STAB在棄渣場邊坡穩(wěn)定性分析中的應用

常 勝

（新疆水利水電勘測設計研究院,新疆 烏魯木齊 830000）

隨著水利水電工程的建設,施工期間往往產(chǎn)生大量土石方棄料,這些棄料會被臨時性或永久性堆存于棄渣場。棄渣場作為一種大型人工堆積體；具有孔隙多,非均質,密實性差,結構松散,強度低等特點；這些特點使得棄渣場邊坡在外界誘因的影響下（如降雨,地震,人為活動擾動等）易發(fā)生滑塌,存在一定安全隱患。國家從監(jiān)管層面越來越重視棄渣場穩(wěn)定性評估工作,水利部水土保持司2016 年3 月印發(fā)了《水土保持設施驗收技術評估工作要點》[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,在水土保持設施驗收技術評估時,要求項目建設單位提供相應棄渣場的穩(wěn)定性評估報告。大型棄渣場穩(wěn)定性分析從前期設計中棄渣場規(guī)劃,到實施過程施工控制和動態(tài)監(jiān)測,再到最后的竣工驗收評估,這項工作基本貫穿了整個項目建設期,其重要性不言而喻。

業(yè)內專家學者針對棄渣場穩(wěn)定性分析作了大量工作和研究。例如羅雷等[2]理論分析認為臨時堆放渣體,在坡度小于土壤內摩擦角和無暴雨,大風的情況下,能處于穩(wěn)定的狀態(tài)。毛雪松等[3]基于GeoStudio軟件SEEP/W和SLOPE/W模塊對某棄渣場滲流場及不同工況穩(wěn)定性進行分析。吳謙等[4]借助Monte Carlo算法對邊坡穩(wěn)定性可靠度進行了研究。肖志紅[5]從微觀參數(shù)角度,運用顆粒流、重度增加法及邊坡的監(jiān)測算法,對比研究不同顆粒粒徑對棄渣場穩(wěn)定性的影響。陳瑜[6]利用理正巖土計算軟件,計算分析引洮供水一期工程棄渣場不同工況下邊坡安全穩(wěn)定情況。

中國水利水電科學研究院自主開發(fā)的STAB軟件,主要用于土質邊坡和土石壩邊坡穩(wěn)定分析,多年來已成功應用于國內的許多大型水利水電工程。本文將STAB軟件運用于新疆某水電站3 級棄渣場邊坡穩(wěn)定性分析。

1 工程概況

新疆某水電站為徑流式電站,工程任務是水力發(fā)電；裝機容量80 MW,綜合多年平均年發(fā)電量2.8 億kW·h,為中型Ⅲ等工程。工程由引水樞紐（土石壩段,泄洪壩段和進水閘）、引水建筑物（引水渠道、壓力前池、壓力管道,泄水陡坡和渠系建筑物）、發(fā)電廠房（電站廠房和尾水渠）三大部分組成。4#棄渣場渣場位于河道右岸Ⅲ級階地上,渠道末端北側區(qū)域。所處地勢北高南低,地形起伏較大；小型沖溝發(fā)育,溝深20 m~30 m,溝底寬5 m~10 m,呈“V”型,在降雨時有暫時性流水通過,平時干枯。棄渣場占地面積9.6 萬m2,棄渣量144 萬m3,棄渣場級別3 級。主要承擔引水隧洞、渠道、前池、泄水陡槽和壓力鋼管等建筑物開挖料棄渣；棄渣料巖性為風積黃土及砂卵礫石人工堆積混合料,厚度大于15 m,結構松散。渣場基礎巖性為風積黃土,厚度15 m~20 m,黃土具有強濕陷性。

2 計算原理

邊坡穩(wěn)定定量分析方法主要包括以瑞典條分法、畢肖普法、美國陸軍師團法和Morgenstern-Price法為代表的剛體極限平衡法和以有限元法、離散元和塊體理論為代表的數(shù)值分析方法等。其中又以剛體極限平衡法應用最早,范圍最為廣泛,發(fā)展最為完善。剛體極限平衡法,以Mohr-Coulomb抗剪強度理論為基礎,將滑塊劃分為若干條塊,通過直接對某些多余未知量做出假定,建立作用在這些條塊上力的平衡方程式,使方程的數(shù)量和未知數(shù)的數(shù)量相等,方程變?yōu)殪o定問題,求解安全系數(shù)[7]。

根據(jù)《水土保持工程設計規(guī)范》（GB 51018-2014）[8]棄渣場抗滑穩(wěn)定計算可采用不計條塊間作用力的瑞典圓弧滑動法,見圖1；對于均質堆渣體,宜采用計及條塊間作用力的簡化畢肖普法；對有軟弱夾層的棄渣場,宜采用滿足力和力矩平衡的摩根斯-普賴斯法進行抗滑穩(wěn)定計算；對于存在軟基的棄渣場,宜采用改良圓弧法進行抗滑穩(wěn)定計算?？紤]到渣料和渣場物理力學特性,4#棄渣場抗滑穩(wěn)定計算選用瑞典圓弧法。

圖1 閘站樞紐圖

瑞典圓弧法：

式中：b為條塊寬度,m；W為條塊重力,kN；W1為在邊坡外水位以上的條塊重力,kN；W2為在邊坡外水位以下的條塊重力,kN；Q、V分別為水平和垂直地震慣性力（向上為負,向下為正）,kN；u為作用于土條底面的孔隙壓力,kPa；α為條塊的重力線與通過此條塊底面中點的半徑之間的夾角,（°）；c'、φ'分別為土條底面的有效應力抗剪強度指標；Mc為水平地震慣性力對圓心的力矩,kN·m；R為圓弧半徑,m；K為抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)。

基于以上原理,采用中國水利水電科學研究院的土質邊坡穩(wěn)定分析程序（STAB2005 版）,計算棄渣場堆渣體邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)。根據(jù)《水土保持工程設計規(guī)范》（GB 51018-2014）條文5.7.4.2,運用瑞典圓弧法計算時,3 級棄渣場對應的正常運用工況和非常運用工況抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)下限分別為1.20 和1.05。采用瑞典圓弧法、改良圓弧法計算時,抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)不應小于表1 規(guī)定的數(shù)值。

表1 棄渣場抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)表

3 研究分析

3.1 計算斷面

考慮到棄渣場級別、地形、地質條件,并結合棄渣堆置形式,堆高,渣料組成,物理力學參數(shù)等因素；渣場邊坡穩(wěn)定分析的斷面選取上,最終選定位于棄渣場西北側A-A斷面,見圖2 ~圖3。 A-A斷面地面高程1797.5 m~1804.5 m,長度約216 m,地面縱坡1/30.86；棄渣場頂部高程1809 m,最大堆高11.5 m,邊坡綜合坡比1/4.60 。

圖2 某水電站4#渣場平面布置圖

圖3 A-A剖面

3.2 主要地質條件

棄渣料巖性為風積黃土、及砂卵礫石人工堆積混合料。棄渣料參數(shù)建議值,天然狀態(tài)：天然容重15.2 g/cm3,粘聚力c=2.5 kPa,內摩擦角φ=17°；飽和狀態(tài)：飽和容重13.6 cm3/g~16.1 cm3/g,粘聚力c=0,內摩擦角φ=15°。棄渣場基礎巖性為風積黃土。基礎參數(shù)建議值,天然狀態(tài)：容重15.4 g/cm3, 粘聚力c=4.95 kPa,內摩擦角φ=19.05°；飽和狀態(tài)：容重13.6 g/cm3~16.1 g/cm3,粘聚力c=2.5 kPa~10 kPa,內摩擦角φ=17°~21°,承載力建議值80 kPa。

表2 棄渣場地質參數(shù)表

3.3 計算工況

根據(jù)《水土保持工程設計規(guī)范》（GB 51018 -2014）,并結合本工程特征,4#棄渣場邊坡穩(wěn)定性分析主要考慮以下3種工況：

（1）正常運用工況指的是棄渣場在正常和持久的條件下運用,棄渣場處在最終棄渣狀態(tài)時,渣體無滲流或穩(wěn)定滲流的工況。

（2）非常運用工況Ⅰ：棄渣場在正常工況下遭遇Ⅶ度以上（含Ⅶ度）地震。據(jù)1/400 萬《中國地震烈度區(qū)劃圖》（GB 18306-2015）,該工程區(qū)處在地震動峰值加速度值為0.3g區(qū)域內,其對應的地震烈度為Ⅷ度。

（3）非常運用工況Ⅱ：棄渣場邊坡處于暴雨或連續(xù)降雨狀態(tài)下的工況。工程區(qū)所在流域的降水分布特點為：迎風坡大于背風坡、山區(qū)大于平原,年降水量垂直分帶明顯。工程區(qū)臨近水文站多年平均降水量588.3 mm,降水量在年內主要集中在4 月~9 月,占全年降水量的72%,其中7月降水最多,月平均降水量為71.2 mm,2 月降水最少,月平均降水量為13 mm。因此考慮連續(xù)降雨條件下,渣體處于飽和狀態(tài)時邊坡抗滑穩(wěn)定計算。

3.4 計算結果

（1）正常運用工況

從AutoCAD中將幾何信息導入STAB2005中,采用STAB計算正常運用工況下A-A剖面邊坡穩(wěn)定結果,見圖4；A-A剖面（綜合縱坡i=1/4.6）邊坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)為1.636,滿足規(guī)范要求。

圖4 泥巖蠕變速率曲線

圖4 A-A剖面（正常運用工況）

（2）非常運用工況Ⅰ

非常運用工況Ⅰ下A-A剖面邊坡穩(wěn)定結果,見圖5；A-A剖面（綜合縱坡i=1/4.6）邊坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)為1.219 ,滿足規(guī)范要求。

圖5 A-A剖面（非常運用工況Ⅰ）

（3）非常運用工況Ⅱ

通過STAB軟件對渣體和棄渣場基礎均處在飽和狀態(tài)下A-A剖面邊坡穩(wěn)定分析,經(jīng)計算得到抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)為0.966,該值小于規(guī)范允許最小值1.05,見圖6。結合圖3可以發(fā)現(xiàn)實測斷面A-A剖面綜合坡度雖為i=1/4.60,但其坡度大致可以分為三段（自下而上）坡度分別為i1=1/3.58,i2=1/4.30,i3=1/6.26。不穩(wěn)定滑坡面基本處于坡度為i1=1/3.58邊坡范圍內,并未沿坡面向渣頂延續(xù)；初步分析得出,坡度i=1/3.58無法滿足非常運用工況Ⅱ條件下抗滑穩(wěn)定計算。為進一步證實該結論,又分別計算上述3個邊坡處于飽和狀態(tài)下的安全系數(shù)和不穩(wěn)定滑坡面,結果見圖7~圖9；得到相應抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)K1=0.984,K2=1.174,K3=1.698。除K1外,其余安全系數(shù)均滿足規(guī)范要求。

圖6 A-A剖面（非常運用工況Ⅱ）（i綜合=1/4.60）

圖7 A-A剖面（非常運用工況Ⅱ）（i1=1/3.58）

圖8 A-A剖面（非常運用工況Ⅱ）（i2=1/4.43）

圖9 A-A剖面（非常運用工況Ⅱ）（i3=1/6.26）

上述計算結果可以發(fā)現(xiàn),坡度i2=1/4.30 時抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)計算值K2=1.174,不僅滿足規(guī)范要求且有一定富余值。因此初步判斷,坡度安全取值應介于1/3.58 ~1/4.30 之間。假定該值為1/4.0,作進一步邊坡穩(wěn)定分析試算。先對A-A斷面部分尺寸調整,保持原有邊坡高度和長度不變,坡度調整為單一坡度i=1/4.0,試算斷面見圖10。堆渣體,渣場基礎參數(shù)和STAB軟件計算模塊的選取與上述保持一致。計算結果見圖11,抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)K=1.075 大于規(guī)范值1.05,因此i=1/4.0 坡度邊坡穩(wěn)定。A-A剖面局部邊坡（i≥1/3.58）不能滿足非常運用工況Ⅱ條件下抗滑穩(wěn)定計算,連續(xù)降雨或暴雨可能導致邊坡失穩(wěn),存在安全隱患。建議對邊坡做修整處理,坡度建議值i=1/4.0。

圖10 A-A試算剖面

圖11 A-A試算剖面（非常運用工況Ⅱ）

4 結論

根據(jù)新疆某水電站4#渣場邊坡穩(wěn)定分析,結論如下：

（1）4#棄渣場邊坡正常運用工況下和非常運用工況Ⅰ（Ⅷ度地震）邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)均滿足規(guī)范要求值。4#棄渣場邊坡非常運用工況Ⅱ下,即使綜合縱坡滿足i<1/4.0；局部縱坡陡于該值,邊坡仍然可能出現(xiàn)失穩(wěn)情況。建議邊坡單一坡度不陡于i=1:4.0。

（2）STAB軟件在運用棄渣場邊坡穩(wěn)定性分析具有較好可操作性,可為類似工程的棄渣場選址和放坡提供借鑒參考。