考慮堆填界面軟化及地下水位波動的大型棄渣場邊坡穩定性分析

林文華 葉誠耿 王浩

（1.福建仙游抽水蓄能有限公司，福建莆田 351267；2.地質工程福建省高校工程研究中心，福州 350116）

棄渣場廣泛存在于鐵路、公路、水電等行業，是基礎設施建設中的重要附屬設施。2015 年深圳光明新區紅坳棄土場滑坡災難引發公眾廣泛關注棄渣場邊坡穩定與安全［1］。擬建的川藏鐵路路線總長的80%以隧道通過，存在大量的隧道洞渣需要堆填處理，如何在高山峽谷地區進行棄渣場選址和建設，保障棄渣場邊坡穩定性及其在降雨和滲流作用下的長期安全性的問題備受關注。

近年來，鐵路系統逐步關注山區鐵路建設過程中棄渣場邊坡穩定問題。王明慧等［2］結合渝萬鐵路特點，提出山區高速鐵路棄渣場選址、設計和建造的基本原則。田永鑄、董智慧、王光輝、毛雪松等［3-6］分別對4 個山區鐵路沿線大型棄渣場邊坡開展了穩定性分析評價、降雨和長期滲流條件下變形預測，并提出棄渣場病害防治對策。公路系統也開展了類似的工作。陳武［7］針對山區高速公路棄渣場邊坡開展了滲流穩定性分析研究；劉浩等［8］采用正交試驗設計和方差分析理論分析了坡率、黏聚力、內摩擦角、坡高、渣體重度、下伏基巖傾角6個因素對宜巴高速公路咸池溝棄渣場的敏感性影響。在棄渣場邊坡失效機理方面，肖志紅［9］基于PFC 顆粒離散元的研究發現，隨著顆粒粒徑增大棄渣體的潛在滑動半徑也相應增大，穩定性相對提高；劉建偉等［10］研究揭示新形成的棄渣場坡面由上而下，其土體內摩擦角逐漸增大，而土體黏滯系數的變化與棄渣場坡面形成過程關系密切；吳謙等［11］對棄渣體邊坡穩定性的可靠度分析表明，穩定系數對渣體內摩擦角的變異最敏感，其次為黏聚力，對渣體重度變化敏感性最低；楊建強［12］的研究發現棄渣場安全系數、位移、應變的變化隨堆載過程不同而有所區別。

上述研究涉及棄渣場坡度、力學參數、堆載位置、堆載順序等影響因素，也初步討論了降雨入滲對棄渣場穩定性的影響，但對棄渣場堆填界面在降雨和長期滲流作用下的軟化規律及其誘發棄渣場在地下水位波動條件下穩定性弱化機制的研究還較為鮮見。深圳光明新區紅坳棄土場滑坡災難成因調查揭示，工程棄土的濕化、泥化甚至稀化，特別是堆填界面積水軟化和地下水位上升是平緩地形條件下棄渣體實現遠程奔涌和漫流平鋪的原因，應給予重視［1］。

本文基于一大型棄渣場邊坡在地質補勘、巖土試驗和變形監測的基礎上，采用有限元數值模擬方法，對堆填界面軟化和地下水位波動條件下棄渣場邊坡穩定性衰減規律作定量分析，從而評價和預測其長期運營的安全性，并與實際監測成果相互印證。

1 棄渣場邊坡工程背景

1.1 棄渣場邊坡概況

棄渣場位于水庫主壩壩后，下伏基巖為侏羅系上統南園組第三段英安質晶屑凝灰熔巖，棄渣來源主要是水庫和庫區公路建設棄方，總占地12.7萬m2，堆渣容量約320 萬m3，最大堆填高度約60 m，于2012 年堆填完成運行至今。該區域屬于南亞熱帶海洋性季風氣候，年平均氣溫20.6 ℃，年平均降雨量1 300 ～2 300 mm。地下水以土體孔隙水和基巖裂隙水為主，補給較為充分，雖然設計了較好的基底排水設施，但閩南地區長期集中降雨導致的地表沖刷造成了棄渣體邊坡臨空面的局部溜坍變形，是否存在深層變形值得關注。因此，需要開展棄渣場邊坡穩定性評估及其在堆填界面軟化和地下水位波動條件下的變形趨勢研究。

1.2 棄渣場邊坡變形特征

為監控該邊坡是否存在深層變形，在棄渣場邊坡臨空面坡面、坡頂和坡頂后方布設了3 孔柔性測斜儀和滲壓計，進行邊坡深部位移及地下水孔壓動態監測，監測點具體位置見圖1。

圖1 棄渣場邊坡地質模型

CK1 監測孔中滲壓計放置深度約43 m，柔性測斜儀底端位于39 m 深處；CK2 監測孔中滲壓計放置深度約45 m，柔性測斜儀底端位于41 m 深處；CK3 監測孔中滲壓計放置深度約48 m，柔性測斜儀底端位于44 m 深處；柔性測斜儀與滲壓計之間空隙以填砂處理。該監測設施于2019年3月20日開始采集數據，在2019 年5 月初即發現一段持續的地下水位上漲過程，在5 月18 日發現CK1 監測孔的柔性測斜儀在距孔口37 m 深處有0.6 mm 的輕微蠕動變形，雖然變形量值不大，但變形特征較典型；而CK2 和CK3 均未發現蠕動跡象。目前的監測數據顯示該棄渣場邊坡總體是穩定的。

2 棄渣場堆填初期邊坡穩定性分析

2.1 巖土力學參數及數值模擬方法

根據前期設計資料及監測孔安裝過程的補勘地質報告，選取棄渣厚度最大的典型剖面進行研究，其地質模型參見圖1，上部由渣體堆填形成，臨空坡面以1∶1.8 放坡，堆填高度約60 m，下伏基巖為凝灰熔巖，渣體和基巖之間為相對薄層的強風化層。現場勘察顯示水位距孔口31.9 ～39.5 m，結合滲壓計監測數據，在圖1中繪制枯水期的地下水位。

基于Phase 2.0 巖土工程有限元軟件進行數值建模，采用三角形網格將計算區域劃分為2 060 個單元，棄渣體和下伏巖土體均采用Mohr-Coulomb 本構模型。巖土物理力學參數見表1。

表1 巖土體物理力學參數

2.2 堆填初期棄渣場邊坡穩定性分析

采用有限元強度折減法對堆填初期棄渣場邊坡枯水期進行穩定性分析，圖2 和圖3 是棄渣場邊坡臨界狀態下的最大剪切應變云圖和總位移云圖。可知，在強度折減條件下，棄渣場邊坡在臨空側距坡頂20 m 范圍內產生松動變形，潛在變形體以圓弧形破壞模式在棄渣體內貫穿，在坡腳附近剪出，變形體厚度約為23 m；計算得到邊坡穩定系數為1.343。根據DL/T 5353—2006《水電水利工程邊坡設計規范》，Ⅰ級邊坡正常狀態下安全系數應達到1.25 ～1.30。因此，該邊坡穩定性符合規范設計要求。

圖2 棄渣場邊坡最大剪應變云圖

圖3 棄渣場邊坡總位移云圖

3 考慮堆填界面軟化的棄渣場邊坡穩定性分析

3.1 堆填界面軟化效應及強度衰減規律

大量研究發現，除了棄渣體內剪切變形失穩之外，堆填界面經常是棄渣體邊坡失穩破壞的重要依附界面。其主要原因在于棄渣場在長期運行過程中，由于降雨入滲影響，極易在渣體中產生淋溶效應，顆粒較細的黏粒隨著地下水滲流在粗顆粒孔隙中遷移運動，最后依附堆填界面積聚充填，形成控制棄渣體穩定性的軟弱界面。本文研究區域雨量極為充沛，棄渣體顆粒粗細不均，具有大孔隙特征，淋溶效應尤為突出。

監測發現該棄渣場地下水位長期位于堆填界面以上。堆填界面在地下水長期浸泡條件下，易發生崩解或水解，造成結構損傷，大大降低堆填界面巖土層的力學強度。對該棄渣場補勘鉆孔采集的土樣進行土工試驗，軟化帶附近的土樣在天然快剪試驗條件下黏聚力為17 kPa，內摩擦角為16°。內摩擦角比堆填界面以上土體物質結構類似的全風化凝灰熔巖低9°，表明堆填界面在長期淋溶和浸潤條件下具有明顯的軟化效應。

3.2 考慮堆填界面軟化的邊坡穩定性分析

為客觀反映堆填界面軟化效應對棄渣體穩定性的影響，將位于地下水位以下的全風化凝灰熔巖的參數調整為試驗得到的堆填界面軟化帶的強度，地下水位以上仍取原值，采用有限元強度折減法對棄渣場邊坡穩定性進行比較研究，強度折減至破壞條件下的最大剪應變、總位移云圖分別如圖4、圖5所示。可見，臨界狀態下棄渣場邊坡在坡頂的松動變形范圍擴大到35 m 左右，潛在變形體厚度也增加至約37 m。其下部變形明顯依附堆填界面產生剪應變集中，并延伸擴展貫通在坡腳剪出，變形模式為上部棄渣體內弧形破壞與堆填界面相組合的復合型。計算得到的邊坡穩定系數為1.202，較堆填初期明顯下降。

圖4 考慮堆填界面軟化棄渣場邊坡最大剪應變云圖

圖5 考慮堆填界面軟化棄渣場邊坡總位移云圖

研究結果表明，棄渣場邊坡在長期滲流淋溶和浸水軟化條件下，由于堆填界面的軟化效應，其潛在變形破壞可能由棄渣體內圓弧破壞模式轉化為棄渣體上部圓弧和下部堆填界面組合式破壞模式，邊坡穩定性降低，雖然仍能保持總體穩定，但對照規范要求，存在設防安全系數不符合規范規定的可能。

4 考慮地下水位波動的棄渣場邊坡穩定性分析

4.1 棄渣場邊坡地下水位波動特征

現場地下水位監測數據顯示，CK1 在枯水期水位距孔口34.96 m，豐水期水位距孔口32.96 m，漲幅約1.94 m；CK2 在枯水期水位距孔口41.53 m，豐水期水位距孔口41.05 m，漲幅約0.48 m；CK3 在枯水期水位距孔口40.32 m，豐水期水位距孔口39.03 m，漲幅約1.29 m。

由監測數據可知，地下水位在雨季變化幅度約2 m；對照該期間降雨量監測數據，該水位上漲是由于2019年5月梅雨季節仙游地區連續大暴雨引起。根據地下水位上漲約2 m 來模擬豐水期邊坡變形破壞特征以及穩定性變化，并與前文采用枯水期地下水位監測數據為基準的研究進行對比分析。

4.2 考慮地下水位波動的邊坡穩定性分析

基于考慮堆填界面軟化的邊坡穩定性分析模型，將地下水位調整至豐水期高度，同樣開展強度折減有限元分析，得到臨界條件下邊坡最大剪應變、總位移云圖分別如圖6、圖7 所示。可知，在地下水位小幅上升約2 m 的情況下，邊坡失穩破壞模式和潛在變形范圍與圖4 和圖5 顯示的結果十分類似，但計算得到邊坡穩定系數為1.184，較枯水期考慮堆填界面軟化模型計算得到的安全系數下降0.160。因此，降雨誘發的地下水位上升將導致邊坡穩定狀態繼續下降，進一步削弱了棄渣場邊坡的設防安全性，其后續演變趨勢值得重視，需要進一步開展研究。

圖6 考慮雨季及堆填界面軟化棄渣場邊坡最大剪應變云圖

圖7 考慮雨季及堆填界面軟化棄渣場邊坡總位移云圖

5 問題討論

5.1 邊坡變形破壞模式驗證分析

在考慮堆填界面軟化效應情況后，棄渣場邊坡在旱季與雨季的變形破壞模式均為沿著軟弱帶呈組合型破壞。現場監測數據顯示，強降雨期間棄渣場邊坡的CK1 孔曾發生深層的輕微蠕動，其監測數據曲線見圖8，深度37 m 處變形量值為0.6 mm，39 m 處變形量值為0.1 m，在39 m處以下仍有變形，但后續期間該處位移未繼續增加。CK2 和CK3 的監測數據變形值均小于0.1 mm，在監測誤差范圍之內，代表性不強，但需進一步加強監測跟蹤。

圖8 CK1深部位移變化曲線

比較模擬分析得到的圖7所示的邊坡總位移云圖和棄渣場深部位移監測得到的圖8所示的深度位移變化曲線，發現數值模擬結果與CK1 監測孔捕捉到的輕微蠕變的變形位置相同，模擬效果與監測數據吻合，表明棄渣場邊坡在長期運行過程中，存在因地下水位波動依附堆填界面軟化帶變形蠕動的可能。

5.2 堆填界面軟化規律對邊坡穩定性的影響

現場補勘鉆孔的土工試驗揭示由于淋溶效應和浸潤軟化，堆填界面的黏聚力下降3 kPa，內摩擦角下降9°。造成這種情況的原因是軟化帶在淋溶過程產生土體結構性崩解破壞，并被伴隨地下水流動過程遷移而來的黏粒所充填，導致堆填界面巖土顆粒細化和力學強度弱化。

為描述此過程對棄渣體邊坡穩定性的影響，假定棄渣場邊坡堆填界面軟化帶的強度成梯度衰減，設定該軟化帶黏聚力每下降1 kPa，內摩擦角即下降3°，設置4 組不同堆填界面軟化帶力學強度參數，并將此4組強度參數代入邊坡穩定性計算模型，得到相應軟化條件下的邊坡穩定系數，見表2。可知，伴隨堆填界面強度軟化過程，邊坡穩定系數總體呈線性降低規律。

表2 不同軟化帶強度條件下邊坡穩定系數

5.3 地下水位波動對邊坡穩定性影響

監測數據顯示地下水位在3—5 月期間變化約2 m，尚不能完整揭示臺風暴雨期或排水設施失效誘發地下水位進一步上浮的極端不利工況。為充分研究地下水位波動對棄渣場邊坡穩定性影響，以現有監測數據顯示的地下水位波動范圍為參考，進一步將地下水位分別提升2 m 和4 m 進行邊坡穩態發展趨勢的數值模擬預測，得到邊坡穩定系數見表3。

表3 不同地下水位條件下邊坡安全系數表

根據DL/T 5353—2006 規定，Ⅰ級邊坡在強降雨條件下邊坡安全系數要求為1.15 ～1.25。而本節的計算結果表明，隨著暴雨期的地下水位繼續抬升，該棄渣場邊坡穩定系數降至1.125，達不到規范規定在暴雨工況下的設防要求。

6 結論

為研究堆填界面軟化和地下水位波動對棄渣場邊坡穩定性的影響，在地質補勘、巖土試驗和變形監測的基礎上，采用強度折減有限元法模擬研究了一大型棄渣場的典型失穩機制和穩態演化規律。主要結論如下：

1）在長期淋溶效應和地下水浸潤條件下棄渣場的堆填界面存在明顯的軟化效應，誘發依附堆填界面產生應變局部化，從而導致邊坡潛在失穩模式的轉變、松動區的擴大和邊坡穩態的下降。棄渣場設計與運行過程中，應對堆填界面軟化效應予以重視。

2）該棄渣場的監測數據顯示雨季地下水位上浮約2 m，導致邊坡穩定系數降低；若遭遇極端降雨事件或排水設施失效誘發地下水位進一步抬升，可能導致邊坡安全儲備不足。因此，應加強地下水位監測和地下排水設施維護，保障棄渣場的長期穩定與安全。