多維度棄渣場穩定性評估研究

常志兵 黃斌 劉洋洋 張愛靜

摘要：為了科學合理地評價南水北調中線干線工程棄渣場的穩定性，減少水土流失對周圍環境的影響，以南水北調中線工程陶岔至沙河以南段為例，對該段52個棄渣場的穩定性進行了多維度評估，分別運用剛體極限平衡法和強度折減法對其中5個棄渣場進行計算，并用FLAC3D軟件分析了正常工況、降雨工況和地震工況及有無格構-插筋護坡系統對棄渣場邊坡穩定性的影響。結果表明：所有棄渣場的邊坡穩定性均達到規定值，符合邊坡安全穩定性要求;有格構-插筋護坡系統的棄渣場在不同工況下都有較好的安全穩定性。所使用的多維度棄渣場穩定性評估方法能夠科學合理地評估南水北調中線干線工程棄渣場邊坡的穩定性，對類似工程建設評估具有借鑒意義。

關鍵詞：棄渣場穩定性; 多維度評估; 南水北調中線工程; 陶岔至沙河南

中圖法分類號：TV68 文獻標志碼：A DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2022.04.011

文章編號：1006 - 0081（2022）04 - 0067 - 07

0 引 言

南水北調中線干線工程從丹江口水庫陶岔引水，跨長江、淮河、黃河、海河四大流域，總干渠途經河南、河北、天津、北京等4省（直轄市）的53個市縣，穿越大小河流655條，至終點北京市團城湖，全長1 432 km。工程以2010年為規劃水平年，工程任務以北京、天津、河北、河南等省（直轄市）的城市生活、工業供水為主，兼顧生態和農業用水。

南水北調工程施工建設會對原地貌造成大范圍的擾動，產生大量棄渣土;由棄渣土堆積而成的棄渣場結構疏松、坡面陡峭[1]。這些棄渣場在實際建設過程中容易發生事故，對人的生命安全造成了很大的威脅[2]。另外，棄渣場所引起的水土流失會對其周圍環境造成惡劣影響。為保護環境、減輕水土流失、保障棄渣場的安全，需要對棄渣場進行穩定性評估[3]。自2005年開始，科學、正確評估棄渣場的安全穩定性是水土保持專項驗收的重要技術保障和必不可少的內容[4-5]。

對棄渣場邊坡穩定性進行治理和研究具有重要的學術和工程意義[6-7]。在棄渣場堆積階段，棄渣場破壞變形的表現形式為失穩和坍塌。如果讓棄渣場保持良好的復耕狀態，對棄渣場的穩定性進行科學合理的評估和監測，可保障棄渣場長期整體穩定性[8]。南水北調中線陶岔至沙河以南段棄渣場共有52個，其規模大、數量多，堆積形式多樣。通過分析不同類型棄渣場在不同工況下的穩定性指數、多維度評估其穩定性，可對南水北調工程的棄渣場邊坡穩定性做出科學可靠的評估，并為其他水利工程棄渣場邊坡穩定性評估提供參考。

1 項目概況

南水北調中線一期工程陶岔至沙河以南段總干渠位于河南省南陽市境內，起自于河南省淅川縣陶岔渠首（樁號K0+300），至后三里河村西北的三里河北岸、方城縣與葉縣交界處（樁號K185+545），全長185.245 km。位于南陽市境內的陶岔至沙河以南段總干渠，主要包括淅川縣段、南陽市段、南陽市膨脹土試驗段、鎮平縣段和方城縣段。在該段的52個棄渣場中，淅川縣段棄渣場共14個，鎮平縣段棄渣場共11個，南陽市段棄渣場共8個，南陽膨脹土試驗段棄渣場共2個，方城縣段棄渣場共17個。該段總干渠占整個南水北調一期總干渠長度的13.05%，此標段范圍內采用明渠輸水，沿線共布置各類大小建筑物315座。根據地方配套工程規劃，復核了該段總干渠分段流量規模，渠首樁號K0+000至K44+504段設計流量350 m3/s，加大流量420 m3/s;方城段終點設計水位135.717 m，設計流量330 m3/s，加大流量400 m3/s。

該段位于秦祁褶皺系一級構造單元的南襄拗陷二級構造單元北部。新構造運動分區主要屬秦嶺-大別山隆起區，構造形跡隱伏于第四系覆蓋層下，其主要斷裂走向為北西西向，呈一般隱伏狀橫穿渠線。項目區地處北亞熱帶北緣，受季風進退影響，四季分明，夏季炎熱潮濕，冬季干燥寒冷，多年平均氣溫14.4 ℃～15.1 ℃，多年平均風速1.9～3.1 m/s，多年平均年降雨量703～816 mm，交叉河流的洪水由暴雨形成。該區域在中國森林植被分區上為北亞熱帶常綠闊葉、落葉闊葉混交林帶，地帶性植被以殼斗科、松科等落葉和常綠種為主構成。項目區內土壤以黃棕壤為主，其次是潮土、砂姜黑土，局部分布有棕壤、紫色土、褐土、水稻土、紅黏土、石質土及粗骨土等，棄渣主要由弱-中膨脹土、碎石土等組成。根據SL 190-2007《土壤侵蝕分類分級標準》，該區屬北方土石山區，水土流失相對較輕，土壤侵蝕等級以輕度為主，但生態環境較為脆弱。

2 棄渣場穩定性評估方法

2.1 計算方法

一般采用剛體極限平衡法評估棄渣場穩定性，對于部分鋼筋混凝土框格加固的棄渣場則采用強度折減法。詳細計算方法參考秦鵬飛[9]的論述，并參照GB 51018-2014《水土保持工程設計規范》，采用FLAC3D計算分析。

2.1.1 剛體極限平衡法

該方法通過分析渣體在破壞時的臨界平衡條件來求解安全系數。簡化畢肖普法、瑞典圓弧法、改進圓弧法、摩根斯頓-普賴斯法[10]是工程中分析邊坡穩定問題常用的幾種極限平衡方法。使用摩爾-庫倫破壞準則計算，即：

[τf=c+σtanφ=c+（σ-u）tanφ]? ? ?（1）

式中：[τf]為破壞面上的剪應力，kPa;[c] 為渣體的有效黏聚力，kPa; [σ] 為破壞面上的法向有效應力，kN;[σ] 為破壞面上的法向總應力，kN;[φ]為渣體的有效內摩擦角，（°）。

2.1.2 強度折減法

本工程段棄渣場加固方案中，局部滑坡區采取了鋼筋混凝土格構-插筋系統[11]護坡，需采取強度折減法進行評估。通過快速拉格朗日差分軟件FLAC3D[12]建立邊坡三維有限元模型，采用強度折減法模擬格構-錨桿框架系統實施前后的膨脹土邊坡穩定情況。強度折減法的要點是利用下列公式來調整巖土體的強度指標黏聚力c和內摩擦角φ，然后對邊坡穩定性進行數值分析，通過不斷地增加折減系數，反復計算，直至達到臨界破壞狀態，此時得到的折減系數即為安全系數Fs。

cF = c/Ftrial? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （2）

[φF=tan-1（（tanφ）/Ftrial）]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（3）

式中：cF為折減后的黏聚力，φF為折減后的內摩擦角，Ftrial為折減系數。

2.2 計算工況

計算工況分為正常運用工況和非正常運用工況。正常運用工況是棄渣場處于最終棄渣狀態，結合現場查勘情況以及平地型棄渣場特點，不考慮渣體內穩定滲流。

非正常運用工況又分為地震工況和連續降雨工況。 地震工況是棄渣場在正常運用條件下遭遇Ⅶ度以上（含Ⅶ度）地震。大莊村棄渣場B區位于地震Ⅶ度區，考慮地震工況，地震加速度0.1 g;本文中其余棄渣場位于地震Ⅶ度區以下，故不考慮地震工況。連續降雨工況是各棄渣場均計算連續降雨期間棄渣場的抗滑穩定情況。

2.3 計算參數

該段的棄渣土主要由粉質黏土、粉質壤土、砂性土、砂礫巖、礫質土和建筑垃圾（石塊及混凝土塊）等組成，棄渣場巖（土）體物理力學性質參數主要有重度、黏聚力、內摩擦角[13]等，實驗土體樣的采取參考GB 50021-2009《巖土工程勘察規范》、GB 50487-2008《水利水電工程地質勘察規范》和GB/T 51297-2018《水土保持工程調查與勘測標準》等，并將采取的土體進行室內土工試驗[14]以得到準確可靠的參數。本文所選取的棄渣場詳細計算參數如表1～4所示。

2.4 棄渣場防護措施

本文所選取的5個棄渣場的防護措施如表5所示，其中對于大莊村棄渣場B區的局部滑坡區，采取了鋼筋混凝土格構-插筋系統護坡的加固方案。棄渣場防護具體設計技術標準參考（水咨環移[2018]25號）《南水北調中線一期工程（陶岔渠首至古運河以南段）棄渣場穩定性評估技術規定》，棄渣場防護措施標準按照批復設計文件執行。

3 棄渣場穩定性分析

52個棄渣場中，共有18個棄渣場為回填取料場和坑塘，不會發生渣體塌滑等情況，故不對其做穩定性分析。另26個棄渣場經一般勘察和調查，堆渣高度均不高，不存在軟弱夾層，且地形相對平緩，不會發生整體滑動;剩下的8個棄渣場中，下部均不存在軟弱夾層，且場地坡度較小，不會發生整體滑動，但部分棄渣場的局部堆渣坡面為松散的散粒結構體，易形成局部較小的崩塌和滑動。

詳勘的8個棄渣場中：廢棄石膏坑棄渣場、大莊村棄渣場A區、大莊村棄渣場B區及十里廟棄渣場均位于地震Ⅶ度區，且邊坡穩定性較差，容易產生滑坡等現象，加固方案中局部滑坡區采用了鋼筋混凝土人字形格構護坡，故本文以其中安全穩定性最低的大莊村棄渣場B區為例，用強度折減法對其進行分析;而劉溝棄渣場、小薛崗棄渣場、八里岔棄渣場、張莊棄渣場沒有用鋼筋混凝土格構加固，處于地震帶上，下部均不存在軟弱夾層，但自身邊坡穩定性較差，故本文以此4個棄渣場為例，用剛體極限平衡法對其進行穩定性分析。

3.1 剛體極限平衡法對棄渣場的穩定性計算

3.1.1 計算模型

經詳勘的4個棄渣場的計算斷面如圖1～4所示。棄渣體為混合料，假定渣體渣料單一均勻。以堆渣邊坡和最大堆高作為基本參數建立相應模型，將基礎地層簡化為一層，劉溝和小薛崗棄渣場上部直接簡化為棄渣體，八里岔和張莊棄渣場中間還夾雜碎礫石土。分別通過剛體極限平衡法計算4個棄渣場穩定性。

3.1.2 計算結果

由表6可知，劉溝棄渣場、小薛崗棄渣場、八里岔棄渣場和張莊棄渣場的堆渣邊坡在正常工況下的穩定性指數比規范值高很多，在連續降雨工況下穩定性指數也均滿足規范的要求。因此，4個堆渣體均能滿足邊坡穩定要求，安全穩定性較好。分析認為，降雨工況下，雨水會滲入棄渣土，降低非飽和土的基質吸力，使邊坡安全穩定性降低[15];當雨水滲透到一定深度時，便會使土體含水量增加，強度指標降低，棄渣場失穩[16]。若對棄渣場采取多種防護措施，減少雨水滲流，則經過長時間的自然沉降和外力碾壓，棄渣體會趨于更加穩定的狀態[17]。

3.2 強度折減法對堆渣邊坡的穩定性計算

3.2.1 計算模型

考慮各棄渣場的堆渣邊坡現狀和修整后的邊坡坡比，以大莊村棄渣場B區為典型進行分析計算，假定渣體渣料單一均勻。加固膨脹土邊坡高度為8～15 m，坡比范圍1∶2～1∶3。選擇最危險的狀況，即計算模型邊坡高15 m，坡比按1∶2進行模擬。模型寬度取三排人字形格構梁寬度16.8 m，該模型單元計算結果可反映邊坡整體現狀。為對比分析格構-插筋系統對邊坡穩定的影響，分別建立無支護邊坡模型和格構-插筋支護邊坡模型，如圖5所示。采用Beamset格構梁、Cableset錨桿，格構和插筋采用剛性連接，插筋直徑為28 mm，坡底兩層插筋長9.0 m，其余長6.0 m。

3.2.2 計算結果

模擬計算結果如圖6～8所示。當大莊村棄渣場B區的邊坡處于不施加支護體系的自然狀態，其正常工況、降雨工況、地震工況下的安全系數分別為1.19， 0.93， 1.03;當邊坡施加支護體系后，正常工況、降雨工況、地震工況下的安全系數分別為1.53， 1.19， 1.32。根據計算結果分析如下。

當邊坡處于自然狀態、不施加防護，各工況下的邊坡安全系數較低，均不滿足規范要求;對邊坡施加支護體系后，邊坡安全系數明顯提高，各工況均滿足規范要求;可見施加格構-插筋支護措施能夠有效減小地震和降雨對邊坡帶來的不利影響，對邊坡穩定性的提高有較大作用。這與馬磊[18]所研究的結論基本一致，合理應用抗滑樁可以提高邊坡穩定性。隨著土體c，φ值下降，混凝土-插筋支護體系提升邊坡穩定性的效果會逐漸減弱[19]，因此在施加支護體系的同時，還要做好相應的排水措施。

4 結論與建議

（1） 南水北調中線陶岔渠首至沙河以南段的52個棄渣場中，有18個棄渣場為回填取料場和坑塘，不存在邊坡失穩的問題;26個棄渣場經一般勘察，穩定性較好，均達到要求;8個棄渣場經詳細勘察，邊坡穩定性也都達到要求。

（2） 降雨工況下邊坡穩定性較差，雨水滲流對棄渣場穩定性有較大影響。對未用鋼筋混凝土框格加固的劉溝棄渣場、小薛崗棄渣場、八里岔棄渣場和張莊棄渣場的剛體極限平衡法穩定性分析結果表明，4個棄渣場正常工況下的穩定性數值均比降雨工況下的高。

（3） 施加格構-插筋支護措施能夠有效提高邊坡穩定性，降低地震和降雨工況對棄渣場穩定的不利影響。對用鋼筋混凝土框格加固的大莊村棄渣場B區進行強度折減法邊坡穩定性分析的結果表明：自然狀態下的渣場比施加支護體系的渣場在不同工況下的邊坡穩定性都要低;且在施加和未施加支護體系狀態下，渣場邊坡穩定性從高到低依次為正常工況、地震工況和降雨工況。施加格構-插筋支護對邊坡穩定性的提高有較大作用。但是隨著時間的推移，在重力作用下，當邊坡的下滑力超過其強度，或支護結構強度不足以抵抗下滑力時，邊坡會失去其穩定性，因此還需要采取多種措施相結合的方式來保障棄渣場的長久穩定。

（4） 關于南水北調中線陶岔至沙河以南段棄渣場的防護措施，建議在運行過程中加強截排水溝的清理、修復等維護，若棄渣場的現狀條件改變，則建議重新對棄渣場的穩定性進行評估。該段52個棄渣場防護措施均較為完善，但部分棄渣場的防護措施對棄渣場的穩定有一定影響，建議加強運行期間對各棄渣場的管護，禁止坡面毀林開墾、濫采亂挖等行為，確保棄渣場水土保持措施完整且正常運行，避免影響棄渣場邊坡穩定性。對于工況復雜、安全隱患大的棄渣場可用格構-插筋支護系統處理，以提高棄渣場的穩定性，降低安全風險。

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（編輯：高小雲）

Multi-perspectives stability evaluation of spoil disposal yard

—— taking Taocha-Shahenan section of Middle Route Project of

South-to-North Water Diversion as an example

CHANG Zhibing1， HUANG Bin2， LIU Yangyang1， ZHANG Aijing1

（1. South-to-North Water Transfer Middle Route Engineering Construction Administration， Beijing 100038， China; 2. Changjiang Institute of Survey， Planning， Design and Research Co. Ltd.， Wuhan 430071， China）

Abstract：In order to scientifically and reasonably evaluate the stability of the spoil disposal yard of Middle Route Project of South-to-North Water Diversion and reduce the impact of soil and water loss on the surrounding environment， the Taocha-Shahenan section of the Middle Route Projec tof South-to-North Water Diversion was taken as an example for research. The stability of 52 spoil disposal yards in this section were evaluated with multi-perspectives， and 5 spoil disposal yards of them were selected and were calculated by rigid body limit equilibrium method and strength reduction method respectively. FLAC3D software was used to analyze the influence of normal working condition， rainfall condition and earthquake condition， as well as the presence or absence of lattice joint reinforcement slope protection system on the slope stability of spoil disposal yards. The results showed that： the slope stability of all spoil disposal yard reached the specified value and met the requirements of slope safety and stability， and the spoil disposal yard with lattice reinforced slope protection system was safe and stable under different working conditions. The multi-perspectives stability evaluation method of spoil disposal yard used in this paper could scientifically and reasonably evaluate the slope stability of spoil disposal yard for the middle Route Project of South-to-North Water Diversion ，so as to improve the stability of spoil disposal yard. It could also be a reference for the construction evaluation of other water conservancy projects.

Key words： stability of spoil disposal yard; multi-perspectives; Middle Route Project of South-to-North Water Diversion; Taocha-Shahenan section