关键词：水电工程；弃渣场；极限平衡；数值分析；
中图分类号：S157 文献标识码：B
1 国内外有关弃渣场边坡稳定性研究现状
1.1弃渣体研究发展历程
弃渣体是工程建设、工业冶炼及生活生产等方面所产生的废弃物。作为一种特殊的人工堆积体，弃渣具有非饱和、欠固结、多孔隙等结构特点。2002年王金禾对引子渡水电站厂房弃渣场滑移成因及治理措施进行了研究，并提出了相应的处理建议。2006年罗雷等人对弃渣场堆渣及挡渣墙稳定性进行了研究，临时堆放的挖方在坡度β<土壤内摩擦角ф和无暴雨、大风的情况下，能处于稳定的状态。2012年张家铭研究了影响弃渣场边坡稳定性的6个因素,运用改进的正交设计法得到了更可靠的敏感因素,强调在弃渣场稳定性分析中应着重考虑其凝聚力和内摩擦角。总体而言，目前国外对弃渣场稳定性的研究主要集中在宏观参数方面。
1.2 弃渣体稳定性分析方法
长久以来，为减少和防止弃渣体边坡失稳灾害的发生，很多学者一直在努力探寻一套合适的评价、预测及和预报的方法。从总体上来讲，弃渣体稳定性的评价方法类似于边坡的稳定性分析，可分为两类，一类是确定性分析法，一类是非确定性分析法。
1.2 .1确定性分析法
确定性分析法包括定性分析和定量分析。
定性分析方法是通过工程地质勘察，对边坡的演化历史和力学机制进行分析，得出影响边坡的稳定性因素，并判断边坡的稳定性状况及预测边坡的发展趋势。
定量分析方法主要包括极限平衡法和数值模拟方法等。
1.2 .2非确定性分析法
弃渣体边坡系统是开放系统，存在人为和参数等不确定性因素的影响，使得稳定性分析具有随机性。所以应用于边坡稳定性分析中的耗散理论、协同理论、混沌理论、模糊理论、随机理论、灰色系统理论和突变理论等同样适用于弃渣体边坡的研究中，形成了一系列不确定性分析方法，包括可靠度分析法，随机过程法，模糊分析法，灰色系统预测滑坡失稳分析方法，人工智能和人工神经网络方法等。
2 水电工程弃渣场稳定性研究思路
为全面的完成弃渣场的稳定性分析，首先应对弃渣场的堆存场区环境地质条件进行全面的调查勘测，并详细地对弃渣体的物质组成、结构、物理性质、渗透性、强度特征等进行调查与试验。在以上调查、试验获取相关数据、参数的基础上，采用多种方法（主要包括刚体极限平衡法、有限元强度折减法等）选取代表性典型断面对弃渣体局部及整体稳定性进行计算，评价。
3 弃渣场现状调查与试验
3.1 弃渣场基本特征调查
弃渣场的基本特征包括弃渣场的分布、规模、物质组成、结构特征、变形破坏特征。
弃渣场分布、规模的调查主要包括弃渣场堆存位置环境条件、地形条件；弃渣场堆存面积、堆存高度、堆存体型以及其他表观特征。
弃渣场物质组成、结构特征的调查主要包括弃渣场堆存物源、分层分布情况；各物源分布范围、堆积高度；弃渣体堆积坡度等；
弃渣场的变形破坏特征调查主要包括弃渣场现状有无变形破坏迹象，如拉裂缝的范围、延伸方位、张开宽度、错距、延伸长度；滑塌变形的的位置、范围、体型、长度、宽度、滑塌方量、滑塌坡度等。
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3.2 弃渣体的物理力学特征试验
3.2.1弃渣体的颗粒组成特征
颗粒级配可采用野外线密度测量及室内筛分试验相结合的方法。首先，现场统计2cm以上粒径的颗粒所占的比例的基础上，然后现场采集2cm以下的土样、室内经烘干后进行筛分试验。通过野外统计和室内试验分别整理各个粒径范围土颗粒所占的百分比，然后利用土和石的不同比重，将各个粒径的体积百分比换算成质量百分比，获得弃渣体的颗粒粒径组成。
3.2.2弃渣体的物理性质
弃渣体的物理性质主要为通过试验确定弃渣体的天然重度（现场大重度试验）、比重（比重瓶法）、含水量（烘干法）。
3.2.3弃渣体的强度特征
利用现场采集的弃渣体样本，通过室内中型剪切试验，获得弃渣体天然及饱和条件下的强度特征，主要包括粘聚力及摩擦系数。
3.2.4弃渣体的渗透特征
为了获得弃渣体的渗透特性，分别选取选取代表性的点位进行双环法试坑渗透试验。双环法渗透试验是在野外非饱和松散土层测定渗透系数的简易方法，进行试验时，需要同时对内、外环进行灌水，并且在试验过程中全程保持内外环水头相同。外环渗流场在试验时主要起边界约束的作用，使内环的水只能垂直入渗，排除类似试坑渗水试验、单环渗水试验导致的侧向渗流误差。
4 弃渣场稳定性计算
4.1 计算方法
一般说来，稳定性分析方法主要有极限平衡法、有限单元法、离散单元法及概率分析法。首先，极限平衡法所选择的边界是根据具体情况假定破坏面，而不是按塑性理论计算得到的；其次，破坏面所围限的岩土体仅需在滑动面上满足塑性条件即可，而不是像塑性理论那样，要求坡体内每一点均需满足塑性条件。采用极限平衡法对岩土体进行稳定性评价时，首先假设滑面，滑面可为各种形态；然后根据滑面确定极限抗力，再求得稳定性系数。由于滑面是假设的，具有较大的不确定性，因此，各滑面所求得的安全系数可能会有较大差异，其最小值最接近于问题的解答，相应的破坏面就是最危险滑面。因此，弃渣场的稳定性计算，可在基于刚体极限极限平衡法（一般条分法、简布（Janbu）法和不平衡推力传递系数法等）的基础上，然后采用有限元强度折减法进行复核验证。
有限元强度折减法采用岩土材料的非线性弹塑性模型，通过计算岩土体内部的应力、应变分布，自动分析滑裂面、模拟边坡的破坏过程，直接得到边坡的稳定性系数，其基本原理是将岩土体物理力学参数内聚力C及内摩擦角φ同时除以一个折减系数F，得到一组新的C′、φ′值，然后作为新的材料参数计算。当计算正好收敛时，对应的F值被称为最小安全系数，此时土体达到临界状态。
4.2 计算参数的选取
由于弃渣体的物质组成、结构的不均匀性。为了较合理地选择弃渣体的强度参数，在相关试验的基础上，以试验成果为依据、结合参数反演及工程类比的方法来综合确定弃渣体的计算参数。
4.3 稳定性计算
根据弃渣体所处位置以及渣体物质组成，选取不同代表性断面建立模型，利用基于刚体极限平衡法及有限元折减法对弃渣体进行稳定性计算。主要包括弃渣体沿原坡体整体稳定性计算、基于最危险面搜索的弃渣体局部稳定性计算。
根据两种不同的计算方法得出的计算结果进行对比分析，以确定弃渣场的稳定状态及失稳的特征或区域。
5 结语
工程建设过程中大量弃渣的不合理堆放，易诱发泥石流、弃渣体边坡失稳及水土流失等问题，在降雨及其他外部荷载作用下弃渣场极易失稳，引发一系列严重的生态环境及安全问题。为减小弃渣体潜在的破坏性，应全面掌握弃渣的物理力学性质及弃渣体的相关特征，并对弃渣体的稳定性做出可靠性分析，以便只能弃渣场合理的治理措施，达到合理堆放、有效利用、安全运行的目标。
参考文献：
[1]罗雷，何丙辉，王锐亮.弃渣场堆渣及挡墙稳定性分析[J].水土保持研究，2006，13（2）:253-256.
[2]刘建伟，史冬梅，马晓刚，刘益军.弃渣场边坡稳定性特征分析[J].水土保持学报，2007，21（5）:192-195.
[3]许虎，顾平，罗飞.金沙江某水电站弃渣场稳定性评价[J].水电与新能源，2012，03:51-53.
论文作者:夏朝辉
论文发表刊物:《科技中国》2017年10期
论文发表时间:2018/5/2
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