基于Geo-Studio的弃碴场稳定性分析

时间：2024-07-28

蒋翰

(西南交通大学地球科学与环境工程学院，四川成都 611756)

随着我国现代交通的不断发展，交通基础设施中的隧道工程数量也不断增多，与之伴随的弃碴场数量也不断增加。弃渣场的安全问题越来越受到关注，不稳定的弃碴场会影响铁路的正常运营，威胁人民群众的生命安全。因此需要对弃碴场进行稳定性评价，并及时对不稳定的弃碴场进行治理并采取防护措施。

弃碴场边坡不同于一般的边坡，为松散岩体和土体堆集而成。其稳定性受控于弃碴场方量、坡度、堆高、弃碴体自身物理力学性质等，也受控于降雨、地震等外界因素，其中降雨入渗是边坡失稳的重要诱因。许多学者对不同渗流情况下的边坡稳定性进行了大量分析[1-5]。

本文以某铁路沿线一弃碴场作为研究对象，依托于Geo-Studio软件，采用非饱和渗流理论分析不同工况下的渗流场，随后分析不同工况下的边坡的稳定性。

1 工程概况

本文研究的弃碴场属某铁路沿线附属工程，弃渣场堆积方量约为20.19×104m3，最大堆高为30 m，属于坡地型弃碴场。

弃碴场所在区域为低山丘陵地貌，海拔为200～400 m之间，植被茂密。区域分布的地层由上往下为人工填碴(Q4ml)，第四系全新统坡洪积(Q4dl+pl)粉质黏土、白垩系(K-Edh)泥质砂岩和元古界(Pt)片岩。其中人工弃碴主要成分多为强～弱风化砂岩、片岩碎石块夹粉质黏土。研究区属于亚热带季风气候，年降雨量在800～1000 mm之间。区内地表水较发育，地下水以基岩裂隙水为主，主要接受大气降水补给。

2 弃碴场渗流分析

2.1 模型概况

本文研究的弃碴场主要组成有人工填碴，第四系全新统坡洪积粉质黏土、白垩系泥质砂岩和元古界片岩，各地层物理力学指标见表1；并根据现场实际情况，采用Geo-Studio软件对弃碴场进行建模，计算模型如图1所示。

表1 弃碴场物理力学指标

图1 弃碴场计算模型

2.2 边界条件

模型的边界条件考虑如下：①将弃碴场表面均作为接受大气降水补给的边界，作为流量边界；②弃碴场左侧及底部按照零通量边界处理；③弃碴场右侧边坡按照排泄边界处理。

2.3 降雨情况

给区域边界条件进行赋值后本文考虑弃碴场在不同持续暴雨工况下(1 h、6 h、24 h、72 h)的稳定性，暴雨强度值参考《中国暴雨统计参数图集》，随后根据雨水的入渗强度选取相应的入渗系数来对入渗雨量进行统计。不同工况下的入渗雨量强度值见表2。

表2 暴雨工况设计入渗雨量强度

2.4 渗流计算结果

将设计参数输入值Geo-Studio软件的SEEP/W模块，模拟结果见图2。在降雨的起始阶段，随着降雨的入渗表层弃碴中的孔隙水压力逐渐增大，但由于弃碴的渗透系数大于暴雨强度，所以在弃碴体浅表层并未出现暂时饱和区。在入渗过程汇总水分主要是以向下运移位置，并未出现渗流，随着降雨时间的增强，渗流场逐渐发生变化。图2(a)为只考虑地下水情况下的稳态渗流场，随着降雨时间的增长(图2)，逐渐在弃碴场右上方形成较大面积的低孔隙压力区，表明弃碴体在降雨入渗的作用下整体结构逐渐发生下沉，但受控于坡脚挡墙的支护作用，使得大量弃碴体向坡体内部运移，并未产生向坡脚方向运动的趋势，表明了挡土墙对于整个弃碴场的支护作用效果明显。

(a)稳态渗流孔压分布

(b)暴雨1h孔压分布

(c)暴雨6h孔压分布

(d)暴雨24h孔压分布

(e)暴雨72h孔压分布图2 渗流计算结果

3 弃碴场稳定性分析

前文考虑弃碴场在不同工况下的渗流场的状态，下文将在此基础上计算弃碴场边坡的稳定性。

3.1 整体稳定性分析

采用传递系数法通过设定特定的稳定性系数计算剩余推力来确定两种状态下的整体稳定性系数。整体稳定性系数计算结果列于表3，根据GB50330-2013《建筑边坡工程技术规范》，天然状况下和暴雨工况下弃碴场均处于稳定状态。

表3 传递系数法弃碴体稳定性系数

3.2 局部稳定性分析

在渗流计算的基础上，本文运用Geo-Studio软件的SEEP/W模块和SLOPE/W模块，使用包括瑞典圆弧(Ordinary)法、毕肖普(Bishop)法和摩根斯坦—普赖斯(Morgenstern-Price)法等三种方法对弃碴体进行局部稳定性分析，并搜索剖面的最危险滑动圆弧。计算结果列于表4，结果表明，在持续暴雨情况下，边坡均处于稳定状态；且在持续降雨强度不断增加的情况下，弃碴场的稳定性系数并未出现较大的减小，这与弃碴场边坡坡脚处存在挡墙有关。

表4 暴雨工况弃碴体边坡稳定性结果