抽蓄工程棄渣場穩定性計算現狀及問題分析

柴建峰 王 玨

(國網新源控股有限公司技術中心,北京 100161)

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抽蓄工程棄渣場穩定性計算現狀及問題分析

柴建峰 王 玨

(國網新源控股有限公司技術中心,北京 100161)

通過現場踏勘和查閱棄渣場勘測設計資料，分析棄渣體穩定性計算現狀及存在的問題，結果表明：商業通用軟件采用“條分法”和“強度折減法”自動搜出的滑面形態及穩定性系數，和棄渣體實際變形破壞存在一定的差異，對潛在軟弱滑面的界定和甄別有待于進一步研究；棄渣用于填坑和填塘時，有必要根據地形條件和堆渣填筑最大高度，綜合判別進行穩定性計算。

抽蓄工程，棄渣場，穩定性，強度折減法

目前抽水蓄能電站棄渣場穩定性計算以SL 575—2012水利水電工程水土保持技術規范相關規定為準。抽水蓄能電站的上、下抽蓄專用庫多在復雜地形地質條件下筑壩成庫,加之輸水發電系統等工程規模大，工程棄渣量較大，渣場容量多為百萬立方米級別。抽蓄電站多位于電力負荷中心，人類活動也相對頻繁，渣場在全壽命周期內的安全和穩定顯得尤為重要。

SL 575—2012可利用強，指導實際工作效果好，但實際工程中難免存在理解上的偏差，導致穩定性計算結果和工程實踐之間存有一定差別，如：1)設計資料中，多以棄渣體的c，φ作為輸入條件，搜索潛在滑動面，較少考慮渣體沿著其他潛在軟弱面滑動的可能。2)規范推薦的“極限平衡法”，對影響棄渣體破壞的變形參數關注較少。3)現有棄渣體穩定分析時，均假定整個滑面同時處于臨界失穩狀體，未考慮推移漸進式破壞，顯然這和實際是有所差別的[1]。以下首先分析工作中接觸的棄渣場穩定性計算資料，然后結合近期發生的工程事故，淺析棄渣場破壞后的滑面形態和破壞機理，雖然該事故為非水電工程，但其破壞形態具有一定代表性；最后探討渣體穩定性計算時，應關注的問題。

1 現狀及存在問題

從收集的數個抽水蓄能電站渣場設計來看，多有以下特點：

1)棄渣體c和φ取值差別較大，部分項目取值見表1和圖1。雖然地域有異，但棄渣多為土石混合體，差別如此明顯，值得進一步研究。

表1 部分項目強度參數(c，φ)一覽表

項目φ/(°)c/kPaFS(圓弧法)FS(強度折減)FS(考慮原始坡面)A22180.950.900.76B38101.561.470.92C21150.890.830.74D28501.511.370.89E3501.221.170.90F3351.241.210.89G3301.131.080.88

2)多將渣體視為均勻體，未考慮棄渣體與原始地表面之間成為潛在軟弱滑動面/帶的可能，尤其是天然溝谷較陡的山谷型渣場。溝谷地表處理不當時，未剝離地表植被和粘性土等相對軟弱層，在長期荷載和物理化學作用下淤泥化，甚至局部形成氣囊帶，可能會在棄渣體和原地表之間形成數個潛在軟弱滑動帶/層。

3)多未詳細考慮填筑期穩定系數FS的動態變化和運營期的長期穩定性，棄渣場全壽命周期的穩定性研究有待于進一步加強。

4)采用規范法時，計算棄渣場穩定系數時，代表性斷面的結果和后續工程處理措施往往不匹配，即設計文件中的工程處理措施多是針對原始地表，而非針對穩定性計算搜索中潛在滑動面。程序搜索出來的滑面多位于坡體淺部，滑動破壞范圍一般較小。

現行SL 575—2012的10.5.4條明確要求[2]：“棄渣場抗滑穩定性計算可采用不計條塊間作用力的瑞典圓弧法；對均勻渣體，宜采用考慮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頓—普賴斯法進行抗滑穩定性計算?！?/p>

以項目F地形地貌條件為基礎，依次代入表1中不同項目的強度參數來探討上述問題。項目F棄渣堆積高度約100 m，坡角28°，棄渣場所在溝谷具有15%的縱坡，折算坡度約8.5°。在渣體和原始地表之間設置0.5 m厚的軟弱帶，用以反映棄渣體沿著原有地表變形破壞這一潛在風險，軟弱帶的強度參數為φ=10°和c=10 kPa。FS和計算方法關系曲線見圖2。

圖3和圖4為將棄渣體視為均質，不考慮原始地表弱化時，分別采用理正巖土軟件中的“瑞典圓弧法”和數值分析的“強度折減法”[3]，均未考慮地震和地下水作用，程序自動搜索出的滑面。可見不同c，φ計算出來滑面位置差別很大，這將影響工程治理方案。

圖5為考慮在棄渣體和原始地表之間存有軟弱帶/層時，采用強度折減法獲得的滑面形態和FS。對比不難發現：如果不加區別的照搬規范相關條款，不考慮或者不重視其他潛在軟弱夾層成為滑面的可能，是不合適和欠安全的。在工程實踐中如何界定軟弱夾層或者軟弱面，值得進一步關注和研究。

2 重視棄渣用于填坑填塘時的穩定評價

當棄渣用于填坑或填塘時，如果棄渣填筑最大高度比坑、塘的邊界高時，即便渣體堆放在凹陷、封閉條件較好的坑洼地區，只要存在相對低的出口，也可能出現失穩破壞，應給予足夠重視。如2015年12月20日深圳光明新區渣土受納場失穩事故，該棄渣場是利用山頂已有凹陷的采石場，就其自然條件來說，封閉條件好，只要前期設計、后期管理運營得當，在土地資源緊張的深圳，也不失為一個選擇。

據事故后調查和補勘鉆孔資料[4-6]，滑動破壞面極其平緩僅有4°左右，棄渣體穩定性和地下水抬升關系緊密，雖然該棄渣場堆積較為平緩，但地下水位一抬高，其穩定性大大降低。文獻[7]稱上述破壞模式為“泥墊托筏效應”，即在泥化地基、承壓浮托、堆載堆擠和臨空滑移等綜合作用下形成“人造滑坡”。

這就提醒在棄渣場設計和防護中，當利用現有礦坑或者采石場棄渣時，即使棄渣場的封閉條件好且棄渣堆積坡度緩，但如果缺少有效的導排水系統，棄渣體在浸泡等作用下強度弱化，抗滑能力降低，最終也可能造成大規模的失穩破壞。

3 結論和建議

1)建議加強行業設計院之間的交流和資料共享。規模和影響較大的渣場，除了查閱相關手冊和工程類比之外，盡可能采用試驗等手段，綜合確定渣體的物理力學指標。2)巖土工程領域通用軟件自動搜索出來的滑面形態和穩定系數，和棄渣場實際破壞情況存有一定差距。規模和影響較大的棄渣場，應關注棄渣場的動態穩定性和長期穩定性。3)現有一些工程設計文件中不加區別的將棄渣場視為均質體、較少考慮其他可能軟弱滑面/帶，并據此進行棄渣場穩定性評價和設計的做法值得進一步商榷。4)棄渣用于填坑和填塘時，根據地形條件、水文地質條件和堆渣填筑最大高度等，綜合判別其穩定性。

[1] 盧應發，黃學斌，劉德富.推移式滑坡漸進式破壞機制及穩定性[J].巖石力學與工程學報，2016,35(2):340-345.

[2] SL 575—2012，水利水電工程水土保持技術規范[S].

[3] 劉 波，韓彥輝.FLAC原理、實例與應用指南[M].北京：人民交通出版社，2005.

[4] http://blog.sciencenet.cn/blog-39317-945912.html.

[5] http://blog.sciencenet.cn/blog-240687-945563.htm.

[6] Yueping Yin. Mechanism of the December 2015 Catastrophic Landslide at the Shenzhen Landfill and Controlling Geotechnical Risks of Urbanization[J]. Engineering，2016(2):1-15.

[7] 劉傳正.深圳紅坳棄土場滑坡災難成因分析[J].中國地質災害與防治學報,2016,27(1):1-5.

The current situation and problem on the stability calculation of residues disposal area in pumped storage project

Chai Jianfeng Wang Jue

(TechnologyCenter，StateGridXinyuanCompanyLtd,Beijing100161,China)

Based on the study of site survey, design data and related research results, the following article advises: using the method of “sweden circular slice method” and “strength reduction method”, the coefficient of stability and sliding surface by common commercial software do not well match to the actually deformation mechanism of abandoned dregs, based on the condition of terrain and maximum height of slag-dumping, to decide whether to evaluate the stability or not when the residues disposal is used for filling-in the pond or pit. These issues need for further attention and research.

pumped storage project, residues disposal area, stability, strength reduction method

1009-6825(2016)27-0046-02

2016-07-19

柴建峰(1977- )，男，博士，高級工程師，注冊土木工程師(巖土)

TU413.62

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