基于Massflow進行動力過程數值模擬棄渣場失穩影響預測分析

覃勇勇

【摘 要】一些建設項目棄渣場在堆填過程中未能按設計分層堆棄、攤鋪并進行碾壓，僅經過簡單的場地平整后便完工移交，使得渣體各部位填土成分復雜、壓實度差異較大、土體物理力學性質差，存在失穩風險。文章對某棄渣場采用Massflow軟件進行動力過程數值模擬，預測其在極端情況下失穩后的影響。該方法可對用地比較緊張和敏感的建設項目棄渣場選址提供決策依據，對棄渣場可能引發的地質災害進行預測，進而為防治提供依據。

【關鍵詞】棄渣場;滑坡;數值模擬;Massflow;Arcgis

【中圖分類號】P642.22 【文獻標識碼】A 【文章編號】1674-0688（2022）04-0060-04

1 棄渣場的基本情況

1.1 棄渣場概況

根據設計、施工、水保監測的相關資料，本文介紹的棄渣場是由高速公路土建工程施工過程中開挖山體產生的棄渣堆積形成。分析地形圖可知，棄渣場在堆積之前，該渣場的場地范圍為丘陵溝谷地。棄渣場從公路路基左側山丘后方坡地上游側開始填筑，往另一端山丘延伸，堆渣結束后渣場大致呈現為斜坡坡度為15°～26°的坡面體。堆渣后對堆積體頂部的臺面采取了簡單的平整措施，坡面植物恢復效果不佳，呈裸露狀態;部分坡腳無攔擋建筑物。棄渣場的實際占地面積約3.32 hm2，實際棄渣量約42.86萬m3，最大堆渣高度約47 m。在棄渣堆積過程中原坡面高程逐漸被抬高，通過地質調查，堆填區原坡面高程為280.0～327.0 m，現狀堆渣體頂部平臺高程為325.0～327.0 m。棄渣場坡腳處高程最低為280.0 m。棄渣場斜坡坡面坡度為15°～26°，前緣綜合坡比為1∶2.63，局部較陡坡比為1∶1.82;后緣坡比為1∶2.0;棄渣場堆渣過程基本沒有進行系統的碾壓，局部在渣土車運輸過程或者推土機平整場地過程中受到碾壓，因此渣場各部位的密實程度不一。

1.2 地質條件

地形地貌：場地屬溶蝕峰叢谷地地貌。棄渣場位于山間溝谷，現狀地面高程為278.3～334.3 m。渣堆頂部較平整，邊坡坡度較陡，為15°～40°。渣場北側及西側緊臨農村道路，東北側呈臺階狀分布，坡度約15°，東南側有一山體阻擋，棄渣堆積于山體山腰處，棄渣場南側坡度較陡，為30°～40°，坡腳為喬木林地。

地層巖性：根據野外地質調繪，場地內覆蓋層主要為第四系人工填土層（Q4ml）、殘坡層（Q4e? l+d? l），下伏石炭系下統巖關階（C1y）灰巖，具體敘述如下。

填土①（Q4ml）：褐黃色，主要成分為強、中風化砂巖、泥質粉砂巖的碎塊石，粒徑為0.5～25 cm，最大可以達到150 cm，垂向分布不均勻，呈松散～稍密狀，局部中密狀，回填時間≤5年，未完成自重固結，局部經過壓實處理，均勻性較差，并且場地內均有分布，根據對比填筑前的高程，推測厚度為0.50～30 m。

黏土②（Q4el+dl）：灰黃色，稍濕，硬塑狀，干強度、韌性較高，含有較多的礫碎石。場地內均有分布，根據鉆探揭示和地質調查，厚度為2.0～5.0m。

石炭系下統巖關階（C1y）中風化灰巖③：灰白色，隱晶質結構，中厚層狀構造，節理裂隙發育，巖體較完整，巖芯多呈柱狀，少量呈塊狀。屬于較硬巖，巖體完整程度以較完整為主，巖體基本質量等級為Ⅲ類。

地質構造：根據區域地質資料，棄渣場西北側約2 km為上紅花至龍汗嶺林場正斷層。總體走向為52°～34°，延伸長度約14.50 km，切割石炭系下統巖關階地層，斷層傾角為70°。根據地質調繪結果，棄碴場附近山體巖層產狀為336°∠18°，巖體節理裂隙發育，主要發育一組節理為162°∠83°。

水文地質：地下水類型主要為賦存于第四系地層中的孔隙水和碳酸鹽巖裂隙溶洞水。孔隙水主要賦存于填土層中，主要接受大氣降水補給，靠大氣蒸發和向下滲透排泄;碳酸鹽巖裂隙溶洞水主要賦存于石灰巖（C1y）溶蝕裂隙中，受大氣降水和孔隙水補給，其水量隨巖溶發育程度及地下巖溶管道的連通性而變化。在暴雨等工況條件下，雨水未能及時排泄，地表水向下滲流，導致邊坡土層含水量增加或達到飽和狀態，導致邊坡土層的物理力學性能降低，同時地表水下滲產生下滲力，增加土體容重，從而容易引起邊坡滑坡或崩塌。

2 影響分析方法與預測

本次棄渣場失穩影響預測主要采用Massflow軟件進行動力過程模擬，模擬棄渣場失穩滑坡后滑體運動影響范圍及厚度。Massflow是一款基于深度積分連續介質力學模型的地表災害動力過程仿真軟件，可模擬滑坡、碎屑流、雪崩、泥石流等地災動力演化過程。

2.1 基本假設與方程

大多數滑坡現象在深度方向的速度相對滑體在滑動方向的速度可以忽略不計，同時其碎屑物質的主要粒徑遠小于垂向深度，故可假定滑坡災害在運動中垂直于運動方向的物理量例如力、速度、壓強等所產生的影響是可以忽略的，基于以上特點對不可壓縮流體控制方程在深度方向進行積分操作[1]，將三維簡化成二維。

通過Z方向物理量的影響可以忽略及流體密度不隨時間演進而變化的假設后，可獲得簡化深度積分方程如下：

采用時間和空間上具有二階精度的有限差分法對上述深度積分連續介質的控制方程進行數值求解，用于計算時間步的庫朗數Cr定義如下：

2.2 數據前處理

地形數據可通過多種方式獲取，盡可能地利用已有測量資料，對已有的測量資料進行復核后在一定誤差范圍內可以使用，若誤差過大則應進行修正或重新測量。若無測量資料，則根據棄渣場規模選定地形圖的精度，棄渣場規模較小時，選擇精度較高的地形圖，棄渣場規模較大時，可選擇精度略低的地形圖，可采取先粗后細的原則進行模擬預測。精度要求不高的地形圖可通過地信系統網站下載30 M、12.5 M、5 M精度的DEM地形數據;當對地形精度有一定要求的評估預測，可采用無人機進行傾斜攝影采集評估測區地形數據，也可通過傳統測量手段獲取測區地形數據。

本項目前期已通過傳統測量手段進行現場測量，形成常規的dwg格式地形文件，該格式地形文件不能直接運用于軟件進行模型創建，需進行一定的前處理后方能導入Massflow軟件，從而建立分析模型。本項目利用Arcgis軟件對已有的dwg地形文件進行柵格化處理，根據規模、模擬范圍選擇合適的柵格單元，柵格化處理后的地形為失穩滑前數據1。

結合該棄渣場的地形地貌特點，其上游無匯水，因此其滑動面采用極限平衡的圓弧滑動分析最小穩定安全系數圓弧滑面[2]。將此圓弧以上土體挖除后重新擬合地形，即滑后地形，對滑后地形進行柵格化處理，獲得失穩滑后地形數據2。

在Arcgis中將兩柵格數據進行相減，得到滑體的物源柵格數據3。將地形數據2和物源柵格數據3轉換成ascll格式，此時便完成了渣場失穩影響分析的前處理。本項目棄渣場前處理的成果為柵格單元大小為3 m×3 m，共計47 959個柵格單元的地形和物源數據。

2.3 模型建立

本次預測，計算區塊數量為1，計算維度按二維（準三維，X、Y兩個方向均進行差分運算），初始流體高度按實際高度考慮;計算過程不考慮侵蝕、密度演化、慣性力;在模擬中不重新劃分網格，按初始導入的網格分布進行計算。

X、Y方向的網格數量分別為241個、199個，X、Y方向網格大小均為3 m。將通過上述前處理得到的h、z文件導入并進行地形和流體幾何分配，得到三維模型。

模型創建后，對滑體和摩擦面進行材料定義，碎屑流（泥石流、滑坡、雪崩等）有庫倫、曼寧、Voellmy等多種物理模型，需根據碎屑流特點選用模型。考慮本項目的實際情況，在上游無匯水面積的前提下，將摩擦模型設定為庫倫模型，分別確定黏聚力、基底摩擦系數、孔隙水壓力系數、土壓力的內摩擦角和基底摩擦角。

根據該棄渣場的規模和模擬范圍，初步選定模擬時長為500 s，初始步長為0.05 s，庫朗數為0.25。

2.4 計算結果

模型創建好后，軟件會自動生成命令流，可通過調整命令流中的有關參數，重新運行即可得到不同參數的結果。按初始輸入的參數得到的ascll格式流深（H）計算結果，將此結果導入gis后進行柵格化處理，形成可視化的云圖（如圖1所示）。

根據計算結果，渣場失穩后往下游呈扇形擴散，擴散至棄渣場下游的100 m左右，擴散后滑體厚度為1～8 m，最厚部位在坡腳下游40～50 m，厚度為8 m，按擴散后滑體厚度作為風險指標，該部位屬于失穩風險最大區域;北側村道亦在失穩影響范圍內，村道受滑體影響厚度在1～4 m，受影響程度相對較小，渣場失穩后道路恢復工程量較小。

2.5 敏感性分析

本次敏感性分析，根據《工程地質手冊》（第五版），主要基于泥石流與滑坡形成的機理[3]，將若干比較重要的影響因素作為變量（本項目中影響因素不一定有如此變化，僅將考慮此變化進行敏感分析和展示），模擬棄渣場失穩影響變化。結合渣場自身特點，將孔隙水壓力系數、黏聚力、土壓力內摩擦角作為變量，根據土體中含水量的變化，上述參數變化有一定關聯性，因此本項目敏感性分析是基于以上若干參數作為復合變量進行分析，參數變量見成果圖底部。

通過改變各組參數變量經軟件分析得到500 s后滑體厚度和滑體擴散影響范圍成果如圖1所示。

2.6 結果分析

通過改變土體水壓力系數、黏聚力、土壓力、內摩擦角參數復合變量，其本質是改變渣場土體的物理力學參數和由含水量變化引起的孔隙水壓力變化，從宏觀上來說是改變滑體的流動特性。由上述計算成果可知，含水量增大、土體抗剪強度變低后，滑體擴散范圍明顯增大，受失穩影響范圍將變大;本項目滑體有明顯的核心堆積區，核心堆積區下游滑體厚度隨距離的增大而減小。

參數1工況失穩擴散范圍比初始參數工況大45 m左右，參數2工況為80 m左右;而堆積核心區位置區別不大，但參數1和參數2工況核心區面積明顯比初始參數工況大;滑體擴散后最大厚度區別不大，為7～8 m。

3 結論與建議

3.1 結論

本棄渣場失穩分析是基于Massflow軟件滑體擴散進行動力過程數值模擬，是對極限平衡理論確定的最危險滑體極端情況下失穩擴散的一個風險預測，預測其影響范圍和影響范圍內滑體厚度的分布情況。同時，通過敏感性分析可知，渣場失穩分析影響范圍受土和水影響較大，土體本身抗剪強度在碎屑流運動擴散過程的摩阻作用，為其向下游發展起到負相關的作用;而水的參與改變了土體的有效抗剪強度性能，使土體具有流體的特點，為其向下游發展起到正向作用。

3.2 建議

根據以上結論，從渣場土體物理力學參數本身和今后運行維護的角度提出建議，達到減小發生失穩的可能性和極端情況下減小失穩的影響范圍。

棄渣場在堆填的過程中，建議分層進行攤鋪，分層厚度以0.3～0.5 m為宜，每一層進行適當碾壓，提高渣體的壓實度，從而提升巖土體本身的抗剪強度;有條件的選擇較緩的坡度，有碾壓工藝的可考慮在1∶1.75～1∶2.5的坡率，每一級邊坡高度不高于15 m，沒有碾壓工藝的建議坡度不大于1∶2.5[4]。

完善棄渣場截、排水系統，建議沿堆渣體頂部邊緣、棄渣場坡面邊緣修建排水溝，及時將堆渣體周圍山坡及渣體頂部匯水導排至溝道下游，排水溝的尺寸應滿足暴雨工況條件下的排水要求，減少暴雨時匯水滲入堆渣體，降低渣場土體含水量和孔隙水壓力，同時避免進一步地沖刷堆積體及渣場邊坡。

裸露的堆積體受雨水的沖刷易在表面形成沖溝，沖溝可成為積水的場所和下滲通道，可通過種植根系較發達的喬木、灌木及草本等植物減少降雨下滲及沖刷，達到固坡穩土的效果，同時減少水土流失。

嚴格控制在堆渣體頂部修建建筑物或者增加堆渣體頂部荷載的人工活動;避免在堆渣體前緣開挖;定期對坡頂水平位移、垂直位移、地表裂縫等進行巡查，發現危險信號應及時排除[5]。

4 結束語

本文通過某建設項目棄渣場實例，對其利用Mass flow軟件進行失穩影響預測的數值分析。這種利用數值分析軟件對渣場的失穩影響分析具有多重積極意義：可為用地比較緊張和敏感的建設項目棄渣場選址提供決策依據;對棄渣場可能引發的地質災害進行預測，進而為防治提供依據。這種影響預測需根據分析對象的重要性和特殊性，搜集合適的基礎資料，當面對規模比較大的棄渣場、棄渣場下游有重要防護對象時，則需要大量的觀測、檢測和現場試驗數據，為數值模擬提供率定基礎，保證預測的準確性和可靠性。

參 考 文 獻

[1]趙程，范宣梅，楊帆，等.金沙江白格滑坡運動過程分析及潛在不穩定巖體預測[J].科學技術與工程，2020，

20（10）：3860-3867.

[2]欒永平，高永強.滑坡穩定性分析方法簡介[J].西部探礦工程，2007（9）：35-37.

[3]化建新，鄭建國.工程地質手冊[M].5版.北京：中國建筑工業出版社，2018：681-694.

[4]GB 50330—2013，建筑邊坡工程技術規范[S].

[5]鄧建輝，戴福初，文寶萍，等.青藏高原重大滑坡動力災變與風險防控關鍵技術研究[J].工程科學與技術，2019，51（5）：1-8.