渣土填埋場滑坡風險等級評估＊
——以杭州某渣土場為例

張 帥，王帥茸，雷孟麟，代 聰，詹良通

（浙江大學建筑工程學院，浙江 杭州 310058）

0 引言

城鎮化快速發展產生了巨量的工程渣土。據統計，我國工程渣土堆積量在1.0×1010t 以上，每年以超過3.0×108t 的速度增長［1］。渣土類型復雜，多堆填處置。然而，由于不健全的渣土場風險管控體系，堆填速度快、超容量堆填等不規范的處置方式時有發生，極易造成堆填場失穩［2］。2009年7 月24 日，四川康定縣某棄渣場發生了1 起由于強降雨導致的特大滑坡災害，導致54 人死亡［3］。2015 年12 月20 日，深圳光明新區渣土場發生1 起災難性滑坡，導致33 棟建筑物被毀，77人死亡［4］。2022 年6 月4 日，貴州1 輛移動的高速列車撞擊上由不規范堆積的渣土引起的泥石流堆積物，該事件導致1 名司機死亡，12 人受傷［5］。

滑坡是渣土場失穩的主要災害形式。針對天然滑坡，其誘發因素主要為降雨和地震，渣土場滑坡則還受到工程措施和渣土自身性質的影響［2］，例如，渣土場在未壓實和快速堆填情況下，堆積土體呈現松散、壓實度低和固結程度差的特點［2］；在盲溝等排水設施不完善的情況下，可能會出現超靜孔隙水壓力，降低堆體內有效應力和抗剪強度［4］，增加失穩風險；同時，拋填的渣土性質各異，空間分布復雜［6］，渣土物理參數在時間上也會隨著自身的固結沉降不斷改變；而且對于高含水率的渣土，其摩擦角小，邊坡失穩后的流動性很強［7］，滑坡風險很難把握。因此，多重因素會對渣土場滑坡產生影響，使渣土場滑坡風險評估變得復雜。

目前很少有研究能綜合地進行渣土場滑坡風險評估，而多針對邊坡穩定性、運移距離等風險評估的各個子項進行分析，例如，Xu 等［8］考慮不同的浸潤線水位對深圳光明渣土場進行了穩定性分析；Ouyang 等［9］利用深度積分法，考慮孔壓系數重新模擬了深圳光明滑坡的運移過程；Liu 等［7］通過模擬深圳光明滑坡與建筑物的沖擊過程，量化了建筑物的易損性。少部分綜合的渣土場風險評估研究僅將來自表層環境的致災因子作為風險評估的關注點，未能反映滑坡風險評估的物理過程，例如，欒婷婷等［10］應用未確知測度理論，選取坡度、降雨量、下游人數和財產等指標，建立了礦山排土場的滑坡風險評價模型；Che 等［11］基于徑流系數和集水區面積，利用遙感技術建立了鐵礦堆場的安全風險評估方法。考慮到渣土場滑坡風險評估的復雜性和需求的迫切性，本研究的主要目的是建立一種集成的渣土場滑坡風險評估實用性方法，將渣土特性和滑坡特點考慮在滑坡風險評估的各個物理過程中，并為提升渣土場風險防控，提出風險管控的相關對策，最后以杭州某渣土場為例，詳細說明該評估方法在實際場地的應用。

1 評估方法

渣土場滑坡風險評估可分成危險性分析、危害性分析和風險評估3 個流程［6］。危險性分析主要包括失穩概率評估和滑坡影響范圍分析［12-13］。危害性指易損性指標與承災體價值的乘積，易損性指標為承災體在某強度災害破壞下的物理損傷程度［14-15］，表征范圍為0～1。承災體為受滑坡潛在影響的人員、建筑物和基礎設施等。

1.1 危險性分析

1.1.1 失穩概率評估

渣土場邊坡失穩概率評估與邊坡穩定性分析相關，失穩概率可以通過考慮土體參數的變異性或者降雨等誘發因素的不確定性，利用可靠度分析方法來評估［6，16-17］，但失穩概率求解需要詳細地表征土參數空間分布的統計數據，并且計算非常消耗時間，不利于工程應用。本研究根據確定性穩定性分析結果來建立安全系數與失穩概率的關系，GB 50330—2013 建筑邊坡工程技術規范［18］規定了4 種邊坡穩定性狀態，在此基礎上，確定各安全系數對應的失穩概率等級，見表1。

表1 邊坡失穩概率等級劃分［18］Table 1 Classification of failure probability levels of slope［18］

渣土場邊坡穩定性分析需考慮孔壓對安全系數計算的影響，由于堆填體可能受到快速施工等因素影響處于不固結不排水狀態，產生的孔壓會降低有效應力和抗剪強度，削弱邊坡穩定性［4］。但堆填體內部孔壓存在時間和空間上的變化，如果沒有足夠且持續的勘查數據，無法掌握堆體內部孔壓分布以及浸潤線水位，則可以利用總應力法進行邊坡穩定性分析。部分渣土場坡面存在臺階和拐角，復雜的坡面形式導致在三維空間上存在對邊坡安全響應有影響的凹形夾持或凸形發散效應［20］，使二維邊坡穩定性分析不能反映實際情況，對形狀復雜的渣土場需開展三維穩定性分析。安全系數求解方法可采用有限元法、有限差分法或簡化Bishop 法、Morgenstern-Price 法。

1.1.2 滑坡影響范圍評估

滑坡影響范圍評估是圈定承災體危害性分析范圍的關鍵，常基于經驗統計的方法進行估計。經驗統計法指表征滑坡基本特征（如坡高、體積、坡角）與運動距離關系的經驗公式［12］。由于渣土場等固廢滑坡通常具有很強的流動能力［7］，Hunter 等［21］統計了56 個高速遠程的固廢堆填場滑坡案例，發現滑坡接觸角的正切值tanα與滑源下部邊坡坡角的正切值tanβ存在相關關系，如式（1）所示。

式中：H和L分別為滑源最高點到最遠運移點的豎直高度與水平距離；ε為殘差，其均值為0，標準差為0.068。進行渣土場滑坡運移距離估算時，可生成1 組ε的隨機變量，根據H和β進行運移距離L的估計［22］。

1.2 危害性分析

危害性分析包括易損性指標確定和承災體價值估算。易損性定量評估非常復雜，多采用定性評估，根據工程經驗、專家判別和對已有災害損失的統計分析，對各類承災體進行易損性賦值。本研究易損性指標參考地質災害風險調查評價技術要求（1∶50 000）［23］中的易損性建議值，見表2。

表2 滑坡影響范圍內易損性指標建議值［23］Table 2 Suggestion value of vulnerability index in the landslide-affecting area［23］

上述承災體可分為兩類：一是以經濟損失為價值的建筑物承災體，包括表2 中的房屋、交通設施和重要工程；二是以傷亡數量為價值的人員承災體。需要指出由于建筑物等內部的一些資源設施的易損性指標和經濟價值很難估計［24］，且缺乏研究支撐，本研究暫未將其考慮在內。建筑物承災體經濟價值依據工作區的經濟水平確定。人員承災體價值以影響區內的人口數量確定。確定承災體價值和易損性指標后，相乘得到兩類承災體的危害結果。根據工作區地質災害危害性接受準則，可對危害結果進行分級。本研究結合地質災害防治條例［25］中規定的地質災害分級，給出渣土場滑坡危害性等級劃分建議，見表3。如果人員與建筑物承災體都存在，可取兩類承災體中危害等級高的類型參與后續風險評價。

表3 渣土場滑坡危害性等級劃分建議［25］Table 3 Suggestion for damage levels classification of landslides in landfill［25］

1.3 風險評估

在滑坡風險評估方法中，風險評估矩陣是一種實用方法［12］。根據上文建立的邊坡失穩概率等級和危害性等級的4 級分類標準，并參考諸多風險等級劃分研究［12-13，23］，建立一種4×4 的渣土場滑坡風險等級劃分矩陣，見表4。該方法在案例分析中可操作性強、簡單實用，例如，當渣土場邊坡失穩概率等級為中、危害性等級為低時，渣土場滑坡風險評級為低等級。

表4 渣土場滑坡風險評價建議Table 4 Suggestion of landslide risk assessment for landfill

1.4 風險管控

滑坡風險管控是在滑坡風險分析與評估的基礎上，采用適宜的管控措施，最大程度地降低風險的管理過程。渣土場滑坡風險管控貫穿渣土場建設的全過程，涉及渣土場選址、建設和治理、監測和預警、應急響應4 個部分。

1）渣土場選址：恰當的渣土場選址能規避后期渣土場產生高等級的滑坡風險。渣土場應選擇良好的地形條件，如深坑型、凹地型、平地型，避免選擇坡地型和溝谷型；應避開不良地質條件，如滑坡、泥石流、塌陷、軟弱地層等；應選擇補排水條件良好以及地下富水性較差的場地。選址應避開密集城鎮區域，保證周邊環境的承災體價值低。

2）建設和治理：渣土場各項設施建設應符合相關規定，建設中及封場前應進行滑坡風險評估，根據評估結果采取相應治理措施，如通過改善邊坡支擋手段（增加擋墻、抗滑樁、錨桿等）來增強擋土結構抵抗能力；完善地表水截排（增加截水溝和排水渠）和地下水導排（增加盲溝、涵管）設施。

3）監測和預警：在雨季，堆體內浸潤線短時間升高，導致滑坡風險等級提升。為應對短時間內滑坡風險陡增的情況，應對堆體內水位和孔壓進行監測，對堆填體、擋土結構表面和深層水平位移進行監測，當相關指標超過對應閾值時，應向有關部門發出預警。

4）應急響應：收到預警后，應根據滑坡影響范圍內的承災體情況制定災害的應急措施，明確巡邏方案、人員疏散路線、搶險救災措施以及組織機構和搶險救災隊伍等。該應災預案在平時應對公眾進行宣傳，提高群眾的防災意識和滑坡來臨下的自救能力。

2 研究案例

杭州正處于基礎設施建設的忙碌期，亞運會建設以來，城市地鐵全面開建，亞運場館持續落地，從2014 年至2022 年產生渣土總量約7.0×108m3，其中2019 年渣土量約高達1.6×108m3［26］。地鐵開挖的淤泥質土是杭州渣土的主要成分。淤泥質土含水量大、強度低，本研究場地主要堆填此種渣土。該渣土場位于杭州市臨安區，渣土運轉由下游1 條二級公路（A 線）承擔，見圖1（a）。場區占地面積約46 000 m2，分為堆渣區域和擋渣壩，西北側3 個點用于傾倒廢土。設計堆填量為7.0×105m3，2020 年12 月填埋至3.0×105m3，2021年12 月填埋完成，分別見圖1（b）和圖1（c）。根據GB 51018—2014［19］中棄渣場分級規定，該渣土場工程安全等級為二級。由于該渣土場堆填的淤泥質土抗剪強度低、方量大，一旦發生滑坡，可能破壞下游的A 線公路，威脅乘車人員的生命，須明確渣土場在堆填結束后的滑坡風險程度。

圖1 杭州某渣土場Figure 1 A landfill in Hangzhou

3 結果與討論

該渣土場滑坡風險評估分為危險性分析、危害性分析以及風險評估3 部分。

3.1 危險性分析

3.1.1 失穩概率等級評估

考慮到該渣土場坡面形狀復雜，本研究基于無人機航測的三維數字高程模型（DEM）進行三維邊坡穩定性分析，圖2 為2021 年12 月獲取的堆填結束后的DEM。根據前期場地鉆孔勘察范圍，將擋渣壩和大部分堆渣區域作為穩定性分析的研究區域（115 m×350 m），見圖2 和圖1（c）中的黑色方框。

圖2 渣土場數字高程模型Figure 2 Digital elevation model of the landfill

根據研究區DEM，利用ArcGIS 和Rhino 軟件建立三維表面，結合前期鉆孔勘察得到的地質剖面，生成含有巖土層的三維模型，并導入到FLAC3D中，基于強度折減法進行三維邊坡穩定性分析，結果如圖3 所示。堆渣區主要為淤泥質填土，表層堆填了1 層黏土質填土；擋渣壩內部主要為黏土質填土，外部主要為碎石夾黏土質填土，場區底部為中風化粉砂巖。

圖3 渣土場研究區域三維邊坡模型Figure 3 3D slope model of the landfill study area

根據前期場地勘察結果，堆填場內沒有承壓水出現，主要堆填的淤泥質土含水量大，平均含水率為41.4%，滲透系數小。對此，考慮不固結不排水情況，進行各種填土原狀樣下的快速直剪試驗，確定正常工況下的抗剪強度；考慮研究區可能受到降雨影響，對各種填土飽和工況下進行快速直剪試驗，并確定強度指標。體積模量和剪切模量由楊氏模量和泊松比轉換而來，各個土層的楊氏模量和泊松比參考文獻［27-30］。根據GB 51018—2014［19］規定，將正常工況和飽和工況作為正常和非正常運行兩種情況，利用總應力法進行邊坡穩定性分析。兩種工況下各土體參數見表5。

表5 兩種工況下各土體參數Table 5 Parameters of each soil layer in two conditions

圖3 模型坡面設自由邊界，底部設固定約束，四周設側向約束，賦予各材料Mohr-Coulomb 本構模型。經計算，正常和非正常工況下的安全系數分別為1.24 和1.06，兩種工況下邊坡滑動面形狀和位置大體一致。圖4（a）為正常工況下三維滑動面分布，滑動面從壩頂后側的堆渣區域滑入，從壩體臺階A 和B 處滑出，滑動面沿邊坡y方向的滑動范圍擴大，如圖4（b）～圖4 （d）所示。3個剖面的滑入位置大體一致，距離壩頂位置約87 m，滑出位置從剖面A-A’至B-B’更加向前發育。根據GB 51018—2014［19］規定，工程安全等級為二級的渣土場在正常和非正常條件下的抗滑穩定安全系數Fst分別為1.30 和1.15。根據表1 關系，兩種工況下邊坡安全系數1.24 和1.06 對應的邊坡失穩概率等級均為中。

圖4 正常工況下渣土場邊坡的滑動面Figure 4 Sliding surface of landfill slope in normal condition

3.1.2 滑坡影響范圍評估

本節根據式（1）確定渣土場滑坡的可能運移距離。渣土場1-1’剖面至下游A 線公路的橫截面簡化示意如圖5（a）所示。考慮兩種工況下滑動面位置一致，假定各自對應的滑坡運移距離相同。滑源區域的高度H約為58 m，滑源下部邊坡坡角β的正切值約為0.3，生成10 000 組ε值，根據式（1），得到可能的運移距離L的頻數分布，如圖5（b）所示。經計算，滑坡運移距離超過A 線公路右側，即L＞（278+21）m 的概率為0.025。在滑坡運移的寬度上，假定滑坡寬度等同于渣土場寬度，即115 m。綜上，一旦該渣土場發生滑坡，有2.5%的概率掩埋長度為115 m 的A 線公路。

圖5 滑坡運移距離Figure 5 Landslide runout distance

3.2 危害性分析

渣土場滑坡承災體主要為下游公路115 m 范圍內的乘車人員和公路。滑坡影響范圍內的乘車人員數量與移動車輛數量有關。在一段距離內，車輛數量服從泊松分布［22］，車輛的平均數量N可以表示為：

式中：γj為車型j的流量密度，計算方法為γj=wj×Q/v，其中wj表示車型j占比，Q為每小時交通密度，即每小時經過該線路的車輛數（輛/h），v為每小時車速（km/h）；la為影響路段的長度，即115 m。

經統計，A 線公路的交通密度Q為309 輛/h，車速v為60 km/h，主要車輛類型為轎車、卡車和面包車，比例分別為0.5、0.2 和0.3。經計算可得出3 種車型在影響路段出現的平均數量，即0.30、0.12 和0.18，考慮每種車輛人員數量分別為4、2、6 人，則對應的人員數量分別為1.20、0.24、1.08人，總人數為2.52 人。考慮人在車輛被掩埋的特殊情況下難以生存，假設人員易損性指標為1.0，另外，由于滑坡運移到A 線公路的概率為2.5%，則可能的平均傷亡人數為2.52×1.0×2.5%=0.063 人（表6）。

表6 渣土場滑坡危害性評估結果Table 6 Evaluation result of landslide hazard in the landfill

根據浙江省物價水平，路基寬為21 m 的二級公路造價約為400～500 萬元/km，則長度為115 m公路的經濟價值約為46.0～57.5 萬元。A 線屬于城市道路，其易損性指標賦值為0.3（表2）。同理考慮2.5%的滑坡影響概率，最后計算的可能公路經濟損失為0.3～0.4 萬元，見表6。最后，根據表3確定人員和公路的危害性等級，兩者均為低。

3.3 風險評估與管控

當正常和非正常條件下渣土場邊坡失穩概率均為中，且滑坡危害性等級為低時，根據表4 確定兩種工況下滑坡風險等級均為低，表明該渣土場對周邊安全隱患小。但在非正常工況下，降雨導致邊坡安全系數降低至1.06，這使滑坡災害風險等級接近中等，為避免強降雨可能引發的滑坡嚴重后果，最好在渣土場潛在滑動面區域設置地下水位、孔壓和變形等監測，時刻把握渣土場的滑坡動態。

4 結論

1）通過將渣土自身特性和滑坡特點考慮在滑坡風險評估的各個物理過程中，建立了一種渣土場滑坡風險等級評估方法，使渣土場邊坡失穩概率等級與危害性等級各分為極高、高、中、低4級，并建立4×4 的風險等級劃分矩陣；提出貫穿渣土場建設全過程的滑坡風險管控對策，涉及渣土場選址、建設和治理、監測和預警、應急響應4個部分。

2）以杭州某渣土場為例，利用該評估方法，對其堆填結束后的風險進行了評估，其中邊坡穩定性分析表明正常和非正常工況下的邊坡安全系數分別為1.24 和1.06，邊坡失穩概率等級均為中；渣土場滑坡影響到下游公路的概率為2.5%，可能造成0.063 人傷亡，0.3～0.4 萬元財產損失，危害性等級為低。最終，兩種工況下的滑坡風險等級均為低。

3）渣土場滑坡風險評估是一個很復雜的過程，以定性和半定量的方式確定滑坡風險等級，在工程應用上更加實用，但還需進一步發展定量的渣土場全概率風險評估方法，量化工程措施等因素對渣土物理性質、失穩概率和滑坡運移距離等的影響，開發出快速的渣土場滑坡風險評估模型。