某隧道出口弃渣场边坡稳定性分析

柏淼

（中煤科工集团沈阳设计研究院有限公司，辽宁 沈阳 110015）

某隧道出口弃渣场边坡稳定性分析

柏淼

（中煤科工集团沈阳设计研究院有限公司，辽宁 沈阳 110015）

针对某隧道出口弃渣场存在安全隐患，采取Geoslope岩土计算弃渣场稳定性，并提出具体保证稳定性措施，再通过MIDAS-NX数值模拟对治理后的渣场进行评价，验证了该方案安全可靠，为类似工程积累了经验。

边坡；数值模拟；暴雨；治理措施

1 工程概况

某弃渣场位于本溪市境内，大顶山隧道东南侧，渣量约50万m3，渣场地势东高西低，有一处冲沟贯穿场区。边坡前缘高度为15～36 m，坡度约18°～31°，边坡顶的平台宽度为100～190 m，边坡平台后缘大部分延伸至原始地面标高，东北侧渣场尾部有6 m高差坡面，形成一阶平台，平台底延伸至冲沟地面。弃渣场边坡前缘坡脚处为高度不等的浆砌片石挡墙，挡墙最高为8 m，挡墙与坡顶之间为人工形成的3个台阶，台阶及坡面已种草复绿。弃渣场前缘地势低洼呈“V”形沟谷，沟谷两边高，中间低，形成高度不等的斜坡，向弃渣场垂直延伸下游方向约150 m后形成地势相对开阔区域。沟谷内存在自然村庄，由于沟内居民房屋距弃渣场前缘较近，需对该弃渣场边坡稳定新进行评价，已保障居民安全。

2 区域地形地貌及气象条件

弃渣场边坡位于辽宁省本溪市南芬区金坑村，区内总趋势是中部低，向周边逐渐升高，最高点位于弃渣场东北部，海拔408.8 m，最低点位于弃渣场前缘沟谷内，海拔182 m。区内地形切割较强烈，地形复杂。根据区域地貌形态类型划分为低山丘陵和沟谷两个地貌单元。其中低山丘陵广泛分布于渣堆区域，被枝状沟谷所切割。多呈长脊状，少数呈浑圆状，坡角一般15°～25°，地表植被发育优良。表层岩性主要为第四系表土、坡积物、风化岩层。沟谷呈东南-西北向，多呈树枝状分布，主沟断面多呈“V”型。区内最大沟谷由东南向西北穿过弃渣场，沟谷宽5～30 m。弃渣场所处的南芬区属北温带大陆性季风气候，处于中温带湿润区，四季分明，日照充足。年降雨量850～900 mm，年蒸发量450～500 mm，大气降水多集中在6—8月，占全年降水量的60%以上，且多暴雨。区内无霜期为110～150 d。

3 区域地质及工程地质条件

工程地质经过明挖探槽的方法查明弃渣场地层主要由渣料、坡积物、风化基岩构成，现就探槽所揭露的地层情况描述如下：

1）渣料。杂色，该渣料为隧道开挖剥离的泥灰岩、页岩、碎石土组成，粒径不均，一般在10～50mm左右，局部粒径大于400 mm，该层填土粒径粗大，内摩擦角约为25°～33°。

2）坡积物。黄褐色，灰褐色，主要为粉质黏土组成，夹卵石、页岩碎块，局部为泥灰岩残积物。该层土内摩擦角较大，约在18°～21°，黏聚力较小，厚度一般在5.0～6.0 m。

3）风化基岩。主要为泥灰岩，全-强风化，较破碎，走向南偏北178°，倾角15°～25°。

4 弃渣场边坡稳定性分析

弃渣场边坡稳定性受多种因素影响，如弃渣场底地层工程地质条件，岩层赋存状况，基底岩层强度，排弃物的物理力学特性，边坡潜在的破坏模式，边坡的几何参数和边坡的服务年限等主要因素。弃渣场边坡不同岩体的组合顺序可能导致边坡稳定性不同，可以说弃渣场边坡稳定性很大程度是由排弃物决定的。

根据对现有弃渣场周围的现场调查，结合经验，可以初步判断影响该边坡稳定性主要因素为边坡坡脚挡墙的自身稳定、坡面台阶的留设问题。针对此情况，采取Geoslope岩土计算弃渣场稳定性，并提出具体保证稳定性措施，再通过MIDAS-NX数值模拟对治理后的渣场进行评价。

4.1 Geoslope岩土计算弃渣场稳定性

通过Geoslope岩土软件，采用极限平衡法中的M-P法 、Sarma法和 ordinary法分别计算出不同典型剖面的安全系数，对比GB50330—2013建筑边坡工程技术规范中的稳定性判定安全系数，得到稳定性评价结论。

4.1.1 计算剖面的选取

综合分析该渣场周边环境，最典型的边坡断面分别为挡墙最高且处于地形沟底的1-1′剖面，渣场前缘距离附近村民房屋最近的2-2′剖面和3-3′剖面。计算剖面布置如图1所示。

图1 计算剖面布置

4.1.2 岩土物理力学参数选取

针对布设的3个边坡剖面进行稳定性分析计算，首先对3个剖面进行整体稳定性计算，再对每个剖面最危险滑动面进行自动搜索，并确定其稳定系数。计算参数选取见表1，计算结果见表2、表3。

表1 岩土物理力学参数

表2 指定滑动面整体滑动法稳定性安全系数

表3 自动搜索最危险滑动面法稳定性安全系数

经过对剖面的稳定性计算，结果表明3个剖面的最小整体稳定性安全系数为3.01，远满足一级边坡安全要求，排除了边坡整体滑动的可能。通过3个自动搜索滑动面的计算结果表明3个剖面安全系数均大于1，潜在最危险滑动面出口均为边坡前缘。1-1′和2-2′剖面的稳定系数Fs〈1.35不满足一级边坡稳定安全系数；3-3′剖面的稳定系数Fs〉1.35满足一级稳定性要求[2]。说明边坡整体处于基本稳定状态，但局部安全储备不足，存在一定安全隐患，应采取相应预防控制措施。

4.2 边坡稳定治理措施

通过对该弃渣场边坡的分析，主要采取新建支挡挡墙和修筑完整排水系统的方式进行治理。对渣场前缘采取局部新建衡重式挡墙的措施保障边坡稳定性。根据现场地形条件，将东北侧渣场尾部区域洼地标高填至与周围排水系统相连接，修筑完整排水系统。

4.3 治理方案的MIDAS-NX数值模拟

通过采用MIDAS-NX软件，采用强度折减算法（SRM）。它是在理想弹性有限元计算中，将边坡岩土抗剪强度参数逐渐降低，指导其达到破坏状态为止，即破坏滑动面（塑性应变和位移突变的地带），同时，得到边坡的强度储备安全系数F。通过调整折减系数对边坡的稳定性进行分析，求得边坡的最小安全系数，同时，强度折减法计算表明，泊松比对安全系数的计算结果没有影响，强度折减法可以直接得出不需要事先假设滑裂面的形式和位置，还可以考虑边坡的渐进过程，此方法对于有限元全面的满足了静力许可、应变相容和应力-应变之间的本构关系，因此不必引入假定条件，保证严密的理论体系，而且采用数值分析，可以不受边坡几何形状的不规则和材料的不均匀性的限制，是边坡分析比较理想的方法。

4.3.1 数值模型的构建

根据边坡地质资料，在模型的构建过程中，力求尽量符合与反映实际工程，从几何边界条件、地质边界条件、材料边界条件等方面综合考虑来建立合理的边坡地质力学模型。

本次模型包括弃渣场压占范围以及压占范围以外原地貌50～100 m。其中模型剖面1-1′共剖分了6 857个单元，7079个节点，剖面2-2′共剖分了5 378个单元，5 285个节点，剖面3-3′共剖分了4 284个单元，4 454个节点。

4.3.2 模拟结果

通过对边坡进行数值模拟分析，可以得出边坡由其自身重力产生铅直应力和水平应力，并在坡脚挡墙处产生应力集中现象，滑裂面均在坡脚挡墙前剪出。1-1’剖面的稳定系数为1.375，2-2’剖面的稳定系数为 1.393，3-3’剖面的稳定系数为1.395，3个典型剖面的安全系数均大于一级边坡1.35的要求。说明边坡处于稳定阶段，验证了治理方案的可靠性。模拟结果见表4。

表4 治理后安全系数计算结果

4.3.3 极端暴雨工况模拟

该弃渣场边坡属于永久性边坡，破坏后会造成人员及财产的损失，考虑到设计的百年大计，如果遇到暴雨极端情况，势必渣场边坡的稳定性会降低，存在滑坡的可能。因此采取按连续2天极端暴雨，暴雨降雨量228.6 mm/d(历史最大降雨量，发生在1960年8月4日)进行数值模拟，模拟结果见表5。

表5 极端暴雨情况模拟结果

通过对暴雨模拟结果分析，可以看出随降雨的时间持续，边坡内水位会持续升高，3个典型剖面的安全系数有所降低，但仍满足边坡安全稳定性要求。

5 结论

通过采用Geoslope软件计算分析，该弃渣场边坡不会发生整体滑移，目前处于基本稳定状态。但局部安全储备不足，需采取一定的安全措施；结合当地经验及周边环境，给出了新建挡墙和修筑完整排水系统的治理方案，并运用MIDAS-NX软件，对治理后的边坡进行一般工况及极端暴雨工况的数值模拟，验证了治理方案的可靠性，为类似工程提供了宝贵经验。

［1］ 中华人民共和国住房和城乡建设部.GB50330—2013建筑边坡工程技术规范［S］.北京：中国建筑工业出版社，2013.

［2］ 中华人民共和国住房和城乡建设部.GB50021—2001岩土工程勘察规范［S］.北京：中国建筑工业出版社，2009.

［3］ 上官，曾蔚.边坡开挖的有限元数值模拟分析［J］.公路交通科技，2006.23（5）：31-35.

［4］ 朱嫕.极限平衡有限元法在边坡稳定分析中的应用［J］.上海水务，2014.30（2）：17-20.

［5］ 阙云，胡昌斌，姚晓琴.降雨入渗下残积土坡失稳因素的敏感程度分析［J］.广西大学学报，2009，34（4）：469-472.

［6］ 薛中洲，曾田，吴逢春.降雨渗流对边坡稳定性的影响分析［J］.路基工程，2008（5）：132-133.

［7］ 邵龙谭，唐洪祥，韩国城.有限元边坡稳定分析方法及应用［J］.计算力学学报，2001，18（1）：31-35.

［8］ 刘晓燕，王兴国，闫坤伐，等.基于Midas/GTS滇西红层高边坡抗震稳定性分析［J］.路基工程，2016（5）：187191.

【责任编辑：陈 毓】

Slope stability analysis of abandon slag field at tunnel exit

BAI Miao
(China Coal Technology and Engineering Group Shenyang Design&Research Institute,Shenyang 110015,China)

Aiming at the hidden dangers of abandon slag field at tunnel exit,Geoslope geomaterials were used to calculate the stability of spoil,and the measures to ensure stability were put forward.Then,the dregs field will be evaluated by MIDAS-NX numerical simulation.The program is safe and reliable,which accumulates experience for similar projects.

slope;numerical simulation;rainstorm;control measure

TD824.7

B

1671-9816（2017）04-0081-03

10.13235/j.cnki.ltcm.2017.04.024

柏淼.某隧道出口弃渣场边坡稳定性分析［J］.露天采矿技术，2017，32（4）：81-83.

2016-12-27

柏 淼（1985—），男，辽宁阜新人，工程师，硕士，2010年毕业于东北大学资源与土木工程专业，主要从事岩土勘察与设计工作，