山谷型干灰場(chǎng)邊坡穩(wěn)定敏感性分析和對(duì)策

饒俊勇，彭德剛，汪 彪

(中國(guó)電力工程顧問集團(tuán)西南電力設(shè)計(jì)院有限公司，四川 成都 610021)

0 引言

在國(guó)內(nèi)的電源構(gòu)成中，燃煤火電依然占60%以上的發(fā)電量，如此大規(guī)模的燃煤發(fā)電，必然產(chǎn)生大量的粉煤灰。雖然目前大部分粉煤灰已被利用, 但每年仍約有上億方的粉煤灰無法綜合利用，需貯存在灰渣場(chǎng)中[1]。特別是在西南、西北經(jīng)濟(jì)不發(fā)達(dá)、交通不便地區(qū)，粉煤灰綜合利用率低，需建設(shè)貯灰場(chǎng)以存放暫時(shí)無法利用的粉煤灰。由于灰場(chǎng)體量需求巨大，而山谷型灰場(chǎng)因?yàn)槎鸦腋?、占地少、庫容大，?duì)周圍影響小而成為首選。山谷型灰場(chǎng)通常的做法是選一條山溝，在下游側(cè)修建初期壩(粘土壩、石渣壩等)，利用兩側(cè)山坡和上游較高的地形形成貯灰場(chǎng)。當(dāng)初期壩形成的庫容堆滿后，可在初期壩上利用粉煤灰加高，形成新的擋灰壩繼續(xù)貯灰，如此反復(fù)，直到規(guī)劃的最終堆灰高程。

山谷型干灰場(chǎng)的下游是由初期壩(石渣、粘土等)和其上碾壓灰渣形成的人工擋灰體(灰壩)。由于高度高達(dá)數(shù)十米甚至一百多米，邊坡安全就至關(guān)重要，一旦失事，大量粉煤灰和水構(gòu)成的類似泥石流的混合體攜帶巨大動(dòng)能沖擊下游，后果不堪設(shè)想。和水庫壩相比，灰壩既擋水還擋灰，工作環(huán)境更復(fù)雜；由于粉煤灰遇雨水，產(chǎn)生的滲濾液含有一些有害物質(zhì)，有一定污染作用，故灰場(chǎng)及灰壩建設(shè)受環(huán)保、水保等多方面的制約，如某些排滲措施無法實(shí)施。再加上灰壩(初期壩和后期灰渣堆積壩)雖然很高，規(guī)模較大，但監(jiān)測(cè)設(shè)施和監(jiān)測(cè)工作沒有大型水庫大壩那樣完善。后期灰渣堆積壩，是在運(yùn)行過程中形成，往往就是將灰渣運(yùn)到指定地點(diǎn)堆積碾壓形成，并非正規(guī)施工單位施工，施工質(zhì)量可靠性差。雖然目前灰場(chǎng)出現(xiàn)較大事故不多，但由于以上各方面原因，造成灰場(chǎng)邊坡穩(wěn)定可靠性并不高，而且一旦出現(xiàn)事故，影響巨大，損失慘重[2]。故根據(jù)現(xiàn)行的灰場(chǎng)設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)行管理流程和現(xiàn)狀，分析山谷型干灰場(chǎng)邊坡穩(wěn)定影響因素，找出核心危險(xiǎn)源，采取對(duì)策、降低風(fēng)險(xiǎn)有重要意義。

1 山谷型干灰場(chǎng)邊坡穩(wěn)定影響因素識(shí)別和選擇

關(guān)于邊坡穩(wěn)定影響因素分析，其他學(xué)者也做了很多研究。陳理[3]等分析了土質(zhì)邊坡穩(wěn)定的影響因素，研究了坡高、坡度、土層內(nèi)摩擦角、黏聚力和邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)的關(guān)系，得出結(jié)論：土體的內(nèi)摩擦角和粘聚力的變化會(huì)引起安全系數(shù)的大幅變化，對(duì)安全系數(shù)的影響比坡高和坡度更明顯。黃安平[4]、葉帥華等對(duì)高填方邊坡進(jìn)行了研究，研究結(jié)果表明內(nèi)摩擦角、卸荷平臺(tái)寬度和黏聚力是影響高填方邊坡穩(wěn)定性的最主要因素。顧良軍[5]等對(duì)公路巖質(zhì)邊坡進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)影響邊坡穩(wěn)定性的因素主要有邊坡高度、坡角、土體性質(zhì)、巖體性質(zhì)、邊坡后緣張拉裂隙的位置、裂隙水埋深、結(jié)構(gòu)面黏聚力與傾角等，其中坡高、坡角敏感度比較高。綜合上述，一般認(rèn)為坡高、坡比、材料的內(nèi)摩擦角、粘聚力等是影響邊坡穩(wěn)定的主要因素。

山谷型干灰場(chǎng)的下游是由初期壩(石渣、粘土等)和其上碾壓灰渣形成的人工邊坡組成的，故部分穩(wěn)定影響因素和普通土質(zhì)邊坡有相似性，坡高、坡比和地基、邊坡材料(粉煤灰)的容重、內(nèi)摩擦角、黏聚力等物理力學(xué)指標(biāo)是對(duì)灰場(chǎng)邊坡穩(wěn)定影響較大的因素。但和其它土質(zhì)邊坡不同，灰場(chǎng)內(nèi)地下水位是對(duì)灰場(chǎng)邊坡穩(wěn)定影響較大的因素。其中，坡高和坡度對(duì)邊坡穩(wěn)定是影響比較大的因素，但灰場(chǎng)邊坡的坡高是根據(jù)規(guī)劃確定，就是按照灰場(chǎng)貯灰容積確定，不會(huì)為滿足邊坡穩(wěn)定而減小坡高。為充分利用灰場(chǎng)地形資源，在有限的用地范圍內(nèi)，盡量多貯灰，在保證穩(wěn)定的前提下，一般會(huì)采用盡量陡的坡比。而且在灰場(chǎng)規(guī)劃時(shí)，都會(huì)要求勘測(cè)部門在試驗(yàn)的基礎(chǔ)上提供地基、初期壩材料的物理力學(xué)指標(biāo)，并進(jìn)行穩(wěn)定計(jì)算，穩(wěn)定安全系數(shù)滿足相應(yīng)的要求后才能規(guī)劃灰場(chǎng)。故地基土層、初期壩的物理力學(xué)指標(biāo)雖然對(duì)灰場(chǎng)邊坡穩(wěn)定有影響，但在試驗(yàn)等技術(shù)手段保證下，是比較可靠，其對(duì)灰場(chǎng)邊坡的影響不會(huì)產(chǎn)生實(shí)際風(fēng)險(xiǎn)。

灰場(chǎng)設(shè)計(jì)時(shí)，電廠還沒開始運(yùn)行，沒有粉煤灰產(chǎn)生，無法進(jìn)行粉煤灰的物理力學(xué)指標(biāo)檢測(cè)試驗(yàn)，故灰渣的物理力學(xué)指標(biāo)是沒有試驗(yàn)值，而是預(yù)估值，預(yù)估值的準(zhǔn)確性對(duì)灰場(chǎng)邊坡穩(wěn)定有影響。故粉煤灰的物理力學(xué)指標(biāo)估計(jì)是否準(zhǔn)確，是影響灰場(chǎng)邊坡穩(wěn)定的風(fēng)險(xiǎn)因素。

灰場(chǎng)內(nèi)地下水位，是影響灰場(chǎng)邊坡穩(wěn)定的另外一個(gè)因素。對(duì)此觀點(diǎn)，有學(xué)者否認(rèn)干灰場(chǎng)內(nèi)會(huì)有地下水，但筆者曾經(jīng)在2個(gè)山谷灰場(chǎng)取樣試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)山谷型干灰場(chǎng)中有穩(wěn)定的地下水位。

基于上述分析，選粉煤灰的物理力學(xué)指標(biāo)和地下水位是影響灰場(chǎng)邊坡穩(wěn)定的風(fēng)險(xiǎn)因素。

2 敏感性計(jì)算

為分析山谷型干灰場(chǎng)邊坡穩(wěn)定影響因素，選用某典型灰場(chǎng)為計(jì)算模型。該灰場(chǎng)初期石渣壩高6 m，其上為三級(jí)特殊碾壓灰渣體，高度分別為10 m，10 m和6 m。灰場(chǎng)庫底和初期壩內(nèi)側(cè)鋪設(shè)有防滲膜，地基為粘土。主要土層指標(biāo)見表1所列。

表1 土層力學(xué)指標(biāo)

灰場(chǎng)內(nèi)地下水位在末端取為最高堆灰線下6 m；在初期壩處，考慮到灰場(chǎng)庫底及初期壩內(nèi)側(cè)鋪設(shè)有防滲膜，且連為一體，水位線在初期壩壩頂標(biāo)高處。計(jì)算模型如圖1所示。 根據(jù)前述分析，選用選粉煤灰的容重、內(nèi)摩擦角、粘聚力和地下水位，作為灰場(chǎng)邊坡穩(wěn)定的影響因素，采用GEO-STUDIO軟件對(duì)邊坡進(jìn)行敏感性分析。

圖1 灰場(chǎng)邊坡計(jì)算模型

GEO-STUDIO軟件是巖土計(jì)算軟件。穩(wěn)定敏感性分析是將變量按照均勻概率分布函數(shù)來有序選擇的。在本例中，粉煤灰內(nèi)摩擦角以22°為中位值，按照負(fù)偏移2個(gè)，正偏移2個(gè)，總共 5個(gè)值，每個(gè)偏移差1°，即20°、21°、22°、23°、24°分別計(jì)算穩(wěn)定安全系數(shù)，繪制安全系數(shù)—敏感性范圍曲線。按照單變量進(jìn)行敏感性分析的，就是當(dāng)一個(gè)變量變化時(shí)，其余變量保持不變[6]。本例中，內(nèi)摩擦角變化時(shí)，粉煤灰粘聚力、容重、水位等其余變量都保持不變。將所有變量參數(shù)都?xì)w一化到0到1的區(qū)間，0代表最小值， 1代表最大值，如粉煤灰的內(nèi)摩擦角，0代表20°， 1代表24°，故斜率即代表了敏感度，斜率越大越敏感，即該變量的變化會(huì)引起穩(wěn)定系數(shù)較大 變化。

由圖2可見，地下水位、粉煤灰容重和穩(wěn)定安全系數(shù)負(fù)相關(guān)，即地下水位越高，粉煤灰容重越大，穩(wěn)定安全系數(shù)越?。环勖夯覂?nèi)摩擦角、粘聚力和穩(wěn)定安全系數(shù)正相關(guān)，即粉煤灰內(nèi)摩擦角越大，粘聚力越高，穩(wěn)定安全系數(shù)越大，反之亦然。各影響因素中，地下水位曲線的斜率最大，故影響邊坡穩(wěn)定最敏感因素為地下水位，其余依次是粉煤灰內(nèi)摩擦角、粘聚力和容重。

圖2 敏感性計(jì)算結(jié)果

3 影響因素分析

山谷干灰場(chǎng)邊坡穩(wěn)定影響因素有粉煤灰內(nèi)摩擦角、粘聚力、容重和灰場(chǎng)內(nèi)地下水位。雖然在灰場(chǎng)設(shè)計(jì)時(shí)，電廠還沒開始運(yùn)行，沒有粉煤灰產(chǎn)生，無法進(jìn)行粉煤灰的物理力學(xué)指標(biāo)檢測(cè)試驗(yàn)，灰場(chǎng)設(shè)計(jì)是依據(jù)預(yù)估值，預(yù)估值的準(zhǔn)確性對(duì)灰場(chǎng)邊坡穩(wěn)定有一定風(fēng)險(xiǎn)。但經(jīng)過多個(gè)工程積累后，粉煤灰的物理力學(xué)指標(biāo)(容重、內(nèi)摩擦角、粘聚力)預(yù)估值偏差不會(huì)太大。而且，一般也要求在電廠投運(yùn)后，進(jìn)行粉煤灰物理力學(xué)指標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)，并通知原設(shè)計(jì)單位復(fù)核，若預(yù)估值和檢測(cè)值差別比較大，會(huì)通過調(diào)整灰場(chǎng)邊坡坡率等方式處理。所以粉煤灰內(nèi)摩擦角、粘聚力、容重對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響可控。

真正對(duì)邊坡穩(wěn)定影響較大的危險(xiǎn)因素是灰場(chǎng)內(nèi)地下水位。因?yàn)榛覉?chǎng)內(nèi)地下水位對(duì)邊坡穩(wěn)定敏感度高，灰場(chǎng)內(nèi)地下水位又不容易監(jiān)測(cè)，故山谷型干灰場(chǎng)邊坡穩(wěn)定最危險(xiǎn)的因素就是灰場(chǎng)內(nèi)地下水位。

部分學(xué)者認(rèn)為干灰場(chǎng)內(nèi)沒地下水，也有充足的理由支持這個(gè)結(jié)論：因?yàn)楦鶕?jù)環(huán)保要求，灰場(chǎng)庫底滿堂鋪設(shè)有防滲膜防止灰場(chǎng)滲濾液下滲污染地下水，防滲膜同時(shí)也截?cái)嗔说叵滤疂B入灰場(chǎng)的通道，故地下水不能進(jìn)入灰場(chǎng)內(nèi)；灰渣由電廠運(yùn)到灰場(chǎng)時(shí)，為防止揚(yáng)灰造成環(huán)境污染，會(huì)將粉煤灰加水調(diào)濕，但調(diào)濕灰含水量一般為25%左右，含水率很低，考慮到灰場(chǎng)的蒸發(fā)作用，不應(yīng)該有水在灰場(chǎng)內(nèi)聚積；灰場(chǎng)內(nèi)水的另外一個(gè)可能來源就是降水(雨或雪)，根據(jù)文獻(xiàn)[7]的結(jié)論，目前有記錄的最大、最長(zhǎng)降雨，灰表面能形成飽和區(qū)深度不超過1.5 m,在蒸發(fā)作用下，該降雨也不大可能造成灰場(chǎng)內(nèi)地下水位的上升；部分灰場(chǎng)的下游邊坡處，設(shè)置了測(cè)壓管等監(jiān)測(cè)灰場(chǎng)在下游邊坡處浸潤(rùn)線，實(shí)際工程中也基本沒發(fā)現(xiàn)過浸潤(rùn)線。

筆者在參加2個(gè)位于四川、重慶的灰場(chǎng)內(nèi)取樣試驗(yàn)中，均在灰面下8～10 m發(fā)現(xiàn)了穩(wěn)定的地下水位，取出的粉煤灰處于飽和狀態(tài)，取樣處貯灰厚度大約20 m左右，也就是說地下水位上升了10～12 m左右。初步分析可能是這兩個(gè)項(xiàng)目因?yàn)榈靥帩駶?rùn)地區(qū)，降水豐富，天然地下水位比較高，在灰場(chǎng)建設(shè)時(shí)多處發(fā)現(xiàn)泉水。雖然在灰場(chǎng)建設(shè)時(shí)處理了這些泉水，并在灰場(chǎng)內(nèi)鋪設(shè)了防滲膜，但部分間歇性泉水無法發(fā)現(xiàn)。在天然山谷地下水位比較高時(shí)，間歇性泉水滲出，在土工膜下流淌，遇到防滲膜有缺陷的地方后，穿過土工膜，滲入灰體，形成灰場(chǎng)內(nèi)地下水。雖然該分析目前無法證實(shí)，但山谷型干灰場(chǎng)內(nèi)可能有地下水是在計(jì)算邊坡穩(wěn)定時(shí)必須考慮的。

4 降低灰場(chǎng)內(nèi)地下水位對(duì)策

根據(jù)以上分析，灰場(chǎng)內(nèi)的地下水位是灰場(chǎng)邊坡穩(wěn)定最危險(xiǎn)的影響因素。可采取一些切實(shí)可行的工程措施，想辦法降低灰場(chǎng)內(nèi)地下水位，灰場(chǎng)邊坡的穩(wěn)定性將大幅提高。

一種可行的方法就是在防滲膜下設(shè)置地下水排水設(shè)施。目前大部分灰場(chǎng)沒有設(shè)地下水排水設(shè)施。在灰場(chǎng)建設(shè)時(shí)，按照環(huán)保規(guī)定，需用防滲土工膜覆蓋全灰場(chǎng)。這樣會(huì)使灰場(chǎng)內(nèi)的滲濾液不能下滲污染地下水，但同時(shí)，灰場(chǎng)內(nèi)防滲膜下的地下水無法排出，水位越積越高，一旦遇到防滲膜缺陷即進(jìn)入灰場(chǎng)，造成灰場(chǎng)內(nèi)較高的地下水位。若在防滲土工膜下設(shè)地下水排水設(shè)施，將防滲膜下地下水引導(dǎo)到灰場(chǎng)外，則土工膜下地下水位不會(huì)過多聚積，也不會(huì)進(jìn)入灰場(chǎng)抬高灰場(chǎng)內(nèi)浸潤(rùn)線高度，危及灰場(chǎng)邊坡安全。可行的防滲膜下地下水導(dǎo)排設(shè)施就是盲溝，用土工布包裹碎石，在碎石中設(shè)排水軟管，地下水通過土工布、碎石后進(jìn)入軟管排走。排水盲溝的主盲溝應(yīng)沿灰場(chǎng)的主溝設(shè)置，并在灰場(chǎng)各支溝或隔一定距離設(shè)置支盲溝，形成完整的地下水導(dǎo)排系統(tǒng)，將灰場(chǎng)內(nèi)防滲膜下地下水排到灰場(chǎng)外，降低灰場(chǎng)內(nèi)浸潤(rùn)線高度，提供灰場(chǎng)邊坡安全性。另一種措施就是增加防滲土工膜厚度。目前灰場(chǎng)的防滲土工膜厚度較薄，往往只有0.75 mm甚至只有0.5 mm，在施工過程中缺陷較多，不利于灰場(chǎng)防滲。若將防滲土工膜厚度提高到1.5 mm，缺陷水平將大幅降低，避免大量地下水進(jìn)入灰場(chǎng)。

5 結(jié)論

通過分析，得到以下結(jié)論：

1)對(duì)于山谷型干灰場(chǎng)，對(duì)邊坡穩(wěn)定有實(shí)際影響的因素有粉煤灰的物理力學(xué)指標(biāo)(容重、內(nèi)摩擦角和粘聚力)和灰場(chǎng)內(nèi)地下水位高低。

2)在影響邊坡穩(wěn)定的各因素中，地下水位最敏感，其余依次是粉煤灰內(nèi)摩擦角、粘聚力和容重。

3)在諸多對(duì)邊坡穩(wěn)定有影響的因素中，灰場(chǎng)內(nèi)地下水位是最危險(xiǎn)的影響因素。

4)建議增加防滲土工膜厚度，并在防滲膜下設(shè)置地下水導(dǎo)排設(shè)施，以降低灰場(chǎng)內(nèi)地下水位，提高灰場(chǎng)邊坡穩(wěn)定性。