基于Geo Studio的棄土場穩(wěn)定性評估

向文賢，許萬忠，羅益輝，嚴(yán)鐵軍，何迪環(huán)

(昆明理工大學(xué)國土資源工程學(xué)院，云南昆明 650093)

1 棄土場概況

2 棄土場工程地質(zhì)條件

2.1 地形地貌

該棄土場位于路線K55+600右側(cè)，其所在區(qū)域?qū)儆跇?gòu)造剝蝕中山地貌區(qū)，受構(gòu)造運(yùn)動(dòng)(褶皺、斷裂)及風(fēng)化作用影響，地形破碎，溝谷縱橫交錯(cuò)，表現(xiàn)為褶皺山和斷塊山，山脊與山間盆地、洼地相間。地形起伏大，屬越嶺線，高差約463 m。山脊為豬背脊或單面山，山間盆地、洼地規(guī)模不大，面積1×104～2×104m2，溝谷多為“V”型谷，坡度30～65 °，植被發(fā)育。

2.2 區(qū)域地層巖性

該棄土場處于構(gòu)造剝蝕中山地貌區(qū)，地形起伏大，屬越嶺線，高差約463 m，植被發(fā)育。地表覆蓋薄層為第四系殘坡積(Q4e1+dl)，巖性為黏性土夾碎石，黃褐色，可塑性較差，局部可見。下伏地層為下第三系寧灌組二段(E2n2)：紫紅色泥巖、砂巖，固結(jié)程度低，表層風(fēng)化成土狀，穩(wěn)定性差。

3 氣候、水文地質(zhì)條件

3.1 氣候

麗江地處云貴高原西北部，橫斷山脈與滇西北高原接壤地帶，總體地勢中部高兩端低，氣候特征表現(xiàn)為高原性氣候，氣候垂直分帶特征明顯。冬春干旱，夏秋多雨，南部熱旱，北部暖濕。年平均蒸發(fā)量2 238.5 mm，年平均相對濕度69.31 %，年平均降雨量936.4 mm，82 %的降水集中在6～9月，干濕季分明，屬半濕潤氣候。

3.2 水文地質(zhì)條件

該區(qū)域內(nèi)地表水分布不均，受地形控制。低洼壩區(qū)地表水豐富，山區(qū)地表水匱乏，雨季及化雪季有短暫流水。根據(jù)地下水水理性質(zhì)、巖石類型及賦存條件劃分，路線區(qū)內(nèi)地下水類型主要為第四系松散巖類孔隙水、基巖裂隙水、巖溶水[2]。地下水主要靠大氣降水和地表水補(bǔ)給。

4 棄土場現(xiàn)狀及物理力學(xué)參數(shù)

4.1 棄土場現(xiàn)狀調(diào)查

該棄土場內(nèi)棄渣未達(dá)到設(shè)計(jì)填筑高度，但已有一定的棄土量。主要成分為黏性土、泥巖、砂巖、少量碎石。施工現(xiàn)場暫無淺表層溜坍跡象；截洪溝、擋渣墻還在施工中。棄土場剖面圖見圖1。

圖1 棄土場剖面設(shè)計(jì)(單位:m)

4.2 物理力學(xué)參數(shù)

棄土體的物理參數(shù)主要包括土體的天然重度、內(nèi)摩擦角、粘聚力等，可通過現(xiàn)場試驗(yàn)和室內(nèi)大型直剪試驗(yàn)得知，原始邊坡的物理力學(xué)參數(shù)可由該位置勘察設(shè)計(jì)成果提供的巖土參數(shù)，物理參數(shù)見表1。

5 棄土場穩(wěn)定性分析與評價(jià)

5.1 棄土場穩(wěn)定性影響因素

棄土場穩(wěn)定性的穩(wěn)定性主要取決于棄土的物理力學(xué)性質(zhì)、棄土場地基的傾角及其巖土性質(zhì)、棄土工藝和棄土場邊坡高度以及水文地質(zhì)條件，具體為：

表1 棄土場邊坡物理力學(xué)參數(shù)

(1)棄土的物理力學(xué)性質(zhì)：棄土容重隨著棄土堆高度的增加而增大，而棄土的黏結(jié)力和內(nèi)摩擦角通常也隨密度的增加而增大，棄土場的穩(wěn)定性會有所提高。

以上測定均取3次獨(dú)立實(shí)驗(yàn)結(jié)果的平均值，數(shù)據(jù)用平均值 ± 標(biāo)準(zhǔn)差(SD)表示。使用Origin 9.0軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行雙總體t檢驗(yàn)。差異顯著性以P < 0.05表示。

(2)棄土場地基的傾角及其巖土性質(zhì)：棄土場的穩(wěn)定性受原始坡面的地形坡度影響。

(3)棄土工藝和棄土場邊坡高度：棄土堆放工藝不同，則棄土場受到的荷載不同，得到壓實(shí)程度不同。棄土場高度對穩(wěn)定性評價(jià)影響明顯，當(dāng)棄土場高度較高時(shí)，容易在堆積的填土內(nèi)產(chǎn)生內(nèi)部滑動(dòng)面。

(4)棄土場水文地質(zhì)條件：地表水和地下水的存在，不僅會造成棄土場基地存在很大的靜水壓力，提高棄土材料的飽和度，增大下滑力，而且會降低棄土體的強(qiáng)度指標(biāo)[3]。

5.2 棄土場破壞模式

根據(jù)前人對棄土場進(jìn)行過的大量研究[4]，通過對工程地質(zhì)勘查與分析，在棄土場滑坡中，按滑動(dòng)面位置及其滑動(dòng)產(chǎn)生的原因，可以將棄土場的滑坡分為四類：棄土場內(nèi)部滑動(dòng)面的滑坡；沿基底接觸面的滑坡；沿地基軟弱層的滑坡和沿棄土場表層局部坍塌和錯(cuò)動(dòng)。

5.3 棄土場計(jì)算工況與計(jì)算模型

棄土場所在區(qū)域抗震烈度為8度，基本地震加速度為0.20g，根據(jù)規(guī)范要求[5]，地震烈度為六度及以上地區(qū)，應(yīng)研究分析地震對邊坡穩(wěn)定性的影響，因此本次計(jì)算設(shè)置三種工況：

(1)一般工況對應(yīng)的天然狀態(tài)下邊坡穩(wěn)定性；計(jì)算參數(shù)選用天然狀態(tài)下的容重、粘聚力和內(nèi)摩擦角。

(2)暴雨工況對應(yīng)的邊坡穩(wěn)定性；連續(xù)暴雨條件，土體達(dá)到飽和，計(jì)算參數(shù)選用飽和狀態(tài)下的容重、粘聚力和內(nèi)摩擦角。

(3)地震工況對應(yīng)的邊坡穩(wěn)定性(該地區(qū)抗震設(shè)防烈度為8度，基本地震加速度為0.2g)。

5.4 棄土場局部穩(wěn)定性分析

極限平衡法的邊坡穩(wěn)定分析是最早應(yīng)用并直至目前仍然普遍使用的一種定量方法。將有滑動(dòng)趨勢范圍內(nèi)的邊坡巖體按照某種規(guī)則劃分為一系列的小塊體，通過建立塊體的力和力矩平衡條件進(jìn)行邊坡分析[6]。目前，常用的方法有：Morgenstern-Price法，簡化Bishop法，F(xiàn)ellenius法， Sarma法，Janbu法， Spencer法和傳遞系數(shù)法等。棄土場土體類型多為黏性土夾少量碎石，邊坡滑裂面多以圓弧形為主，因此本文以適用于圓弧滑動(dòng)的Bishop法和適用任意滑面的Morgenster-Price法來分析計(jì)算棄土場邊坡的穩(wěn)定性。穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果見表2，局部滑裂面見圖2～圖4。

表2 棄土體局部穩(wěn)定性安全系數(shù)

圖2 天然工況下棄土體邊坡最危險(xiǎn)滑弧計(jì)算

圖3 暴雨工況下棄土體邊坡最危險(xiǎn)滑弧計(jì)算

圖4 地震工況下棄土體邊坡最危險(xiǎn)滑弧計(jì)算

由表2可知，棄土場邊坡在正常工況和非正常工況下安全系數(shù)Fs≥Fst，邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)。最危險(xiǎn)滑弧均在攔渣壩右方淺層土層，不會從擋渣墻上方剪出，對周圍環(huán)境不存在潛在危險(xiǎn)。

5.5 棄土場整體穩(wěn)定性分析

棄土場邊坡穩(wěn)定性包含局部棄土的平衡穩(wěn)定和整體邊坡穩(wěn)定，既不會從堆砌體內(nèi)部滑移，也不會從滑床內(nèi)部滑移。由于組成滑床的主要成分為泥巖和砂巖，固結(jié)度較低，滑移面仍以圓弧滑動(dòng)為主，因此，分析方法同樣采用Morgenster-Price法和Bishop法。棄土場整體穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果見表3。整體滑移面見圖5～圖7。

圖5 天然工況下整體邊坡最危險(xiǎn)滑弧計(jì)算

圖6 暴雨工況下整體邊坡最危險(xiǎn)滑弧計(jì)算

圖7 地震工況下整體邊坡最危險(xiǎn)滑弧計(jì)算

由表3可知，棄土場邊坡正常工況和暴雨工況下安全系數(shù)Fs>Fst，邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)，不會對周圍環(huán)境產(chǎn)生潛在危險(xiǎn)，但是在地震工況下，邊坡處理臨界狀態(tài)，仍需注意不能過量堆載。

表3 棄土場整體穩(wěn)定性安全系數(shù)

Morgenster-Price法在一般條分法的基礎(chǔ)上，不但考慮了法向力與切向力的平衡，而且還考慮了每一土條力矩的平衡，適用于任意形狀的滑面。Bishop法考慮條塊的力矩平衡而不考慮條塊的靜力平衡，適用于圓弧形滑坡。因此，通過兩種方法對邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算的安全系數(shù)基本一致，結(jié)果可靠。

5.6 棄土場邊坡穩(wěn)定性評價(jià)

通過Geo-Studio軟件SLOP/W模塊對棄土場整體和局部穩(wěn)定性進(jìn)行計(jì)算[7]，結(jié)果表明棄土場在正常工況和暴雨工況下的安全系數(shù)均大于1.30，地震工況下安全系數(shù)均大于1，邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)，出現(xiàn)局部滑移和整體滑移的可能性較低，可以按照設(shè)計(jì)要求進(jìn)行堆積棄土。

6 結(jié)論

本文通過資料分析、現(xiàn)場踏勘以及建模分析，對寧蒗至永勝高速公路路線K55+600右側(cè)30 m處棄土場的穩(wěn)定性進(jìn)行分析評價(jià)，得出以下結(jié)論：

(1)寧蒗至永勝高速公路8號棄土場場地危險(xiǎn)性評估結(jié)果為安全；該棄土場建設(shè)用地的適宜性為基本適宜，棄土場建設(shè)方案及主體防護(hù)工程設(shè)計(jì)合理。綜合判定該棄土場建設(shè)安全性評估結(jié)果為安全。

(2)棄土場邊坡主要由第四系坡殘積黏性土夾碎石和紫紅色泥巖，砂巖組成，壓實(shí)度較高，固結(jié)度較低，表層分化成土狀，建議做好坡面的綠化及排水工程，防止水土流失，定期對棄土堆進(jìn)行經(jīng)常性維護(hù)。

(3)通過Geo Studio軟件對棄土體邊坡定量分析，結(jié)果表明棄土場在正常工況和非正常工況下的安全系數(shù)均大于臨界條件，不會出現(xiàn)局部滑移和整體失穩(wěn)的情況，但是棄土場在地震工況下的整體安全系數(shù)仍處于臨界狀態(tài)，仍需注意棄土場的堆積量，不能過量堆載。