工程渣土堆填場(chǎng)邊坡穩(wěn)定性數(shù)值計(jì)算分析

高文杰GAO Wen-jie

（上海建科工程咨詢有限公司，上海 200032）

0 引言

渣土堆填場(chǎng)是工程中極其重要的一部分，是工程建設(shè)過程中產(chǎn)生的余泥、渣土等廢棄物的堆積場(chǎng)所。堆填場(chǎng)一旦出現(xiàn)事故，例如邊坡失穩(wěn)出現(xiàn)滑坡時(shí)，不但會(huì)影響工程的正常開展，嚴(yán)重時(shí)還有可能造成人員傷亡，這都會(huì)造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。歐孝奪等人[1]針對(duì)拜耳法工藝生產(chǎn)赤泥的特點(diǎn)，分析了平果鋁赤泥堆場(chǎng)的特征以及堆場(chǎng)內(nèi)赤泥的物理力學(xué)指標(biāo)；結(jié)合干法排放、堆存赤泥所引起的堆場(chǎng)表面裂縫問題，闡述了裂縫產(chǎn)生的具體成因，并采用Geo-Slope 軟件中的SLOPE/W 模塊計(jì)算裂縫條件下赤泥堆積壩邊坡穩(wěn)定性。李毅等人[2]分析哈爾濱市東部生活垃圾堆場(chǎng)生活垃圾固體成分，判斷填埋區(qū)的穩(wěn)定性,為哈爾濱市生活垃圾簡易填埋場(chǎng)修復(fù)和場(chǎng)地再利用提供理論依據(jù)。童有全等人[3]采用滲流分析方法確定坡面尾礦砂在不同時(shí)段連續(xù)降水的條件下的浸潤范圍，據(jù)此進(jìn)行相應(yīng)的穩(wěn)定性分析，得到了較為可靠的結(jié)論。盧萍等人[4]以小河邊尾渣干堆場(chǎng)為例，根據(jù)工程地質(zhì)情況，對(duì)該堆排狀況進(jìn)行了邊坡穩(wěn)定性數(shù)值模擬分析。李瑞祥等人[5]對(duì)肚子坑西側(cè)堆浸場(chǎng)經(jīng)滲流場(chǎng)分析與邊坡穩(wěn)定性分析。陳衛(wèi)東等人[6]針對(duì)凡口鉛鋅礦廢石堆場(chǎng)邊坡，利用極限平衡法中的瑞典圓弧法及數(shù)值模擬方法中的有限差分法對(duì)廢石堆場(chǎng)邊坡進(jìn)行了穩(wěn)定性分析。李錫斌等人[7]為防止礦堆發(fā)生滑坡，確保周圍設(shè)施及人員安全，采用極限平衡法對(duì)堆場(chǎng)現(xiàn)狀邊坡進(jìn)行了安全穩(wěn)定性分析。石興國等人[8]以烏海市露天煤礦為例，對(duì)露天煤礦的順傾層狀邊坡進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)分析，并對(duì)選取的工程模型邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行分析。王春彭等人[9]討論了幾種邊坡穩(wěn)定性的分析方法。哈斯也提·依米提等人[10]以某邊坡為例，基于PLAXIS3D 數(shù)值有限元軟件對(duì)該邊坡進(jìn)行分析，基于當(dāng)?shù)貙?shí)時(shí)降水量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，采用數(shù)值分析的方法分析了不同強(qiáng)度降水條件下，邊坡孔隙水壓力的變化規(guī)律、邊坡的變形特征以及錨桿的應(yīng)力變化等規(guī)律。

本文采用極限平衡法原理，Geo-Studio 數(shù)值模擬軟件中的SLOPE/W、QUAKE-W、SEEP/W 模塊分別對(duì)自然，地震及降雨工況下不同壓實(shí)度的堆填場(chǎng)邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性分析，為現(xiàn)場(chǎng)施工提供了指導(dǎo)。

1 計(jì)算模型與參數(shù)

作為堆放工程渣土半永久性場(chǎng)所，堆填場(chǎng)是一個(gè)重要的近永久性附屬設(shè)施，與人員安全和正常生產(chǎn)活動(dòng)密切相關(guān)，而近年來堆填場(chǎng)邊坡喪失穩(wěn)定性所引發(fā)的安全事故時(shí)有發(fā)生，因此必須對(duì)邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行分析。堆填場(chǎng)邊坡的截面最大高度為85m，呈階梯狀，共四層臺(tái)階，階梯高22m（最頂層高19m）；臺(tái)階坡面角32°，邊坡最終坡面角采場(chǎng)側(cè)25.5°，安全平臺(tái)寬度為25m。設(shè)計(jì)參數(shù)如表1 所示。

表1 工程渣土堆填場(chǎng)設(shè)計(jì)主要參數(shù)

在軟件模擬過程中，需要分別分析邊坡在自然、地震及降雨工況的穩(wěn)定性。根據(jù)室內(nèi)試驗(yàn)測(cè)定三種不同工程渣土的基本物理力學(xué)性質(zhì)，取兩個(gè)試驗(yàn)參數(shù)進(jìn)行模擬。場(chǎng)地屬區(qū)域穩(wěn)定地段，不會(huì)因地基承載力不足導(dǎo)致地基底鼓誘發(fā)牽引式滑坡，因此基巖組取一種物理參數(shù)進(jìn)行分析。在經(jīng)過室內(nèi)工程渣土和基巖物理力學(xué)特性試驗(yàn)后，得到工程渣土和基巖各項(xiàng)物理參數(shù)，見表2。

表2 堆填場(chǎng)邊坡各項(xiàng)物理參數(shù)表

2 計(jì)算結(jié)果與分析

2.1 自然工況穩(wěn)定性分析

自然工況是指邊坡在正常條件下運(yùn)行時(shí)只需要考慮自重作用，可以不考慮地下水、降雨、地震等外界影響因素的干擾，是一種最普通最常見的工況。截面邊坡在采用Morgenstern-Price 法進(jìn)行分析計(jì)算后，所得到兩組試驗(yàn)參數(shù)條件下對(duì)應(yīng)的最危險(xiǎn)滑移面安全系數(shù)均處于1.501-1.885 之間，如圖1，圖2 所示。

圖1 截面自然工況下臨界滑移面①

圖2 截面自然工況下臨界滑移面②

在圖1-圖2 的兩幅圖片中，綠色區(qū)域均代表的是最有可能發(fā)生滑移的臨界位置，就滑移面的位置分布來看，堆填場(chǎng)本體滑坡是最危險(xiǎn)的滑移，并且發(fā)生滑坡時(shí)，剪出口也位于堆填場(chǎng)坡面上。使用兩組試驗(yàn)參數(shù)計(jì)算所得的安全系數(shù)在1.501-1.885 之間，均大于規(guī)范所要求的1.15-1.20，這說明截面邊坡在自然工況下將會(huì)處于穩(wěn)定狀態(tài)，且安全性較好，不容易發(fā)生失穩(wěn)現(xiàn)象。

2.2 地震工況穩(wěn)定性分析

此次地震工況的穩(wěn)定性分析部分使用Geo-Studio 軟件其中的QUAKE-W 模塊對(duì)堆填場(chǎng)邊坡進(jìn)行建模和計(jì)算分析，由此可以求得此堆填場(chǎng)邊坡的最危險(xiǎn)滑弧所在位置及最小抗滑安全系數(shù)。在這一數(shù)值模擬的過程中需要使用QUAKE/W 模塊對(duì)邊坡的動(dòng)應(yīng)力響應(yīng)展開研究，并以其作為上級(jí)目錄，在Geo-Studio 數(shù)值模擬軟件中再建立一個(gè)SLOPE/W 模塊，利用QUAKE/W 所得的結(jié)果進(jìn)行進(jìn)一步的計(jì)算分析，最后以上述SLOPE/W 模塊為上級(jí)目錄，使用New-mark 模塊建立模型，進(jìn)行計(jì)算，分析在地震作用下，堆填場(chǎng)邊坡的穩(wěn)定性變化。在下列的計(jì)算結(jié)果分析圖中，①-②依次為選用試驗(yàn)參數(shù)一至試驗(yàn)參數(shù)二的備注編號(hào)。

本次設(shè)計(jì)地震設(shè)防裂度為6 度，峰值地震加速度為0.05g，地震烈度為6 度時(shí)，邊坡的安全系數(shù)將隨著地震加速度的變化而變化，圖3 為輸入地震波的加速度時(shí)程曲線。

圖3 輸入地震加速度時(shí)程曲線

圖4，圖5 為不同條件下斷面所有滑移面的分布圖，表3 中表示的是兩種試驗(yàn)參數(shù)下邊坡臨界滑移面安全系數(shù)的兩項(xiàng)代表值，當(dāng)壓實(shí)度較低時(shí)，如選用試驗(yàn)參數(shù)二的情況，其臨界滑移面在地震荷載作用下綜合安全系數(shù)為1.496，且在地震作用時(shí)某一時(shí)刻的最低安全系數(shù)也達(dá)到了1.230，符合堆填場(chǎng)在地震工況下的安全穩(wěn)定性標(biāo)準(zhǔn)，邊坡可基本保持穩(wěn)定；當(dāng)壓實(shí)度較高時(shí)，如選用試驗(yàn)參數(shù)一的情況，臨界滑移面綜合安全系數(shù)達(dá)到了1.871，地震作用時(shí)某一時(shí)刻最低安全系數(shù)為1.573，均大于規(guī)范所要求的1.10，完全可以保持堆填場(chǎng)的穩(wěn)定狀態(tài)。

表3 地震工況下選用各試驗(yàn)參數(shù)時(shí)的邊坡臨界滑面安全系數(shù)表

圖4 地震工況下斷面的所有滑移面①

圖5 地震工況下斷面的所有滑移面②

綜上所述，該堆填場(chǎng)邊坡在地震模擬的10s 內(nèi)的任一時(shí)刻臨界滑移面安全系數(shù)都相對(duì)較大，滿足了堆填場(chǎng)邊坡的穩(wěn)定性要求，無滑坡風(fēng)險(xiǎn)。

綜上所述，該堆填場(chǎng)邊坡在地震模擬的10s 內(nèi)的任一時(shí)刻臨界滑移面安全系數(shù)都相對(duì)較大，滿足了堆填場(chǎng)邊坡的穩(wěn)定性要求，無滑坡風(fēng)險(xiǎn)。

2.3 降雨及地下水工況穩(wěn)定性分析

降雨及地下水工況下的邊坡穩(wěn)定性分析采用Geo-Studio 軟件中的SEEP/W 模塊對(duì)堆填場(chǎng)邊坡進(jìn)行建模和計(jì)算分析，得出該堆填場(chǎng)回彈邊坡入滲條件中孔隙水壓力的分布及滲流特征。在數(shù)值模擬的過程中，將SEEP/W 模塊作為上級(jí)目錄，在其下建立SLOPE/W 模塊，使用SEEP/W 模塊計(jì)算出的結(jié)果繼續(xù)進(jìn)行計(jì)算，最終得出最危險(xiǎn)滑弧所在位置和最小抗滑安全系數(shù)。在下列計(jì)算結(jié)果分析圖中，①-②為選用試驗(yàn)參數(shù)一至試驗(yàn)參數(shù)二的備注編號(hào)。

在邊坡的滲流分析中，需要確定正確的邊界條件，然后才能進(jìn)行計(jì)算和分析獲得較為符合實(shí)際情況的結(jié)果。在初始靜態(tài)水位的計(jì)算中，根據(jù)相關(guān)地質(zhì)資料并結(jié)合剖面的具體特征，初步設(shè)定位置總水頭邊界在標(biāo)高-65m 處。邊坡表面為降雨邊界，以20年一遇的1998 年大暴雨為降雨工況的模擬條件，圖6 表示的是此工況的降雨量變化情況。

圖6 降雨量隨時(shí)間的變化曲線

經(jīng)計(jì)算分析，工程渣土堆填場(chǎng)邊坡在降雨及地下水工況的前提條件下通過Geo-Studio 軟件采用Morgenstern -Price法測(cè)得三組不同試驗(yàn)參數(shù)在10d 的降雨條件下對(duì)應(yīng)臨界滑移面的安全系數(shù)如圖7，圖8 所示，所得到的安全系數(shù)分布在1.162-1.746 之間；圖中綠色的區(qū)域代表的是邊坡最有可能產(chǎn)生滑移的臨界位置。由規(guī)范可知：在降雨及地下水工況下，邊坡能保持穩(wěn)定的最低標(biāo)準(zhǔn)是安全系數(shù)大于1.10。

圖7 10d 臨界滑移面①

圖8 10d 臨界滑移面②

由此可以得出以下結(jié)論：在此種降雨及地下水工況下，該堆填場(chǎng)邊坡任一時(shí)刻的安全系數(shù)均大于1.10，邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)，不易發(fā)生失穩(wěn)現(xiàn)象。

3 結(jié)論

①在自然條件下堆填場(chǎng)本體坡面滑動(dòng)為此邊坡最可能出現(xiàn)的破壞模式，堆填場(chǎng)邊坡的安全系數(shù)在1.501—1.885 之間，任一滑動(dòng)面的最小安全系數(shù)均大于1.15，滿足了邊坡的穩(wěn)定性要求，即在自然條件下邊坡能夠保持穩(wěn)定狀態(tài)，不會(huì)發(fā)生失穩(wěn)破壞現(xiàn)象。②在地震工況下下邊坡最可能出現(xiàn)的破壞模式為堆填場(chǎng)本體坡面滑動(dòng)，堆填場(chǎng)邊坡的綜合安全系數(shù)在1.230-1.871 之間，且在地震模擬10s的歷程內(nèi)任一滑動(dòng)面的最小安全系數(shù)均大于1.10，滿足了邊坡的穩(wěn)定性要求，即在地震工況下邊坡能夠保持穩(wěn)定狀態(tài)，不會(huì)發(fā)生滑坡現(xiàn)象。③在降雨及地下水工況下邊坡最可能出現(xiàn)的破壞模式為堆填場(chǎng)本體坡面滑動(dòng)，當(dāng)壓實(shí)度在60%-100%之間時(shí)，堆填場(chǎng)邊坡的安全系數(shù)在1.162-1.746之間，任一時(shí)刻邊坡的最小安全系數(shù)均大于1.1，滿足了邊坡的穩(wěn)定性要求。