)定計(jì)算方法選取方面，多數(shù)評估單位采用瑞典圓弧滑動法，個別評估單位采用簡化畢肖普法或摩根斯頓-普萊斯法。

降雨入滲導(dǎo)致棄渣場上層土體含水量增加，會形成一定厚度強(qiáng)度指標(biāo)較低的高含水率土層，使得渣土體為非均質(zhì)狀態(tài)，棄渣場邊坡的潛在滑動面易呈非圓弧形，因此相比較而言，摩根斯頓-普萊斯法更適用于降雨入滲條件下的棄渣場穩(wěn)定計(jì)算，采用該方法進(jìn)行穩(wěn)定計(jì)算的首要工作是確定棄渣場上層不同含水率土層的厚度。

2.3?降雨入滲條件下棄渣場穩(wěn)定計(jì)算方法

2.3.1?推求降雨入滲量

影響降雨入滲量的因素主要有降雨（包括降雨量、歷時(shí)、強(qiáng)度）、蒸發(fā)（蒸發(fā)量、速率）和下墊面（包括棄渣場表面坡降、平整度、植被覆蓋度和土體滲透系數(shù)等），其中降雨歷時(shí)、降雨強(qiáng)度、土體滲透系數(shù)與入滲量正相關(guān)，蒸發(fā)速率和棄渣場表面坡降、平整度、植被覆蓋度與入滲量負(fù)相關(guān)，此外棄渣場表面的植被類型對降雨入滲量的影響也較大。由于影響降雨入滲量的因素較多，且與降雨入滲量難以建立準(zhǔn)確的量化關(guān)系，因此擬根據(jù)水量平衡方程[20]，采用水文分析法推求降雨入滲量，從降雨開始?xì)v時(shí)為t的累計(jì)入滲量采用下式計(jì)算：

Ft=Pt-Rt-Et-St（1）

式中：Ft為降雨歷時(shí)為t的累計(jì)入滲量，mm;Pt為降雨歷時(shí)為t的累計(jì)降雨量，mm;Rt為降雨歷時(shí)為t的累計(jì)徑流深，mm;Et為降雨歷時(shí)為t的累計(jì)蒸發(fā)量，mm;St為降雨歷時(shí)為t的累計(jì)表層填洼量，mm。

降雨期間蒸發(fā)作用較弱、蒸發(fā)量較小，施工單位在棄渣完成后會按要求對場區(qū)進(jìn)行平整，因此蒸發(fā)量和表層填洼量可忽略，式（1）可簡化為

Ft=Pt-Rt（2）

對于棄渣場等面積較小的區(qū)域，降雨量可采用棄渣場所在區(qū)域點(diǎn)雨量。點(diǎn)雨量可根據(jù)給定的降雨歷時(shí)和頻率，利用各地區(qū)中小流域設(shè)計(jì)暴雨洪水圖集，采用下式計(jì)算：

HtP=Ht均KP（3）

式中：HtP為歷時(shí)為t、設(shè)計(jì)頻率為P的點(diǎn)雨量，mm;Ht均為歷時(shí)為t的面平均雨量，mm;KP為頻率為P的模比系數(shù)。

求得棄渣場點(diǎn)雨量后，可根據(jù)棄渣場所在地區(qū)降雨徑流關(guān)系曲線查得棄渣場徑流量，進(jìn)而根據(jù)式（2）計(jì)算棄渣場降雨入滲量。

2.3.2?概化計(jì)算條件

遭遇一定強(qiáng)度的連續(xù)降雨時(shí)，雨水入滲會導(dǎo)致棄渣場上層土體含水量增加，并形成一定厚度的飽和土層，飽和土層以下土體含水狀況在一定深度范圍內(nèi)自上而下由飽和含水率逐漸降低至天然含水率，含水率漸變土層以下仍為天然含水率土層。為便于參數(shù)選取，將降雨入滲工況計(jì)算條件概化為棄渣場上層為連續(xù)降雨造成的飽和土、下部仍為自然狀態(tài)（見圖1）。

飽和土層厚度可根據(jù)降雨入滲量和地質(zhì)勘察資料中的土體物理力學(xué)參數(shù)按下式計(jì)算[21]：

hsat=γwFt/（nγw-γdw天）（4）

n=e/（1+e）（5）

式中：hsat為連續(xù)降雨造成的棄渣場上層飽和土層厚度，mm;Ft為降雨入滲量，mm;γw為水的重度，kN/m3;γd為土的干重度，kN/m3;n為土體孔隙率;w天為土體天然含水率，%;e為土體孔隙比。

2.3.3?計(jì)算抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)

根據(jù)棄渣場上層飽和土厚度，依照《水土保持工程設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 51018—2014）的有關(guān)規(guī)定，采用摩根斯頓-普萊斯法計(jì)算降雨入滲條件下棄渣場邊坡的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)。

3?案例分析

以南水北調(diào)中線一期工程鶴壁段某棄渣場為例，進(jìn)行正常運(yùn)用工況和降雨入滲工況下的棄渣場邊坡抗滑穩(wěn)定計(jì)算。

（1）基本情況。棄渣場位于鶴壁市淇縣高村鎮(zhèn)，棄渣量約57.1萬m3，占地面積約6.2 hm2，棄渣邊坡高度約10 m，坡比1∶1.5，渣場頂面較為平整，局部復(fù)耕，局部自然恢復(fù)有草本植物。棄渣主要成分為中、重粉質(zhì)壤土，夾有卵石、礫巖及泥灰?guī)r，土質(zhì)不均，局部含有混凝土塊等建筑垃圾。揭露深度范圍內(nèi)地基土為重粉質(zhì)壤土，黃褐色、棕褐色，可塑-硬塑狀，含鈣質(zhì)結(jié)核。場區(qū)地下水類型為第四系松散巖類孔隙潛水，水位埋藏較深。渣土、地基土的物理力學(xué)參數(shù)值見表1。

（2）正常運(yùn)用工況的棄渣邊坡抗滑穩(wěn)定計(jì)算。選取圖2所示典型剖面（邊坡高10 m，綜合坡比1∶1.5），采用摩根斯頓-普萊斯法計(jì)算正常運(yùn)用工況下的棄渣邊坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)，結(jié)果為1.205。

（3）降雨入滲工況的棄渣邊坡抗滑穩(wěn)定計(jì)算。在相關(guān)規(guī)范中未查到連續(xù)降雨期棄渣場邊坡抗滑穩(wěn)定計(jì)算應(yīng)采用的暴雨標(biāo)準(zhǔn)，本文暫參考《水土保持工程設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 51018—2014）中棄渣場攔擋工程的防洪標(biāo)準(zhǔn)，采用50 a一遇3 d暴雨參數(shù)，計(jì)算的降雨入滲工況的渣土體飽和土層厚度為1 496 mm，坡腳以外原狀地面飽和土層厚度為806 mm，見表2。

選取圖3所示典型剖面（邊坡高10 m，綜合坡比1∶1.5），采用摩根斯頓-普萊斯法計(jì)算降雨入滲工況的棄渣邊坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)，結(jié)果為0.919。

（4）計(jì)算結(jié)果分析。正常運(yùn)用工況下的棄渣場邊坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)為1.205，大于規(guī)范規(guī)定的允許值1.20，說明在正常運(yùn)用工況下，棄渣場邊坡為穩(wěn)定狀態(tài)，不會發(fā)生滑塌。降雨入滲工況的棄渣場邊坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)為0.919，小于規(guī)范規(guī)定的允許值1.05且小于1，說明在50 a一遇3 d暴雨的運(yùn)行工況下，棄渣場邊坡將發(fā)生失穩(wěn)滑塌，應(yīng)采取削坡或擋護(hù)措施，以確保棄渣場邊坡穩(wěn)定。

4?結(jié)?語

通過對降雨特征進(jìn)行分析，認(rèn)為對季風(fēng)氣候區(qū)的棄渣場，均應(yīng)核算其連續(xù)降雨期邊坡的抗滑穩(wěn)定性。在進(jìn)行降雨入滲條件下的棄渣場穩(wěn)定分析計(jì)算時(shí)，可首先基于水量平衡關(guān)系，采用水文分析法計(jì)算設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)暴雨的入滲量，然后將降雨入滲工況計(jì)算條件概化為棄渣場上層為連續(xù)降雨造成的飽和土、下部仍為自然狀態(tài)，根據(jù)降雨入滲量計(jì)算飽和土層的厚度，最后按照地質(zhì)勘察資料中的天然土、飽和土物理力學(xué)參數(shù)，采用摩根斯頓-普萊斯法計(jì)算降雨入滲工況的棄渣邊坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)，并以此判斷棄渣場邊坡的穩(wěn)定性。案例分析表明，上述方法具有較好的可操作性，可為類似工況條件下的棄渣場邊坡穩(wěn)定計(jì)算提供參考。

本文是對降雨入滲工況下棄渣場穩(wěn)定計(jì)算的探討，提出的方法仍有以下兩個問題需進(jìn)一步研究：①降雨入滲量計(jì)算方法，在暴雨過程過于集中、棄渣土體滲透性太強(qiáng)或太弱等情況下，其計(jì)算結(jié)果不夠準(zhǔn)確;②對降雨入滲工況計(jì)算條件的概化，與實(shí)際工況條件有所差異，會導(dǎo)致抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)的計(jì)算結(jié)果精確度不高。

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