某抽水蓄能電站堆渣場(chǎng)危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)分析

陳豐蘭, 楊海明

(青海省有色第三地質(zhì)勘查院， 西寧 810000)

山區(qū)工程建設(shè)往往形成大量的巖土體棄渣，這些堆渣體的穩(wěn)定性對(duì)生態(tài)環(huán)境及工程設(shè)施的安全運(yùn)行均構(gòu)成威脅。因此，對(duì)棄渣場(chǎng)的穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)價(jià)，并對(duì)其失穩(wěn)后的動(dòng)力過程進(jìn)行預(yù)測(cè)分析對(duì)于渣場(chǎng)設(shè)計(jì)和工程設(shè)施的科學(xué)建設(shè)具有重要意義。

棄渣場(chǎng)失穩(wěn)導(dǎo)致人員傷亡與財(cái)產(chǎn)損失的報(bào)道并不鮮見[1-5]。2000年菲律賓首都馬尼拉一處棄渣場(chǎng)失穩(wěn)導(dǎo)致278人喪生。2005年7月印度尼西亞萬隆洛烏維皮加山棄渣場(chǎng)失穩(wěn)導(dǎo)致143人與71處房屋被埋[6]。2015年深圳光明新區(qū)棄土場(chǎng)滑坡造成77人死亡，33處房屋被毀[7]。然而，由于棄渣場(chǎng)物質(zhì)組成往往比較復(fù)雜，觸發(fā)因素多樣化，在缺乏現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的條件下很難獲取其失穩(wěn)后的運(yùn)動(dòng)特征[8]。因此，確定棄渣場(chǎng)失穩(wěn)后的潛在危害區(qū)域，及其運(yùn)動(dòng)路徑和運(yùn)動(dòng)速度對(duì)于減災(zāi)防災(zāi)將具有重要意義。數(shù)值模擬技術(shù)是分析滑坡及顆粒材料動(dòng)力過程的有效方法，根據(jù)模擬方法可分為連續(xù)介質(zhì)方法和非連續(xù)介質(zhì)方法。Savage等[9]提出的平均深度積分方法屬于連續(xù)介質(zhì)方法，在滑坡碎屑流、水動(dòng)力過程、巖崩、雪崩等動(dòng)力分析方面得到了廣泛應(yīng)用[10-12]。離散元方法是非連續(xù)介質(zhì)方法的重要代表，Cundall等[13]基于此方法開發(fā)了顆粒流軟件(particle flow code，PFC)。眾多學(xué)者利用該方法再現(xiàn)了滑坡失穩(wěn)后的動(dòng)力過程[14-17]。然而，基于該方法開展滑坡或棄渣場(chǎng)動(dòng)力失穩(wěn)過程預(yù)測(cè)分析的研究則鮮見報(bào)道。

山西渾源抽水蓄能電站最大的棄渣場(chǎng)位于麻花溝上游溝腦處。堆渣體體積約700×104m3，最大高度240 m。堆渣體主要為地下洞室開挖產(chǎn)生的片麻巖塊。麻花溝中下游右岸擬建地面排風(fēng)平臺(tái)、地面通風(fēng)洞出口、地面排風(fēng)平臺(tái)。因此，對(duì)棄渣場(chǎng)穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)價(jià)，并對(duì)其動(dòng)力失穩(wěn)過程進(jìn)行預(yù)測(cè)分析，對(duì)上述工程設(shè)施的建設(shè)和正常運(yùn)行具有重要意義。在分析麻花溝渣場(chǎng)區(qū)工程地質(zhì)條件的基礎(chǔ)上，現(xiàn)采用離散元軟件 PFC 對(duì)棄渣場(chǎng)失穩(wěn)后的動(dòng)力過程及其對(duì)溝內(nèi)工程設(shè)施的影響開展預(yù)測(cè)分析。這將為渣場(chǎng)與工程設(shè)施的合理設(shè)計(jì)與實(shí)施提供重要的科學(xué)依據(jù)，并為同類工程災(zāi)害防治分析提供借鑒。

1 工程地質(zhì)概況

擬建麻花溝渣場(chǎng)所在區(qū)域工程地質(zhì)圖如圖1所示。麻花溝渣場(chǎng)位于麻花溝溝腦處，海拔高度1 700～1 940 m。 麻花溝主溝平均坡降15%～20%，支溝平均坡降15%～25%，兩側(cè)岸坡坡度25°～60°，多為灌木覆蓋，局部基巖裸露，出露基巖主要為片麻巖。溝內(nèi)位置為殘坡積與沖洪積碎石土。該區(qū)域斷裂構(gòu)造不發(fā)育，岸坡穩(wěn)定性較好，無滑坡、崩塌等不良地質(zhì)災(zāi)害。麻花溝內(nèi)有常年性水流，且在雨季易發(fā)山洪，并攜帶少量固體物質(zhì)堆積于溝口。圖2所示為麻花溝溝床裸露的基巖及兩岸岸坡堆積的坡崩積物。

圖1 麻花溝工程地質(zhì)圖

圖2 麻花溝溝谷地貌圖

棄渣場(chǎng)物質(zhì)組成主要為地下洞室開挖形成的巖塊與少量坡崩積碎石土，黏聚力低，透水性好，可以當(dāng)作無黏性土考慮。在棄渣場(chǎng)堆填過程中，大顆粒會(huì)首先滾落到溝底，并形成穩(wěn)定的排水層，這將大大降低堆積體浸潤線高度，在一定程度上提高渣場(chǎng)穩(wěn)定性。堆渣體在自重作用下會(huì)產(chǎn)生固結(jié)沉降，壓實(shí)度將有所提高，亦有利于其穩(wěn)定。然而，不同于水利工程中的堆石壩，棄渣場(chǎng)堆填過程并不會(huì)進(jìn)行分層壓實(shí)，只有運(yùn)輸機(jī)械在堆渣體表面行駛產(chǎn)生的壓實(shí)作用，且渣場(chǎng)排渣量巨大，原有地層滲透率差，在連續(xù)降雨的作用下，仍存在大面積塌陷和失穩(wěn)的可能性。因此，開展麻花溝渣場(chǎng)失穩(wěn)動(dòng)力過程分析仍是十分必要的。

2 三維離散元模擬

2.1 離散元方法概述

數(shù)值計(jì)算采用商用軟件PFC3D(3-dimensional particle flow code)進(jìn)行。在PFC3D程序中，通過球單元(顆粒)和墻單元構(gòu)建滑坡模型，每個(gè)單元均被認(rèn)為是一個(gè)理想的球體或剛體，相鄰單元在它們的接觸點(diǎn)處可以重疊，可以模擬任意尺寸球形顆粒的動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)和相互作用。PFC3D模型的動(dòng)力過程分析是基于牛頓第二定律和力-位移定律，應(yīng)用時(shí)步算法不斷更新顆粒和接觸處的力與位移而實(shí)現(xiàn)的。與二維模擬方法相比，三維計(jì)算可以考慮物質(zhì)運(yùn)動(dòng)過程中橫向擴(kuò)展現(xiàn)象，以及滑體運(yùn)動(dòng)過程中的側(cè)向限制作用。

2.2 滾動(dòng)阻力線性模型

由于麻花溝渣場(chǎng)堆積體主要為碎塊石，顆粒之間的相互作用主要是摩擦，而黏聚力可以忽略不計(jì)。因此，計(jì)算中選擇線性接觸模型來模擬球與球、球與墻單元之間的相互作用。由于碎塊石的形狀是不規(guī)則的，其發(fā)生滾動(dòng)所需的運(yùn)動(dòng)速度明顯高于標(biāo)準(zhǔn)圓球顆粒。而PFC軟件中巖塊顆粒均采用標(biāo)準(zhǔn)球形顆粒模擬，這與實(shí)際情況明顯不符。為盡可能真實(shí)地反映堆渣體失穩(wěn)后的運(yùn)動(dòng)過程，引入滾動(dòng)阻力線性接觸模型。滾動(dòng)阻力線性接觸模型在線性接觸模型的基礎(chǔ)上，增加了滾動(dòng)阻力機(jī)制，以體現(xiàn)顆粒表面粗糙度與非球度的影響。該模型可以定義在球單元之間和球單元與墻單元接觸上，對(duì)單元之間的接觸機(jī)制與相應(yīng)的能量耗散產(chǎn)生影響。

2.3 數(shù)值模型構(gòu)建

在以往的研究中，對(duì)于滑面信息已知的滑坡，通常采用球單元來模擬滑體，墻單元來模擬滑床與滑面。 這種數(shù)值模型只需較少的球單元，可以大大減少計(jì)算時(shí)間[14]。圖3所示為計(jì)算所采用的三維數(shù)值模型及監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置圖，該模型長度為3 000 m，寬度為1 500 m，原始地面由55 223個(gè)三角形墻單元構(gòu)成，堆渣體由26 500個(gè)直徑為1.0～1.5 m的球單元構(gòu)成。其中監(jiān)測(cè)點(diǎn)P1、P2、P3、P5、P8、P10主要對(duì)比分析棄渣場(chǎng)前后不同位置速度變化過程；P3、P11、P12、P13主要對(duì)比同一位置不同深度處運(yùn)動(dòng)速度的差異；P4、P5、P6主要對(duì)比堆積體橫向不同位置處的運(yùn)動(dòng)速度差異。由于PFC中無法模擬孔隙水壓力聚集與消散過程，通過降低地面與球單元接觸面摩擦因數(shù)的方式模擬由于強(qiáng)降雨引起的棄渣體失穩(wěn)啟動(dòng)過程。計(jì)算開始后，通過記錄球單元在每個(gè)時(shí)步的位置和運(yùn)動(dòng)速度可以全面反映堆渣體失穩(wěn)后的動(dòng)力過程。表1所示為計(jì)算采用的參數(shù)?？紤]強(qiáng)降雨引起坡面摩擦因數(shù)降低，結(jié)合相關(guān)研究將球單元與墻單元接觸面摩擦因數(shù)設(shè)為0.1。

圖3 三維計(jì)算模型及監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置圖

表1 微觀計(jì)算參數(shù)

3 結(jié)果分析

3.1 棄渣場(chǎng)失穩(wěn)動(dòng)力過程

圖4所示為麻花溝渣場(chǎng)失穩(wěn)后的運(yùn)動(dòng)堆積過程模擬結(jié)果。由于底面摩擦因數(shù)降低，棄渣場(chǎng)碎屑物質(zhì)沿溝谷向下游運(yùn)動(dòng)。在失穩(wěn)后4 min內(nèi)，渣體碎屑物質(zhì)基本上沿溝谷直線段移動(dòng)，然后在直段末端與岸坡碰撞，滑動(dòng)方向發(fā)生變化。隨后，碎屑繼續(xù)沿主谷向前移動(dòng)，并有少量渣體進(jìn)入左側(cè)支溝。渣體失穩(wěn)后約6 min時(shí)，移動(dòng)渣體與主谷的左溝壁碰撞，運(yùn)動(dòng)方向再次偏轉(zhuǎn)，偏轉(zhuǎn)角度約為90°。在10 min左右，堆積體前緣到達(dá)下水庫河道，在隨后的5 min內(nèi)，渣屑繼續(xù)向前移動(dòng)，少量渣體在下水庫庫區(qū)堆積。在14 min左右，渣體基本停止運(yùn)動(dòng)，大部分渣體堆積在主溝內(nèi)，堆積體的后緣位于原渣場(chǎng)的坡腳處。渣體與岸坡之間的兩次強(qiáng)烈碰撞大大降低了渣體的運(yùn)動(dòng)能力，導(dǎo)致渣體運(yùn)動(dòng)能力受阻，無法繼續(xù)前進(jìn)。

圖4 堆渣體失穩(wěn)動(dòng)力過程

根據(jù)填埋場(chǎng)啟動(dòng)后14 min內(nèi)的模擬結(jié)果，渣體失穩(wěn)后的影響區(qū)(包括源區(qū)、徑流影響區(qū)和沉積區(qū))總面積約為0.32 km2。分析渣體失穩(wěn)后的路線，麻花溝右側(cè)山坡修建的工程設(shè)施將受到碎屑體的沖擊，并被碎屑物掩埋。圖5所示為渣體失穩(wěn)后在不同時(shí)刻的平面堆積特征。

圖5 不同時(shí)刻堆渣體平面堆積特征

3.2 運(yùn)動(dòng)速度分析

碎屑體運(yùn)動(dòng)過程中的沖擊能量是受威脅對(duì)象防護(hù)措施設(shè)計(jì)的重要依據(jù)。圖6所示為不同時(shí)刻碎屑體運(yùn)動(dòng)速度分布圖。在棄渣場(chǎng)失穩(wěn)后0.5 min左右，渣體前緣坡腳出現(xiàn)了較高的運(yùn)動(dòng)速度，為9～12 m/s。 這種現(xiàn)象很可能是由滑面較低的摩擦引起的。在棄渣體失穩(wěn)后2～4 min，碎屑物質(zhì)與山谷右側(cè)岸坡發(fā)生碰撞，碎屑體前緣運(yùn)動(dòng)速度降低，并引起中后部運(yùn)動(dòng)受阻，碎屑體運(yùn)動(dòng)方向發(fā)生轉(zhuǎn)變。隨后2 min內(nèi)，碎屑體與左側(cè)山體再次發(fā)生碰撞，導(dǎo)致碎屑體速度進(jìn)一步下降2～5 m/s。碎屑物質(zhì)運(yùn)動(dòng)約10 min后，大部分碎屑物質(zhì)開始停積在麻花溝內(nèi)，碎屑體前緣到達(dá)下水庫。之后的2～4 min內(nèi)，絕大部分碎屑物質(zhì)運(yùn)動(dòng)速度降至0～2 m/s，基本停止運(yùn)動(dòng)。

圖6 不同時(shí)刻堆渣體速度分布

為了揭示碎屑體中不同位置運(yùn)動(dòng)速度變化特征，對(duì)初始狀態(tài)不同位置碎屑顆粒運(yùn)動(dòng)速度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，得到相應(yīng)的速度時(shí)程曲線，如圖7所示，相應(yīng)的監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置分布情況如圖3所示。

位置1代表圖3中縱向各監(jiān)測(cè)點(diǎn)，位置2代表圖3中橫向各監(jiān)測(cè)點(diǎn)，位置3代表圖3中不同深度各監(jiān)測(cè)點(diǎn)

在X方向上，碎屑體前緣最大運(yùn)動(dòng)速度約出現(xiàn)在失穩(wěn)后1 min，最大速度約9 m/s，碎屑體中部最大速度約出現(xiàn)在失穩(wěn)后2 min，最大速度約6 m/s；碎屑體后部最大運(yùn)動(dòng)速度約出現(xiàn)在失穩(wěn)后4 min，最大速度約4 m/s(圖9)。 14 min左右，所有顆粒停止運(yùn)動(dòng)(速度等于0 m/s)，并形成滑坡壩。

在Y方向上，負(fù)速度表示碎屑體向南滑動(dòng)，正速度表示向北滑動(dòng)。碎屑體前緣最大速度約發(fā)生在失穩(wěn)后0.5 min時(shí)，速度約3.5 m/s； 碎屑體中部最大速度約出現(xiàn)在失穩(wěn)后2 min時(shí)，最大速度約3 m/s，碎屑體后部最大速度約出現(xiàn)在失穩(wěn)后4 min，約2 m/s。

在Z方向上，負(fù)速度表示滑體向上運(yùn)動(dòng)(反彈或向上運(yùn)動(dòng)行為)；正速度表示滑動(dòng)質(zhì)量的向下運(yùn)動(dòng)(自由下落或向下滑動(dòng)行為)。每個(gè)部分均有負(fù)速度發(fā)生，表明顆粒與顆粒之間、顆粒與滑床之間存在明顯的碰撞作用，導(dǎo)致部分顆粒有反彈現(xiàn)象。

3.3 工程設(shè)施風(fēng)險(xiǎn)性分析

圖8所示為渣體失穩(wěn)后運(yùn)動(dòng)過程對(duì)麻花溝內(nèi)工程設(shè)施的影響。地面開關(guān)站位于麻花溝溝口右岸邊坡上，與渣體坡腳水平距離約為1 800 m，平臺(tái)設(shè)計(jì)標(biāo)高為1 392 m。堆渣體失穩(wěn)后約8 min時(shí)，碎屑開始堆積在開關(guān)站以下麻花溝山谷內(nèi)，隨后堆積高度逐漸增大。碎屑體失穩(wěn)后約14 min時(shí)，地面開關(guān)站位置處，碎屑堆積體頂部高程約為1 390 m，低于地面開關(guān)站平臺(tái)高程1 392 m，因此，碎屑堆積體不會(huì)對(duì)地面開關(guān)站構(gòu)成嚴(yán)重威脅。

圖8 堆渣體失穩(wěn)過程對(duì)溝內(nèi)構(gòu)筑物的影響

地面通風(fēng)洞出口平臺(tái)位于麻花溝右岸，距渣體坡腳水平距離約1 530 m，平臺(tái)設(shè)計(jì)標(biāo)高1 392 m，位于地面開關(guān)站的上游。渣體失穩(wěn)后約8 min時(shí)，碎屑物到達(dá)地面通風(fēng)洞出口平臺(tái)位置的溝谷內(nèi)，堆積體頂面高程約為1 400 m，此時(shí)地面通風(fēng)洞出口平臺(tái)已被淹沒，出口將被堆積體堵塞。 此基礎(chǔ)上，堆積體的高度逐漸增大，通風(fēng)平臺(tái)上堆積體的最大高度約為30 m。

地面排風(fēng)平臺(tái)位于麻花溝右岸邊坡上，距渣坡腳水平距離約470 m，設(shè)計(jì)標(biāo)高1 570 m。當(dāng)渣體失穩(wěn)后約2 min時(shí)，碎屑巖體堆積在排風(fēng)平臺(tái)的溝谷位置，堆積體頂面最大高度約為40 m，排風(fēng)平臺(tái)將被完全覆蓋。此后，堆積體高度進(jìn)一步提高，最大堆積高度約70 m，平臺(tái)上方最大堆積高度約60 m，排風(fēng)平臺(tái)將被完全淹沒，修復(fù)難度很大。

4 結(jié)論

山區(qū)工程建設(shè)所產(chǎn)生的棄渣場(chǎng)的穩(wěn)定性對(duì)生態(tài)環(huán)境和工程設(shè)施的安全運(yùn)行至關(guān)重要。在介紹山西渾源抽水蓄能電站麻花溝棄渣場(chǎng)區(qū)工程地質(zhì)條件的基礎(chǔ)上，通過數(shù)值模擬方法對(duì)棄渣場(chǎng)失穩(wěn)后的運(yùn)動(dòng)過程和及其對(duì)麻花溝內(nèi)擬建工程設(shè)施的影響進(jìn)行了研究，得出如下結(jié)論。

(1)麻花溝棄渣場(chǎng)填料主要為地下洞室開挖形成的巖塊與少量坡崩積碎石土，黏聚力低，透水性好，可以當(dāng)作無黏性土考慮。渣場(chǎng)排渣量巨大，原有地層滲透率差，在連續(xù)降雨的作用下，仍存在大面積塌陷和失穩(wěn)的可能性。

(2)棄渣場(chǎng)失穩(wěn)后，棄渣體滑坡將對(duì)麻花溝內(nèi)擬建工程設(shè)施造成嚴(yán)重破壞，地面通風(fēng)洞出口和地面排風(fēng)平臺(tái)將受到滑坡沖擊并被堆積體掩埋，其中地面通風(fēng)洞出口將被40 m高的堆積體掩埋，地面排風(fēng)平臺(tái)將被70 m高的堆積體掩埋，溝口處的地面開關(guān)站雖未被掩埋，但可能會(huì)受到巖體碎屑沖擊。

(3)準(zhǔn)確預(yù)測(cè)滑坡失穩(wěn)后的運(yùn)動(dòng)過程是困難的，其中滑坡與坡面摩擦因數(shù)是最重要的影響因素之一，如何快速而準(zhǔn)確地獲取坡面摩擦因數(shù)，量化降雨對(duì)坡面摩擦因數(shù)的影響程度是今后開展滑坡危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)的一個(gè)重要研究方向。