棄渣場(chǎng)物理力學(xué)參數(shù)選擇與多維度穩(wěn)定性分析研究

王 昱，閔 麗，溫家華，凌 超，方 舒

（1.國(guó)網(wǎng)新源控股有限公司抽水蓄能技術(shù)經(jīng)濟(jì)研究院，北京市 100761；2.長(zhǎng)江勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，湖北省武漢市 430010）

0 引言

棄渣場(chǎng)是水電工程固體廢棄物的堆置場(chǎng)所，是水土流失的重點(diǎn)區(qū)域，也是工程安全重點(diǎn)關(guān)注的對(duì)象。隨著生態(tài)文明建設(shè)的推進(jìn)，對(duì)保護(hù)環(huán)境、控制水土流失提出了更高的要求。棄渣場(chǎng)既不同于堆石壩，也有別于天然邊坡，對(duì)其構(gòu)成材料的特殊性和復(fù)雜性往往認(rèn)識(shí)不足，導(dǎo)致現(xiàn)有的計(jì)算方法和基于工程類比確定的參數(shù)可能存在較大離散性和不確定性[1]。

針對(duì)以上情況，本文通過資料收集、文獻(xiàn)分析，開展影響棄渣體穩(wěn)定的要因分析，確定不同邊界條件下棄渣體的穩(wěn)定狀況；依據(jù)邊坡變形失穩(wěn)機(jī)理總結(jié)，針對(duì)不同的計(jì)算方法，提出棄渣物理力學(xué)參數(shù)選擇方法。

1 典型棄渣場(chǎng)概況

通過對(duì)多個(gè)水電站棄渣場(chǎng)進(jìn)行實(shí)地考察，最終確定安徽某抽水蓄能電站下水庫(kù)2號(hào)棄渣場(chǎng)作為研究對(duì)象。主要原因是該棄渣場(chǎng)已臨近堆渣尾聲，渣場(chǎng)場(chǎng)地開闊，利于開展地質(zhì)勘察工；該棄渣場(chǎng)局部坡面正在進(jìn)行修整作業(yè)，可以作為研究分析的典型案例。

根據(jù)典型棄渣場(chǎng)設(shè)計(jì)專題報(bào)告及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際施工情況，堆渣量約為323萬m3，占設(shè)計(jì)堆渣量的71.9%， 實(shí)際堆渣占地面積約為15.64hm2。典型棄渣場(chǎng)為特大型棄渣場(chǎng)，攔擋防護(hù)設(shè)施級(jí)別為3級(jí)，棄渣場(chǎng)防洪設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)采用50年一遇洪水[2]。棄渣場(chǎng)工程防護(hù)措施包括攔擋工程、截排水工程、沉沙工程和土地整治工程。典型棄渣場(chǎng)全貌如圖1所示。

圖1 典型棄渣場(chǎng)全貌Figure 1 Overview of typical spoil ground

2 棄渣物理力學(xué)參數(shù)選擇

為獲取棄渣土體物理力學(xué)性質(zhì)，分別進(jìn)行了現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和取樣進(jìn)行室內(nèi)顆粒分析及模擬三軸試驗(yàn)、擊實(shí)試驗(yàn)，用以獲取棄渣體相應(yīng)的物理力學(xué)指標(biāo)，獲得E-μ（B）等相關(guān)參數(shù)?，F(xiàn)場(chǎng)取樣5組，其中棄渣體大樣4組，鉆孔巖芯樣1組。試驗(yàn)內(nèi)容包括顆粒分析試驗(yàn)、擊實(shí)試驗(yàn)、大型三軸試驗(yàn)、自然休止角試驗(yàn)，獲得了4種渣料的級(jí)配、最大干密度、抗剪強(qiáng)度指標(biāo)、E-μ（B）變形參數(shù)以及自然休止角等指標(biāo)。4種渣料（y1～y4）和1種鉆孔料（zk2）共計(jì)5種料級(jí)配曲線如圖2所示。

圖2 棄渣級(jí)配曲線圖Figure 2 Grading curve of waste slag

2.1 剛體極限平衡法參數(shù)選取

剛體極限平衡法相關(guān)巖土物理力學(xué)參數(shù)可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)和室內(nèi)試驗(yàn)成果及電站前期勘察成果，類比已收集到的類似工程確定，其中棄渣物理力學(xué)參數(shù)依據(jù)參數(shù)反演與堆渣現(xiàn)狀坡面對(duì)比獲得[3]。棄渣體為散粒物，渣體內(nèi)未見連續(xù)軟弱界面，厚度較小，滑動(dòng)面近圓弧形，即渣體內(nèi)產(chǎn)生圓弧滑動(dòng)，截取滑坡動(dòng)面最深處縱向滑面作為計(jì)算剖面。影響渣體穩(wěn)定的主要因素為暴雨，本次計(jì)算采用暴雨兩種工況，計(jì)算時(shí)不考慮動(dòng)水壓力，渣體采用飽和容重。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)及原位測(cè)試成果，結(jié)合相關(guān)規(guī)范與經(jīng)驗(yàn)選取，各巖性參數(shù)取值見表1，計(jì)算結(jié)果見表2。

表1 渣體各巖性計(jì)算參數(shù)取值表Table 1 Table of calculation parameters for each lithology of slag body

表2 渣體抗剪強(qiáng)度指標(biāo)反演計(jì)算結(jié)果表Table 2 Back calculation results of slag shear strength index

續(xù)表

當(dāng)穩(wěn)定系數(shù)為0.9＜F＜1時(shí)，渣體抗剪強(qiáng)度取值見表3。

表3 渣體抗剪強(qiáng)度指標(biāo)反演計(jì)算取值表Table 3 Table of the inversion calculation values of shear strength index of slag body

對(duì)于反演結(jié)果顯示當(dāng)黏聚力取0時(shí)，天然內(nèi)摩擦角需要達(dá)到32°～36°才能滿足自穩(wěn)條件，這與現(xiàn)實(shí)最危險(xiǎn)堆渣狀況基本相符。然而該參數(shù)未考慮深層土體的固結(jié)沉降作用，僅為表層松渣，從鉆孔取樣結(jié)果分析，較深層土體存在明顯固結(jié)作用。故在計(jì)算中內(nèi)摩擦角選擇比反演結(jié)果略小，考慮部分固結(jié)后的黏聚力作用，綜合得到棄渣場(chǎng)巖土體物理力學(xué)參數(shù)建議值見表4。

表4 棄渣場(chǎng)巖、土體物理力學(xué)參數(shù)建議值表Table 4 Recommended values of physical and mechanical parameters of rock and soil in waste dump

2.2 彈塑性有限元法參數(shù)選取

彈塑性有限元法相關(guān)巖土物理力學(xué)參數(shù)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)和室內(nèi)試驗(yàn)成果及電站前期勘察成果，類比已收集到的類似工程確定，見表5。

表5 棄渣場(chǎng)巖、土體物理力學(xué)參數(shù)建議值表Table 5 Recommended values of physical and mechanical parameters of rock and soil in waste dump

3 棄渣場(chǎng)多維度穩(wěn)定性分析

3.1 潛在破壞模式判別

典型棄渣場(chǎng)距離下墊面最大垂直堆渣厚度為33m，最大坡面長(zhǎng)度為70m，單級(jí)最大坡高為31m，平均坡面坡度為1:2，下伏地基碎石土層厚約為5m，全風(fēng)化層厚度局部最大為12m，平均厚度為4m；下伏基面平均坡度為15%。典型渣場(chǎng)堆渣厚度大，單級(jí)最大坡高大于最大允許坡高（30m），平均坡面坡度較陡，存在局部陡于1:2過渡段坡面。因此，在假設(shè)渣體為均勻介質(zhì)的情況下，典型渣場(chǎng)坡面滑動(dòng)模式主要為沿渣體內(nèi)部的圓弧滑動(dòng)。

下伏地基碎石土層厚度較大，分布廣，但由于堆渣厚度遠(yuǎn)大于下伏地基碎石土層厚度，在堆渣過程中經(jīng)歷了壓實(shí)固結(jié)過程，渣底坡度也較緩，因此，在正常工況下，渣體整體不會(huì)沿同地基交界面產(chǎn)生滑動(dòng)。但在持續(xù)降雨或排水失效的條件下，由于地下水位升高，棄渣與地基交界面因淋溶效應(yīng)的存在[4]，產(chǎn)生局部強(qiáng)度軟化，可能引起局部渣體沿底面折線產(chǎn)生滑動(dòng)[5]。

綜上所述，定量計(jì)算時(shí)需復(fù)核堆渣渣體的局部邊坡穩(wěn)定性和特殊條件下的整體穩(wěn)定性。

3.2 棄渣體三維穩(wěn)定計(jì)算分析

3.2.1 計(jì)算方法

采在松散巖土體分析中，鄧肯—張E-B雙曲線模型能較好地模擬土體的變形性狀。該模型的參數(shù)測(cè)定有比較成熟的經(jīng)驗(yàn)，而且測(cè)試簡(jiǎn)單，在工程計(jì)算中得到廣泛應(yīng)用。棄渣場(chǎng)靜力計(jì)算材料參數(shù)見表5。

棄渣地基巖體按線彈性材料考慮，粉沙質(zhì)泥巖彈性模量E=3GPa，泊松比為0.3，密度為2.32g/cm3；砂巖彈性模量E=5GPa，泊松比為0.25，密度為2.32g/cm3。

3.2.2 計(jì)算模型

選取典型棄渣場(chǎng)典型剖面作為計(jì)算模擬的斷面，選取的典型斷面同二維計(jì)算模型相一致。模型左側(cè)為攔渣堤，共分三級(jí)主要臺(tái)階，攔渣堤、渣體材料、覆蓋層和地基均采用八節(jié)點(diǎn)六面體等參單元，有限元計(jì)算模型見圖3。模擬棄渣過程為每5m進(jìn)行一次堆填，并假設(shè)堆填過程是自渣腳往渣頂進(jìn)行。

圖3 典型棄渣場(chǎng)有限元模型Figure 3 Finite element of typical spoil ground

3.2.3 結(jié)論與分析

3.2.3.1 本構(gòu)模型分析

如圖4所示為計(jì)算結(jié)果，可見：

圖4 典型渣場(chǎng)坡頂、坡底泊松比—應(yīng)力水平計(jì)算圖Figure 4 Poisson’s ratio stress level calculation diagram of slope top and bottom of typical slag dump

（1）對(duì)于坡體上層堆渣，實(shí)測(cè)泊松比隨應(yīng)力水平大致呈線性關(guān)系，初始泊松比小，且泊松比與圍壓關(guān)聯(lián)不大，表明大變形過程主要以軸向壓縮為主，側(cè)向應(yīng)變效應(yīng)較弱，符合松散碎石土的變形特征，因此E-B模型能夠更好地描述其泊松比—應(yīng)力水平的關(guān)系。

（2）對(duì)于坡體深層堆渣，雖實(shí)測(cè)泊松比曲線隨應(yīng)力水平也大致呈直線型，但與圍壓具有聯(lián)動(dòng)性。同一應(yīng)力水平，圍壓越大，泊松比越??；圍壓越大，初始泊松比也越小，在此情況下E-μ模型更實(shí)用。

（3）針對(duì)底部較為平緩且排水通暢的棄渣場(chǎng)，其沉降變形規(guī)律受深層堆渣影響較小，主要表現(xiàn)為淺層邊坡滑動(dòng)破壞，因此選擇E-B模型更加合理。

3.2.3.2 變形與沉降

變形計(jì)算結(jié)果表明：正常工況下完建期渣體最大沉降為35cm，占最大堆渣厚度的1.06%，整體堆渣斷面形狀的設(shè)計(jì)是合理的。連續(xù)降雨工況最大沉降為86cm，占最大堆渣高度的1.15%；第三級(jí)邊坡產(chǎn)生渣體最大水平位移為45cm，該臺(tái)階邊坡同第四級(jí)邊坡共同構(gòu)成了該渣場(chǎng)軸線方向危險(xiǎn)剖面。

3.3 棄渣體二維極限平衡法計(jì)算分析

3.3.1 計(jì)算方法

本節(jié)對(duì)典型棄渣場(chǎng)的典型斷面采用極限平衡法中的畢肖普法進(jìn)行計(jì)算復(fù)核[2]。

3.3.2 計(jì)算條件

計(jì)算荷載包括棄渣體自重、靜水壓力和地震力。

計(jì)算工況：正常工況為棄渣場(chǎng)正常運(yùn)行工況，荷載組合為棄渣體自重；非正常工況I為棄渣場(chǎng)運(yùn)行過程中遭遇降雨工況，荷載組合為棄渣體自重+靜水壓力。計(jì)算參數(shù)[6]見表4。

3.3.3 計(jì)算模型

計(jì)算模型如圖6所示。堆渣左下角為攔渣壩，自下而上分別為一級(jí)臺(tái)階至坡頂四級(jí)臺(tái)階，堆渣坡度逐漸變陡，堆渣坡比分別為1:2.5、1:2.0、1:1.6、1:1.14，坡面堆高分別為17m、20.5m、23.5m和14.5m。

3.3.4 結(jié)果與分析

棄渣場(chǎng)典型剖面二維穩(wěn)定計(jì)算分析分為整體穩(wěn)定分析和邊坡穩(wěn)定分析。整體穩(wěn)定分析通過指定劃弧法確定渣場(chǎng)滑動(dòng)底面，劃弧為折線形，其反映了渣場(chǎng)場(chǎng)地淺層地表對(duì)渣場(chǎng)穩(wěn)定性產(chǎn)生的影響；邊坡穩(wěn)定分析通過指定圓弧圓心和半徑自動(dòng)搜索最危險(xiǎn)滑面，滑面形式為圓弧形，其反映渣體堆渣坡度、棄渣參數(shù)以及渣底局部軟弱夾層對(duì)棄渣邊坡穩(wěn)定的影響。

圖5 渣場(chǎng)堆渣現(xiàn)狀計(jì)算模型（典型剖面）Figure 5 Calculation model of slag status in slag yard （typical section）

首先計(jì)算渣場(chǎng)進(jìn)行渣場(chǎng)整體穩(wěn)定性復(fù)核，如圖6、圖7所示，該典型渣場(chǎng)的整體穩(wěn)定性良好，由于地勢(shì)平坦，渣體底部軟弱夾層厚度不大，整體穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果值遠(yuǎn)大于標(biāo)準(zhǔn)值。

圖6 渣場(chǎng)整體穩(wěn)定計(jì)算成果（正常工況）Figure 6 Calculation results of overall stability of slag yard （under normal conditions）

圖7 渣場(chǎng)整體穩(wěn)定計(jì)算成果（降雨工況）Figure 7 Calculation results of overall stability of slag yard （rainfall condition）

如圖8、圖9所示，典型渣場(chǎng)計(jì)算劃弧出現(xiàn)于渣體內(nèi)，說明邊坡穩(wěn)定控制因素為渣體自身而非地基；劃弧位于三級(jí)臺(tái)階上方坡面，主要由于該位置坡面坡度較陡以及堆渣高度較高。

圖8 渣場(chǎng)邊坡穩(wěn)定計(jì)算成果（正常工況）Figure 8 Calculation results of slope stability of slag yard （normal working condition）

圖9 渣場(chǎng)邊坡穩(wěn)定計(jì)算成果（降雨工況）Figure 9 Calculation results of slope stability of slag yard （rainfall condition）

如表6所示，渣場(chǎng)整體穩(wěn)定性均滿足規(guī)范要求，但最上級(jí)邊坡穩(wěn)定系數(shù)小于規(guī)范允許值，因此最上級(jí)邊坡后續(xù)進(jìn)行了削坡整形和施加坡面防護(hù)工程措施。

表6 典型渣場(chǎng)整體穩(wěn)定和邊坡穩(wěn)定復(fù)核表Table 6 Review table for overall stability and slope stability of typical slag yard

3.4 棄渣體三維、二維穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果對(duì)比分析

選擇堆渣坡比1:2.1和1:2.0的坡面對(duì)比三維計(jì)算和二維計(jì)算結(jié)果，三維穩(wěn)定系數(shù)由應(yīng)力水平倒數(shù)計(jì)算獲得。

表7 三維和二維坡面穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果對(duì)比表Table 7 Comparison of 3D and 2D slope stability calculation results

計(jì)算結(jié)果表明，兩種計(jì)算方法取得的安全系數(shù)均能滿足規(guī)范要求，但采用畢肖普法比用有限元法估算的安全系數(shù)略低，說明二維剛體極限平衡法相對(duì)三維彈塑性有限元法更保守，但是三維彈塑性有限元法在真實(shí)地形條件的安全系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)可能受多因素影響，相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)可能更高。

5 結(jié)論

本文通過選取典型棄渣場(chǎng)，依據(jù)地質(zhì)勘探成果和邊坡變形失穩(wěn)機(jī)理定性分析，針對(duì)不同的計(jì)算方法，提出棄渣物理力學(xué)參數(shù)選擇方法，并對(duì)棄渣體三維、二維穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析，獲得以下認(rèn)識(shí)：

（1）提出了一種適用于電站大型棄渣場(chǎng)的復(fù)雜工況多維度穩(wěn)定性評(píng)價(jià)方法，提出針對(duì)抽水蓄能電站常見的大型棄渣場(chǎng)，常規(guī)穩(wěn)定性計(jì)算分析難以滿足渣體穩(wěn)定性復(fù)核要求的結(jié)論，建議將有限元法同極限平衡法相結(jié)合，進(jìn)行棄渣場(chǎng)在復(fù)雜工況下多維度穩(wěn)定分析。

（2）針對(duì)棄渣場(chǎng)堆渣形式的特殊性和不確定性，以參數(shù)敏感性分析為基礎(chǔ)，提出了渣體試驗(yàn)參數(shù)的反演和修正方法。

（3）研究提出鄧肯—張E-B模型對(duì)人工堆填體多級(jí)堆渣過程模擬較E-μ模型更加合理。將三維彈塑性理論分析結(jié)果同二維剛體極限平衡（簡(jiǎn)化畢肖普法）相對(duì)比，結(jié)果表明，采用畢肖普法計(jì)算結(jié)果比有限元計(jì)算的穩(wěn)定系數(shù)略低，表面二維剛體極限平衡法更偏保守。