潘一茜，胡卸文,2

(1.西南交通大學(xué)地球科學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，成都 610031；2.西南交通大學(xué)抗震工程技術(shù)四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610031)

近幾十年來(lái)，隨著城市和基礎(chǔ)設(shè)施的快速發(fā)展，導(dǎo)致越來(lái)越多的建筑固體廢物(CSW)棄渣場(chǎng)進(jìn)行堆放。由于巖土工程風(fēng)險(xiǎn)控制意識(shí)不夠，世界各地發(fā)生了許多棄渣場(chǎng)滑坡事件[1,2]，由此反映了保障棄渣場(chǎng)選址、施工和運(yùn)營(yíng)安全的重要性。棄渣堆積體邊坡滑動(dòng)的原因一般有兩種，一是由于外力作用破壞了堆積體原有的極限平衡狀態(tài)[3]，如路塹開(kāi)挖、路堤填筑、礦坑開(kāi)采等造成土體自重發(fā)生改變而發(fā)生失穩(wěn)變形；二是由于氣候因素的改變導(dǎo)致土體干濕突變、凍結(jié)融化、體積脹縮等，從而造成土體抗剪強(qiáng)度的降低、抗滑力減小發(fā)生變形破壞[4]。

棄渣堆積體邊坡變形破壞機(jī)理及其穩(wěn)定性的研究涉及散體塊石的組成、土石混合體物理力學(xué)性質(zhì)、最危險(xiǎn)滑動(dòng)面的確定、計(jì)算方法的選取等[5]。棄渣體又是一種特殊的工程體，物料含剝離的表土、爆破的巖石等，粒徑大小不等、級(jí)配較差，物料松散[6]，在堆放過(guò)程中沉降變形逐漸加大，棄渣場(chǎng)滑坡的事例屢見(jiàn)不鮮[7]。因此分析棄渣堆積體邊坡變形破壞特征，揭示其變形破壞機(jī)制，對(duì)該類邊坡治理對(duì)策選擇尤為重要。

西南某水電站塊石料場(chǎng)棄渣堆積體2004年開(kāi)始堆放，石料主要為塊狀-碎裂狀玄武巖，棄渣堆前緣高程2 240 m，后緣高程2 320 m，相對(duì)高差約80 m，初步推算體積約21×104m3。按不同堆放位置，棄渣堆可以分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三個(gè)區(qū)域(圖1)。

該棄渣堆前緣未設(shè)支擋結(jié)構(gòu)，伴隨2008年“5.12”汶川地震和2013年“4.20”蘆山地震以及集中暴雨的影響，在I區(qū)棄渣堆中部因前緣臨空，出現(xiàn)棄渣堆頂部下沉、臨空面坡體發(fā)生溜滑等變形現(xiàn)象，整體可分為四級(jí)變形所形成的錯(cuò)臺(tái)與陡坎，整個(gè)滑坡體范圍內(nèi)可見(jiàn)多處10～30 m的大型裂縫，滑坡兩側(cè)邊界可見(jiàn)明顯剪切錯(cuò)動(dòng)跡象。野外勘查顯示，此類棄渣堆積體邊坡失穩(wěn)與集中降雨觸發(fā)更為密切，因此以I區(qū)棄渣堆積體邊坡為例，系統(tǒng)分析其變形破壞機(jī)制具有重要的實(shí)踐意義和示范價(jià)值。

圖1 某水電站棄渣堆航拍全景圖

1 棄渣堆積體邊坡地質(zhì)環(huán)境條件概述

棄渣堆積體邊坡位于某居民集中區(qū)后緣山坡上，原始斜坡中上部為玄武巖基巖，地形坡度50°～60°；棄渣堆放部位為老崩坡積堆積塊碎石土，地形坡度25°～35°，推測(cè)松散層厚度一般5～20 m不等，局部可達(dá)28.5 m。

受亞熱帶季風(fēng)氣候、西風(fēng)帶氣流影響，場(chǎng)地多年平均降雨量為789.9 mm，最大日降雨量為62.5 mm，年均降雨日數(shù)146.7 d，降雨多集中在5～10月，占全年的85%～90%。

2 棄渣堆積體邊坡變形特征

2.1 邊坡形態(tài)特征

棄渣堆積體位于半節(jié)子溝一側(cè)右岸，空間分布呈不規(guī)則長(zhǎng)條狀(圖1、圖2)，地形坡度平均25°，其前緣高程2 240 m，后緣高程2 320 m，相對(duì)高差約80 m，縱向長(zhǎng)約210 m，橫向?qū)捈s60 m，平均厚約10 m，體積約12.6×104m3。

2.2 邊坡地質(zhì)結(jié)構(gòu)特征

根據(jù)巖性及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，邊坡主要涉及3類成因的地層：

圖2 棄渣堆邊坡工程地質(zhì)平面圖及變形裂縫分布圖

2.3 邊坡變形破壞特征

受2008年“5.12”汶川地震和2013年“4.20”蘆山地震以及集中暴雨的影響，從2014年開(kāi)始，棄渣堆邊坡開(kāi)始變形，到2017年變形進(jìn)一步加劇，整個(gè)滑坡體范圍內(nèi)可見(jiàn)多處長(zhǎng)10～30 m的大型裂縫，兩側(cè)邊界可見(jiàn)明顯剪切錯(cuò)動(dòng)跡象。整個(gè)變形區(qū)因前緣臨空，出現(xiàn)棄渣堆頂部下沉、坡體發(fā)生溜滑，并對(duì)棄渣堆前緣老堆積土體產(chǎn)生擠壓剪出等變形，整體可分為四級(jí)變形所形成的錯(cuò)臺(tái)與陡坎，每級(jí)錯(cuò)臺(tái)高度均在10 m以上。各級(jí)下錯(cuò)臺(tái)階裂縫延伸較長(zhǎng)，如LF07、LF09(圖2(d))，形成最長(zhǎng)可達(dá)50 m、寬約15 m的錯(cuò)臺(tái)。

現(xiàn)場(chǎng)勘察表明，滑坡前緣剪出口以老堆積體剪出口變形裂縫為界(圖2(a))，后緣以陡崖后壁為界(圖2(f))，左、右兩側(cè)均以料石堆放邊界的剪切裂縫為界，主滑方向248°，體積約12.6×104m3。研究區(qū)變形裂縫統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表1，各剖面見(jiàn)圖3。

表1 棄渣堆滑坡變形裂縫統(tǒng)計(jì)表

圖3 棄渣堆邊坡滑坡變形體工程地質(zhì)剖面圖

3 棄渣堆邊坡變形破壞機(jī)制分析

根據(jù)上述變形特點(diǎn)及裂縫分布，棄渣堆滑坡整體屬于推移式滑坡，而每一級(jí)平臺(tái)棄渣堆表部又具有局部牽引式(后退式)滑移特征。

棄渣堆積體前緣下方為居民集中區(qū)，棄渣堆一旦發(fā)生整體滑坡失穩(wěn)可能會(huì)出現(xiàn)以下兩種次生災(zāi)害類型：(1)碎屑流；(2)坡面泥石流。無(wú)論哪種災(zāi)害，都會(huì)對(duì)坡下居民生命財(cái)產(chǎn)安全構(gòu)成嚴(yán)重威脅。

為了獲取棄渣堆巖土體的滲透性能，現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)展了原位雙環(huán)滲透試驗(yàn)，得到棄渣體與下伏老堆積體的飽和滲透系數(shù)，結(jié)果見(jiàn)表2、圖4。

表2 棄渣體與老堆積體不同深度滲透系數(shù)

圖4 棄渣堆土體滲透系數(shù)隨時(shí)間變化曲線

滲透試驗(yàn)表明，兩種不同類型土體的飽和滲透系數(shù)都隨著土體深度增加而呈遞減的趨勢(shì)，棄渣體表層的滲透系數(shù)為1.41×10-1cm/s，而埋深1 m時(shí)減小到2.00×10-2cm/s，但是下伏老堆積體的滲透系數(shù)因壓密要小得多，其表層飽和滲透系數(shù)僅為1.88×10-3cm/s，埋深1 m時(shí)5×10-4cm/s。可見(jiàn)棄渣體表層的滲透性能是老堆積體表層的75倍，埋深1 m時(shí)也相差40倍，這說(shuō)明棄渣滑坡體由棄渣堆石料組成，滲透系數(shù)相當(dāng)大，持續(xù)降水會(huì)很快入滲至下伏老堆積體表面，由于老堆積體滲透性差，這部分水形成滯水富水帶而軟化新老堆積體界面，導(dǎo)致其強(qiáng)度參數(shù)急劇降低，再加之水的浮托力作用，導(dǎo)致棄渣堆積體易沿新老堆積體界面下滑。

4 降雨對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響

為了研究降水持續(xù)時(shí)長(zhǎng)對(duì)棄渣堆滑坡穩(wěn)定性的影響，運(yùn)用SLOPE/W模塊計(jì)算邊坡穩(wěn)定性系數(shù)，疊加SEEP/W模塊中計(jì)算孔隙水壓力的結(jié)果，模擬不同時(shí)間下持續(xù)降雨對(duì)棄渣堆積體邊坡穩(wěn)定性的影響。

模型共劃分為3個(gè)區(qū)域，從上到下分別為棄渣體、老堆積體和基巖。且考慮各層巖土體均質(zhì)各向同性，通過(guò)取樣試驗(yàn)，同時(shí)結(jié)合參數(shù)反演和經(jīng)驗(yàn)類比得到各層巖土體的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)(表3)。

表3 邊坡物理力學(xué)參數(shù)建議值表

查閱《中國(guó)暴雨統(tǒng)計(jì)參數(shù)圖集》，得到該棄渣堆所在地區(qū)的1 h、6 h、24 h、48 h、72 h狀態(tài)下暴雨量及暴雨強(qiáng)度如表4所示。

表4 降雨參數(shù)統(tǒng)計(jì)值

選取棄渣堆積體滑坡主滑方向1-1′剖面為例，分布在0 h、1 h、6 h、24 h、48 h、72 h持續(xù)降雨的作用下穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果如圖5所示。

圖5 1-1′剖面在持續(xù)降雨作用下相應(yīng)穩(wěn)定性系數(shù)

由圖6(a)可知，邊坡穩(wěn)定性系數(shù)隨降雨時(shí)間的增長(zhǎng)呈非線性降低趨勢(shì)，而降雨歷時(shí)對(duì)坡體穩(wěn)定性的影響隨時(shí)間的增長(zhǎng)而逐漸趨于變緩。降雨前坡體穩(wěn)定性系數(shù)為1.080，處于基本穩(wěn)定狀態(tài)。降雨1 h后驟減到1.029，處于欠穩(wěn)定狀態(tài)。隨著持續(xù)降雨，雨水不斷入滲，坡體穩(wěn)定性系數(shù)繼續(xù)降低。降雨72 h后，坡體穩(wěn)定性系數(shù)大幅減小至0.969，處于不穩(wěn)定狀態(tài)。在降雨24 h過(guò)程中，穩(wěn)定性系數(shù)降低的速率最大，每24 h可降低0.102 mm，之后降低速率趨于穩(wěn)定，每24小時(shí)降低0.004 5 mm。從圖6(b)也可見(jiàn)，穩(wěn)定性系數(shù)變化率隨降雨歷時(shí)的增長(zhǎng)趨于平緩。但在24 h內(nèi)，影響仍然顯著，表明降雨入滲依然是影響邊坡穩(wěn)定性的主要因素。

圖6 1-1′剖面在持續(xù)降雨作用下穩(wěn)定性隨時(shí)間變化趨勢(shì)

5 結(jié)論

(1) 由粗顆粒組成的棄渣體邊坡與其下伏老堆積土體由于密實(shí)程度的差異，兩者滲透系數(shù)差異明顯，埋深1 m時(shí)前者為2.00×10-2cm/s，后者相應(yīng)部位為5×10-4cm/s，棄渣體是老堆積土體的40倍。

(2) 由于滲透差異，持續(xù)降雨進(jìn)入棄渣堆后會(huì)很快入滲至下伏老堆積體表面，由于老堆積體滲透性能差，這部分水形成滯水富水帶而軟化新老堆積體界面，導(dǎo)致其強(qiáng)度參數(shù)急劇降低，再加之水的浮托力作用，導(dǎo)致棄渣堆積體易沿新老堆積體界面下滑。

(3) 基于Geo-Studio軟件中的SLOPE/W和SEEP/W模塊分析了棄渣堆積體穩(wěn)定性隨降雨時(shí)效的影響，表明穩(wěn)定性系數(shù)隨降雨時(shí)間的增長(zhǎng)呈非線性降低趨勢(shì)。

[1] Colomer-Mendoza et al. Influence of the design on slope stability in solid waste landfills [J]. Earth,2013,Sci 2(2):31-39.

[2] Huang Y et al. SPH-based numerical simulations of flow slides in municipal solid waste landfills [J]. Waste Manage Res,2013,(31):256-264.

[3] 李鏡培,趙春風(fēng).土力學(xué)[M].北京:高等教育出版社,2008:4.

[4] 馬曉燕,邸利,傅志娥,等.朱岔峽水電站2號(hào)棄渣場(chǎng)邊坡穩(wěn)定度分析與水土保持措施[J].中國(guó)水土保持,2011,5(5):53-55.

[5] 李林,夏祿清.礦山排土場(chǎng)穩(wěn)定性研究的若干問(wèn)題探討[J].云南冶金,1998,27(5):9-13+31.

[6] 廖建.金元水電站10#渣場(chǎng)堆載過(guò)程中邊坡穩(wěn)定性演化分析[D].成都理工大學(xué), 2013.

[7] 黃廣龍,周建,龔曉南.礦山排土場(chǎng)散體巖土的強(qiáng)度變形特性[J].浙江大學(xué)學(xué)報(bào)(工學(xué)版),2000,34(1):56-61.