基于Geo Studio的棄土場穩定性評估

向文賢，許萬忠，羅益輝，嚴鐵軍，何迪環

(昆明理工大學國土資源工程學院，云南昆明 650093)

1 棄土場概況

2 棄土場工程地質條件

2.1 地形地貌

該棄土場位于路線K55+600右側，其所在區域屬于構造剝蝕中山地貌區，受構造運動(褶皺、斷裂)及風化作用影響，地形破碎，溝谷縱橫交錯，表現為褶皺山和斷塊山，山脊與山間盆地、洼地相間。地形起伏大，屬越嶺線，高差約463 m。山脊為豬背脊或單面山，山間盆地、洼地規模不大，面積1×104～2×104m2，溝谷多為“V”型谷，坡度30～65 °，植被發育。

2.2 區域地層巖性

該棄土場處于構造剝蝕中山地貌區，地形起伏大，屬越嶺線，高差約463 m，植被發育。地表覆蓋薄層為第四系殘坡積(Q4e1+dl)，巖性為黏性土夾碎石，黃褐色，可塑性較差，局部可見。下伏地層為下第三系寧灌組二段(E2n2)：紫紅色泥巖、砂巖，固結程度低，表層風化成土狀，穩定性差。

3 氣候、水文地質條件

3.1 氣候

麗江地處云貴高原西北部，橫斷山脈與滇西北高原接壤地帶，總體地勢中部高兩端低，氣候特征表現為高原性氣候，氣候垂直分帶特征明顯。冬春干旱，夏秋多雨，南部熱旱，北部暖濕。年平均蒸發量2 238.5 mm，年平均相對濕度69.31 %，年平均降雨量936.4 mm，82 %的降水集中在6～9月，干濕季分明，屬半濕潤氣候。

3.2 水文地質條件

該區域內地表水分布不均，受地形控制。低洼壩區地表水豐富，山區地表水匱乏，雨季及化雪季有短暫流水。根據地下水水理性質、巖石類型及賦存條件劃分，路線區內地下水類型主要為第四系松散巖類孔隙水、基巖裂隙水、巖溶水[2]。地下水主要靠大氣降水和地表水補給。

4 棄土場現狀及物理力學參數

4.1 棄土場現狀調查

該棄土場內棄渣未達到設計填筑高度，但已有一定的棄土量。主要成分為黏性土、泥巖、砂巖、少量碎石。施工現場暫無淺表層溜坍跡象；截洪溝、擋渣墻還在施工中。棄土場剖面圖見圖1。

圖1 棄土場剖面設計(單位:m)

4.2 物理力學參數

棄土體的物理參數主要包括土體的天然重度、內摩擦角、粘聚力等，可通過現場試驗和室內大型直剪試驗得知，原始邊坡的物理力學參數可由該位置勘察設計成果提供的巖土參數，物理參數見表1。

5 棄土場穩定性分析與評價

5.1 棄土場穩定性影響因素

棄土場穩定性的穩定性主要取決于棄土的物理力學性質、棄土場地基的傾角及其巖土性質、棄土工藝和棄土場邊坡高度以及水文地質條件，具體為：

表1 棄土場邊坡物理力學參數

(1)棄土的物理力學性質：棄土容重隨著棄土堆高度的增加而增大，而棄土的黏結力和內摩擦角通常也隨密度的增加而增大，棄土場的穩定性會有所提高。

以上測定均取3次獨立實驗結果的平均值，數據用平均值 ± 標準差(SD)表示。使用Origin 9.0軟件對數據進行雙總體t檢驗。差異顯著性以P < 0.05表示。

(2)棄土場地基的傾角及其巖土性質：棄土場的穩定性受原始坡面的地形坡度影響。

(3)棄土工藝和棄土場邊坡高度：棄土堆放工藝不同，則棄土場受到的荷載不同，得到壓實程度不同。棄土場高度對穩定性評價影響明顯，當棄土場高度較高時，容易在堆積的填土內產生內部滑動面。

(4)棄土場水文地質條件：地表水和地下水的存在，不僅會造成棄土場基地存在很大的靜水壓力，提高棄土材料的飽和度，增大下滑力，而且會降低棄土體的強度指標[3]。

5.2 棄土場破壞模式

根據前人對棄土場進行過的大量研究[4]，通過對工程地質勘查與分析，在棄土場滑坡中，按滑動面位置及其滑動產生的原因，可以將棄土場的滑坡分為四類：棄土場內部滑動面的滑坡；沿基底接觸面的滑坡；沿地基軟弱層的滑坡和沿棄土場表層局部坍塌和錯動。

5.3 棄土場計算工況與計算模型

棄土場所在區域抗震烈度為8度，基本地震加速度為0.20g，根據規范要求[5]，地震烈度為六度及以上地區，應研究分析地震對邊坡穩定性的影響，因此本次計算設置三種工況：

(1)一般工況對應的天然狀態下邊坡穩定性；計算參數選用天然狀態下的容重、粘聚力和內摩擦角。

(2)暴雨工況對應的邊坡穩定性；連續暴雨條件，土體達到飽和，計算參數選用飽和狀態下的容重、粘聚力和內摩擦角。

(3)地震工況對應的邊坡穩定性(該地區抗震設防烈度為8度，基本地震加速度為0.2g)。

5.4 棄土場局部穩定性分析

極限平衡法的邊坡穩定分析是最早應用并直至目前仍然普遍使用的一種定量方法。將有滑動趨勢范圍內的邊坡巖體按照某種規則劃分為一系列的小塊體，通過建立塊體的力和力矩平衡條件進行邊坡分析[6]。目前，常用的方法有：Morgenstern-Price法，簡化Bishop法，Fellenius法， Sarma法，Janbu法， Spencer法和傳遞系數法等。棄土場土體類型多為黏性土夾少量碎石，邊坡滑裂面多以圓弧形為主，因此本文以適用于圓弧滑動的Bishop法和適用任意滑面的Morgenster-Price法來分析計算棄土場邊坡的穩定性。穩定性計算結果見表2，局部滑裂面見圖2～圖4。

表2 棄土體局部穩定性安全系數

圖2 天然工況下棄土體邊坡最危險滑弧計算

圖3 暴雨工況下棄土體邊坡最危險滑弧計算

圖4 地震工況下棄土體邊坡最危險滑弧計算

由表2可知，棄土場邊坡在正常工況和非正常工況下安全系數Fs≥Fst，邊坡處于穩定狀態。最危險滑弧均在攔渣壩右方淺層土層，不會從擋渣墻上方剪出，對周圍環境不存在潛在危險。

5.5 棄土場整體穩定性分析

棄土場邊坡穩定性包含局部棄土的平衡穩定和整體邊坡穩定，既不會從堆砌體內部滑移，也不會從滑床內部滑移。由于組成滑床的主要成分為泥巖和砂巖，固結度較低，滑移面仍以圓弧滑動為主，因此，分析方法同樣采用Morgenster-Price法和Bishop法。棄土場整體穩定性計算結果見表3。整體滑移面見圖5～圖7。

圖5 天然工況下整體邊坡最危險滑弧計算

圖6 暴雨工況下整體邊坡最危險滑弧計算

圖7 地震工況下整體邊坡最危險滑弧計算

由表3可知，棄土場邊坡正常工況和暴雨工況下安全系數Fs>Fst，邊坡處于穩定狀態，不會對周圍環境產生潛在危險，但是在地震工況下，邊坡處理臨界狀態，仍需注意不能過量堆載。

表3 棄土場整體穩定性安全系數

Morgenster-Price法在一般條分法的基礎上，不但考慮了法向力與切向力的平衡，而且還考慮了每一土條力矩的平衡，適用于任意形狀的滑面。Bishop法考慮條塊的力矩平衡而不考慮條塊的靜力平衡，適用于圓弧形滑坡。因此，通過兩種方法對邊坡穩定性進行計算，計算的安全系數基本一致，結果可靠。

5.6 棄土場邊坡穩定性評價

通過Geo-Studio軟件SLOP/W模塊對棄土場整體和局部穩定性進行計算[7]，結果表明棄土場在正常工況和暴雨工況下的安全系數均大于1.30，地震工況下安全系數均大于1，邊坡處于穩定狀態，出現局部滑移和整體滑移的可能性較低，可以按照設計要求進行堆積棄土。

6 結論

本文通過資料分析、現場踏勘以及建模分析，對寧蒗至永勝高速公路路線K55+600右側30 m處棄土場的穩定性進行分析評價，得出以下結論：

(1)寧蒗至永勝高速公路8號棄土場場地危險性評估結果為安全；該棄土場建設用地的適宜性為基本適宜，棄土場建設方案及主體防護工程設計合理。綜合判定該棄土場建設安全性評估結果為安全。

(2)棄土場邊坡主要由第四系坡殘積黏性土夾碎石和紫紅色泥巖，砂巖組成，壓實度較高，固結度較低，表層分化成土狀，建議做好坡面的綠化及排水工程，防止水土流失，定期對棄土堆進行經常性維護。

(3)通過Geo Studio軟件對棄土體邊坡定量分析，結果表明棄土場在正常工況和非正常工況下的安全系數均大于臨界條件，不會出現局部滑移和整體失穩的情況，但是棄土場在地震工況下的整體安全系數仍處于臨界狀態，仍需注意棄土場的堆積量，不能過量堆載。