固體廢棄物堆場深層緩傾角推移式破壞實例分析

柴建峰，周喜軍，江獻玉，劉殿海，王震洲，凌 超，閆 賓，李沁書

（國網(wǎng)新源控股有限公司技術(shù)中心，北京市 100053）

0 引言

不同行業(yè)對人工固體廢棄物堆場的命名有所不同，水電工程稱之為棄渣場；冶金和有色金屬行業(yè)稱之為排土場；此外，還有工業(yè)廢渣堆場和垃圾填埋場等名稱。

水電工程棄渣由于物源來源復雜，既有石料，又有覆蓋層和全強風化物質(zhì)，加之施工工期長，可能還混有一定量的生活生產(chǎn)垃圾，堆積時間長，經(jīng)歷不同的季節(jié)變化，致使水文地質(zhì)條件復雜，影響其穩(wěn)定性的因素主要是水力侵蝕、重力侵蝕和人為活動影響等。排土場（waste dump，spoil dump），即堆放剝離物的場所，也叫廢石場，是在礦山采礦排廢物集中排放的場所。冶金行業(yè)規(guī)范主要泛指鐵礦山的排土場。有色金屬一般指非鐵金屬，是鐵、錳、鉻以外的其他金屬，主要是指銅、鋁、金、銀等金屬。

隨著國家對固體廢棄物堆場安全和水土保持等生態(tài)環(huán)境問題日益重視，棄渣場的勘測設計、堆置過程管理和后期運行監(jiān)管，必然成為水電站建設管理和運營的重要組成部分之一。

棄渣場/排土場多由巖石碎塊、強全風化層物質(zhì)組成，其間混有細顆粒物質(zhì)，具有較高的內(nèi)摩擦角，若選址合適，隨著自重壓實固結(jié)，自穩(wěn)能力一般逐漸提高。

王運敏等[1]將排土場內(nèi)發(fā)生的滑坡主要分為三類，見圖1，其破壞范圍大小和影響程度主要由棄渣體物理力學參數(shù)、內(nèi)部軟弱夾層和其他外部條件控制（外部條件包括幾何尺寸、堆積高度、水文地質(zhì)條件、外部荷載等），其中后兩種類型與地基的巖性和坡度等有關(guān)。喻葭臨等[2]結(jié)合水電工程實踐經(jīng)驗，將水電站渣場失穩(wěn)表現(xiàn)分為4種，即表層塌滑、弧面型滑動以及沿下伏軟弱結(jié)構(gòu)面復合型滑動等類型。

圖1 排土場滑動破壞模式（據(jù)文獻1修改）Figure 1 The failure model of waste dump

從接觸的多個水電工程渣場設計資料來看，多有以下特點：棄渣場設計時多將渣體視為均勻體，多是用軟件搜索潛在滑動面，較少考慮其他潛在滑面；專門針對棄渣場的地勘工作尚不明確。基于工作中的認識和文獻分析，以下先主要介紹幾個固體廢棄物堆場工程實例，并分析其活動誘發(fā)原因和其變形機理，最后探討相應的勘測設計工作關(guān)注點。需要說明的是，工程實例主要來自公開出版的專著、論文或博客（王運敏，2011年；殷躍平，2016年；劉傳正，2015年；岳仲琦等，2015年）[1-6]。

1 固體廢棄物堆場深層緩傾角推移式破壞實例

1.1 俄羅斯庫徹金煤礦排土場[1]

當?shù)鼗熊浫鯉r土層有一定厚度時，地基變形經(jīng)常會出現(xiàn)底鼓和土層孔隙水壓力急劇升高等變化，如俄羅斯庫徹金煤礦排土場地基為含水泥巖，厚度為0.2～20m，排土場臺階高度為20～40m。由于軟巖地基的變形破壞和滑動，使排土場產(chǎn)生影響范圍達1400m的滑坡。在1.5年內(nèi)排土場邊坡沉降達15m，渣體前地面出現(xiàn)波浪狀鼓起高達5～12m，圖2為變形破壞示意圖。

軟弱地基變形初始階段分布在邊坡底前方30～70m范圍內(nèi)，地基出現(xiàn)裂隙、剪切縫、鼓起，地基上鼓起了3條相距40～60m的土埂，高度達4～5m。排土場渣場自重壓力不僅使軟巖地基產(chǎn)生變形破壞和地形改變，而且對于地基軟巖下面的硬巖層產(chǎn)生變形和影響，由于地基受壓不均勻產(chǎn)生不均勻沉降，進一步牽引其上方排土場邊坡的變形，進而誘發(fā)了大規(guī)模的整體滑動破壞。

圖2 排土場前方軟地基鼓起變形示意圖（據(jù)文獻[1]修改）Figure 2 The deformation of waste dump foundation in soft ground stratum

1.2 平朔安太堡煤礦南排土場失穩(wěn)[1]

1.2.1 排土場及地層概況

平朔安太堡露天煤礦1987年投產(chǎn)，其南排土場設計容量1.16×108m3，原“設計規(guī)劃”排棄完備后總體坡腳為22°～37°，堆置高度為150m。南排土場滑坡破壞之前，其邊坡角僅為18.6°～20.3°，邊坡坡高135 m，已排土約9.8×107m3，尚未達到設計容量。

排土場基底為粉質(zhì)黏土和黃土互層，黃土中黏土礦物以伊利石/蒙脫石為主，含量47%～79%，平均65.3%。伊利石/蒙脫石在遇水情況下，具有較強的吸附水分子于顆粒表面的能力，形成較厚的水化膜，使土體抗剪強度大幅度降低，并增加了黃土的可塑性和塑性變形能力。

1.2.2 排土場破壞變形情況

1991年10月29 日，南側(cè)排土場滑動失穩(wěn)，滑體最大走向長度1095 m，滑坡體沿主滑方向沖出坡底距離達245 m，滑體寬度約420 m；滑體最大垂向位移135 m，對應高程1315～1450m；滑動體體積約1×107m3，占排土量的百分比×100%=10.2%。

滑坡體上部主動區(qū)段，形成多級坐落式臺地，深寬裂縫交錯發(fā)育，滑坡后壁垂直落差達73 m，后緣斜坡長度100多米。在滑坡體的中上部形成巨大深溝，圖3為滑動破壞后的工程地質(zhì)縱斷面。滑坡摧毀了一些的采礦設備、場區(qū)公路、辦公樓等，經(jīng)濟損失嚴重。

1.2.3 探討該滑坡發(fā)生機理

（1）獨特的地下水系統(tǒng)的形成，進而弱化基底深厚黃土層力學參數(shù)。

排土場基底為第四系黃土，除了黃土層本身強度較低外，基底深厚黃土層在壓密固結(jié)的過程中，由于含水量及壓力增加發(fā)生濕陷作用，濕陷壓密后的黃土強度增加、滲透性顯著降低，進而形成了相對隔水層和滯水帶；由地表滲入的地下水在隔水層（濕陷壓密后的黃土）之上的粉土黏土地層中逐漸聚集，形成富水帶或滯水區(qū)，甚至形成了統(tǒng)一連續(xù)的地下水位。事后地質(zhì)鉆孔也發(fā)現(xiàn)滑面以上有高度2m左右的地下水位，這表明隨著排土場棄料堆積固結(jié)，在大氣降雨等作用下，排土場中也形成了獨特的地下水運移形式，地下水致使大量親水黏土礦物水化變軟，在黃土層中形成了強度極低的軟塑層，進而影響排土場的穩(wěn)定[1]。

該排土場基底黃土（主要為粉質(zhì)黏土和黏土）力學參數(shù)具有如下特點：濕陷性黃土，內(nèi)聚力48kPa和內(nèi)摩擦角15.8°；無濕陷性黃土，內(nèi)聚力57～110kPa和內(nèi)摩擦角22.5°～25.6°；根據(jù)滑坡反分析計算，滑面力學參數(shù)內(nèi)聚力30kPa和內(nèi)摩擦角7°。可見，親水性黏土礦物吸水后抗剪強度指標急劇降低。

（2）基底黃土層內(nèi)軟弱滑動面的演化及形成。

該滑坡為沿地基軟弱帶發(fā)生的推移式深層滑坡。軟弱滑動層是在上覆排土壓力下，黃土的微結(jié)構(gòu)浸水變化而形成的演化軟弱層，該層是導致排土場失穩(wěn)破壞的主要控制因素。

事后數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)，若不考慮黃土浸水力學性質(zhì)劣化演化而成的軟弱面，則排土場基底黃土內(nèi)僅有孤立的塑變區(qū)出現(xiàn)，塑性區(qū)不貫通，可能不會發(fā)生大規(guī)模滑動破壞；但若考慮軟弱面，采用軟弱面物理力學參數(shù)進行數(shù)值模擬，則塑性區(qū)明顯貫通，貫通形態(tài)與滑面形態(tài)相符，邊坡處于整體不穩(wěn)定性狀態(tài)[1]。

圖3 安太堡煤礦南排土場滑坡工程地質(zhì)縱斷面圖（據(jù)文獻［1］修改）Figure 3 Longitudinal profile of Nanpai spoil dump

1.3 美國MSW固體垃圾場大滑坡

1.3.1 MSW固體垃圾場概況

1996年3月9 日，美國俄亥俄州辛辛那提市西北郊外15.3km處的城市生活垃圾和工業(yè)固體廢物堆場MSW發(fā)生滑坡，滑坡總量120萬m3，橫向位移275m，垂直最大位移達61m，圖4為滑坡破壞后的地質(zhì)縱斷面圖[1]。

該垃圾場基底巖層為頁巖和石灰?guī)r，呈緩傾角（1～2m/1000m，0.06°～0.12°）上覆2～5m后的褐色土層，褐色土層由殘積土和崩積物組成，黏粒含量較高，總體呈層狀結(jié)構(gòu)，多含有碎石巖塊。褐色黏土和風化頁巖在地下水的浸泡風化作用下，塑性增大，抗剪強度急劇下降，是垃圾場滑動失穩(wěn)破壞的“內(nèi)因”條件之一，是導致垃圾場失穩(wěn)滑動的主要控制因素。

1.3.2 失事原因分析

事后分析資料表明[1]：

（1）公路施工在坡腳處開挖形成臨空面，誘發(fā)了滑坡體前緣變形，大大降低了整個固體堆場的穩(wěn)定性。

（2）坡頂處，在滑坡前幾個月堆積了約2300t垃圾。

圖4 美國MSW固體垃圾場滑動后的縱斷面圖 （據(jù)文獻[1]修改）Figure 4 Longitudinal profile of MSW，USA

（3）坡頂?shù)牧芽p在滑坡初期出現(xiàn)，并不斷張開、加深，進而出現(xiàn)陡坎，這些特征符合“推移式滑坡特征”。

（4）固體廢棄物中，形成了連續(xù)統(tǒng)一的地下水位線，由高水頭垃圾堆流向堆積體前緣坡腳，地下水浸泡弱化了褐色黏土層和風化頁巖的抗剪切能力。

（5）測斜儀觀測資料揭示飽和褐色黏土層為主要滑動面，滑面在坡腳處的臨空面也沿著軟黏土層出露。

MSW垃圾場滑坡變形機理是：滑面沿著地基褐色黏土層和風化頁巖發(fā)生發(fā)展，主要原因是地基褐色黏土泡水后剪切強度降低，加之在坡頂再加載（繼續(xù)堆填垃圾）、臨近爆破震動、坡腳開挖等因素誘發(fā)下發(fā)生的深部推移式滑動破壞[1]。

該固體垃圾中曾經(jīng)堆置過爛泥等物質(zhì)，但本次滑動并沒有沿著固體廢物內(nèi)部軟弱帶滑動。市政垃圾料的抗剪強度較高可能與其中的塑料制品和其他材料相互“咬合”等因素有關(guān)，這也是一些市政垃圾場邊坡坡腳近乎直立狀態(tài)但可以保持長時間的穩(wěn)定性的原因之一。

可見評價棄渣場/固體廢棄物的穩(wěn)定性，不僅要重視棄渣棄料的穩(wěn)定性，還要重要地基的軟弱地層力學參數(shù)浸水后進一步劣化和潛在的深部滑動破壞。

1.4 深圳 12.20 渣場事故 [3-6]

1.4.1 渣場概況

2015年12月20 日，該棄渣場發(fā)生了大規(guī)模失穩(wěn)滑坡，涉及15家公司的22棟廠房在事故中被掩埋，損失慘重。該棄渣場利用山頂處廢棄的凹陷采石場堆渣逐漸形成，由于其位于山頂，高程高于周邊廠房和居民區(qū)，為一典型的“頭頂庫”。

事故調(diào)查組的結(jié)論：建設和經(jīng)營者均沒有在該棄渣場修建完善可靠的導排水系統(tǒng)，在渣場底部的大量積水沒有得到有效清除之前就開始堆填建筑渣土，加之在棄渣場周邊泉水和天降雨水的不斷加入，棄渣體內(nèi)部的含水量不斷升高，最后達到過飽和的狀態(tài)，這就造成棄渣體底部和原始地面之間形成軟弱滑動層；另外，棄渣場還存在嚴重的超高超量加載渣土的現(xiàn)象，大量渣土在自身重力作用下沿南高北低的山勢滑動，形成了破壞力巨大的高勢能滑坡體。

1.4.2 滑動破壞面特征

棄渣體最高處和最低處相差僅50m左右，且坡體較平緩，未滑動前，前緣坡度約30°，棄渣體破壞后的殘留滑面非常平緩，和一般巖土計算軟件搜索出的潛在滑動面差別很大，如圖5所示為工程地質(zhì)縱斷面圖。補勘鉆孔資料揭示滑動的破壞面極其平緩，角度僅有4°左右[3]。文獻[4]稱之為“泥墊托筏效應”，即在承壓浮托、泥化地基、臨空滑移和堆載堆擠等綜合作用下形成“人造滑坡”。

圖 5 工程地質(zhì)縱斷面圖[3]Figure 5 Longitudinal profile of the landslide[3]

地下水抬升對棄渣體穩(wěn)定性影響較大，雖然該棄渣場堆積坡度較為平緩，其穩(wěn)定性也隨著地下水位的抬高而大大降低。由此可見，即使在封閉條件較好、凹陷的采石坑內(nèi)堆放棄渣，只要在凹陷處存在相對低的出口，棄渣體依然存在沿凹陷較低出口處失穩(wěn)破壞的風險。

其失穩(wěn)破壞與地下水作用緊密，尤其是大量積水未排就開始棄渣，加之深圳降雨量較大，可致使棄渣體飽和強度降低，加之棄渣成分復雜，在浸泡等作用下淤泥化，在底部或者渣土內(nèi)部可能形成多個潛在軟弱滑動層帶[5-6]。

2 固體廢棄物堆場的水文地質(zhì)特征

固體廢棄物堆場地下水的補給來源主要是大氣降雨或原有地表和地下水補給，作為一個水文地質(zhì)單元，具有補給、徑流和排泄途徑。國內(nèi)許多學者對降雨入滲條件下邊坡穩(wěn)定性進行了研究，獲得如下共識：在降雨入滲條件下，非飽和土層中孔隙水壓力隨之升高、土體重度隨之增加；由于水對土體浸泡軟化作用使其抗剪強度降低，邊坡的穩(wěn)定安全系數(shù)則會隨之降低。

固體廢棄物堆場不僅是大氣降雨的滯水體和和蓄水體，還是地下水的滲流通道，其地下水主要來源有：

（1）大氣降雨經(jīng)過山坡和棄渣表面匯水入滲形成。

（2）原有場地泉水溪水等地下水排泄點，被棄渣覆蓋后，但仍然有地下水活動且進入棄渣體。

大氣降雨經(jīng)山坡匯水、原有地下水和渣體表面降雨入滲補給排土場/棄渣場，經(jīng)棄渣內(nèi)部徑流由高水頭流向低水頭，在排土場坡腳處排泄，圖6為理想狀態(tài)下地下水運移示意圖。

圖6 棄渣場地下水補給和排泄示意圖（據(jù)文獻[1]修改）Figure 6 The sketch map of groundwater migration around solid waste depots

目前棄渣場的水文地質(zhì)條件分析，多未考慮到原有地貌條件下水文地質(zhì)條件的改變對棄渣場運行的影響，如泉水等對堆渣后水文地質(zhì)條件的影響。事實上，由于棄渣體為物源復雜的人工堆積體，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)同自然邊坡相比更為復雜和隨機，自然形成的坡積物、洪積、崩塌堆積等尚有一定規(guī)律可循。水電工程棄渣場多種來源的渣料混合堆填一般會導致顆粒級配嚴重不良，所以實際工程中也很難準確判定和評價渣體內(nèi)部滲流場。

3 探討緩傾角深層滑動的發(fā)生機理

上述固體堆場失穩(wěn)實例也說明了巖土力學中的強度和變形問題并不是完全不相關(guān)聯(lián)的，但在土力學中，有關(guān)地基變形的計算和地基穩(wěn)定性（強度）的驗算往往是分別討論的。

地基變形的理論計算一般限制在彈性的范圍內(nèi)，而強度失穩(wěn)則是土體中塑性剪切變形發(fā)展的結(jié)果，對于這兩類問題分別采用不同的方法來計算，似乎是互不相關(guān)的兩個問題，但在實際工程案例中，這兩個問題并不是截然分開的[7]。在加荷載的過程中，土中應力不斷地增大，土體由彈性狀態(tài)向塑性狀態(tài)發(fā)展，由局部的塑性破壞逐漸擴展，直至完全破壞（見圖7）。完全彈性或完全塑性的狀態(tài)只是兩個極端，大部分的過程是兩種狀態(tài)并存、互相關(guān)聯(lián)發(fā)展的[7]。

地面的沉降往往掩蓋了深層的局部剪切破壞，如果不采取措施，最終可能會釀成整體破壞的事故[7]。尤其對于相對松散棄渣/排土場，由于堆積高度高，變形量大，在穩(wěn)定性分析時，忽視或不重視堆渣失序分析和相對軟弱層的側(cè)向水平位移可能會有較大的安全隱患。

棄渣場底部存有軟弱地層，且有發(fā)生側(cè)向位移的地形地貌條件時，側(cè)向水平位移大小（多指臨空面方向）是一個十分敏感和關(guān)鍵的指標，反映了巖土體中是否發(fā)生塑性變形，可將其作為檢驗地基穩(wěn)定性的指標之一。

目前棄渣場工程設計措施中對堆渣工程、攔擋工程和排水工程均十分重視，地表和渣體底部設置了綜合的截排水設施，如地下盲溝、地表截水溝和排水溝渠等。但對地下水對軟弱基座及渣體內(nèi)夾層的軟化或溶蝕、潛蝕等作用考慮得相對較少。

圖7 地基破壞過程的幾個階段[7]Figure 7 The characteristic of foundation deformation according to different load

可見，在上覆巖土層（渣體）壓力和地下水的浮托和滲透壓力等作用下，基底軟弱巖層將可能產(chǎn)生塑性流動并向臨空面方向擠出，并先在上覆巖土層后緣某處產(chǎn)生拉裂形成陷落帶，進而可能形成整體式的側(cè)向擴離，最終形成緩傾滑面的平推式滑坡。

由以上分析可見，上述固體堆場的緩傾角深層推移式破壞可歸于邊坡的“塑流—拉裂”破壞模式[8]。

4 結(jié)論及建議

（1）棄渣場基底巖土層物理力學性質(zhì)和水文地質(zhì)條件變化也是影響棄渣場穩(wěn)定性的重要因素之一。棄渣場勘察設計時，建議關(guān)注緩傾角深層滑動破壞模式。

（2）足夠的地質(zhì)勘測工作是一切地質(zhì)評價、穩(wěn)定性計算、設計和施工的基礎。

1）建議重視棄渣場所在溝谷的地表徑流、泉水出露等水文地質(zhì)條件的調(diào)查，并評估堆渣后的水文地質(zhì)條件變化及對棄渣場穩(wěn)定性的潛在影響。

2）建議棄渣場勘探時，按“田”字形布置勘探線，勘探點不宜少于9個，主軸勘探線上不宜少于3個控制性鉆孔，其深度以查明軟弱帶與可能的滑動面、滲流等地基穩(wěn)定性問題為準，鉆孔進入中風化巖層的深度不宜小于5m。覆蓋層較厚時，鉆孔進入密實地層足夠深度，“密實地層”是指貫入試驗的錘擊數(shù)大于50的土層。

3）被視為“壩后壓坡體”的水電站棄渣場，由于其可能對當?shù)夭牧蠅萎a(chǎn)生拉拽、影響大壩滲流等不良作用，建議其地質(zhì)勘察工作量布置和鉆孔深度參考其銜接的大壩地勘技術(shù)要求。

（3）重視棄渣場變形機理分析[9-11]。“粗略的正確估算和判斷，其意義遠大于不合實際的精細計算”。

在棄渣場工程設計中應首先根據(jù)棄渣場物源、地形地貌和工程地質(zhì)條件判斷可能的滑裂面型式，并結(jié)合下伏巖土層地質(zhì)條件、堆存過程和危險斷面、渣場失穩(wěn)特點等因素合理確定計算斷面。科學合理的棄渣場穩(wěn)定性分析流程應為：渣體特征和堆置要素→潛在破壞模式→確定計算方法→定性分析→定量計算（極限平衡法和數(shù)值計算）。

（4） 建議重視棄渣場周圍地質(zhì)環(huán)境調(diào)查，尤其是高高程位置是否有潛在天然崩塌滑體，崩塌滑體失穩(wěn)后的巨大沖撞作用可誘發(fā)人工棄渣場的失穩(wěn)滑動。所以，在棄渣場選址時，不僅要考慮棄渣場的穩(wěn)定性及其對周邊環(huán)境的影響，還要考慮其周邊自然環(huán)境潛在的不安全因素對擬建棄渣場的影響。